Evolution

Würfelspiele von Mutter Natur

14. November 2011, 00:31
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    foto: manfred rohde/helmholtz-zentrum fuer infektionsforschung/dapd

    Das Darmbakterium Escherichia coli kann bei gleicher genetischer Ausstattung unterschiedliche Phänotypen hervorbringen: Ein Teil setzt auf möglichst schnelles Wachstum, der andere ist unempfindlicher gegen unwirtliche Umweltbedingungen wie Antibiotika-Behandlungen.

Wiener Biomathematiker zeigen an Hand eines Modells, dass der Zufall als gezielte Anpassung von Lebewesen an ihre Umwelt eine Rolle spielen kann

Es ist schon seit längerem bekannt, dass es für ein Individuum selektive Vorteile bringen kann, Nachkommen mit unterschiedlich "angeschalteten" Genen in die Welt zu setzen. Solche Variationen wären also selbst an genetisch identischen Individuen, wie eineiigen Zwillingen oder "Klonen", zu beobachten. Dies würde dann Vorteile bringen, wenn sich die Umweltbedingungen über kurze Zeiträume auf unvorhersehbare Art und Weise verändern. Verändert sich zum Beispiel die Temperatur während der Fortpflanzungsperiode auf unvorhersehbare Weise macht es evolutionär Sinn, zwei Varianten zu produzieren: eine, die an kalte Umweltbedingungen, und eine, die an warme Umweltbedingungen angepasst ist.

Dieses Phänomen wird im englischen Fachjargon "Bet-hedging" genannt. Das bedeutet nichts anderes, als dass man sich durch das Verteilen seiner Wetteinsätze gegen verschiedene mögliche Ereignisse absichert. Beim Bet-hedging als evolutionäre Strategie sind die Wetteinsätze die Nachkommen und die möglichen Ereignisse die verschiedenen Umweltbedingungen. Auch wenn die Vorteile des Bet-hedgings in der theoretischen Forschung belegt sind, kann ein solcher Mechanismus in der Natur nur bei wenigen Arten beobachtet werden. So keimen etwa bei bei einigen Planzenarten genetisch identische Samen unter gleichen Umweltbedingungen zu verschiedenen Zeitpunkten, was einen Schutz gegen den Tod aller Nachkommen durch schlechte Keimbedingungen bietet.

"In letzer Zeit wurde das Phänomen des Bet-hedgings auch bei Bakterien nachgewiesen", sagt Hannes Svardal, Biomathematiker an der Uni Wien. "Bei einigen Bakterienarten entstehen bei der Zellteilung unterschiedliche Typen: ein sich schnell vermehrender aber empfindlich auf Umweltänderungen reagierender Typ und ein sich langsam teilender Typ der aber schlechte Umweltbedingungen überstehen kann."

Diese deutlichen Fälle von Variation als Anpassung sind, wie gesagt, recht selten. Andererseits ist aber die Übersetzung jedes Gens in Merkmale von vielen zufälligen kleinen Fehlern geprägt, die zusammenaddiert zu Variation zwischen genetisch identischen Individuen führen kann. Diese Form der phänotypischen Variation wurde ursprünglich von der Wissenschaft als ein notwendiges Übel eines nicht perfekten Prozesses gesehen.

Abweichungen als Schutz

In ihrem Aufsatz in der Zeitschrift Evolution untersuchen Svardal und seine Kollegen Claus Rüffler und Joachim Hermisson (ebenfalls Uni Wien) den Effekt von vielen kleinen zufälligen Abweichungen in der Gen-Expression. Sie kommen zu dem Schluss, dass auch diese ungezielte Variation als Bet-hedging-Mechanismus ein Schutz gegen schwankende Umweltbedingungen sein kann. Mit anderen Worten: Auch die Evolution eines erhöhten Zufallsfaktors in der Regulierung von Genen kann durchaus Vorteile bringen.

Die Forscher vergleichen die Vorteile dieser evolutionären Strategie mit einer anderen Anpassung an sich ändernde Umwelten: Der Entstehung von mehreren unterschiedlichen genetischen Varianten, von denen jede ihre eigenen Anpassungen entwickelt. Bei zweiterer ist klar: Sie sorgt für gezieltere Anpassungen. Svardal und seine Kollegen zeigen, dass dies vor allem dann wichtig ist, wenn die Umweltbedingungen zwischen verschiedenen Extremen variieren, von denen einige viel häufiger sind als andere. Ein typisches Beispiel hierfür wäre die Anpassung an Waldbrände, die zwar nur selten auftreten, dann aber einen starken Ausleseeffekt haben.

Andererseits müssen verschiedene genetische Varianten aber die Möglichkeit haben, auch Zeiträume mit für ihre spezielle Anpassung ungünstigen Bedingungen zu überstehen, um nicht auszusterben. Es ist also nötig, dass sie eine langlebige Phase haben, in der ihr spezieller Phänotyp keine Rolle spielt. Im oben genannten Beispiel könnten das etwa feuerresistente Samen sein.

"Auf alles vorbereitet"

Die zuletzt genannte Einschränkung für den Erhalt verschiedener genetischer Varianten ist gleichzeitig der große Trumpf des Bet-hedgings. Da hier immer einige Nachkommen die richtige Anpassung haben, ist diese Spezies quasi "auf alles vorbereitet".

Die Schlussfolgerung der Evolutionstheoretiker: Die Produktion von Nachkommen mit vielen verschiedenen Phänotypen sollte vor allem in kurzlebigen Arten, die nur eine oder wenige Fortpflanzungsperioden erleben, eine wichtige Rolle spielen. Ob solche kurzlebigen Arten, die starken Umweltschwankungen unterworfen sind, in der Natur tatsächlich ein höheres Niveau an Schwankungen in der Gen-Expression aufweisen, bleibt zu zeigen. Die besten Kandidaten befinden sich wiederum in der Welt der Mikroorganismen. (tasch/13.11.2011)

Kommentar posten
11 Postings
Micha Do
 
00
17.11.2011, 18:56
Ich empfehle die Bücher "Das Spiel" und "Stufen zum Leben" von Manfred Eigen.

John Sandwich
01
14.11.2011, 18:27
"zusammenaddiert"

progo
11
14.11.2011, 12:50

Unter einer Strategie würde ich eine a priori gewählte Methode verstehen. Wenn es kein Schöpferlein oder intelligent design gibt, dann gibt es auch keine evolutionäre Strategie.

Es gibt lediglich Abläufe, die sich aufgrund ihres Erfolges durchsetzen.

her wig
00
14.11.2011, 13:10

Mit derselben Argumentationsweise könnte man sagen es gibt auch keine Gene, lediglich Molekülkonfigurationen die sich stabil halten und reproduzieren. Und genau genommen ist sogar dies nur eine Reihe von Zufällen.

progo
01
14.11.2011, 16:06

Na dann probieren wir es einmal:

Unter einem Gen würde ich eine a priori gewählte Molekülkonfigurationen verstehen. Wenn es kein Schöpferlein oder intelligent design gibt, dann gibt es auch keine evolutionäres Gen.

Funktioniert für mich nicht ganz! Der wichtige Teil meines Arguments war "a priori gewählt". Wenn niemand da ist, der etwas auswählt gibt es keine Strategie. Ohne metaphysische Interpretation von Natur oder Gott oder sowas geht das nicht.

Ein Gen ist auch nicht anderes als eine Bezeichnung für bestimmte Molekürkonfigurationen, das bestimmte Auswirkungen hat. Das ist aber nur ein Name für eine Teilmenge, kein anderer Begriff.

phaidros
00
16.11.2011, 12:42

es behauptet aber auch keiner, dass es sich hierbei um geplante strategien handelt. das duerfen sie den autoren schon zutrauen, dass sie die basics in evolutionsbiologie verstanden haben.

es ist ja nun nicht so, dass evolutionaere prozesse nicht gewisse tendenzen haetten (stichwort evolvability). sowas kann man (im nachhinein) sehr wohl als strategien bezeichnen, und das auch meist ganz gut begruenden. das ist auch was anderes als ablaeufe, die sich eben durchsetzen oder nicht, vor allem bei gezielt wechselnden umweltbedingungen.

progo
00
16.11.2011, 13:15

Ihre Wortschöpfung "geplante Strategie" ist eine Tautologie. Das ist auch ziemlich genau, was ich geschrieben hatte. Wenn man den Sinn des Wortes Strategie nicht viel weiter fasst als üblich, was wiederum seinen inhaltlichen Wert schmälert, kann man hier eben nicht von Strategie sprechen.

Ich denke nicht, dass das den Autoren nicht klar wäre. Es gibt nur diesen Hang zur allegorischen Verwendung "der Natur", bei dem ich mir nie ganz sicher bin, ob die Sprecher oder Schreiber die Aufklärung wirklich ganz verdaut haben oder nicht doch den Geistwesen nachtrauern.

phaidros
00
16.11.2011, 16:31

ja, das ist der alte streit um exaktheit in der terminologie. ich vermute ja, dass "strategie" hier eher der definition innerhalb der spieltheorie folgt, die unter "strategien" alle moeglichen optionen von einem ausgangspunkt aus versteht (also eine route von A nach B). waer ja nicht das erste mal, dass ein wissenschaftlicher begriff seiner umgangssprachlichen bedeutung zuwiderlaeuft (mE auch nicht zu vermeiden, solange jeder weiss, in welchem kontext gesprochen wird.)

her wig
00
14.11.2011, 09:04
Glaub ich nicht

dass das auf kurzlebige Arten und sich über kurze Zeiträume verändernde Umweltbedingungen beschränkt. In Wirklichkeit sind die relevanten Zeiträume so lange wie die Lebensdauer der betreffenden Art, und man könnte generell sämtliche Variabilität einer Art als dem Bet-Hedging dienend ansehen.

Nerd Nr. 5
00
14.11.2011, 14:32

Was nicht in den Genen liegt, kann ja mit Verhalten ausgeglichen werden.
Wenn ein Vater einen Sohn zum Militär schickt, einen anderen an die Uni und einen weiteren am Bauerhof behält, verteilt er auch das Risiko und schafft Möglichkeiten.

Weinpolter Franz
00
14.11.2011, 09:41

die Lebensdauer einer Art ist eine kurze Zeitdauer, im Vergleich zur Evolutionären Zeitskala.

Grüße,

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