Unerwarteter Grund für die Existenz komplexer Lebensformen

Published on February 28, 2017

Unerwarteter Grund für die Existenz komplexer Lebensformen

Originalautor: Carl Zimmer
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Charles Darwin war noch nicht einmal 30 Jahre alt, als er es bereits geschafft hatte, die Grundlage der Evolutionstheorie zu bilden. Aber er hat seine Argumentation erst nach seinem 50. Lebensjahr der Welt offenbart. Zwei Jahrzehnte lang sammelte er methodisch Beweise für seine Theorie und fand Antworten auf alle skeptischen Gegenargumente, die er sich vorstellen konnte. Das am meisten erwartete Gegenargument war, dass ein schrittweiser Evolutionsprozess nicht zur Entstehung bestimmter komplexer Strukturen führen könne.

Nimm das menschliche Auge. Es besteht aus vielen Teilen - der Netzhaut, der Linse, den Muskeln, dem Gelee usw. - und alle müssen interagieren, um die Sicht zu gewährleisten. Beschädige ein Stück und dies kann zur Erblindung führen. Das Auge funktioniert nur, wenn alle seine Teile die notwendige Größe und Form haben, um zusammenzuarbeiten. Wenn Darwin Recht hatte, dann entwickelte sich das komplexe Auge aus einfacheren Vorgängern. In "The Origin of Species" schrieb Darwin, dass diese Idee "unglaublich absurd erscheint, und ich gebe es offen zu".

Aber Darwin konnte den Weg zur Entwicklung der Komplexität erkennen. In jeder Generation unterschieden sich die Eigenschaften von Individuen. Einige Varianten erhöhten ihre Überlebensrate und ermöglichten es ihnen, mehr Nachkommen zu hinterlassen. Im Laufe der Generationen wurden diese Vorteile immer häufiger - das heißt, sie wurden "ausgewählt". Erscheinen und verbreiten sich, neue Varianten könnten mit der Anatomie gespielt werden und komplexe Strukturen erzeugen.

Darwin argumentierte, dass sich das menschliche Auge aus einem einfachen Stück Gewebe entwickeln könnte, das auf Licht reagiert, wie beispielsweise die heutigen Plattwürmer. Natürliche Selektion könnte diesen Bereich in eine Aussparung verwandeln, die die Richtung des Lichts erkennen kann. Dann würde sich die zusätzliche Eigenschaft weiter auswirken und den Organismus an die Umgebungsbedingungen anpassen, und dieser Zwischenvorfahr des Auges würde an nachfolgende Generationen weitergegeben. Schritt für Schritt würde die natürliche Selektion die Komplexität erhöhen, da jede Zwischenform gegenüber der vorherigen einen Vorteil hätte.

Darwins Überlegungen zum Ursprung der Komplexität fanden Unterstützung in der modernen Biologie. Heutzutage können Biologen das Auge und andere Organe detailliert untersuchen und auf molekularer Ebene äußerst komplexe Proteine ​​finden, die zusammenkommen und Strukturen bilden, die Förderbändern, Motoren und Ventilen bemerkenswert ähnlich sind. Solche hoch entwickelten Proteinsysteme könnten von einfacheren stammen, wenn die natürliche Selektion zugunsten von Zwischenvarianten gespielt hätte.

In letzter Zeit haben einige Wissenschaftler und Philosophen jedoch vermutet, dass Komplexität auf andere Weise auftreten könnte. Einige argumentieren, dass das Leben im Laufe der Zeit immer komplizierter wird. Andere vermuten, dass Komplexität beim Auftreten zufälliger Mutationen ein Nebeneffekt ist, auch ohne die Hilfe der natürlichen Selektion. Sie sagen, dass Komplexität nicht nur das Ergebnis von Millionen von Jahren der Feinabstimmung durch natürliche Selektion ist, ein Prozess, den Richard Dawkins einen „blinden Uhrmacher“ nannte. Man kann sagen, dass es einfach passiert.

Summe der austauschbaren Teile


Biologen und Philosophen haben jahrzehntelang über die Entwicklung komplexer Strukturen nachgedacht, doch laut Daniel W. McShea, einem Paläobiologen an der Duke University, wurden sie durch die Unbestimmtheit der Definitionen behindert. „Das Problem ist nicht nur, dass sie nicht wissen, wie sie es numerisch bewerten sollen. Sie wissen nicht, was sie mit diesem Wort meinen “, sagt Makshi.

Makshi arbeitete mehrere Jahre mit Robert N. Brandon an der Robert Duke University an diesem Thema. Makshi und Brandon schlagen vor, nicht nur auf die Anzahl der Teile zu achten, aus denen die Organismen bestehen, sondern auch auf die Art dieser Teile. Unser Körper besteht aus 10 Billionen Zellen. Wenn sie alle vom gleichen Typ wären, hätten wir keine charakteristischen Merkmale in Protoplasmahaufen. Stattdessen haben wir Muskelzellen, rote Blutkörperchen, Hautzellen und dergleichen. Auch im selben Organ können verschiedene Zelltypen vorkommen. Es gibt 60 verschiedene Arten von Neuronen in der Netzhaut, von denen jede ihre eigene Aufgabe erfüllt. Mit diesem Ansatz können wir feststellen, dass Menschen definitiv schwieriger sind als ein Tier wie ein Schwamm, der nur sechs Zelltypen aufweist.

Einer der Vorteile dieser Definition ist die Möglichkeit, die Komplexität auf verschiedene Arten zu messen. In unseren Skeletten gibt es verschiedene Arten von Knochen, von denen jeder eine bestimmte Form hat. Sogar die Wirbelsäule besteht aus verschiedenen Teilen, von den Wirbeln im Nacken, die den Kopf halten, bis zu denen, die den Brustkorb stützen.

In ihrem 2010 erschienenen Buch Biology's First Law beschreiben Biqi's und Brandon, wie auf diese Weise komplexe Strukturen erzeugt werden können. Sie argumentieren, dass sich mehrere Teile, die dem Start mehr oder weniger ähnlich sind, im Laufe der Zeit unterscheiden sollten. Bei der Reproduktion von Organismen können eines oder mehrere ihrer Gene mutieren. Manchmal treten aufgrund von Mutationen neue Arten von Teilen auf. Wenn der Organismus mehr Bestandteile hat, haben sie die Möglichkeit, sich zu unterscheiden. Nach dem versehentlichen Kopieren eines Gens kann sein Duplikat Mutationen erkennen, die im ursprünglichen Gen fehlen. Ausgehend von einer Reihe identischer Teile können Sie sehen, wie sie sich allmählich mehr und mehr voneinander unterscheiden. Das heißt, die Komplexität des Körpers nimmt zu.

Eine zunehmende Komplexität kann dem Körper helfen, besser zu überleben oder mehr Nachkommen zu hinterlassen. In diesem Fall greift die natürliche Selektion diesen Trend auf und verteilt ihn auf die Bevölkerung. Zum Beispiel bei Säugetieren funktioniert der Geruchssinn, indem Geruchsmoleküle an Rezeptoren an den Nervenenden in der Nase gebunden werden. Die Rezeptorgene werden seit Millionen von Jahren ständig dupliziert. Neuere Kopien mutieren und lassen Säugetiere mehr Aromen riechen. Tiere, die auf Duftstoffe angewiesen sind, wie Mäuse und Hunde, haben mehr als 1000 Gene für diese Rezeptoren. Andererseits kann Komplexität eine Belastung sein. Mutationen können beispielsweise die Form der Wirbel verändern und das Drehen des Kopfes erschweren. Natürliche Selektion verhindert, dass sich diese Mutationen durch die Bevölkerung ausbreiten. Organismen mit solchen Eigenschaften werden in der Regel vor der Reproduktion sterben, und dadurch schädliche Eigenschaften aus dem Verkehr ziehen. In diesen Fällen wirkt die natürliche Auslese der Komplexität entgegen.

Im Gegensatz zur konventionellen Evolutionstheorie wird in der Theorie von Makshi und Brandon eine Zunahme der Komplexität auch ohne natürliche Selektion beobachtet. Sie betrachten dies als ein grundlegendes Gesetz der Biologie - vielleicht das einzige. Sie nannten es das Gesetz der Entwicklung der Nullmacht.

Drosophila-Test


Kürzlich haben Makshi und Leonore Fleming, Doktorandin an der Duke University, das Gesetz der Evolution der Nullmacht getestet. Die Testpersonen waren Fliegen-Frucht-Fliegen. Seit mehr als hundert Jahren züchten Wissenschaftler Schwärme solcher Fliegen, um sie für Experimente zu verwenden. In Laborhäusern führen Fliegen ein verwöhntes Leben, sie haben eine ständige Nahrungsquelle und ein gleichmäßiges, warmes Klima. Ihre wilden Verwandten haben es mit Hunger, Raubtieren, Kälte und Hitze zu tun. Natürliche Selektion beeinträchtigt aktiv das Leben von Wildfliegen und beseitigt Mutationen, die es ihnen nicht ermöglichen, ihre vielen Versuche zu bewältigen. In einem geschützten Laborumfeld ist die natürliche Selektion sehr schwach.

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Labor-Fruchtfliegen sind komplizierter als wilde, da sich selbst erfolglose Mutationen in einer geschützten Umgebung ausbreiten. Diese Fliege hat Augen in Form von Rechtecken, die
kleiner sind als die von gewöhnlichen Fliegen.


Das Gesetz der Evolution der Nullkraft gibt eine klare Vorhersage: In den letzten hundert Jahren wurden Laborfliegen einer schwächeren Eliminierung nachteiliger Mutationen unterzogen und mussten daher komplexer werden als wilde.

Fleming und Makshi studierten die wissenschaftliche Literatur zu 916 Stammbäumen von Laborfliegen. Sie führten viele Messungen der Komplexität jeder Population durch. Kürzlich berichteten sie in der Zeitschrift Evolution & Development, dass Laborfliegen in der Tat schwieriger waren als wilde.

Obwohl einige Biologen das Gesetz der Entwicklung der Null-Potenz unterstützen, ist Douglas Erwin, ein führender Paläontologe am Smithsonian National Museum of Natural History, der Ansicht, dass es schwerwiegende Mängel aufweist. "Eine seiner Hauptannahmen funktioniert nicht", glaubt er. Laut Gesetz kann sich die Komplexität erhöhen, wenn keine Auswahl getroffen wird. Dies wäre jedoch nur dann der Fall, wenn Organismen außerhalb des Einflusses der Selektion existieren könnten. Im wirklichen Leben funktioniert die Auswahl, auch wenn sie von Wissenschaftlern blind verehrt werden. Damit sich ein Tier wie eine Fliege richtig entwickeln kann, müssen Hunderte von Genen in einem komplexen System interagieren, eine Zelle in eine Vielzahl verwandeln, verschiedene Organe züchten usw. Mutationen können diese Choreografie stören und verhindern, dass Fliegen zu lebensfähigen Erwachsenen heranwachsen.

Ein Organismus kann ohne externe Selektion existieren - ohne dass die Umgebung bestimmt, wer im evolutionären Rennen gewonnen und wer verloren hat -, aber er wird dennoch eine interne Selektion durchlaufen, die innerhalb von Organismen stattfindet. Erwin glaubt, dass Makshi und Fleming in der neuen Arbeit keine Beweise für ihr Gesetz liefern, da "sie nur Erwachsenenoptionen in Betracht ziehen". Die Forscher berücksichtigen nicht die Mutanten, die trotz der Abkehr von Wissenschaftlern vor Erreichen der Reife an Entwicklungsstörungen gestorben sind.

Einige Insekten haben unebene Beine. Andere haben komplizierte Muster an den Flügeln. Die Form ihrer Antennensegmente ändert sich. Befreit von der natürlichen Auslese, klärten sie ihre Schwierigkeiten.

Ein weiterer Einwand von Erwin und anderen Kritikern ist, dass die Komplexitätsoption von Makshi und Brandon nicht mit der Definition der meisten Leute übereinstimmt. Schließlich wird das Auge nicht nur durch das Vorhandensein mehrerer Teile bestimmt. Diese Teile erledigen zusammen einige Arbeiten, und jede von ihnen hat ihre eigene Aufgabe. Aber Makshi und Brandon glauben, dass die Komplexität, die sie untersuchen, zu anderen Arten von Komplexität führen kann. "Die Komplexität, die wir in der Drosophila-Population sehen, dient als Grundlage für sehr interessante Phänomene, mit denen die Selektion fertig werden kann", sagt Makshi.

Molekulare Komplexität


Als Paläobiologe ist Makshi es gewohnt, über die Komplexität nachzudenken, die in Fossilien vorkommt - zum Beispiel über die Knochen, aus denen das Skelett besteht. In den letzten Jahren haben mehrere Molekularbiologen begonnen, unabhängig voneinander über die Gründe für das Auftreten von Komplexität zu sprechen.

In den 1990er Jahren begann eine Gruppe kanadischer Biologen, das Fehlen einer sichtbaren Auswirkung bestimmter Mutationen auf den Körper zu untersuchen. Im Fachjargon der Evolutionsbiologie werden sie als neutral bezeichnet. Wissenschaftler, darunter Michael Gray [Michael Gray] von der Dalhousie-Universität in Halifax, schlugen vor, dass diese Mutationen zur Entstehung komplexer Strukturen führen könnten, wobei Zwischenoptionen umgangen würden, die für die Anpassung des Körpers an die Umwelt ausgewählt wurden. Sie nannten diesen Prozess "konstruktive neutrale Entwicklung".

Gray ließ sich von den neuesten Forschungsergebnissen inspirieren und lieferte eine sehr interessante Bestätigung für die Existenz einer konstruktiven neutralen Entwicklung. Einer der Leiter dieser Studie ist Joe Thornton von der University of Oregon. Er und seine Kollegen fanden ein Beispiel für eine solche Entwicklung in Pilzzellen. In Pilzen wie Champignon Dvuhorovy müssen Zellen zur Lebenserhaltung Atome von Ort zu Ort bewegen. Hierzu setzen sie insbesondere Molekularpumpen ein, die als "vakuolarer Adenosintriphosphatkomplex" [V-ATPase] bezeichnet werden. Der rotierende Proteinring sendet Atome von einer Seite der Membran im Pilz zur anderen. Dieser Ring ist offensichtlich eine komplexe Struktur. Es enthält sechs Proteinmoleküle. Vier davon bestehen aus Vma3-Protein, das fünfte aus Vma11 und das sechste aus Vma16. Und alle drei Arten von Proteinen werden benötigt, um den Ring zu drehen.

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Ein Beispiel dafür, wie sich eine komplexe Struktur ohne Auswahl entwickeln kann. A) Gen A kodiert für ein Protein mit einer Struktur, die es seinen acht Kopien ermöglicht, einen Ring zu bilden. B) Das Gen wird zufällig kopiert. Zunächst können zwei Arten von Proteinen in beliebiger Reihenfolge zu einem Ring verarbeitet werden. C) Mutationen entfernen einige Stellen, die Proteine ​​binden. Jetzt können Proteine ​​nur noch auf bestimmte Weise kombiniert werden. Der Ring ist schwieriger geworden, aber nicht aufgrund natürlicher Selektion.

Um herauszufinden, wie diese komplexe Struktur aussah, verglichen Thornton und Kollegen Proteine ​​mit ihren verwandten Versionen in anderen Organismen, beispielsweise in Tieren (Pilze und Tiere hatten einen gemeinsamen Vorfahren, der vor einer Milliarde Jahren lebte).

Bei Tieren bestehen die V-ATPase-Komplexe auch aus rotierenden Ringen, die aus sechs Proteinen bestehen. Aber sie haben einen grundsätzlichen Unterschied: Anstelle der drei Arten von Proteinen gibt es nur zwei. Jeder Tierring besteht aus fünf Exemplaren von Vma3 und einem Vma16. Sie haben keine Vma11. Per Definition liegt die Schwierigkeit bei Makshi und Brandon, Pilze sind komplexer als Tiere - zumindest im Bereich der V-ATPase.

Wissenschaftler haben die Gene, die die Proteine ​​der Ringe kodieren, genauer untersucht. Vma11, einzigartig für Pilze, erwies sich bei Tieren und Pilzen als ein enger Verwandter von Vma3. Das heißt, die Gene Vma3 und Vma11 müssen gemeinsame Vorfahren haben. Thornton und Kollegen kamen zu dem Schluss, dass zu Beginn der Entwicklung des Pilzes der Genvorfahr der Ringproteine ​​versehentlich kopiert wurde. Diese beiden Kopien haben sich zu Vma3 und Vma11 entwickelt.

Thornton und seine Kollegen untersuchten die Unterschiede zwischen den Genen Vma3 und Vma11 und stellten das Gen ihrer Vorfahren wieder her. Sie verwendeten diese DNA-Sequenz dann, um das entsprechende Protein zu erzeugen - im Wesentlichen, um ein 800 Millionen Jahre altes Protein wiederzubeleben. Sie nannten es Anc.3-11 - kurz für "Vorfahren Vma3 und Vma11". Sie fragten sich, wie der Proteinring mit diesem Protein funktionieren würde. Sie inserierten das Anc.3-11-Gen in die Hefe-DNA und stellten auch die Nachkommen dieses Gens, Vma3 und Vma11, ab. Unter normalen Bedingungen würde das Ausschalten dieser Gene für die Hefe schlecht enden, da sie ihre eigenen Ringe nicht erzeugen könnten. Es stellte sich jedoch heraus, dass die Hefe mit Anc.3-11 überleben kann. Sie kombinierten Anc.3-11 mit Vma16, um voll funktionsfähige Ringe zu erstellen.

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Mit solchen Experimenten können Wissenschaftler eine Hypothese aufstellen, wie kompliziert der Pilzring ist. Pilze begannen mit einem Ring, der nur aus zwei Proteinen bestand, wie man sie bei Tieren findet. Eichhörnchen waren universell, konnten sich rechts und links mit sich selbst oder ihren Partnern verbinden. Später wurde das Gen für Anc.3-11 kopiert und in Vma3 und Vma11 umgewandelt. Neue Eichhörnchen setzten die Arbeit der Alten fort und sammelten sich in Ringen. Aber für Millionen von Generationen von Pilzen begannen sie zu mutieren. Einige der Mutationen ihrer Universalität beraubt. Vma11 hat die Fähigkeit verloren, im Uhrzeigersinn eine Verbindung mit Vma3 herzustellen. Vma3 kann in Vma16 nicht mehr im Uhrzeigersinn verbunden werden. Dies tötete die Hefe nicht, da Proteine ​​noch einen Ring bilden konnten. Das heißt, dies waren neutrale Mutationen. Aber jetzt musste der Ring komplizierter werden

Thornton und seine Kollegen deckten genau die Art der Evolution auf, die das Gesetz der Null-Kraft-Evolution vorhersagte. Im Laufe der Zeit produzierte das Leben immer mehr Teile - Ringproteine. Dann begannen sich diese zusätzlichen Teile voneinander zu unterscheiden. Pilze haben daher eine komplexere Struktur als ihre Vorfahren. Dies geschah jedoch nicht so, wie Darwin es sich vorgestellt hatte, wobei die natürliche Auslese mehrere Zwischenoptionen bevorzugte. Stattdessen ist der Pilzring degeneriert und komplizierter geworden.

Fehlerkorrektur


Gray entdeckte ein weiteres Beispiel für konstruktive neutrale Evolution in der Art und Weise, wie viele Arten ihre Gene bearbeiten. Wenn Zellen ein Protein herstellen müssen, schreiben sie die DNA ihres Gens in RNA, eine einzelsträngige DNA-Kopie, um und verwenden dann spezielle Enzyme, um einige Teile der PKH (Nukleotide) durch andere zu ersetzen. RNA-Editierung ist für viele Arten, einschließlich uns, notwendig - nicht-editierte RNAs produzieren nicht-funktionierende Proteine. Aber es ist immer noch seltsam - warum haben wir einfach keine Gene mit der richtigen Sequenz, was die Notwendigkeit ausschließen würde, RNA zu editieren?

Das von Gray vorgeschlagene Szenario der RNA-Evolution sieht folgendermaßen aus: Das Enzym mutiert so, dass es in der Lage ist, RNA zu verbinden und bestimmte Nukleotide zu verändern. Dieses Enzym schadet oder hilft der Zelle nicht - zumindest nicht zuerst. In Abwesenheit von Schaden bleibt es erhalten. Später im Gen kommt es zu einer schädlichen Mutation. Glücklicherweise hat die Zelle bereits ein Enzym, das sich mit RNA verbindet und diese Mutation durch Editieren von RNA ausgleichen kann. Es schützt die Zelle vor dem Schaden einer Mutation und ermöglicht die Weitergabe an die nächste Generation und die Ausbreitung in der gesamten Bevölkerung. Die Entwicklung eines Enzyms, das RNA bearbeitet, und die damit verbundene Mutation sind nicht das Ergebnis natürlicher Selektion, sagt Gray. Im Gegenteil, diese zusätzliche Komplexität ist von selbst entstanden - „neutral“. Nach seiner Verbreitung war es bereits unmöglich, es loszuwerden.

David Speijer, Biochemiker an der Universität Amsterdam, ist der Ansicht, dass Gray und seine Kollegen der Biologie einen Gefallen getan haben, indem sie die Idee einer konstruktiven neutralen Evolution zum Ausdruck gebracht und insbesondere die Ansicht in Frage gestellt haben, dass jede Komplexität anpassungsfähig sein muss. Aber Speyer befürchtet, dass sie ihre Idee in einigen Fällen zu weit treiben. Einerseits glaubt er, dass Pumpen in Pilzen ein gutes Beispiel für eine konstruktive neutrale Entwicklung sind. "Jeder vernünftige Mensch wird dem voll und ganz zustimmen", sagt er. In anderen Fällen, wie der RNA-Bearbeitung, sollten Wissenschaftler seiner Meinung nach die Möglichkeit der Beteiligung der natürlichen Selektion nicht verwerfen, auch wenn diese Komplexität unbrauchbar erscheint.

Gray, Makshi und Brandon erkennen die wichtige Rolle der natürlichen Auslese bei der Erhöhung der Komplexität der Umwelt, von der Biochemie der Federn bis zu den Fabriken der Photosynthese, die in den Blättern von Bäumen eingeschlossen sind. Sie hoffen jedoch, dass ihre Forschung andere Biologen davon überzeugen wird, über die natürliche Selektion hinauszugehen und die Möglichkeit zu erkennen, dass zufällige Mutationen die Entwicklung der Komplexität selbstständig fördern können. "Wir lehnen die Rolle der Anpassung in diesem Prozess nicht ab", sagt Gray. "Wir glauben einfach nicht, dass sie alles erklären kann."