The Arrival of the fittest – Rezension

Andreas Wagner: „The Arrival of the Fittest Wie das Neue in die Welt kommt. Über das größte Rätsel der Evolution“, S. Fischer Verlag Frankfurt am Main 2015, 413 S. 24,99 Euro

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Der Titel dieses Buches ist einem Zitat Hugo de Vries entlehnt:

„Natural Selection may explain the survival of the fittest,
but it cannot explain the arrival of the fittest“.

Die Selektion kann gut beschreiben, wie Innovationen, die in einzelnen Individuen auftreten, sich auf ganze Populationen ausbreiten können. Wie diese neuen Merkmale entstehen, erklärt sie nicht.

Man kennt zwar eine Reihe von Beispielen für die Entstehung von Neuheiten in Organismen, es fehlt aber ein Prinzip, ein Modell, in das diese Beispiele und allgemein das Auftauchen von Innovationen eingebettet werden können. Der Autor präsentiert hier ein solches Konzept, das er mit seinem Team erarbeitet hat.

Seine Erläuterungen sind eingebettet in einen, an sich schon äußerst lesenswerten, biologiegeschichtlichen Kontext voller interessanter Reflexionen und Querbezüge. Die Entwicklung der Vorstellungen über die Vielfalt der Lebensformen, ihrer Veränderungen (oder Konstanz), der Entstehung des Lebens aus unbelebter Materie, wird von Aristoteles bis heute, nachvollzogen. Der rote Faden ist dabei, dass die Geschichte des Lebens eine Geschichte von Innovationen ist und dass man darüber bis jetzt nicht viel wusste. Man begnügt sich mit der Ansicht, dass Innovationen als zufällige Veränderungen des Erbguts unvorhersehbar und regellos auftauchen. Es gelten im Prinzip noch immer Darwins Worte:

„Ich habe bisher von den Abänderungen so gesprochen, als ob sie vom Zufall abhängig seien. Dies ist natürlich eine ganz inkorrekte Ausdrucksweise; sie dient vielmehr dazu, unsere gänzliche Unwissenheit über die Ursache jeder besonderen Abweichung zu bekunden“.

Diese Ausführungen münden erst am Ende des zweiten Kapitels in der Aussage, dass Innovationen in Lebewesen in drei Bereichen stattfinden können. Im Stoffwechsel (neue Kombinationen chemischer Reaktionen), in Makromolekülen (neue Proteine und RNA) und in der Regulation (neue Kombinationen der Aktivierung von Genen).

Im dritten Kapitel beginnt der Autor, seine eigentlichen Ideen vorzustellen. Dazu bedient er sich des Konzepts der Universalbibliothek, das er dann auf biologische Phänomene anwenden wird. Eine Universalbibliothek ist die Gesamtheit aller möglichen Bücher (aller möglichen Kombinationen der Buchstaben des Alphabets). Bei einer Länge von 500.000 Zeichen, einem Buch durchschnittlicher Länge, gibt es bei 26 verschiedenen Buchstaben 26500.000 oder 10700.000 verschiedene, meist sinnlose, Bücher. Eine hyperastronomische Zahl. Im Vergleich dazu beträgt die Anzahl der Protonen im ganzen Universum schätzungsweise ca. 1090. Eine derart riesige Zahl unterschiedlicher Objekte lässt sich nicht einmal annäherungsweise handhaben, ordnen oder beschreiben. Es gibt aber ein prinzipielles Ordnungskonzept. Man stelle sich vor, dass jedes Buch eine gewisse Anzahl von Nachbarn hat, die sich jeweils in nur einem Buchstaben vom ersten unterscheiden. Jedes dieser Nachbarn hat wiederum Nachbarn, die sich in einem Buchstaben unterscheiden usw. Auf diese Weise lässt sich, zumindest prinzipiell, die gesamte gigantische Bibliothek in einer vieldimensionalen Struktur anordnen. Ein chaotischer Haufen einer Unzahl verschiedener Dinge hat eine Ordnung bekommen. Man kann jedem theoretisch eine Koordinate in diesem System zuordnen.

Dieses Konzept überträgt Wagner dann auf die drei Innovationsquellen Stoffwechsel, Makromoleküle und Regulationsschaltkreise. Auch in diesen Bereichen gibt es hyperastronomisch große Zahlen von Variationsmöglichkeiten und sie können anhand von Nachbarschaften organisiert werden, wie oben beschrieben. Man kann die Gesamtheiten (oder Bibliotheken, um in der Metapher zu bleiben) z.B. aller möglicher Proteine mit 100 Aminosäuren, aller möglicher Stoffwechselprofile mit 1000 Reaktionen oder aller möglicher Regulationsschaltkreise mit 20 Regulatoren nach diesem Prinzip erstellen und mithilfe leistungsstarker Computer untersuchen. Dies hat Wagner getan und dabei wesentliche Erkenntnisse über die Frage der Innovationfähigkeit komplexer Systeme erlangt, die weit über die bisher etwas fatalistische und vage Sichtweise der zufälligen Mutationen hinausgeht.

  • Wie können Veränderungen stattfinden, während das Bestehende aufrechterhalten wird? Bei jeder Veränderung müssen alle Funktionen und Strukturen eines Organismus aufrecht erhalten werden. Diese Kondition veranschaulicht der Autor mit der Aufgabe, ein Flugzeug während des Flugs weiterzuentwickeln, ohne abzustürzen. Die Antwort liefern sogenannte Genotyp-Netzwerke, die Populationen „erkunden“ können, ohne ihre Eigenschaften einzubüßen.
  • Wie können komplexe Strukturen spontan entstehen, obwohl die Wahrscheinlichkeit eines solchen Vorgangs gegen Null geht? Diesem beliebten kreationistischen Argument wird hier jede Grundlage entzogen, da jeder Phänotyp von einer Unzahl verschiedener Genotypen hervorgebracht werden kann.
  • Die Eigenschaften, die auf dem komplexen Zusammenspiel vieler Elemente beruhen, weisen auf allen Ebenen eine unerwartet hohe Robustheit auf. Es können erstaunlich viele Elemente geändert werden, ohne dass die untersuchte Eigenschaft sich ändert.
  • Robustheit erfordert einen Mindestgrad an Komplexität und nimmt mit steigender Komplexität zu.
  • In jeder Bibliothek gibt es eine vollkommen unerwartet hohe Anzahl von unterschiedlichen Büchern mit der gleichen Bedeutung, von Kombinationen der jeweiligen Elemente, mit der gleichen Eigenschaft (z.B. die Katalyse einer bestimmten Reaktion).
  • Die wohl wichtigste erlangte Erkenntnis ist die Tatsache, dass diese Variationen untereinander in einer gewissen Art von Verbindung stehen. Mit dem o.g. Kriterium der Nachbarschaft bilden sie Netzwerke synonymer Variationen, in denen man von einer zur anderen durch die Veränderung nur jeweils eines einzigen Elementes gelangt. Von diesen Schritten (neutralen Mutationen) können unvorstellbar viele getan werden, ohne die betrachtete Eigenschaft zu verändern! Es können sogar so viele sein, dass zwei weit auseinanderliegende Variationen kein einziges Element gemeinsam haben, und trotzdem den gleichen Phänotyp aufweisen.
  • Jede Position in einem solchen Genotyp-Netzwerk repräsentiert zwar den gleichen Phänotyp, aber die jeweiligen Nachbarschaften sind unterschiedlich. Jede Variante, jeder Genotyp, hat ja nicht nur synonyme Nachbarn, sondern auch solche mit abweichendem Phänotyp. Diese stellen potentielle Innovationen dar. Eine Population kann sich also so lange im Genotyp-Netzwerk umher bewegen und verschiedene Nachbarschaften erkunden (und dabei ihren Phänotyp beibehalten), bis sie auf eine Neuerung stößt, die vorteilhaft ist. In dem Moment verlässt sie ein Genotyp-Netzwerk und betritt ein anderes, dass ebenso erkundet und wieder verlassen werden kann.
  • Das in höchstem Maße unerwartete und folgenreichste Phänomen, auf das man stieß, ist wohl folgendes: Es wurde gezeigt, dass innerhalb einer Bibliothek jeder beliebige darin vorkommende Phänotyp von jeder beliebigen Position in der Bibliothek mit einer erstaunlich geringen Anzahl von Schritten erreicht werden kann! Mit anderen Worten, jeder erdenkbare Phänotyp einer biologischen Struktur liegt immer in verwirklichbarer Reichweite.

Ich bin mir bewusst, dass der Versuch, diese abstrakten Zusammenhänge in wenigen Zeilen widerzugeben, nicht gelingen kann. Sie lassen aber vielleicht erahnen, dass wir es hier mit einem neuen theoretischen Instrumentarium zu tun haben, das neue Erkenntnisse in der Evolutionsbiologie ermöglicht. Der Anwendungsbereich geht sogar über die Biologie hinaus. Es wird gezeigt, wie diese Ansätze sich auch auf technologische Neuerungen ausweiten lassen.

Nicht alle Erneuerungen in der Geschichte des Lebens werden vom vorgestellten Konzept erfasst. Es beschreibt effizient die Veränderungen,  die auf Punktmutationen und Genmultiplikation beruhen. Ereignisse, die größere Veränderungen bewirken, wie Chromosomenmutationen und Genommutationen, oder Interaktionen zwischen verschiedenen Arten beinhalten, liegen außerhalb des Modells. Beispiele sind die Aufnahme fremder DNA ins Erbgut, z.B. durch Retroviren, Hybridisierungen und Symbiosen bis hin zur Entstehung der ersten Eukarioten aus verschiedenen Prokarioten.

Ein Begriff, der wiederholt im Text auftaucht, ist die Selbstorganisation, die von der atomaren Ebene über Moleküle, belebter und unbelebter Materie bis zur Bildung von Galaxien überall anzutreffen ist. Er ist zwar faszinierend, trägt aber nicht zum Verständnis oder zur Erklärung von Phänomenen bei, sondern ist ihr Resultat und keine autonome treibende Kraft.

Die in diesem Buch vorgestellten Ergebnisse sind so bedeutsam für das Verständnis der Evolutionsmechanismen, dass sie hoffentlich bald von anderen Wissenschaftlern verifiziert werden, um sie auf den Rang gesicherter wissenschaftlicher Tatsachen zu befördern und dass sie Anwendung in der Erforschung konkreter Evolutionsprozesse finden.

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Das Konzept der Reproduktiven Einheit klärt die Frage des Altruismus bei sozialen Hymenopteren

Das Konzept der Reproduktiven Einheit klärt die Frage des Altruismus bei sozialen Hymenopteren

Westliche Honigbiene

Altruistisches Verhalten und Kooperation werden unter anderem mit Verwandtenselektion (kin selection) erklärt. Sie besagt, etwas vereinfacht, dass ein Individuum einen „Nutzen“ davon hat, andere Individuen mit einem hohen prozentualen Anteil gemeinsamen Erbguts unter Aufbringung von Kosten zu unterstützen.

Diese Auffassung wird zum einen, z.B. von E.O. Wilson, generell abgelehnt, zum anderen immer wieder als Erklärung für das Kooperative Verhalten sozialer Insekten herangezogen.

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Ich habe mir dazu folgende Gedanken gemacht:

– Was ist mit „Nutzen“ in evolutiver Hinsicht gemeint?
– Das eigene Erbgut in die nächste Generation zu bringen.

– Wer hat diesen „Nutzen“?
– Die Gene, die in die nächste Generation gelangen.

– Wie wird dieser Nutzen zustande gebracht?
– Durch gewisse phänotypische Eigenschaften (Morphologie, Physiologie, Stoffwechsel, Verhalten…).

– Wie kommen diese phänotypischen Eigenschaften zustande?
– Durch genotypische Eigenschaften (nicht nur, aber die interessieren uns hier hauptsächlich, da sie vererblich und daher evolutiv relevant sind).

Es ist also kein autonom wirkendes Naturgesetz, das bewirkt, dass alle Lebewesen verwandte Individuen, aufgrund eines hohen Anteils an gemeinsamen Erbguts, auf eigene Kosten unterstützen. Es müssen Gene vorhanden sein, die dies bewerkstelligen. Derartige Gene erhöhen ihre Wahrscheinlichkeit, in der folgenden Generation vertreten zu sein und werden sich in der ganzen Population verbreiten. Es ist nicht gesagt, dass alle Arten Gene besitzen, die Verwandtenselektion bewirken. Aber da wo sie aufgetaucht sind, werden sie sich stabilisiert haben. Daher sind Altruismus und Kooperation unter Verwandten so weit verbreitet.

Jetzt möchte ich mich den sozialen Insekten mit sterilen Arbeiterinnen zuwenden und zwar den meistzitierten, den Bienen.

Die Arbeiterinnen haben aufgrund der haplodiploiden Fortpflanzungsweise der Biene einen Verwandtschaftsgrad von 75%.
Würden sie eigene Nachkommen erzeugen, hätten sie mit diesen einen Verwandtschaftsgrad von nur 50%.
Der Schluss, der daraus gezogen wird ist, dass es „vorteilhafter“ sei auf eigene Fortpflanzung zu „verzichten“ und stattdessen Schwestern zu unterstützen.

Diesen Gedankengang findet man in unzähligen Veröffentlichungen. Er ist aber falsch.

Man bedenke, dass der „Nutzen“ darin besteht, möglichst viele Kopien der eigenen Gene in die folgende Generation zu bringen. Wenn ein Individuum darauf verzichtet, eigene Nachkommen zu produzieren, um stattdessen eine Schwester zu unterstützen, die ebenfalls keine Nachkommen haben wird, entsteht dadurch kein „Vorteil“. Stellen wir uns ein etwas extremes Beispiel vor (das in der Natur natürlich nicht so stattfinden würde). Eine Biene wird verletzt und verliert einen Flügel. Sie ist hilflos, kann nicht mehr fliegen und nicht zum Nest zurückkehren. Eine aufopferungsvolle Schwester schleppt sie in ein Erdloch, um sie vor Fressfeinden zu schützen und bringt ihr täglich Nahrung, bis an Ihr Lebensende. Die gute Schwester hat natürlich meine volle Sympathie. Mit Verwandtenselektion könnte dies aber nicht erklärt werden, nicht einmal, wenn ihr Verwandtschaftsgrad 100% betrüge. Irgendwann werden beide sterben und beide werden keine Nachkommen haben. Ihre Gene sind in einer Sackgasse. Sie können nie in die nächste Generation gelangen. Man könnte sie am besten mit Somazellen vergleichen. Sie befinden sich nicht in der Keimbahn. Es ist so als ob man die Funktion der Leberzellen (oder anderer somatischer Zellen) damit erklären wollte, dass sie darauf verzichten, eigene Nachkommen zu erzeugen und stattdessen die anderen Zellen des Körpers mit ihrer Arbeit am Leben halten, weil sie so eng (zu 100%) mit ihnen verwandt sind. Das genetische Material der Somazellen ist in einer Sackgasse, wie das der Arbeiterinnen. Wenn man hingegen sagt, die Leberzelle begünstigt mit ihrer Arbeit die Entstehung von Nachkommen des Körpers, der reproduktiven Einheit, z.B. eines Eichhörnchens, der sie angehören, macht es wieder Sinn.
Die Leberzelle ist eine phänotypische Eigenschaft eines Tieres, einer reproduktiven Einheit, und trägt somit zu ihrer Fitness, positiv oder negativ, bei.

Es gibt verschiedene Organisationsstufen der Lebewesen: Zellen – Individuen – reproduktive Einheiten.

  • Einzeller sind sowohl Zellen, als auch Individuen, als auch reproduktive Einheiten.
  • Mehrzellige Organismen sind sowohl Individuen als auch reproduktive Einheiten und bestehen aus vielen Somazellen und vergleichbar wenig Keimzellen.
  • Ein Bienenstaat ist eine reproduktive Einheit und besteht aus vielen Individuen, von denen alle, bis auf die Königin, sich nicht reproduzieren und nur aus vielen Somazellen bestehen.

Da in der Regel Individuum und reproduktive Einheit identisch sind, besteht meist kein Bedarf für letzteren Begriff. In den wenigen Fällen, in denen keine Übereinstimmung besteht, ist die Unterscheidung aber nützlich.

Den Bienenstaat als reproduktive Einheit zu betrachten, vereinfacht die Sichtweise erheblich und macht die Suche nach Erklärungen für ein vermeintliches altruistisches Verhalten der Arbeiterinnen so überflüssig wie die für die Kooperation zwischen benachbarten Muskelzellen oder die zwischen Herz und Lunge.