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Komplexität, Koevolution und Evolvierbarkeit

on 24. Dezember 2013

Die Beispiele im vorherigen Blogpost zeigen, dass die Evolution nicht zwingend zu einer Art von Fortschritt führen muss. Der Paläontologe Stephen J. Gould hat in seinem populärwissenschaftlichen Buch Random House dazu gar den Vergleich aufgestellt, dass der Lauf der Evolution dem Laufen eines Betrunkenen gleicht, der auf der Strasse zwischen Bordstein links und Bordstein rechts zufällig hin und her stolpert. Mit diesem Vergleich spricht sich Gould gegen jegliche evolutionären Tendenzen zu „Fortschritt“ oder zunehmender Komplexität aus. Damit korrigierte er das verbreitete, fehlerhafte Evolutionsverständnis der Öffentlichkeit zwar in die richtige Richtung, aber viel zu stark.

Eine Tendenz zur Komplexität besteht

Tendenzen zum Anstieg an Komplexität machen aus evolutionärer Perspektive nämlich durchaus Sinn, besonders für den Anfang der Evolutionsgeschichte. Mit Komplexität ist hier der Informationsgehalt im Genom gemeint, in dem das Rezept gespeichert ist, wie zusammen mit der Umwelt der Zelle ein bestimmtes Lebewesen entstehen und funktionieren kann. Wegen Redundanz und weil der Grossteil der DNA vieler Organismen gar nie für die Proteinsynthese verwendet wird, deckt sich der Informationsgehalt im Genom nicht mit der Anzahl Basenpaare. Es wurde spekuliert, dass es eine Obergrenze an Komplexität gibt, weil zu viel genetische Information von den DNA-Reparaturmechanismen nicht mehr genügend vor Kopierfehlern (Mutationen) bewahrt werden könnte. Es könnte sein, dass diese Grenze schon angetastet wurde.

Wie dem auch sei, historisch gab es zweifelsohne Zeitperioden, wo die Komplexität der Organismen über mehrere Abstammungslinien hinweg rasant zunahm, viel schneller und grossflächiger, als Goulds Analogie des Betrunkenen es implizieren würde.

Dieser Anstieg an Komplexität kam grösstenteils wegen Koevolution und der Zunahme an Evolvierbarkeit zustande. In den folgenden Abschnitten wird erläutert, weshalb wir evolutionsgeschichtlich einen Anstieg an Komplexität beobachten können, obschon die natürliche Selektion nicht ziel-/zweckgerichtet wirkt.

Evolvierbarkeit

Das Konzept der Evolvierbarkeit bezieht sich darauf, wie flexibel sich Arten durch Mutationen verändern und verformen lassen. Der Übergang von einzelligen zu mehrzelligen Organismen beispielsweise ermöglichte die Spezialisierung von einzelnen Zellen, die sich dann dem Funktionieren des Gesamtorganismus unterordnen konnten. Dadurch wurde die Grundlage für grössere Variabilität geschaffen.

Auch die Evolution der sexuellen Fortpflanzung führte zu einer Zunahme der Evolvierbarkeit, durch die sich eine unzählige Vielfalt an verschiedenen Genkombinationen austesten liess. Im Englischen nennt man diese bedeutenden Übergänge in der Evolutionsgeschichte „major transitions„. Wenn es (anfangs zufällig!) zu Änderungen kommt, welche die Evolvierbarkeit einer Art erhöhen, und wenn sich diese Änderungen auch durchsetzen, dann hat dies für die Zukunft eine sprunghafte Zunahme an Komplexität zur Folge, weil die neue Abstammungslinie nun evolutionär „formbarer“ ist.

Eine weitere wichtige und mächtige Möglichkeit, die Evolvierbarkeit zu steigern, ist die Genduplikation (oder auch Chromosomen- oder Genomduplikation). Weil dabei die alte Funktion des DNA-Abschnittes bestehen bleibt, kann mit dem neuen Abschnitt frei experimentiert werden. Kreationisten (=Leute, welche an die Schöpfung glauben und die Evolution abstreiten) argumentieren manchmal, dass sich die Komplexität der Natur nicht erklären lasse, weil Mutationen im Evolutionsprozess keine neue Information hervorbringen könnten. Gerade bei der Genduplikation haben wir es aber mit einem Vorgang zu tun, welcher die Voraussetzungen dafür schafft, dass sich der Informationsgehalt im Genom (beträchtlich) erhöhen kann.

Koevolution

Zu vergleichsweise raschen Evolutionsschritten kommt es, wenn zwischen Arten ein Verhältnis der Koevolution besteht, was bedeutet, dass Veränderungen bei der einen Art jeweils den Selektionsdruck einer anderen Art so verändern, dass auch da eine Anpassung stattfindet. In Fällen, wo verschiedene Arten voneinander profitieren können, kann es durch Koevolution zu beeindruckenden Ausprägungen dieser beidseitig-vorteilhaften Beziehungen führen (Symbiose). Das wohl bekanntest Beispiel hierzu ist die Evolution von Blüten und ihren bestäubenden Insekten. Die Koevolution erklärt, weshalb der spitze Schnabel von Kolibris oder der Rüssel gewisser Insekten jeweils so gut an die Kelchform bestimmter Blüten angepasst ist.

Für die Fortpflanzung der Blumen ist es vorteilhaft, wenn ihre Pollen möglichst zielgerichtet nur zu Blüten der eigenen Art gelangen, was sich am besten über „hauseigene“ Insekten oder Kolibris bewerkstelligen lässt, welche jeweils sehr wenige oder gar nur eine Art von Blume besuchen. Jede Veränderung bei der Pflanze, die dazu führt, dass sie attraktiver für einen spezifischen Bestäuber wird, bietet somit einen evolutionären Vorteil. Und jede dadurch ausgelöste Anpassung auf Seiten der Bestäuber, welche dazu führt, dass sie im Konkurrenzkampf unter den Artgenossen besser vom neuen pflanzlichen Angebot (z.B. Nektar) profitieren können, bringt das kooperierende Duo, Blume und Bestäuber, auf die jeweils nächste Stufe der beidseitigen Anpassung aneinander.

Wettrüsten

Während in den vorangehenden Abschnitten von beidseitig-vorteilhafter Koevolution die Rede war, gibt es auch die (verbreitetere) antagonistische Koevolution, die durch Konkurrenzkampf, welcher sich beispielsweise zwischen Jägern und Beutetieren abspielt, zustande kommt. So sind Geparde besonders schnell, weil die Gazellen besonders wendig sind. Wenn die Gazellen wendiger werden, erhöht sich nämlich der Selektionsdruck unter den Geparden, was auch dort zu einer Verbesserung der Jagdfähigkeiten führt, was wiederum Auswirkungen auf den Selektionsdruck unter den Gazellen hat. Dieser Rückkoppelungseffekt löst ein Wettrüsten aus, welches sich über lange Generationsspannen hinziehen kann.

Wegen umweltlichen, entwicklungsbiologischen und physikalischen Einschränkungen gibt es aber für alle Parameter (wie Schnelligkeit, Sehkraft, Immunabwehr) eine obere Grenze, über die hinaus keine weiteren Verbesserungen mehr möglich sind. Die Nachfahren von Geparden werden Gazellen nie mit Überschall-Geschwindigkeit jagen, weil kein biologisch-möglicher Pfad an vorteilhaften Mutationen existiert, der zu diesem Resultat führen könnte.

Auch zwischen Parasiten und Wirten findet antagonistische Koevolution statt. Dabei entwickeln sich komplexe Strategien und Konter-Strategien, weil die Individuen einer jeweiligen Art stets auf dem neusten Stand sein müssen, um zu bestehen. Wenn auf beiden Seiten Anpassungen stattfinden, gewinnt dadurch keine Seite wirklich die Überhand. In Anlehnung an ein Zitat von Lewis Carrols Through the Looking Glass ist von der „Red Queen Hypothesis“ die Rede. Im Zitat erklärt die rote Königin der neugierigen Alice die kinetischen Eigenheiten des Wunderlands:

Now, here, you see, it takes all the running you can do, to keep in the same place.

Die Red Queen Hypothese besagt, dass Arten ständig in irgendwelche Wettrüsten involviert sind. Dadurch würde beispielsweise erklärt, weshalb der Anteil an aussterbenden Arten in der geologischen Zeitskala konstant (abgesehen von den Massenaussterben) und relativ hoch war.

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Weitere Beispiele, wo Rückkopplungseffekte zu einer Art Wettrüsten führen, finden sich in der sexuellen Selektion. So besteht der Grund, weshalb gewisse Enten-Männlein einen bis zu zwei Körperlängen langen (ausrollbaren) Penis haben, vermutlich darin, dass sich die Gene eines Enten-Weibchens am ehesten verbreiten, wenn es nur von den fittesten Männchen befruchtet wird. Die Gene der Männchen hingegen kopieren sich am häufigsten, wenn die Männchen mit möglichst vielen verschiedenen Weibchen kopulieren. Es wird vermutet, dass diese Asymmetrie der Geschlechter zu einem Wettrüsten bei der Morphologie der Geschlechtsorgane führte. Die Penisse der Männchen wurden über die Generationen länger und flexibler, um für eine erfolgreiche Befruchtung besser durch den immer labyrinthartiger (für die Qualitätssicherung) werdenden Geschlechtskanal der Weibchen zu kommen. Sobald die Selektion einmal in diese Richtung anlief, wurde die Anatomie der Geschlechtsorgane zu einem zentralen Kriterium, welches die evolutionäre Fitness der Tiere massgeblich bestimmte.

Der in der Natur allgegenwärtige Kampf um Überleben und Fortpflanzung führt also oftmals zu einer Art Wettrüsten, in denen sich Lebewesen in Bezug auf bestimmte Kriterien weiterentwickeln und verbessern und sich so gegenseitig hochschaukeln. Dadurch kamen die beeindruckenden Spezialisierungen bei Fähigkeiten zustande, mit denen wir aus Dokumentarfilmen vertraut sind.

Nichts in der Biologie ergibt einen Sinn ausser im Licht der Evolution.

Dieses berühmte Zitat von Theodosius Dobzhansky trifft es auf den Punkt, wie sich enorm viele Eigenheiten der natürlichen Vielfalt durch Koevolution und Wettrüsten erklären lassen.

Referenzen
Maynard Smith, J. and Szathmary, E. (1995). The Major Transitions in Evolution. Oxford, England: Oxford University Press.
Brennan et al. (2007). Coevolution of Male and Female Genital Morphology in Waterfowl. PLoS ONE 2, e418.