Wie sich die Evolution das Würfeln erleichtert

Manchmal fragt man sich, wie hat die Natur das nur angestellt? Wie kann es sein, dass so viele verschiedene Lebewesen aus dem gigantischen Würfelspiel der Evolution entstanden sind und alle funktionieren?

In den letzten Jahren sind Biologen und Biochemiker der Lösung dieses Rätsels etwas näher gekommen. In einem Artikel von Philip Ball wird ein neues Bild der Evolution gezeichnet. Lange war nicht klar, auf welche Weise viele Variationen durch Mutation entstehen konnten. Schon grundlegende Prozesse, wie die Herstellung eines neuen Proteins, müssen irgendwie entstehen.

Wenn es einmal entstanden ist, dann ist es leicht die weiteren Schritte zu verstehen. Das Protein funktioniert besser, also wird sich der Organismus im Lauf der Zeit evolutionär durchsetzen. Aber der Schritt des Entstehens wirft Fragen auf. Oft ist dieser Schritt extrem unwahrscheinlich.

Wenn wir uns die Erbsequenz als eine Reihe von Würfeln vorstellen, so ist eine Mutation, die aus einem Gen mit einer Eigenschaft ein Gen mit einer anderen Eigenschaft macht so, als müsse man mit einem Wurf von vielen Würfeln nur Sechsen würfeln. Die Wahrscheinlichkeiten werden sehr schnell astronomisch klein. Wie es überhaupt zu solchen Änderungen kommen kann, war deshalb lange unklar.

Viele Wege zum gleichen Ziel

Die ersten Hinweise auf eine Antwort fand man in einem Spezialfall. Erbinformationen können nicht nur durch DNA, sondern auch durch RNA weitergegeben werden. Frühe Lebewesen haben diese wahrscheinlich ausschließlich genutzt. Dabei kann RNA nicht nur kopiert werden, sondern sich auch zu proteinähnlichen Strukturen zusammenfalten, die bestimmte chemische Reaktionen katalysieren können.

Als Forscher begannen zu untersuchen, aus welchen RNA Sequenzen welche Strukturen entstehen, kamen sie zu erstaunlichen Ergebnissen. Es gibt viele verschiedene Sequenzen, mit denen sich Strukturen bilden lassen, die eine bestimmte Funktion haben. Damit eine Spezies diese eine Funktion haben kann, ist es also nicht auf eine ganz bestimmte Sequenz von RNA Bausteinen angewiesen. Es reicht aus, wenn die Organismen eine Sequenz aus einer ganzen Familien von Sequenzen haben, die alle zu einem Ergebnis mit der gleichen Funktion führen.

Hellhörig wurden die Forscher aber, als sie die Zusammenhänge zwischen solchen Strukturen untersuchten, die alle ein gleichwertiges Ergebnis liefern. Man fand natürlich kleine Änderungen, die keine Veränderung am Ergebnis lieferten. Aber nicht jede kleine Änderung tut das. Manche kleinen Änderungen der Sequenz führen dazu, dass die Sequenz ihre Wirkung ganz verliert. Manche Sequenzen kann man aber auch mit einer kleinen Änderung zu einer völlig neuen Funktion verhelfen.

Das wichtigste Ergebnis war aber, dass viele der Sequenzen, die eine bestimmte Funktion haben, zusammenhängen. Man kann eine Sequenz leicht verändern und erhält eine neue Sequenz mit der leichen Funktion. Die neue Sequenz kann ebenso leicht verändert werden und zu einer dritten Sequenz führen, die dritte zu einer vierten und so weiter. Man fand ein weit verzweigtes Netzwerk von Kombinationen mit gleichen Ergebnissen.

Von einem Netz ins andere

Solche Netzwerke unterschiedlicher Sequenzen gibt es für jede Funktion, die so eine Sequenz haben kann. Und an manchen Stellen ist es nur ein kleiner Schritt von dem einen Netzwerk zum anderen. Nun könnte man meinen “Aha, es muss also eine ganze Reihe von Mutationen geben, bis man von einer Funktion zur anderen kommt”. Das stimmt soweit auch, aber in der Praxis ist es noch einfacher.

Denn weil die unterschiedlichen Sequenzen alle das (funktionell) gleiche Ergebnis haben, entstehen im Lauf der Zeit von allein. Sie bringen dem Organismus im Kampf um das Überleben und die Fortpflanzung zwar keine Vorteile, aber auch keine Nachteile, weshalb sie sich ungehemmt verbreiten können. Die vorhandenen Exemplare einer Spezies haben also zu jedem Zeitpunkt ohnehin schon alle möglichen Sequenzen in ihrem Erbgut. Es wird immer einige Exemplare deren Gene viel näher an einer bestimmten Mutation sind, als andere. Wenn so eine mögliche Mutation ein positives Ergebnis mit einer neuen Funktion hat, dann stehen die Chancen gut, dass sie in einer der nächsten Generationen dieser Exemplare auftreten wird.

Um auf das Beispiel mit den Würfeln zurück zu kommen: Es ist nicht so, dass man mit einem Wurf von 10 Würfeln sofort nur Sechsen würfeln muss. Es reicht, wenn man den ersten Würfel würfelt, bis eine Sechs kommt. Dann den nächsten Würfel würfelt, bis eine Sechs kommt und so weiter, bis alle Würfel eine Sechs zeigen.

Die Wahrscheinlichkeiten von Mutationen im Erbgut sind zwar bei weitem nicht so hoch wie beim Würfeln, aber auch hier profitiert ein Organismus enorm davon, wenn nicht alles mit einem Wurf passen muss.

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