Evolution in der Glaskugel

Kann man den künftigen Verlauf der Evolution vorhersagen? Und was würde passieren, könnte man das „Band des Lebens“ noch einmal von vorne abspielen? Das Buch „Glücksfall Mensch“ des amerikanischen Zoologen Jonathan Losos rollt dieses berühmte Gedankenexperiment des Paläontologen Stephen J. Gould wieder auf.

(Der folgende Artikel erschien zuvor im Magazin Laborjournal, Ausgabe 6/2018).

Eine Megaplattenpyramide wächst hinter Zack Blount an die Decke. Wie viele Petrischalen es wohl sind, fragt sein Mentor Richard Lenski, der das Foto seines Mitarbeiters bei Twitter veröffentlichte. Genug jedenfalls, um Respekt vor Blounts Durchhaltevermögen zu haben.

Ein guter Teil seiner praktischen Laborarbeit der vergangenen Jahre war wohl unspektakulär bis öde: Bakterien weitertransferieren, Bakterien auf Platten ausstreichen, Bakterien einfrieren, und dann alles wieder von vorne, über Jahre hinweg.

Aber das Lenski-Labor hat mit geduldiger Mikrobiologie das Wissen über die Evolution entscheidend vorangebracht. Denn die Plattentürme und die eingefrorenen Escherichia-coli -Stämme der experimentellen Evolutionsbiologen aus Michigan sind eine Zeitmaschine. Sie hilft dabei, eine Frage zu beantworten, die seit einiger Zeit wieder heiß diskutiert wird: Welche Rolle spielt der Zufall in der Evolution?

Der 2016-er Plattenturm von Zachary Blount. 12583 Stück.
(Photo: Z. Blount)

Klar ist: Evolution ist blind, sie schaut nicht in die Zukunft. Neue Mutationen sind in der Regel Zufallsereignisse. Wobei– daraus zu folgern, in der Evolution sei „alles Zufall“ wäre grundfalsch, erklärt der Basler Evolutionsbiologe Walter Salzburger:

„Die Entstehung von Variation in einer Population ist zufällig. Aber die Selektion als wichtiger Filter ist alles andere als zufällig, Selektion ist gerichtet.“

Jedoch passiert Selektion – und damit Evolution – immer im Hier und Jetzt. ‚Die Evolution‘ ist kein vorausschauender Architekt. Sie plant nicht und hat kein langfristiges Ziel vor Augen.

In Malariagebieten hatten Menschen mit einem sogenannten „Sichelzellallel“ des Hämoglobingens einen selektiven Vorteil – solange die zweite Kopie des Gen intakt ist. Homozygote Träger der Mutationen werden allerdings schwer krank. Am Hämoglobin in dieser Weise herumzupfuschen wäre aus einer langfristigen Design-Perspektive kaum die beste Lösung, um mit der Malaria-Bedrohung umzugehen. Das ist „der Evolution“ aber egal. Genauer gesagt, „die“ Evolution als mitdenkenden, vorausschauenden Agenten gibt es gar nicht

Wenn Variation zufällig entsteht und wenn Selektion immer nur in der ebenfalls von Zufällen geprägten Gegenwart wirkt: bedeutet das, dass Evolution insgesamt ein zielloser, nicht vorhersagbarer Prozess ist?

Evolutionsgeschichte vom Kambrium bis zum Holozän.
(Montage von Geo-Science-International, basierend auf Werken von Richie Diesterheft, JJ Harrison, u.a. via Wikipedia, CC-BY-SA)

 

Der amerikanische Paläontologe Stephen J.Gould (1941 – 2002) hatte 1990 in seinem Buch „Wonderful Life“ ein Gedankenexperiment zu dieser Frage eingeführt, das unter dem Schlagwort „Replaying the Tape of Life“ (etwa: „das Band des Lebens noch einmal abspielen“) bis heute für Debatten sorgt. Der Herpetologe Jonathan Losos hat Goulds Gedankenexperiment kürzlich in einem viel diskutierten Buch wieder aufgegriffen (jetzt auch auf Deutsch erschienen: „Glücksfall Mensch“, ISBN-10: 3446258426).

Könnte man mit einer Zeitmaschine die gesamte Erdgeschichte um ein paar hundert Millionen Jahre zurückdrehen, würden dann noch einmal Dinosaurier auftreten und wieder aussterben; noch einmal Urvögel mit Federn und Flügeln entstehen; noch einmal die Säugetiere auf den Plan treten?

 

Und diese aus der Reihe gefallenen, nackten, aufrecht gehenden Primaten der Gattung Homo – waren die „ein Zufallsprodukt“?

 

In gewisser Weise sicherlich, erklärt der Gießener Biologiedidaktiker Dittmar Graf:

„Wäre der Chicxulub-Meteorit vor 66 Millionen Jahren nicht im Norden der Halbinsel Yukatan eingeschlagen, sondern nur 200 Kilometer weiter nördlich in den Golf von Mexiko, hätte es vermutlich katastrophale Tsunamis gegeben, die vielleicht einen Großteil des Lebens in Nord- und Mittelamerika vernichtet hätten. Es wäre aber nicht zu der desaströsen globalen Staubverteilung gekommen, die dominierende Tiergruppen auf der ganzen Welt vernichtet hat.“

Und das hätte Folgen gehabt, so Graf: „Hätten die großen Saurier überlebt, würde es uns heute nicht geben – möglicherweise aber intelligente Dinos.“

Nun kann man die Erdgeschichte nicht zurückdrehen, um die Frage rigoros zu testen. Was aber geht: Bakterien über viele tausend Generationen im Labor evolvieren lassen, die „Zwischenstände“ einfrieren und den Evolutionsprozess bei Bedarf von beliebigen Ausgangspunkten neu starten lassen. Damit wären wir bei Lenskis „Long Term Evolution Experiment“ (LTEE) und Blounts eingangs erwähntem Plattenstapel.

Die Details des LTEE erzählt Losos anschaulich in seinem Buch und führen hier zu weit. Ein spannendes Ergebnis des Plattenmarathons ist jedenfalls, dass eine dieser E.coli-Linien zur Verblüffung der Forscher anfing, sich von Citrat zu ernähren – was unter den aeroben Bedingungen des Experiments für „normale“ E-coli-Stämme unmöglich ist. Von zwölf parallelen Ansätzen hat in jeweils mehr als 30.000 Generationen nur eine einzige Linie diese Eigenschaft erworben, ein einziges Mal. Vorhergesehen hatte das zu Beginn des Experiments niemand, das Citrat war mehr oder weniger aus Versehen im Bakterienfutter. Regiert also König Zufall die Evolution? Was sagen die Zoologen dazu?

An verschiedene Lebensräume angepasste Anolis-Arten. Quelle: Wikipedia CC-BY-SA (G.  Portilla / T. Brown)

Reptilienforscher Losos erzählt in seinem Buch von Eidechsenarten, die besonders kleine Beine haben und damit auf das Balancieren auf schmalen Zweigen hoch oben in den Bäumen spezialisiert sind, und von anderen Arten, die lange Beine haben und am Boden rasend schnell über offene Flächen sprinten können.

Losos hat diese Spezialisten auf verschiedenen Inseln entdeckt: Auf Cuba, Puerto Rico, Hispaniola und Jamaica. Die Zweigläufer-Spezialisten von verschiedenen Inseln sehen sich äußerlich sehr ähnlich, und man könnte sie für verwandte Arten halten. Stammbaumanalysen erzählen aber eine andere Geschichte. Die Anpassung an das Baumleben geschah mehrmals unabhängig voneinander, und die Eidechsen sind jeweils näher mit ihren morphologisch sehr verschiedenen Mitbewohnern auf der eigenen Insel verwandt als mit den Doppelgängern auf anderen Inseln.

Ganz ähnlich verhält es sich mit den Buntbarschen im afrikanischen Tanganyika- und Malawisee, die Walter Salzburger und seine Arbeitsgruppe erforschen. In jedem See leben hunderte Arten, die sich in Körperbau, Färbung und Lebensweise drastisch unterschieden. Und auch bei den Buntbarschen sind in den verschiedenen Seen Doppelgänger evolviert, die nicht besonders nahe miteinander verwandt sind. „Ein Lehrbuchbeispiel für konvergente Evolution“, betont Salzburger. Kürzlich hat er mit seinem Team beschrieben, dass solche Konvergenzen sogar bei Buntbarschgemeinschaften im selben See vorkommen, innerhalb derselben Radiation.

„Wir haben beobachtet, dass die afrikanischen Fischer, die sich eigentlich bestens mit den Buntbarscharten auskennen, auf den Märkten verschiedene Arten auf einen Haufen legen – weil sie sich zum Verwechseln ähnlich sehen.“

Malawisee-Cichliden (aufgenommen im Toronto Zoo, WP-User pburka, public domain)

Bei der konvergenten Evolution der Eidechsen wie der Buntbarsche spielt offensichtlich die Selektion eine entscheidende Rolle: Ähnliche äußere Umstände bewirken die Evolution von verblüffend ähnlichen Lebensformen. Insofern scheint es auch nicht abwegig, dass zumindest informiertes Spekulieren über den zukünftigen Evolutionsverlauf unter bestimmten Umständen möglich sein kann.

Die Münchner Botanikerin Susanne Renner wägt ab: „Die Frage nach der Voraussagbarkeit ist keine ‚ja oder nein‘-Frage. Auf einigen Zeitskalen sind Dinge voraussagbar, auf anderen nicht.“ Allerdings sind die Mechanismen der Evolution so fundamental, dass Renner eine Vorhersage wagt:

„Ich bin überzeugt, dass es Leben auch auf anderen Planeten gibt und dass es da auch Prozesse wie Weitergabe von Information durch sich replizierende Moleküle, Vermehrung durch Teilung, Verringerung durch feindliche Übernahme (sprich Gefressenwerden), Substanzaufnahme und Wachstum gibt.“

Hinzu kommt: Selektion und Anpassung an ähnliche ökologische Nischen sind vielleicht nicht die einzige Erklärung für die allgegenwärtige Konvergenz, erklärt wiederum Salzburger:

„Vielleicht gibt es nur limitierte Möglichkeiten, wie man einen Fisch, einen Organismus bauen kann. Wenn das so ist, dann sieht man notwendigerweise auch konvergente Formen.“

Systembiologe Johannes Jäger, zur Zeit Gastdozent an der Uni Wien, stößt in dasselbe Horn: „Es ist klar, dass es keine endlose Formenvielfalt gibt. Entwicklung und Evolution haben nur ein begrenztes Repertoire zur Verfügung.“

Jäger nennt ein Beispiel:

„Es scheint nicht möglich zu sein, sechsgliedrige Wirbeltiere zu evolvieren. Es gibt also keine Drachen oder ‚Engel‘, die sowohl Arme und Vorderbeine als auch Flügel besitzen. Und es sind immer die vorderen Gliedmaßen, die in Flügel umgewandelt werden, und zwar auf konvergente Art und Weise in Flugsauriern, Vögeln und Fledermäusen.“

Johannes Jäger spekuliert auch über mögliche Ursachen für das begrenzte Repertoire der Evolution: „Der eine Grund dafür ist historisch, die Evolution steckt in einem lokalen Bereich des möglichen Konfigurationsraumes des Universums fest und hat nicht die Zeit, diesen unfassbar großen und vieldimensionalen Raum systematisch zu durchkreuzen.“

Ein anderer Grund sei, dass die Musterbildung wahrscheinlich aus geometrischen Gründen nicht endlos viele Möglichkeiten habe.

Organismen sind eben keine beliebig formbaren Kneteklumpen. Vielleicht ist der Bausatz des Lebens eher vergleichbar mit einer Kiste Legosteine in allen Farben und Formen. Man kann beim Legobauen zwar seiner Fantasie freien Lauf lassen, und es gibt auch seltene Spezialsteine, beispielsweise für Sondermodelle wie die Star-Wars-Raumschiffe. Dennoch ist das System Lego an einige Bauprinzipien gebunden.

Allerdings: Solche Zwänge (engl: „Constraints“) in der Biologie experimentell zu fassen ist schwierig; auch deshalb, weil diese internen Faktoren in der „klassischen“ Evolutionstheorie gar nicht explizit vorkommen. Viele Biologen hoffen deshalb, dass in Zukunft eine „erweiterte Synthese“ (engl. „extended synthesis„) der Evolutionstheorie neue Erkenntnisse aus anderen Bereichen einbringt, aus der Entwicklungs- und der Systembiologie beispielsweise.

Vielleicht wird es damit wirklich möglich sein, den Verlauf der Evolution bis zu einem gewissen Grad vorherzusagen. Eine bessere Genauigkeit als beim Wetterbericht sollte man aber nicht erwarten.

Hans Zauner

 

Entstehung des Lebens in der Tiefsee

Zwei Studien lösen das Problem niedriger Ausgangskonzentrationen von Biomolekülen

 

lava-meer-2Die Entstehung des Lebens aus unbelebter Materie setzt relativ hohe Konzentrationen von Ausgangsstoffen (Bausteinen des Lebens) voraus, aus denen sich komplexere Moleküle bilden können.  Hohe Konzentrationen aber können in der Ursuppe sicher nur lokal vorgelegen haben. Dieser Einwand, der oft aus dem Lager der Kreationisten gegen eine natürliche Entstehung des Lebens vorgetragen wird, hat zwar kein großes Gewicht: Schon lange ist bekannt, dass sich Moleküle teils selektiv an mineralischen Oberflächen wie Eisen- und Zinksulfid, in den Poren von Tonmineralien und Meteoriten sowie in Fettsäure-Vesikeln anreichern und dort miteinander reagieren können (vgl. etwa GLAVIN & DWORKIN 2009; MULKIDJANIAN, 2009; SPIRIN 2005; WÄCHTERSHÄUSER 1988). Gleichwohl waren konkrete, empirisch untermauerte Szenarien dafür bislang Mangelware.

Im vergangenen Jahr konnte das Forscherteam um den Biophysiker Dieter BRAUN von der Ludwig-Maximilians-Universität München erstmals nachweisen, dass wasserumspülte Gesteinsporen unter dem Einfluss von Hitze (etwa in den hydrothermalen Schloten in der Tiefsee) tatsächlich günstige Reaktionsräume für die Entstehung und Anreicherung komplexer Biomoleküle wie RNA und DNA darstellen (KREYSING et al. 2015). Wichtig ist dabei vor allem, „… dass die Gesteinspore einseitig erhitzt ist, sodass die der Wärmequelle zugewandte Seite der Pore deutlich wärmer ist als die andere“, lässt BRAUN auf der Ludwig-Maximilians-Universität München verkünden, der auch Mitglied des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM) und des Center for NanoScience (CeNS) ist.

Der Effekt basiert auf dem Prinzip der so genannten Thermophorese: Befinden sich Moleküle in einem fluiden Medium, in dem ein Temperaturgefälle herrscht, bewegen sich die Moleküle von der warmen zur kalten Seite. Werden porenreiche Mineralien oder Gesteine von diesem ungleichmäßig heißen Medium umspült, sammeln sich die Moleküle in den kühleren Poren, konzentrieren sich dort auf und bleiben gefangen – das poröse Gestein wird zur „Molekülfalle“.

Inspiriert durch diese Ergebnisse modellierte kürzlich eine Forschergruppe um die Chemikerin Simone WIEGAND ein solches System, um die Anreicherung eines präbiotisch wichtigen chemischen Ausgangsstoffs zu simulieren: Formamid (HCONH2), das z. B. bei verschiedenen „Ursuppen-Experimenten“ aus Atmosphärengasen entsteht und bei der Bildung komplexer Biomoleküle wie Nukleinbasen eine bisher unterschätzte Rolle zu spielen scheint, entsteht in aller Regel nur in sehr niedriger Konzentration. In dieser stark verdünnten Form ist sie für die Entstehung von Biomolekülen kaum von Bedeutung. NIETHER et al. (2016) konnten jetzt erstmals zeigen, dass eine stark verdünnte Formamid-Lösung unter bestimmten Bedingungen bis auf 85 Gewichtsprozent aufkonzentriert werden kann und somit die Entstehung von Nukleinbasen erklären könnte. (Man kann davon ausgehen, dass auch andere niedermolekulare organische Verbindungen auf diese Weise in den Kapillar-Röhren angereichert werden und somit für diverse präbiotische Synthesen zur Verfügung stehen können.) Weiterlesen

Flagelle weg, Flagelle da

Evolutions-Experimente zur Regulation der bakteriellen Flagelle zeigen exemplarisch, wie flexibel genetische Netzwerke auf starken Selektionsdruck reagieren.

(c) University of Reading

(c) University of Reading

Wie reagieren Organismen und deren Genome auf Selektionsdruck? Welche evolutionären Mechanismen führen dazu, dass Gene neue Aufgaben übernehmen? Ein Forscherteam um Robert Jackson und Louise Johnson (Universität Reading)  stellt zu diesen Fragen ein schönes Experiment vor, in dem die Flagelle des Bakteriums Pseudomonas fluorescens im Zentrum steht (Science 347:1014-17). Die Flagelle, ein Fortbewegungsorgan vieler Bakterien, besteht aus einem beweglichen „Faden“ und einem „Motor“, die über einen Haken verknüpft sind. Aufgebaut wird der ganze Apparat aus einer Vielzahl verschiedener Proteine.

Die Gene für diese Flagellenproteine stehen unter Kontrolle eines Master-Kontrollgens, FleQ. FleQ kodiert für ein „Enhancer-Binde-Protein“. Das heißt, das FleQ-Protein bindet an Kontrollelemente der DNA bestimmter Zielgene (in diesem Fall der Flagellen-Gene) und ermöglicht so, dass die Zielgene zuerst in Boten-RNA (mRNA) umgeschrieben und daraus dann das eigentliche Genprodukt hergestellt wird, also zum Beispiel die Bestandteile des Motors der Flagelle.

Wenn man den „Master-Regulator“ FleQ zerstört, hat Pseudomonas folglich keine Flagelle mehr, denn die nötigen Einzelteile werden nicht mehr hergestellt. Die Forscher um Jackson wollten nun wissen, was passiert, wenn man Pseudomonas-Stämme mit defektem FleQ einem starken Selektionsdruck für Beweglichkeit aussetzt. Findet der Prozess aus spontaner Mutation und natürlicher Selektion eine neue Lösung für das Anwerfen der Flagellen-Gene? Dazu ließen sie Pseudomonas-Stämme mit gentechnisch ausgeschaltetem FleQ unter Bedingungen wachsen, unter denen in den punktförmigen Kolonien der Kulturschale schnell die Nährstoffe ausgehen, und die Bakterien folglich verhungern, wenn sie sich nicht vom Fleck bewegen.

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Experimentelle Evolution der Vielzelligkeit

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C. reinhardtii Zell-Cluster (c) Ratcliff et al. , CC-BY-NC

 

Der Übergang von Einzellern zu vielzelligen Lebewesen ist ein markantes evolutionäres Ereignis. Markant, aber nicht einzigartig, denn Vielzeller sind mehrere Male unabhängig voneinander aus einzelligen Vorfahren hervorgegangen. Und selbst in Labor-Experimenten kann man die ersten Schritte der Evolution der Vielzelligkeit in Echtzeit beobachten.

Wie kann der evolutionäre Prozess aus Mutation und Selektion dazu führen, dass die Nachkommen von Einzel-Zellen plötzlich Verbände bilden? Um diesen dramatischen Übergang schlüssig zu erklären, müssen Evolutionsbiologen einen konkreten Vorteil der beginnenden Vielzelligkeit aufzeigen – eine Situation also, in der einfache, recht unorganisierte Zellverbände mehr lebensfähige Nachkommen haben als Einzeller der gleichen Art. Weiterlesen

Graduelle Evolution der Blatt-Mimikry

Der Schmetterling Kallima paralekta sieht mit geschlossenen Flügeln aus wie ein totes Blatt. Wie entstand diese Tarnung durch Nachahmung (Mimikry) im Lauf der Evolution? Schritt-für-Schritt oder doch in einem großen Sprung?

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Flügel v. K. paralekta (unten rechts) und verwandte Arten. Suzuki et al, Fig 1 (Ausschnitt) , CC-BY

Wieso die Blatt-Imitation für heute lebende Kallima-Arten vorteilhaft ist, liegt auf der Hand. Der Schmetterling wird nicht so leicht gefressen und hat daher Chancen, mehr Nachkommen in die Welt zu setzen als das auffällige Tier vom Nachbarbusch, das gerade von einem Fressfeind verspeist wird.

Kniffliger ist schon die Frage, auf welchen evolutionären Wegen diese spezielle Mimikry entstand. Denn Vorfahren von K. paralekta oder K. inachus sahen aus wie ganz normale Schmetterlinge, ebenso wie viele heute lebende, nahe verwandte Arten anderer Gattungen. Weiterlesen

Der Evolutionsbeweis in unserem Blut

Was der Lebenssaft über unsere evolutionäre Vergangenheit verrät

In: Neukamm, M. (Hg.) Darwin Heute. WBG, Darmstadt, 123-126

 

In meinem kürzlich erschienenen Buch („Darwin Heute“) wird an diversen Beispielen immer wieder eines deutlich: Viele Erscheinungen ergeben ohne die Annahme einer (kosmischen, chemischen oder biologischen) Evolution nicht den geringsten Sinn; alternative Erklärungen sind nicht zur Hand. Im 4. Kapitel, welches sich unter anderem der chemischen Evolution widmet, stelle ich einen etwas ungewöhnlichen Evolutionsbeleg vor – genauer gesagt, einen Beleg dafür, dass unsere Vorfahren einst im Meer zuhause waren. Wie die Überschrift andeutet, liegt uns dieser Beweis buchstäblich im Blut. Weiterlesen