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Sex - Der Skandal der Evolution

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1 Sex - Der Skandal der Evolution on Mon Aug 16, 2010 11:58 pm

Der Skandal der Evolution

Von Peter Markl

So paradox das auch scheinen mag: es sind ausgerechnet die Biologen, welchen Fragen um Sex immer noch Probleme machen. Wieso tun sich Organismen alle die aufwendigen Sexmanöver an, wenn sich die Weibchen doch einfach auch asexuell durch Parthenogenese fortpflanzen könnten?

Wenn Sex im Vergleich zu einer asexuellen Fortpflanzung evolutionäre Vorteile bringt, dann sollte zumindest bei höher entwickelten Organismen asexuelle Fortpflanzung eigentlich nicht mehr vorkommen. Doch wie kommt es, dass alle heute vorkommenden asexuellen Arten relativ neu sind und sich im Lauf der Evolutionsgeschichte erst vor relativ kurzer Zeit entwickelt haben? Fast immer haben diese Tiere und Pflanzen noch enge Verwandte, die sich sexuell fortpflanzen, und bei manchen von ihnen findet man reichlich bizarre Sexspiele, die kaum anders erklärt werden können als durch die Vermutung, dass sie genetisch fixierte Relikte aus der Periode der Evolution sind, in der Sex auch für diese Arten noch zur Fortpflanzung notwendig war.

Paradebeispiele dafür findet man zum Beispiel unter den 15 Arten eingeschlechtlicher Eidechsen. Obwohl bei ihnen alle Tiere Weibchen sind, kann ein isoliertes Weibchen keine Jungen zur Welt bringen. Bei mindestens sechs dieser Rennechsenarten können die Weibchen sich erst fortpflanzen, wenn sie von einem anderen Weibchen in ein typisch männliches Balzritual verwickelt wurden, Pseudokopulationen eingeschlossen. Bei anderen dieser Echsenarten müssen sich die Weibchen den Männchen einer anderen Art zur Kopulation anbieten. Die geborgten Männchen versorgen die Weibchen auch mit ihren Spermien, aber sie werden dabei betrogen: die Eier der Weibchen haben bereits einen doppelten Chromosomensatz, die Gene der Männchen sind nicht gefragt. Was die Eientwicklung auslöst, sind einzig die körperlichen Aktivitäten, die mit der Kopulation verbunden sind.

Vielen anderen Organismen, etwa Blattläusen oder Zitterpappeln, scheint ein Zwischenstadium evolutionäre Vorteile zu bieten. Sie können sich sowohl ungeschlechtlich als auch sexuell fortpflanzen.

Im Licht ihrer Theorien über die Vorteile der Sexualität sehen Biologen die wenigen Tier- und Pflanzenarten, die sich nur asexuell fortpflanzen, hoffnungslos im Out: sie haben sich in eine Sackgasse der Evolution verrannt und werden bald aussterben.

Enthaltsame Tiere

Umso beunruhigender ist es, wenn es trotzdem vielzellige Tiere gibt, die ohne Sex auszukommen scheinen: zum Beispiel die Klasse Bdelloidea der Rädertierchen, bestehend aus nicht weniger als an die 360 Arten. John Maynard Smith, heute vielleicht der prominenteste Evolutionstheoretiker der Welt, hat ihre Existenz "so etwas wie einen evolutionären Skandal" genannt, denn eigentlich, wenn die heutigen Vorstellungen über die Vorteile von Sex der Wirklichkeit entsprechen - sollte es fortdauernden evolutionären Erfolg ohne Erzeugung genetischer Vielfalt durch Sex oder irgendeinen anderen Mechanismus zum Austausch von Genen - nicht geben.

Ein 2-Mann-Team von der Harvard-Universität hat vor einigen Jahren begonnen, dem Skandal ein Ende zu bereiten. Es ist ein geradezu klassisches Forschungsproblem, das sich das Team vorgenommen hat: Der Versuch, eine der ganz grundlegenden theoretischen Annahmen der Evolutionstheorie empirisch zu testen. Mark und Meselson schreiben dazu in ihrer jüngsten Arbeit: "Dass man bisher in der ganzen Klasse der Bdelloidea weder Männchen, Zwitter oder Meiose beobachtet hat, ist zwar bemerkenswert, schließt aber nicht aus, dass es sehr seltene oder bislang unerkannte Formen der sexuellen Fortpflanzung oder irgend eine andere Form zum Austausch von Genen gibt. (Meiose ist die für sexuelle Fortpflanzung notwendige Zellteilung, bei der Zellen mit nur einem Chromsomensatz entstehen.) Auf der anderen Seite aber würde die Demonstration von Sex bei bdelloiden Rädertierchen die wichtigste Ausnahme zur heute vorherrschenden Ansicht eliminieren, dass der Austausch von Genen für Erfolg in der Evolution unerlässlich ist. Und umgekehrt wäre es eine Herausforderung für die zentrale These der Evolutionstheorie, wenn man zeigen könnte, dass es in der Evolution der Bdelloidea keinen Sex gab. Man hätte dann ein System gefunden, mit dem man die Vermutungen darüber testen könnte, warum die Sexualität fast universell ist und asexuelle Spezies schnell auszusterben scheinen."

Eigentlich handelt es sich bei den Problemen, die Biologen mit ihren Vermutungen über die Entstehung von Sex und die Vorteile, die er bringt, um mindestens zwei Fragen: Wie ist Sex entstanden, obwohl er in der Anfangsphase für die einzelnen Organismen Nachteile mit sich gebracht haben muss? Wieso ist Sex heute für eine Myriade von Organismen obligatorisch?

Darwin hat klargemacht, dass es in der Evolution für einen Organismus vor allem darauf ankommt, zu überleben und sich zu reproduzieren. Reproduktion ist der Prozess, bei dem aus einer Zelle zwei werden. Sex aber ist ein Prozess, bei dem zwei Zellen zu einer Zelle verschmelzen. Was soll das bringen? Asexuelle Reproduktion würde vollkommen genügen, und sie genügt auch allen sich asexuell fortpflanzenden Organismen. Wie konnte es also dazu kommen, dass so viele andere Organismen im Lauf der Evolution vom einfachen Weg einer asexuellen Reproduktion abkamen und begannen, sich auf den so viel komplizierteren Weg einer Reproduktion via Sex zu kaprizieren?

Warum gibt es Männchen?

Das Problem dabei ist nicht, dass man keine plausiblen Hypothesen darüber hätte, welchen Vorteile es bringt, sich sexuell fortzupflanzen. Das Problem liegt bei der Erklärung der Evolution von Sex; verglichen mit der asexuellen Reproduktionsform ist Sex ein Nachteil.

John Maynard Smith schrieb dazu einmal: "Es ist ja nicht nur so, dass Sex überflüssig erscheint, in Wirklichkeit ist er sogar kostspielig. Denken sie einmal an ein Tier, das sich um seine Jungen nicht weiter kümmert, um es konkreter zu machen zum Beispiel an einen Hering. Nehmen sie einmal an, dass es zwei Arten von Weibchen gäbe: Weibchen mit normaler Sexualität, die Eier legen, aus denen zur Hälfte Töchter und zur anderen Hälfte Söhne schlüpfen würden. Die andere Art von Hering-Weibchen aber würde sich ,parthenogenetisch´ fortpflanzen: ihre Eier würden sich ohne Befruchtung und damit jeden männlichen Beitrag zu Weibchen entwickeln, die parthenogenetisch wären wie ihre Mütter. Es ist klar, dass sich, wenn alle anderen Bedingungen gleich wären, der Anteil der parthenogenetischen Weibchen in einer solchen Population von Generation zu Generation verdoppeln würde. Das Problem der Erklärung von Sex besteht in dieser Sicht daher darin, zu erklären, wieso eben doch nicht alles andere gleich ist. Wonach man sucht, sind jene Vorteile, die offensichtlich imstande sind, den Nachteil der kostenaufwendigen Produktion von Söhnen zu kompensieren."

Einer dieser Vorteile liegt auf der Hand: Beim Sex wird das genetische Material von zwei Individuen vereint. Gene, die bei einem Individuum nur mehr in geschädigter Form vorliegen, können in ihrer Funktion ersetzt werden durch analoge Gene, welche das zweite Individuum beisteuert. Wahrscheinlich war es ein unmittelbarer Vorteil dieser Art, der die Evolution von Zellverschmelzungen, die als Teil der sexuellen Fortpflanzung bei der Befruchtung ablaufen, möglich gemacht hat. Viel schwieriger ist es, zu erklären, wie die Meiose entstanden sein könnte, da ihre evolutionären Anfangsstadien für die einzelnen Individuen nachteilig gewesen sein müssten, auch wenn voll entwickelter Sex, also die Kombination von Meiose und Zellverschmelzung, bei der Befruchtung langfristig für eine Spezies fraglos Vorteile bringt. Die Neuzusammenstellung von genetischem Material schafft genetische Variabilität, an der die Selektion ansetzen kann: unerlässliche Voraussetzung dafür, dass sich ein Organismus an eine geänderte Umwelt oder eine Attacke durch einen neuen pathogenen Organismus anpassen kann.

Das Problem ist nur, dass diese Erklärung von vielen Biologen für fragwürdig gehalten wird: Schließlich setzt die Evolution an einzelnen Individuen an, die, wenn diese Vermutung stimmt, kurzfristig Nachteile hinnehmen müssten, weil sich das langfristig für die Population vorteilhaft auswirken könnte - zu viel an Voraussicht, um nicht Zweifel hervorzurufen.

Viele der Überlegungen aus dem Umkreis um die Sexualität leiden darunter, dass es schwer vorstellbar ist, zu empirischen Belegen zu kommen. Trotzdem hat das Harvard Team jetzt einen experimentellen Zugang dazu gefunden: David Mark und Matthew Meselson haben sich mit dem Arsenal der heutigen Methoden der Genanalytik angesehen, welche Kerben die Evolution in den Genen der parthenogenetischen Rotiferen hinterlassen haben. Ihre Versuchstiere sind fraglos ein evolutionärer Erfolg: Überall auf der Erde kommen sie in hinreichend reinem Wasser vor. Sie sind nicht gerade imposant: Nur 0,1 bis 1 mm groß, aber immerhin, sie haben unter anderem Muskeln, Ganglien und Sinnesorgane, mit denen sie auf Licht reagieren oder auf Berührung.

Sex hat auf das Genom zwei Effekte: Er vergrößert zwar die genetischen Unterschiede zwischen Kindern, die von dem gleichen Elternpaar abstammen, aber er verringert auch die genetischen Unterschiede zwischen nicht verwandten Individuen in einer Population, indem er die Gene immer neu durchmischt.

Mutationen sind Veränderungen in der Sequenz der DNA-Basenpaare, aus denen ein Gen besteht. Das Schicksal einer Mutation hängt davon ab, wie sich die Veränderungen auf die Funktion des Gens auswirken. Schädigen sie das Gen, wird die Mutation mehr oder weniger schnell eliminiert werden. Schafft die Mutation ein funktionstüchtigeres Gen, dann wird sie sich in einer Population, begünstigt durch die Selektion, letztlich durchsetzen. Die meisten Mutationen sind jedoch neutral: sie breiten sich durch Vermischung der einzelnen Genome in der Population aus.

Ohne Sex ist das allerdings anders: Die Mutationen werden sich dann in einer Abstammungslinie ansammeln. Da sich überdies die Mutationen voneinander unabhängig in jedem der beiden DNA-Moleküle eines Chromosomenpaares ereignen, werden in einer sich asexuell fortpflanzenden Spezies die analogen Gene, die auf den zwei verschiedenen Chromosomen sitzen, einander immer unähnlicher werden. Genau da haben David Welch und Matthew Meselson angesetzt: Sie analysierten die Basensequenz von vier Arten von Genen in einer Stichprobe verschiedener Arten bdelloider Rädertierchen und fanden ein verblüffendes Resultat. In jedem der untersuchten Rädertierchen unterschieden sich die untersuchten Gene um 50 Prozent, wenn die Tierchen aus einer sich ungeschlechtlich fortpflanzenden bdelloiden Arten stammten. Wenn sie sexuell fortpflanzende Rädertierchen untersuchten, lag der Unterschied bei nur 2 bis 3 Prozent. Mehr noch: Da man einen ungefähren Wert für die Geschwindigkeit kennt, mit der sich neutrale Mutationen im Genom der meisten Tiere ansammeln, kann man abschätzen, wie lange es gedauert haben muss, bis sich anfangs identische Gene, die in einem Individuum auf zwei verschiedenen Chromosomen eines Chromosomenpaares sitzen, so weit auseinander entwickelt haben, bis sie sich um 50 Prozent unterscheiden.

Das Resultat war wiederum verblüffend: Das erste asexuelle Rädertierchen muss anscheinend vor bereits 80 Millionen Jahren gelebt haben. (Das älteste bdelloide Rädertierchen, das man bisher eingeschlossen in Bernstein zu Gesicht bekam, lebte vor 40 Millionen Jahren und hatte daher die Vorteile der Parthenogenese wahrscheinlich schon genossen.)

"Unsere Resultate", so schreiben Welch und Meselson, "schließen es aus, dass die bdelloiden Rädertierchen ganz normale Diploide sind, die selten oder versteckt Sex haben." Auch wenn man eingestehen muss, dass es immer noch Möglichkeiten gibt, das unbequeme Resultat wegzuerklären, so bleibt doch: "Die immer wieder auftretenden Fehlschläge bei der Suche nach Männchen, Hermaphroditen oder der Fahndung nach Meiose lassen es plausibler erscheinen, die neuen Funde als weiteren Beleg dafür zu interpretieren, dass sich die Klasse der Bdelloidea über viele Millionen Jahre ohne sexuelle Fortpflanzung oder eine andere Form des Austauschs von genetischem Material entwickelt hat."

Das alte Diktum von Karl Kraus, dass der Skandal erst richtig anfängt, wenn man ihm ein Ende bereiten will, hat sich einmal mehr bewährt. Was David Mark und Matthew Meselson in ihrer "Science"-Veröffentlichung dazu vorgelegt haben, ist eine Herausforderung für die Evolutionsbiologie und macht den von Maynard Smith aufgespürten "Skandal" nur noch skandalöser.

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