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AbituraufgabenDer Artbegriff

Zwillingsarten am Gesang erkennen und einen Salamanderring deuten — den Artbegriff an Grenzfällen prüfen.

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1

Zwei Grashüpfer, ein Gesang?

AFB I–II

Der Nachtigall-Grashüpfer (Chorthippus biguttulus) und der Braune Grashüpfer (Chorthippus brunneus) leben in Mitteleuropa oft auf denselben Wiesen. Die Männchen erzeugen durch Reiben der Hinterbeine an den Flügeln einen artspezifischen Gesang, auf den paarungsbereite Weibchen mit eigenem Gesang antworten.

M1Körpermerkmale im Vergleich (vereinfacht)
MerkmalNachtigall-GrashüpferBrauner Grashüpfer
Körperlänge Männchen13–16 mm14–18 mm
Färbungsehr variabel, braun, grau oder grünlichsehr variabel, meist braun
Flügelerreichen die Knie der Hinterbeineerreichen die Knie der Hinterbeine
Vorderflügel des Männchensam Vorderrand deutlich erweitertam Vorderrand nur wenig erweitert
M2Gesang der Männchen (schematisch)
Nachtigall-GrashüpferBrauner GrashüpferZeit → (schematisch)
M3Wahl- und Kreuzungsversuche (nach PERDECK 1958, vereinfacht; Zahlen sind Modellwerte)
VersuchErgebnis
Weibchen hören Gesang vom TonbandWeibchen antworten zu etwa 90 % auf den Gesang der eigenen Art, zu unter 5 % auf den der anderen
gemischte Gruppen im KäfigPaarungen fast nur innerhalb der eigenen Art
erzwungene Kreuzung im Labor (nur ein Partner zur Wahl)Mischlinge schlüpfen, sind lebensfähig und fruchtbar
FreilandfängeMischlinge nur sehr selten gefunden
  1. Beschreiben Sie die Unterschiede im Körperbau und im Gesang der beiden Grashüpfer (M1, M2).
  2. Erläutern Sie, warum der morphologische Artbegriff hier an seine Grenzen stößt.
  3. Werten Sie M3 im Hinblick auf den Genfluss zwischen den beiden Formen aus.
  4. Ein Schüler argumentiert: „Die Mischlinge im Labor sind fruchtbar. Also gehören beide Grashüpfer zu einer Art.“ Beurteilen Sie diese Aussage auf der Grundlage des populationsgenetischen Artbegriffs.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Trennen Sie Merkmale, die sich überschneiden, von eindeutigen Unterschieden.
Hinweis zu Aufgabe b)
Denken Sie an Zwillingsarten.
Hinweis zu Aufgabe c)
Unterscheiden Sie zwischen „möglich“ im Labor und „tatsächlich“ im Freiland.
Hinweis zu Aufgabe d)
Welche Bedingung der Definition nach MAYR übersieht der Schüler?Beurteilen: Zu einem Sachverhalt ein selbstständiges Urteil unter Verwendung von Fachwissen und Fachmethoden formulieren und begründen.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Im Körperbau stimmen die Tiere weitgehend überein: Körperlänge und Färbung überschneiden sich stark, die Flügel reichen bei beiden bis zu den Knien. Ein Unterschied besteht nur in der Form des Vorderflügels der Männchen, der beim Nachtigall-Grashüpfer am Vorderrand deutlich erweitert ist. Deutlich verschieden ist der Gesang: Der Nachtigall-Grashüpfer singt wenige lange Verse, die jeweils anschwellen; der Braune Grashüpfer erzeugt viele kurze, gleich laute Silben in regelmäßigen Abständen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Der morphologische Artbegriff ordnet nach Übereinstimmung im Körperbau. Die beiden Formen unterscheiden sich darin kaum; Färbung und Größe überschneiden sich, und das einzige Unterscheidungsmerkmal betrifft nur die Männchen. Weibchen und viele Männchen ließen sich nach dem Körperbau nicht sicher zuordnen. Nach dem Aussehen wäre man versucht, eine Art anzunehmen. Die Tiere gelten aber als zwei Arten — sie sind ein Beispiel für Zwillingsarten, bei denen der Körperbau die Artgrenze nicht erkennen lässt.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Die Weibchen reagieren fast nur auf den Gesang der eigenen Art, und auch in gemischten Gruppen paaren sich die Tiere fast nur innerhalb der eigenen Art. Im Freiland sind Mischlinge sehr selten. Unter natürlichen Bedingungen findet daher kaum Genfluss statt; der Gesang trennt die Genpools. Die Laborkreuzung zeigt, dass Mischlinge grundsätzlich lebensfähig und fruchtbar sind — genetisch ist ein Austausch also nicht ausgeschlossen. Die Trennung beruht auf der Partnerwahl, nicht auf unfruchtbaren Nachkommen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Die Aussage ist nicht haltbar. Der populationsgenetische Artbegriff verlangt, dass sich die Populationen unter natürlichen Bedingungen fruchtbar miteinander fortpflanzen. Im Labor war die Kreuzung erzwungen, weil kein Partner der eigenen Art zur Wahl stand. Im Freiland, wo beide Formen gemeinsam vorkommen, paaren sie sich fast nie (M3), und Mischlinge bleiben die Ausnahme. Die Genpools sind damit reproduktiv voneinander getrennt; es handelt sich um zwei Arten. Einschränkend lässt sich festhalten, dass die Trennung nicht absolut ist: Vereinzelte Mischlinge zeigen, dass die Artgrenze bei jungen, nahe verwandten Arten durchlässig sein kann.

2

Salamander im Ring

AFB II–III

Der Salamander Ensatina eschscholtzii lebt in feuchten Wäldern der Gebirge Kaliforniens. Das trockene Längstal in der Mitte meidet er. Seine Populationen bilden daher einen Ring aus einer Küstenkette im Westen und einer Kette im Inlandgebirge im Osten, die im Norden verbunden sind und im Süden aufeinandertreffen.

M1Verbreitung der Populationen (schematisch)
Längstal(trocken, keineSalamander)ABCDEFGHIE und I: kaum MischlingeKüstenketteeinfarbig braunInlandgebirgegelb-schwarz geflecktNachbarnfruchtbare MischlingeN ↑
M2Befunde aus Freilanduntersuchungen (vereinfacht)
BefundBeobachtung
Benachbarte Populationen (z. B. A–B, B–C, F–G)Paarung im Kontaktgebiet, fruchtbare Mischlinge häufig
Populationen E und I (Süden)leben im selben Waldgebiet nebeneinander, Mischlinge kaum
FärbungKüste: einfarbig, Inland: auffällig gefleckt; Übergänge im Norden
Genetischer Abstandnimmt entlang des Rings von A aus nach beiden Seiten allmählich zu; zwischen E und I am größten
  1. Beschreiben Sie die Verbreitung und die Beziehungen der Populationen (M1, M2).
  2. Erklären Sie, warum man E und I nach dem populationsgenetischen Artbegriff sowohl als eine als auch als zwei Arten ansehen könnte.
  3. Deuten Sie den allmählich zunehmenden genetischen Abstand entlang des Rings (M2).
  4. Ein Lehrbuch schreibt: „Die Salamander Kaliforniens sollten in zwei Arten aufgeteilt werden: eine Küstenart und eine Inlandart.“ Diskutieren Sie diesen Vorschlag.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Gehen Sie den Ring von Süden über Norden nach Süden ab.
Hinweis zu Aufgabe b)
Unterscheiden Sie den direkten Kontakt im Süden vom Weg über den Ring.
Hinweis zu Aufgabe c)
Welche Rolle spielt die Entfernung zwischen Populationen für den Genfluss?
Hinweis zu Aufgabe d)
Sammeln Sie Argumente dafür und dagegen, und beziehen Sie beide Artbegriffe ein.Diskutieren: Zu einer Problemstellung oder These Argumente (Pro und Contra) gegeneinander abwägen und zu einem begründeten Ergebnis kommen.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Die Populationen A bis I bilden eine ringförmige Kette um das trockene Längstal. Im Westen liegen die einfarbigen Küstenformen (B bis E), im Osten die gefleckten Inlandformen (F bis I); im Norden sind beide Ketten über A verbunden. Benachbarte Populationen paaren sich und haben fruchtbare Mischlinge. Der genetische Abstand wächst entlang des Rings allmählich. Im Süden, wo die Endformen E und I im selben Gebiet leben, treten dagegen kaum Mischlinge auf.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Im Süden leben E und I nebeneinander, paaren sich aber kaum; zwischen ihnen findet direkt so gut wie kein Genfluss statt. Nach diesem Befund verhalten sie sich wie zwei reproduktiv isolierte Arten. Über den Ring sind sie aber durch eine Kette von Populationen verbunden, deren Nachbarn sich jeweils fruchtbar kreuzen. Allele können daher — über viele Generationen — von E über D, C, B, A, F, G und H nach I gelangen. In diesem Sinn gehören alle Populationen zu einem zusammenhängenden Genpool, also zu einer Art. Der Artbegriff setzt scharfe Grenzen voraus, die es bei einer Ringart nicht gibt.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Genfluss findet vor allem zwischen benachbarten Populationen statt. Je weiter zwei Populationen im Ring voneinander entfernt sind, desto weniger Allele werden zwischen ihnen ausgetauscht, und desto stärker können sich ihre Genpools unabhängig voneinander verändern. Deshalb nehmen die Unterschiede entlang des Rings schrittweise zu. Die Endformen E und I sind über den längsten Weg verbunden; zwischen ihnen haben sich so viele Unterschiede angesammelt, dass sie sich bei direktem Kontakt kaum noch paaren. Der Ring zeigt räumlich nebeneinander, was bei der Entstehung von Arten zeitlich nacheinander abläuft.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Für eine Aufteilung spricht, dass die Endformen im Süden nebeneinander leben, ohne sich nennenswert zu paaren — in diesem Gebiet verhalten sie sich wie zwei Arten. Auch morphologisch lassen sich Küsten- und Inlandformen an der Färbung gut unterscheiden, was die Bestimmung erleichtert. Gegen die Aufteilung spricht, dass im Norden und entlang beider Ketten Genfluss besteht; eine Grenze zwischen „Küstenart“ und „Inlandart“ würde mitten durch fruchtbar kreuzende Populationen verlaufen und wäre willkürlich. Nach dem populationsgenetischen Artbegriff gibt es keinen Ort, an dem der Ring sauber zu teilen wäre. Insgesamt ist die Ringart ein Grenzfall: Der Vorschlag vereinfacht die Lage. Angemessener ist es, die Salamander als eine Art mit vielen Populationen zu beschreiben, deren Endformen sich bereits weitgehend reproduktiv voneinander getrennt haben — ein Beispiel für Artbildung im Gang.