Flaschenhalseffekt und Gründereffekt

Vertiefung zum ThemaEvolutionsfaktoren

Geparden stoßen Hauttransplantate von nicht verwandten Artgenossen nicht ab. Auf der Pazifikinsel Pingelap sehen mehrere Prozent der Menschen überhaupt keine Farben, weltweit ist es etwa einer von 30.000. Beides hat dieselbe Ursache: Irgendwann war die Population winzig, und der Zufall hat entschieden, welche Allele weitergegeben wurden.

Einfach erklärt

Diese Seite vertieft das Thema Evolutionsfaktoren. Stell dir alle Erbanlagen von einer Gruppe als bunte Kugeln in einer Flasche vor. Jede Farbe ist eine andere Erbanlage. Nur wenige Kugeln passen durch den engen Hals. Welche Kugeln durchkommen? Das entscheidet der Zufall.

Beim Flaschenhalseffekt schrumpft eine Gruppe stark. Gründe sind zum Beispiel Jagd oder ein Sturm. Beim Gründereffekt gründen wenige Tiere eine neue Gruppe an einem anderen Ort. Die alte Gruppe bleibt bestehen. In beiden Fällen gehen seltene Erbanlagen leicht verloren. Andere werden zufällig häufig. Beides gehört zur Gendrift. Das heißt: Der Zufall verändert die Anteile.

Das Wichtigste:

• Um 1892 leben nur noch 20 bis 100 See-Elefanten. Heute sind es über 200.000 Tiere. Ihre Vielfalt bleibt aber gering.
• Auf der Insel Pingelap überleben um 1775 nur etwa 20 Menschen einen Taifun. Heute sehen dort 4 bis 10 % der Menschen keine Farben.
• Häufig heißt nicht nützlich. Auch nachteilige Erbanlagen können häufig werden.

Merke: Bei Flaschenhals und Gründereffekt entscheidet der Zufall, nicht die Anpassung.

Flaschenhalseffekt einfach erklärt

Stell dir den Genpool einer Population als Flasche voller bunter Kugeln vor. Jede Farbe steht für ein Allel. Drehst du die Flasche um, passen nur wenige Kugeln gleichzeitig durch den engen Hals. Welche das sind, ist reiner Zufall. Wächst die Population danach wieder, stammen alle Nachkommen von diesen wenigen Kugeln ab. Ihr Genpool ist deshalb ein Zerrbild des alten.

Abb. 1 zeigt das Modell: Vorher hat das blaue Allel einen Anteil von 40 %, das violette von 10 %. Durch den Flaschenhals kommen fünf Kugeln, zufällig drei orange und keine violette. Danach ist Orange mit 60 % das häufigste Allel, und Violett ist für immer verschwunden. Zurückkommen kann es nur durch eine neue Mutation oder durch Zuwanderer aus einer anderen Population.

Wichtig ist der Unterschied zur Selektion: Die Überlebenden eines Flaschenhalses sind nicht unbedingt die am besten angepassten. Wenn Jäger Tiere erlegen oder ein Sturm eine Insel verwüstet, hängt das Überleben meist nicht von den Allelen ab. Deshalb zählen Flaschenhalseffekt und Gründereffekt zur Gendrift, einem der vier Evolutionsfaktoren, die Genfrequenzen verschieben.

Belegte Beispiele: Geparden und See-Elefanten

Geparden: ein Genom fast ohne Vielfalt

Schon in den 1980er-Jahren fiel auf, wie einheitlich Geparden genetisch sind. Ein Team um Stephen O’Brien verpflanzte Hautstücke zwischen nicht verwandten Tieren, und alle 14 wechselseitigen Transplantate wurden angenommen. Normalerweise erkennt das Immunsystem fremdes Gewebe an den MHC-Merkmalen auf der Zelloberfläche und stößt es ab. Bei Geparden sind diese Merkmale aber offenbar so ähnlich, dass ihr Immunsystem das fremde Gewebe nicht als fremd erkennt.

Die Folgen beschrieb das Team so: Die Zucht in Gefangenschaft ist schwierig, viele Jungtiere sterben, und Männchen bilden auffallend viele fehlgeformte Spermien. 1983 brach in einer Zuchtstation in Oregon die Infektionskrankheit FIP aus und dezimierte den bis dahin gesunden Bestand. An dem Coronavirus, das sie auslöst, erkranken bei Hauskatzen nur etwa 1 % der Tiere, die sich anstecken. Die Forschenden vermuteten, dass die geringe Vielfalt der MHC-Gene die Tiere anfällig macht.

Eine Genom-Analyse von 2015 bestätigte das Bild: Im Durchschnitt ist das Genom eines Geparden zu rund 95 % reinerbig, bei der Hauskatze sind es rund 24 %. Die Daten deuten auf zwei Flaschenhälse hin, einen vor mehr als 100.000 Jahren und einen vor etwa 11.000 bis 12.600 Jahren – zu der Zeit, als am Ende der letzten Eiszeit viele große Säugetiere ausstarben.

Nördlicher See-Elefant: Museums-DNA zeigt den Verlust

Im 19. Jahrhundert wurden See-Elefanten vor der Küste Kaliforniens und Mexikos wegen ihres Trans massenhaft getötet. Um 1892 waren nur noch geschätzt 20 bis 100 Tiere übrig. Unter Schutz erholte sich die Art erstaunlich schnell, heute leben über 200.000 Tiere. Genetisch ist der Verlust aber geblieben: Forschende untersuchten mitochondriale DNA aus Museumsstücken. Bei fünf Tieren aus der Zeit vor dem Engpass fanden sie vier verschiedene Varianten, bei mehr als 150 Tieren seit 1892 nur noch zwei. Eine Studie von 2024 mit Genomen von 260 heutigen Tieren zeigt zudem: Inzucht und eine Häufung von Allelen mit Funktionsverlust verringern noch heute den Fortpflanzungserfolg.

Wie Inzucht den Anteil Reinerbiger erhöht, erklärt die Seite zur Panmixie. Und wie man versucht, die genetische Vielfalt bedrohter Arten zu sichern, liest du bei Klonen für den Artenschutz.

Gründereffekt: wenige Gründer, ein neuer Genpool

Beim Gründereffekt schrumpft nicht die ganze Population. Eine kleine Gruppe trennt sich ab und gründet anderswo eine neue Population, zum Beispiel auf einer Insel. Die Ursprungspopulation bleibt bestehen. Trägt zufällig einer der Gründer ein seltenes Allel, ist es in der neuen Population von Anfang an viel häufiger (Abb. 2). Bleibt die Gruppe danach unter sich, kommen kaum fremde Allele hinzu.

Für rezessive Erbkrankheiten hat das eine doppelte Wirkung. Ist ein Allel fünfmal so häufig, steigt der Anteil der Reinerbigen (q²) auf das 25-Fache. Heiraten außerdem überwiegend Menschen innerhalb einer kleinen Gemeinschaft, treffen zwei Anlageträger häufiger aufeinander.

Population	Was ist passiert?	Folge
Old Order Amish in Lancaster County (Pennsylvania, USA)	Die Gemeinschaft geht auf eine überschaubare Zahl von Einwanderern zurück und heiratet fast nur untereinander.	Das rezessiv vererbte Ellis-van-Creveld-Syndrom (Kleinwuchs, zusätzliche Finger und Zehen, bei mehr als der Hälfte ein angeborener Herzfehler) ist dort viel häufiger als im weltweiten Schnitt von 1 auf 60.000 bis 200.000 Neugeborene.
Pingelap (Mikronesien)	Um 1775 verwüstete ein Taifun die Insel, nur etwa 20 Menschen überlebten. Einer von ihnen trug vermutlich eine seltene Mutation im Gen CNGB3.	Heute haben zwischen 4 und 10 % der Bevölkerung eine vollständige Achromatopsie: Sie sehen keine Farben, sind sehr blendempfindlich und sehen unscharf.

Pingelap ist eigentlich ein Flaschenhals, denn die alte Population selbst schrumpfte. Weil die wenigen Überlebenden danach isoliert eine neue Population aufbauten, gleichen die Folgen aber genau einem Gründereffekt. Die Grenze zwischen beiden Begriffen ist also fließend. Entscheidend ist in beiden Fällen: Eine kleine, zufällige Stichprobe bestimmt den künftigen Genpool.

Gendrift oder Selektion? So unterscheidest du sie

Dass ein Allel in einer Population häufig ist, heißt nicht, dass es einen Vorteil bringt. Die Achromatopsie auf Pingelap ist ein klarer Nachteil – und trotzdem häufig. Die folgende Übersicht hilft bei der Unterscheidung.

Kriterium	Gendrift (Flaschenhals, Gründer)	Selektion
Ursache	Zufall: Wer überlebt oder auswandert, hängt nicht von den Allelen ab	erbliche Unterschiede im Überleben und in der Fortpflanzung
Richtung	ungerichtet, jedes Allel kann gewinnen oder verlieren	gerichtet: Allele mit höherer Fitness nehmen zu
Populationsgröße	wirkt vor allem in kleinen Populationen	wirkt auch in großen Populationen
Ergebnis	Vielfalt sinkt, auch nachteilige Allele können häufig werden	Angepasstheit an die Umwelt steigt
Beispiel	Achromatopsie auf Pingelap	dunkle Birkenspanner in Industriegebieten

Wie Selektion je nach Umwelt ganz unterschiedlich auf ein Merkmal wirken kann, zeigen die Selektionsformen. Gendrift kannst du selbst ausprobieren: Wähle im Evolutions-Simulator das Modell „Flaschenhals“ und starte mehrmals einen neuen Lauf. Jede Linie ist eine Population – und jedes Mal endet es anders.

Vertiefung Oberstufe: Wie viel Vielfalt geht verloren?

Zwei einfache Formeln zeigen, wie stark kleine Populationen betroffen sind. Beide setzen ein Modell voraus: Die Überlebenden werden rein zufällig ausgewählt, Selektion, Mutation und Zuwanderung spielen keine Rolle.

1. Verlust eines Allels in einem einzigen Engpass. Überleben N Individuen, tragen sie 2N Allele. Hat ein Allel vorher die Frequenz q, ist jedes dieser Allele mit der Wahrscheinlichkeit 1 − q ein anderes. Dass keine einzige Kopie durchkommt, hat dann die Wahrscheinlichkeit P = (1 − q)^2N. Für q = 0,1 und nur fünf Überlebende gilt P = 0,9¹⁰ ≈ 0,35. Bei 50 Überlebenden ist P = 0,9¹⁰⁰ ≈ 0,00003. Seltene Allele verschwinden also schon in einem kurzen, aber engen Flaschenhals leicht.

2. Abnahme der Heterozygotie über Generationen. Bleibt eine Population über t Generationen bei N Individuen, sinkt der erwartete Anteil Mischerbiger H nach der Formel H_t = H₀ · (1 − 1/(2N))^t. Mit N = 10 gehen pro Generation 5 % verloren, nach zehn Generationen bleiben 0,95¹⁰ ≈ 0,60, also nur noch 60 % der ursprünglichen Heterozygotie. Mit N = 1.000 sind es nach zehn Generationen noch über 99 %.

Daraus folgt ein Befund, den Masatoshi Nei und Kollegen schon 1975 beschrieben: Wächst eine Population nach dem Engpass schnell wieder, sinkt die mittlere Heterozygotie vergleichsweise wenig – die Zahl der Allele, vor allem der seltenen, nimmt aber stark ab. Je länger eine Population klein bleibt, desto größer ist der Schaden. Für den Artenschutz heißt das: Bedrohte Bestände sollten möglichst schnell wachsen und durch Zuwanderung oder gezielte Umsiedlung miteinander verbunden werden.

Fachbegriffe

Gendrift

Zufällige Veränderung der Allelfrequenzen, besonders stark in kleinen Populationen.

Flaschenhalseffekt

Gendrift nach einer drastischen Verkleinerung einer Population.

Gründereffekt

Gendrift, wenn wenige Individuen eine neue Population gründen.

Heterozygotie

Anteil mischerbiger Individuen oder Genorte; ein Maß für genetische Vielfalt.

Achromatopsie

Rezessiv vererbte vollständige Farbenblindheit, weil die Zapfen der Netzhaut nicht funktionieren.

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