Evolution unter dem Mikroskop
Einzeller geben neue Aufschlüsse über die Entwicklung der Arten und ihrer Vielfalt.
Physik Journal – Einzeller geben neue Aufschlüsse über die Entwicklung der Arten und ihrer Vielfalt.
200 Jahre nach Darwins Geburt und 150 Jahre nach dem Erscheinen seines revolutionären Werkes „Die Entstehung der Arten“ ist Evolution weit mehr als eine interessante Theorie, sie ist unvermeidlicher Fakt. Doch die Implikationen der so einfachen wie fundamentalen Gesetzmäßigkeit von Mutation, Vererbung und Auslese bergen immense Komplexität und werfen noch viele offenen Fragen auf. Die Biophysiker Tobias Reichenbach und Erwin Frey präsentieren in der Oktober-Ausgabe des Physik Journals, wie sich an Einzellern in kontrollierten Laborexperimenten Evolution in Echtzeit studieren lässt. Sie zeigen, wie sich in Verbindung mit Konzepten der statistischen Physik einige der grundlegenden Mechanismen aufdecken lassen.
Abb.: Dieser Turm besteht aus stäbchenförmigen Escherichia coli-Bakterien,
die in der Forschung als wichtiger Modellorganismus dienen.
Darwins Theorie erklärt eine ungeheure Vielfalt an Beobachtungen durch lediglich zwei ineinandergreifende Prinzipien: Variation und Selektion. Das erste besagt, dass in jeder Art ständig Mutationen auftreten, die zu neuen Phänotypen führen, wenn sie vererbbar sind. Auf diesen Phänotyp wirkt Selektion: Der Typus mit der höchsten Reproduktionsrate (oder höchsten „Fitness“) setzt sich auf natürliche Weise durch. Bereits 1943 konnten der theoretische Physiker Max Delbrück und der Mediziner Salvador Luria mit einer Kombination von theoretischen, statistischen Modellen und Bakterienexperimenten zeigen, dass die Mutationen spontan auftreten.
In den letzten Jahren haben sich vermehrt Physiker Fragen der Evolution zugewandt, oft mit einer Kombination von theoretischen und experimentellen Ansätzen. Eine dieser Fragen ist der Ursprung von Kooperation. Auch hier liefern Experimente an Einzellern wichtige Erkenntnisse. Kooperation tritt in nahezu allen biologischen Systemen auf, in denen viele Individuen miteinander in Kontakt stehen. Oft ist dies mit eigenen Kosten verbunden. Wieso begegnet uns trotzdem, in den unterschiedlichsten Bereichen, kooperatives Verhalten? Welche Mechanismen wenden Populationen an, um sich vor Betrügern zu schützen, die von den Ergebnissen der Kooperation profitieren, aber selbst nichts dazu beitragen? Tobias Reichenbach und Erwin Frey diskutieren in ihrem Artikel dazu eine Reihe theoretischer Ansätze, die verschiedene Möglichkeiten zur Lösung vorschlagen.
Unsere Erde wird von einer enormen Vielfalt verschiedenster Einzeller, Tier- und Pflanzenarten bevölkert. Ihrer Diversität liegt zum Teil ökologische Nischenbildung, also die Differenzierung von Arten in verschiedene Lebensräume und benötigte Ressourcen, zugrunde. Im Rahmen Darwinscher Evolution müsste die Artenvielfalt durch die Anzahl der ökologischen Nischen begrenzt zu sein. Wenn zwei Spezies um dieselbe Ressource konkurrieren, erwarten wir, dass sich langfristig eine der beiden durchsetzt. Die beobachtete Artenvielfalt ist jedoch weitaus größer: Viele Spezies leben in demselben Lebensraum mit den gleichen Ressourcen. Was erlaubt die offenbare Verletzung dieses grundlegenden Zusammenhangs? Auch hier geben synthetische Bakterienexperimente Aufschluss. Dabei liegt die Vermutung nahe, dass räumliche Separation Artenvielfalt auch in komplexeren ökologischen Systemen erhalten kann.
