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Die überraschenden Ursprünge Der Evolutionären Komplexität
Die überraschenden Ursprünge Der Evolutionären Komplexität

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Video: Komplexität als Chance verstehen – Über den richtigen Umgang mit Komplexität 2022, Dezember
Anonim

Wissenschaftler untersuchen, wie Organismen ohne darwinistische Selektion ausgefeilte Strukturen entwickeln können.

In Kürze

Konventionelle Weisheit besagt, dass sich komplexe Strukturen Schritt für Schritt von einfacheren zu einem schrittweisen Evolutionsprozess entwickeln, wobei die darwinistische Selektion Zwischenformen bevorzugt.

  • In jüngster Zeit haben einige Wissenschaftler vorgeschlagen, dass Komplexität auf andere Weise entstehen kann - beispielsweise als Nebeneffekt -, auch ohne natürliche Selektion, um sie zu fördern.
  • Studien legen nahe, dass zufällige Mutationen, die individuell keinen Einfluss auf einen Organismus haben, die Entstehung von Komplexität in einem Prozess fördern können, der als konstruktive neutrale Evolution bekannt ist.

Charles Darwin war noch keine 30 Jahre alt, als er die Grundidee für die Evolutionstheorie bekam. Aber erst als er 50 wurde, präsentierte er der Welt sein Argument. Er verbrachte diese zwei Jahrzehnte damit, methodisch Beweise für seine Theorie zusammenzustellen und Antworten auf jedes skeptische Gegenargument zu finden, das ihm einfiel. Und das Gegenargument, das er am meisten erwartete, war, dass der schrittweise Evolutionsprozess, den er sich vorgestellt hatte, bestimmte komplexe Strukturen nicht hervorbringen konnte.

Betrachten Sie das menschliche Auge. Es besteht aus vielen Teilen - einer Netzhaut, einer Linse, Muskeln, Gelee usw. -, die alle interagieren müssen, damit das Sehen stattfinden kann. Wenn Sie zum Beispiel einen Teil der Netzhaut ablösen, kann dies zur Erblindung führen. Tatsächlich funktioniert das Auge nur, wenn die Teile die richtige Größe und Form haben, um miteinander zu arbeiten. Wenn Darwin Recht hatte, dann hatte sich das komplexe Auge aus einfachen Vorläufern entwickelt. In Über den Ursprung der Arten schrieb Darwin, dass diese Idee „, wie ich frei gestehe, im höchstmöglichen Maße absurd erscheint“.

Trotzdem konnte Darwin einen Weg zur Entwicklung der Komplexität erkennen. In jeder Generation unterschieden sich die Eigenschaften der Individuen. Einige Variationen erhöhten ihr Überleben und ermöglichten ihnen mehr Nachkommen. Über Generationen hinweg würden diese vorteilhaften Variationen häufiger werden - mit einem Wort, würden sie „ausgewählt“. Als neue Variationen auftauchten und sich verbreiteten, konnten sie allmählich an der Anatomie basteln und komplexe Strukturen erzeugen.

Das menschliche Auge, so argumentierte Darwin, hätte sich aus einem einfachen, lichteinfangenden Gewebefleck entwickeln können, wie es Tiere wie Plattwürmer heute wachsen. Natürliche Selektion hätte das Pflaster in eine Tasse verwandeln können, die die Richtung des Lichts erfassen könnte. Dann würde eine zusätzliche Funktion mit der Tasse zusammenarbeiten, um das Sehvermögen weiter zu verbessern und einen Organismus besser an seine Umgebung anzupassen, und so würde dieser Zwischenvorläufer eines Auges an zukünftige Generationen weitergegeben. Und Schritt für Schritt könnte die natürliche Selektion diese Transformation zu einer erhöhten Komplexität führen, da jede Zwischenform einen Vorteil gegenüber der vorherigen bieten würde.

Darwins Überlegungen zum Ursprung der Komplexität haben in der modernen Biologie Unterstützung gefunden. Heute können Biologen das Auge und andere Organe auf molekularer Ebene detailliert untersuchen, wo sie immens komplexe Proteine ​​finden, die sich zu Strukturen verbinden, die auffallend an Portale, Förderbänder und Motoren erinnern. Solche komplizierten Proteinsysteme können sich aus einfacheren entwickeln, wobei die natürliche Selektion die Zwischenprodukte auf dem Weg begünstigt.

In letzter Zeit haben einige Wissenschaftler und Philosophen vorgeschlagen, dass Komplexität auf anderen Wegen entstehen kann. Einige argumentieren, dass das Leben eine eingebaute Tendenz hat, im Laufe der Zeit komplexer zu werden. Andere behaupten, dass bei zufälligen Mutationen Komplexität als Nebeneffekt auftritt, auch ohne natürliche Selektion, um dies zu unterstützen. Komplexität, sagen sie, ist nicht nur das Ergebnis von Millionen von Jahren der Feinabstimmung durch natürliche Selektion - der Prozess, den Richard Dawkins berühmt als „den blinden Uhrmacher“bezeichnete. Bis zu einem gewissen Grad passiert es einfach.

Eine Summe verschiedener Teile

Biologen und Philosophen haben jahrzehntelang über die Entwicklung der Komplexität nachgedacht, aber laut Daniel W. McShea, Paläobiologe an der Duke University, wurden sie durch vage Definitionen behindert. „Es ist nicht nur so, dass sie nicht wissen, wie sie eine Nummer darauf setzen sollen. Sie wissen nicht, was sie mit dem Wort meinen “, sagt McShea.

McShea beschäftigt sich seit Jahren mit dieser Frage und arbeitet eng mit Robert N. Brandon zusammen, ebenfalls bei Duke. McShea und Brandon schlagen vor, dass wir nicht nur die schiere Anzahl von Teilen betrachten, aus denen Lebewesen bestehen, sondern auch die Arten von Teilen. Unser Körper besteht aus 10 Billionen Zellen. Wenn sie alle von einem Typ wären, wären wir unscheinbare Haufen von Protoplasma. Stattdessen haben wir Muskelzellen, rote Blutkörperchen, Hautzellen und so weiter. Sogar ein einzelnes Organ kann viele verschiedene Zelltypen haben. Die Netzhaut hat zum Beispiel ungefähr 60 verschiedene Arten von Neuronen, von denen jede eine bestimmte Aufgabe hat. Durch diese Maßnahme können wir sagen, dass wir Menschen tatsächlich komplexer sind als ein Tier wie ein Schwamm, der vielleicht nur sechs Zelltypen hat.

Ein Vorteil dieser Definition besteht darin, dass Sie die Komplexität auf viele Arten messen können. Unsere Skelette haben zum Beispiel verschiedene Arten von Knochen, von denen jeder eine eigene Form hat. Sogar die Wirbelsäule besteht aus verschiedenen Arten von Teilen, von den Wirbeln im Nacken, die unseren Kopf halten, bis zu denen, die unseren Brustkorb stützen.

In ihrem 2010 erschienenen Buch Biology's First Law haben McShea und Brandon einen Weg aufgezeigt, wie auf diese Weise definierte Komplexität entstehen kann. Sie argumentierten, dass eine Reihe von Teilen, die mehr oder weniger gleich beginnen, sich im Laufe der Zeit unterscheiden sollten. Immer wenn sich Organismen vermehren, können eines oder mehrere ihrer Gene mutieren. Und manchmal führen diese Mutationen zu mehr Arten von Teilen. Sobald ein Organismus mehr Teile hat, haben diese Einheiten die Möglichkeit, anders zu werden. Nachdem ein Gen versehentlich kopiert wurde, kann das Duplikat Mutationen aufnehmen, die das Original nicht teilt. Wenn Sie also mit einer Reihe identischer Teile beginnen, werden sie sich laut McShea und Brandon zunehmend voneinander unterscheiden. Mit anderen Worten, die Komplexität des Organismus wird zunehmen.

Wenn Komplexität entsteht, kann dies einem Organismus helfen, besser zu überleben oder mehr Nachkommen zu haben. Wenn ja, wird es durch natürliche Selektion begünstigt und in der Bevölkerung verbreitet. Säugetiere riechen beispielsweise, indem sie Geruchsmoleküle an Rezeptoren an Nervenenden in ihrer Nase binden. Diese Rezeptorgene haben sich über Millionen von Jahren wiederholt dupliziert. Die neuen Kopien mutieren und ermöglichen es Säugetieren, ein breiteres Spektrum an Aromen zu riechen. Tiere wie Mäuse und Hunde, die stark auf ihre Nase angewiesen sind, haben mehr als 1.000 dieser Rezeptorgene. Andererseits kann Komplexität eine Belastung sein. Mutationen können beispielsweise die Form eines Halswirbels verändern und es dem Kopf schwer machen, sich zu drehen. Die natürliche Selektion verhindert, dass sich diese Mutationen in Populationen ausbreiten. Das heißt, Organismen, die mit diesen Merkmalen geboren wurden, neigen dazu, vor der Fortpflanzung zu sterben, wodurch die schädlichen Merkmale aus dem Kreislauf genommen werden, wenn sie verschwinden. In diesen Fällen wirkt die natürliche Selektion der Komplexität entgegen.

Im Gegensatz zur Standard-Evolutionstheorie sehen McShea und Brandon eine zunehmende Komplexität, selbst wenn keine natürliche Selektion vorliegt. Diese Aussage sei ein grundlegendes Gesetz der Biologie - vielleicht das einzige. Sie haben es das Null-Kraft-Evolutionsgesetz genannt.

Der Fruchtfliegen-Test

Kürzlich haben McShea und Leonore Fleming, eine Doktorandin bei Duke, das Null-Kraft-Evolutionsgesetz auf die Probe gestellt. Die Probanden waren Drosophila-Fliegen. Seit mehr als einem Jahrhundert züchten Wissenschaftler Bestände der Fliegen, um sie für Experimente zu verwenden. In ihren Laborhäusern haben die Fliegen ein verwöhntes Leben geführt, das mit einer ständigen Versorgung mit Nahrungsmitteln und einem stabilen, warmen Klima ausgestattet ist. Ihre wilden Verwandten haben unterdessen mit Hunger, Raubtieren, Kälte und Hitze zu kämpfen. Die natürliche Selektion unter den Wildfliegen ist stark und eliminiert Mutationen, die Fliegen dazu bringen, ihre vielen Herausforderungen nicht zu bewältigen. In der geschützten Umgebung der Labore ist die natürliche Selektion dagegen schwach.

Das Null-Kraft-Evolutionsgesetz macht eine klare Vorhersage: Im vergangenen Jahrhundert sollten die Laborfliegen weniger der Beseitigung nachteiliger Mutationen ausgesetzt gewesen sein und daher komplexer geworden sein als die wilden.

Fleming und McShea untersuchten die wissenschaftliche Literatur auf 916 Laborlinien von Fliegen. Sie haben in jeder Population viele verschiedene Maßstäbe für die Komplexität gesetzt. In der Zeitschrift Evolution & Development berichteten sie kürzlich, dass die Laborfliegen tatsächlich komplexer waren als wilde. Einige der Insekten hatten unregelmäßige Beine. Andere erwarben komplizierte Farbmuster auf ihren Flügeln. Die Segmente ihrer Antennen nahmen unterschiedliche Formen an. Befreit von natürlicher Auslese haben Fliegen an Komplexität gewonnen, so wie es das Gesetz vorhersagt.

Obwohl einige Biologen das Null-Kraft-Evolutionsgesetz gebilligt haben, glaubt Douglas Erwin, ein führender Paläontologe am Smithsonian National Museum of Natural History, dass es einige schwerwiegende Mängel aufweist. "Eine seiner Grundannahmen schlägt fehl", argumentiert er. Nach dem Gesetz kann die Komplexität ohne Auswahl zunehmen. Dies wäre jedoch nur dann der Fall, wenn Organismen tatsächlich außerhalb des Einflusses der Selektion existieren könnten. In der realen Welt, so Erwin, übt die Selektion immer noch eine Kraft aus, selbst wenn sie von den meisten Wissenschaftlern verwöhnt wird. Damit sich ein Tier wie eine Fliege richtig entwickeln kann, müssen Hunderte von Genen in einer aufwändigen Choreografie interagieren, eine Zelle in viele verwandeln, verschiedene Organe entstehen lassen und so weiter. Mutationen können diese Choreografie stören und verhindern, dass die Fliegen lebensfähige Erwachsene werden.

Ein Organismus kann ohne externe Selektion existieren - ohne dass die Umgebung bestimmt, wer in der evolutionären Rasse gewinnt und verliert -, aber er unterliegt weiterhin der internen Selektion, die innerhalb von Organismen stattfindet. In ihrer neuen Studie liefern McShea und Fleming laut Erwin keine Beweise für das Null-Kraft-Evolutionsgesetz, „weil sie nur erwachsene Varianten berücksichtigen“. Die Forscher untersuchten nicht die Mutanten, die vor Erreichen der Reife an Entwicklungsstörungen starben, obwohl sie von Wissenschaftlern betreut wurden.

Ein weiterer Einwand, den Erwin und andere Kritiker vorgebracht haben, ist, dass McShea und Brandons Version der Komplexität nicht mit der Definition des Begriffs durch die meisten Menschen übereinstimmt. Ein Auge hat schließlich nicht nur viele verschiedene Teile. Diese Teile führen auch gemeinsam eine Aufgabe aus, und jeder hat eine bestimmte Aufgabe zu erledigen. McShea und Brandon argumentieren jedoch, dass die Art der Komplexität, die sie untersuchen, zu einer Komplexität anderer Art führen könnte. "Die Art von Komplexität, die wir in dieser Drosophila-Population sehen, ist die Grundlage für wirklich interessante Dinge, die die Auswahl erreichen könnte", um komplexe Strukturen aufzubauen, die das Überleben unterstützen, sagt McShea.

Molekulare Komplexität

Als Paläobiologe ist McShea daran gewöhnt, über die Komplexität nachzudenken, die er beispielsweise in Fossilienknochen sehen kann, die zu einem Skelett zusammenpassen. In den letzten Jahren haben jedoch eine Reihe von Molekularbiologen unabhängig voneinander begonnen, sich Gedanken darüber zu machen, wie Komplexität entsteht.

In den 1990er Jahren begann eine Gruppe kanadischer Biologen darüber nachzudenken, dass Mutationen häufig überhaupt keine Auswirkungen auf einen Organismus haben. Diese Mutationen sind im Fachjargon der Evolutionsbiologie neutral. Die Wissenschaftler, darunter Michael Gray von der Dalhousie University in Halifax, schlugen vor, dass die Mutationen zu komplexen Strukturen führen könnten, ohne eine Reihe von Zwischenprodukten zu durchlaufen, die jeweils aufgrund ihrer Hilfe bei der Anpassung eines Organismus an seine Umgebung ausgewählt werden. Sie nannten diesen Prozess „konstruktive neutrale Evolution“.

Gray wurde durch einige neuere Studien ermutigt, die überzeugende Beweise für eine konstruktive neutrale Evolution liefern. Einer der Führer dieser Forschung ist Joe Thornton von der University of Oregon. Er und seine Kollegen haben ein Beispiel in den Zellen von Pilzen gefunden. In Pilzen wie einem Portobello-Pilz müssen Zellen Atome von einem Ort zum anderen bewegen, um am Leben zu bleiben. Dies geschieht unter anderem mit molekularen Pumpen, die als vakuoläre ATPase-Komplexe bezeichnet werden. Ein sich drehender Ring von Proteinen transportiert Atome von einer Seite einer Membran im Pilz zur anderen. Dieser Ring ist eindeutig eine komplexe Struktur. Es enthält sechs Proteinmoleküle. Vier der Moleküle bestehen aus dem als Vma3 bekannten Protein. Der fünfte ist Vma11 und der sechste Vma16. Alle drei Arten von Proteinen sind wichtig, damit sich der Ring dreht.

Um herauszufinden, wie sich diese komplexe Struktur entwickelt hat, haben Thornton und seine Kollegen die Proteine ​​mit verwandten Versionen in anderen Organismen wie Tieren verglichen. (Pilze und Tiere haben einen gemeinsamen Vorfahren, der vor etwa einer Milliarde Jahren lebte.)

Bei Tieren weisen die vakuolären ATPase-Komplexe auch Spinnringe aus sechs Proteinen auf. Diese Ringe unterscheiden sich jedoch in einem entscheidenden Punkt: Anstatt drei Arten von Proteinen in ihren Ringen zu haben, haben sie nur zwei. Jeder Tierring besteht aus fünf Kopien von Vma3 und einer von Vma16. Sie haben kein Vma11. Nach McShea und Brandons Definition von Komplexität sind Pilze komplexer als Tiere - zumindest was ihre vakuolären ATPase-Komplexe betrifft.

Die Wissenschaftler untersuchten die Gene, die für die Ringproteine ​​kodieren, genau. Vma11, das für Pilze einzigartige Ringprotein, ist sowohl bei Tieren als auch bei Pilzen ein enger Verwandter von Vma3. Die Gene für Vma3 und Vma11 müssen daher eine gemeinsame Abstammung haben. Thornton und seine Kollegen kamen zu dem Schluss, dass zu Beginn der Entwicklung von Pilzen ein Stammgen für Ringproteine ​​versehentlich dupliziert wurde. Diese beiden Kopien entwickelten sich dann zu Vma3 und Vma11.

Durch den Vergleich der Unterschiede in den Genen für Vma3 und Vma11 rekonstruierten Thornton und seine Kollegen das Ahnengen, aus dem sie sich beide entwickelten. Sie verwendeten diese DNA-Sequenz dann, um einen entsprechenden Protein-In-Effekt zu erzeugen und ein 800 Millionen Jahre altes Protein wiederzubeleben. Die Wissenschaftler nannten dieses Protein Anc.3-11-kurz für anc estor von Vma 3 und Vma 11. Sie fragten sich, wie der Proteinring mit diesem Stammprotein funktionierte. Um dies herauszufinden, fügten sie das Gen für Anc.3-11 in die DNA der Hefe ein. Sie schalteten auch die Nachkommengene Vma3 und Vma11 aus. Normalerweise wäre das Abschalten der Gene für die Vma3- und Vma11-Proteine ​​tödlich, da die Hefe ihre Ringe nicht mehr bilden könnte. Aber Thornton und seine Mitarbeiter fanden heraus, dass die Hefe stattdessen mit Anc.3-11 überleben konnte. Es kombinierte Anc.3-11 mit Vma16, um voll funktionsfähige Ringe herzustellen.

Experimente wie dieses ermöglichten es den Wissenschaftlern, eine Hypothese zu formulieren, wie der Pilzring komplexer wurde. Pilze begannen mit Ringen, die nur aus zwei Proteinen hergestellt wurden - die gleichen, die auch bei Tieren wie uns vorkommen. Die Proteine ​​waren vielseitig, konnten sich an sich selbst oder an ihre Partner binden und sich entweder rechts oder links mit Proteinen verbinden. Später duplizierte sich das Gen für Anc.3-11 in Vma3 und Vma11. Diese neuen Proteine ​​machten weiter, was die alten getan hatten: Sie bildeten Ringe für Pumpen. Aber über Millionen von Generationen von Pilzen begannen sie zu mutieren. Einige dieser Mutationen haben einen Teil ihrer Vielseitigkeit verloren. Vma11 verlor beispielsweise die Fähigkeit, im Uhrzeigersinn an Vma3 zu binden. Vma3 verlor die Fähigkeit, sich im Uhrzeigersinn an Vma16 zu binden. Diese Mutationen töteten die Hefe nicht, da sich die Proteine ​​immer noch zu einem Ring verbinden konnten. Mit anderen Worten, es waren neutrale Mutationen. Jetzt musste der Ring jedoch komplexer sein, da er sich nur dann erfolgreich bilden konnte, wenn alle drei Proteine ​​vorhanden waren und sich nur in einem Muster anordneten.

Thornton und seine Kollegen haben genau die Art von evolutionärer Episode aufgedeckt, die durch das Nullkraft-Evolutionsgesetz vorhergesagt wird. Im Laufe der Zeit produzierte das Leben mehr Teile, dh mehr Ringproteine. Und dann begannen diese zusätzlichen Teile voneinander abzuweichen. Die Pilze hatten eine komplexere Struktur als ihre Vorfahren. Aber es geschah nicht so, wie Darwin es sich vorgestellt hatte, wobei die natürliche Auslese eine Reihe von Zwischenformen bevorzugte. Stattdessen degenerierte der Pilzring in die Komplexität.

Fehler beheben

Gray hat ein weiteres Beispiel für eine konstruktive neutrale Evolution in der Art und Weise gefunden, wie viele Arten ihre Gene bearbeiten. Wenn Zellen ein bestimmtes Protein herstellen müssen, transkribieren sie die DNA ihres Gens in RNA, das einzelsträngige Gegenstück zur DNA, und verwenden dann spezielle Enzyme, um bestimmte RNA-Bausteine ​​(sogenannte Nukleotide) durch andere zu ersetzen. Die RNA-Bearbeitung ist für viele Arten, einschließlich uns, von wesentlicher Bedeutung. Die unbearbeiteten RNA-Moleküle produzieren Proteine, die nicht funktionieren. Aber es ist auch etwas ausgesprochen Seltsames daran. Warum haben wir nicht einfach Gene mit der richtigen Originalsequenz, was eine RNA-Bearbeitung unnötig macht?

Das Szenario, das Gray für die Evolution der RNA-Bearbeitung vorschlägt, sieht folgendermaßen aus: Ein Enzym mutiert, so dass es sich an RNA binden und bestimmte Nukleotide verändern kann. Dieses Enzym schädigt die Zelle nicht und hilft ihr auch nicht - zumindest zunächst nicht. Es schadet nicht und bleibt bestehen. Später tritt eine schädliche Mutation in einem Gen auf. Glücklicherweise verfügt die Zelle bereits über das RNA-bindende Enzym, das diese Mutation durch Editieren der RNA kompensieren kann. Es schützt die Zelle vor dem Schaden der Mutation und ermöglicht es, dass die Mutation an die nächste Generation weitergegeben und in der gesamten Bevölkerung verbreitet wird. Die Entwicklung dieses RNA-Editing-Enzyms und die von ihm fixierte Mutation seien nicht auf natürliche Selektion zurückzuführen, argumentiert Gray. Stattdessen entwickelte sich diese zusätzliche Komplexitätsebene von selbst - „neutral“. Dann, sobald es weit verbreitet war, gab es keine Möglichkeit, es loszuwerden.

David Speijer, Biochemiker an der Universität von Amsterdam, ist der Ansicht, dass Gray und seine Kollegen der Biologie einen Dienst mit der Idee einer konstruktiven neutralen Evolution geleistet haben, insbesondere indem sie die Vorstellung in Frage gestellt haben, dass alle Komplexität anpassungsfähig sein muss Argument in einigen Fällen zu schwer. Einerseits hält er die Pilzpumpen für ein gutes Beispiel für eine konstruktive neutrale Evolution. "Jeder, der bei klarem Verstand ist, würde dem vollkommen zustimmen", sagt er. In anderen Fällen, wie zum Beispiel bei der RNA-Bearbeitung, sollten Wissenschaftler seiner Ansicht nach die Möglichkeit einer natürlichen Selektion nicht ausschließen, auch wenn die Komplexität nutzlos erscheint.

Gray, McShea und Brandon erkennen die wichtige Rolle der natürlichen Selektion für den Anstieg der Komplexität an, die uns umgibt, von der Biochemie, die eine Feder bildet, bis zu den photosynthetischen Fabriken in den Blättern von Bäumen. Sie hoffen jedoch, dass ihre Forschung andere Biologen dazu bringen wird, über die natürliche Selektion hinauszudenken und die Möglichkeit zu erkennen, dass zufällige Mutationen die Entwicklung der Komplexität selbst befeuern können. "Wir lehnen Anpassung überhaupt nicht ab", sagt Gray. "Wir glauben einfach nicht, dass es alles erklärt."

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