Unter den Amphibien ist der Hydromantes-Salamander der Champion in Sachen Zungenfeuergeschwindigkeit. In weniger als fünf Millisekunden kann sie ein unglückliches Insekt im Flug fangen - diesmal mit Muskeln, Knorpel und Teilen des Skeletts. Wenn Sie diese ballistische Anatomie mit Fröschen und Chamäleons vergleichen, sind letztere Schaluppen. David Wake, Evolutionsbiologe an der University of California in Berkeley, sagt: „Ich habe ungefähr 50 Jahre lang die Evolution der Salamander-Sprachen studiert. Das ist wirklich interessant, weil sie sich im Allgemeinen nicht in der hohen Geschwindigkeit unterscheiden, aber dennoch die schnellste Bewegung von denen machen können, die uns bekannten Wirbeltieren zur Verfügung stehen. Während ihrer Entwicklung hat die Evolution einen effizienteren Weg gefunden, um eine erfolgreiche Jagd mit Sprache sicherzustellen. Ihre scheinbar einzigartige Anpassung scheint zu seinunabhängig entwickelt in drei nicht verwandten Salamanderarten. Dies ist ein Beispiel für eine konvergente Evolution, bei der verschiedene Individuen unabhängig voneinander ähnliche biologische Anpassungen unter dem Einfluss derselben Umweltfaktoren entwickeln. Salamander sind ein beliebtes Beispiel, das Wake zitiert, wenn es um die langjährige Frage der Evolutionsbiologie geht: Wenn Sie das Band der Evolution zurückspulen, wird es sich wiederholen? Anscheinend ist dies bei den Salamandern der Fall; bei anderen Organismen ist dies möglicherweise nicht geschehen. Wenn Sie das Band der Evolution zurückspulen, wird es sich wiederholen? Anscheinend ist dies bei den Salamandern der Fall; bei anderen Organismen ist dies möglicherweise nicht geschehen. Wenn Sie das Band der Evolution zurückspulen, wird es sich wiederholen? Anscheinend ist dies bei den Salamandern der Fall; bei anderen Organismen ist dies möglicherweise nicht geschehen.
Es ist bekannt, dass diese Frage erstmals 1989 von dem kürzlich verstorbenen Evolutionsbiologen Stephen Jay Gould in Amazing Life: Die Burgess Shales und die Natur der Geschichte gestellt wurde, das in einer Zeit veröffentlicht wurde, als die Menschen noch Musik auf Kassetten hörten. Das Buch erzählte von den Fossilien, die im Burgess-Schiefer gefunden wurden und von einer Vielzahl seltsamer Tiere übrig geblieben waren, die vor etwa 520 Millionen Jahren während der kambrischen Zeit auf unserem Planeten lebten. Fast alle Tiere, die heute existieren, haben Vorfahren, die im Kambrium lebten, aber nicht alle Tiere aus dieser Zeit haben Nachkommen in unserer Zeit. Viele kambrische Individuen starben aus, weil sie für den Überlebenskampf nicht ausreichend geeignet waren oder weil sie zur falschen Zeit am falschen Ort waren, als Vulkane ausbrachen, Meteoriten fielen oder andere verheerende Ereignisse auftraten.
Gould sah die unglaubliche Vielfalt an Tierresten in Burgess und spekulierte, dass unsere Flora und Fauna anders aussehen würde, wenn sich die Geschichte in die andere Richtung gedreht hätte. Er schlug vor, dass chaotische Mutationen und Aussterben von Arten, die er "historische Unfälle" nannte, aufeinander aufbauen und die Evolution in die eine oder andere Richtung bewegen würden. Laut Gould ist die Existenz eines Tieres, einschließlich des Menschen, ein seltenes Phänomen, dessen Wiederholung im Fall von "Zurückspulen und Starten" aus der Zeit des Kambriums unwahrscheinlich ist. In seinem Buch bezieht sich Gould oft auf die Arbeit des Paläontologen Simon Conway Morris von der Universität Cambridge über das Burgess-Fossil, aber der Wissenschaftler selbst ist mit Goulds Standpunkt nicht einverstanden.
Conway Morris glaubt, dass die natürliche Selektion Organismen im Laufe der Zeit zu einer Reihe von Anpassungen zwingt, um die begrenzten ökologischen Nischen der Erde zu füllen. Dies führt dazu, dass nicht verwandte Arten in der Körperstruktur konsistent konvergieren. "Tiere müssen sich gemäß den physikalischen, chemischen und biologischen Anforderungen dieser Welt selbst bauen", sagte er. Conway ist überzeugt, dass solche Einschränkungen es fast unvermeidlich machen, dass im Falle des "Zurückspulens des Bandes" die Evolution früher oder später zur Entstehung von Organismen führen würde, die denen in unserer Welt ähnlich sind. Wenn unsere Affenvorfahren kein Gehirn und den damit verbundenen Verstand entwickelt hätten, könnte laut dem Wissenschaftler ein anderer Zweig wie Krähen oder Delfine die Nische besetzen, in der sich der Mensch jetzt befindet. Aber Gould ist anderer Meinung.
Beide Wissenschaftler erkennen, dass Zufälligkeit und Konvergenz (unabhängige Entwicklung bis zum Auftreten ähnlicher Zeichen - ca. neues Warum) in der Evolution stattfinden. Stattdessen konzentriert sich die Diskussion darauf, wie einzigartig oder wiederholbar Schlüsselanpassungen wie der menschliche Geist sind. In der Zwischenzeit haben andere Biologen das Rätsel gelöst und gezeigt, wie sich Konvergenz und Zufälligkeit gegenseitig beeinflussen. Das Verständnis der Wechselwirkung dieser Kräfte kann uns helfen, herauszufinden, ob alles Lebende das Ergebnis von 7 Milliarden Jahren Zufällen ist oder ob wir alle - Menschen und Salamander - Teil der Unvermeidlichkeit sind, wie Tod oder Steuern.
Anstatt zu versuchen, die Geschichte mit Fossilien nachzubilden, beschloss Richard Lenski, ein Evolutionsbiologe an der Universität von Michigan, die Phänomene der Konvergenz und des Zufalls in Echtzeit in der kontrollierten Umgebung seines Labors zu beobachten. 1988 teilte er die Population von Escherichia coli-Bakterien auf und stellte sie in 12 separate Reservoire mit flüssigen Kulturmedien, so dass sie unabhängig voneinander wachsen konnten. Seit 26 Jahren friert er oder einer seiner Schüler alle paar Monate eine Charge Bakterien ein. Mit diesem Kit für gefrorene Keime kann Richard den Film des Lebenszyklus von E. coli von jedem gewünschten Moment an "neu starten", indem er einfach eine Portion auftaut. Während des gesamten Prozesses kann er überprüfen,wie sich Bakterien verändern - sowohl in Bezug auf die Genetik als auch in Bezug auf das, was nur unter dem Mikroskop zu sehen ist. Lenski erklärt: "Das gesamte Experiment wurde durchgeführt, um zu testen, wie wiederholbar die Evolution ist."
In 11 Lenski-Reservoirs wuchs E. coli an Größe, aber die Bakterien in der zwölften Probe teilten sich in zwei unabhängige Zweige auf - einen mit großen Zellen, den anderen mit kleinen Zellen. Lenski sagt: „Wir nennen sie‚ groß 'und ‚klein'. Sie existieren bereits seit 50.000 Generationen zusammen. “Dies ist in keiner anderen Bevölkerung geschehen; Daher können wir schließen, dass ein evolutionär zufälliges Ereignis aufgetreten ist. Und selbst 26 Jahre später hat kein anderer Prozess das Auftreten eines solchen Zweigs wiederholt. In dieser Situation scheint der Zufall die Konvergenz überwunden zu haben.
Im Jahr 2003 gab es eine weitere zufällige Episode. Die Anzahl der Stäbchen in einem der Reservoire hat so stark zugenommen, dass das normalerweise transparente Kulturmedium trübe wird. Zuerst entschied Lenski, dass es eine normale Kontamination der Umwelt gab, aber wie sich herausstellte, entwickelte E. coli, das normalerweise nur in Flüssigkeit gelöste Glucose aß, die Fähigkeit, ein anderes in den Reservoiren enthaltenes Element zu konsumieren: Citrat. Nach 15 Jahren und 31.500 Generationen konnte nur eine der Kolonien diese Substanz verarbeiten. Die Anzahl der darin enthaltenen Bakterien begann fünfmal schneller zu wachsen als in anderen Kolonien.
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Dieser "historische Unfall" gab Richard und seinem Absolventen Zachary Blount die Gelegenheit, die Wahrscheinlichkeit eines erneuten Ereignisses zu testen, wenn sie "das Band zurückspulen". Blount wählte aus der Lagerung 72 Proben gefrorener Stäbchen aus, die in verschiedenen Stadien des Experiments aus einer Population entnommen wurden, die später Citrat in ihren Metabolismus einbauen konnte. Er taute sie auf und stimulierte ihre Fortpflanzung. Bald entwickelten 4 von 72 Proben die gleiche Fähigkeit, Citrat zu konsumieren. Interessanterweise traten diese Mutationen nur in Populationen auf, die nach einem Zyklus von 30.500 Generationen eingefroren waren. Die genetische Analyse zeigte, dass nicht lange zuvor mehrere Gene Veränderungen durchliefen, die zur Entstehung der Evolution mit dem Citrat-Metabolismus beitrugen. Mit anderen Worten, die Fähigkeit, Citrat zu absorbieren, hing vom Auftreten anderer Mutationen ab, die ihm vorausgingen. Es entstand eine GabelÄnderung der möglichen Wege, die zukünftige Generationen einschlagen können.
Dieses als Langzeit-Evolutionsexperiment bekannte E. coli-Projekt hat mittlerweile 60.000 Generationen überschritten und gibt Richard einen soliden Datensatz, aus dem er Schlussfolgerungen über die Wechselwirkungen von Zufall und Konvergenz in der Evolution ziehen kann. Subtile Veränderungen in der DNA von Bakterien, die sie größer oder schneller reproduzierbar machen, sind zu häufigen Ereignissen in verschiedenen Reservoirs geworden. Zur gleichen Zeit erlebte Lenski "verblüffende" zufällige Ereignisse, bei denen in einer der Populationen etwas völlig anderes als die anderen stattfand. Aber wie beim Phänomen der Konvergenz waren solche Transformationen nicht völlig zufällig.
"Nicht alles ist möglich", erklärt Wake unabhängig vom Prozess: "Organismen entwickeln sich im Kontext ererbter Merkmale." Tiere können keine Mutationen übertragen, die destruktiv sind oder die Fortpflanzung verhindern. Im Fall des Hydromantes-Salamanders mussten seine Vorfahren eine erhebliche Einschränkung überwinden: Um ihre Schießzungen zu erhalten, war es notwendig, ihre Lungen zu opfern. Dies liegt daran, dass sich ein Teil dieses Mechanismus aus Muskeln entwickelte, die von ihren Vorgängern verwendet wurden, um Luft in die Lunge zu pumpen. Heute ist dieser einst kleine und schwache Muskel viel größer und stärker geworden. Es wickelt sich wie eine Feder um den kegelförmigen Knochen im hinteren Bereich der Mundhöhle, und wenn sich der Muskel zusammenzieht, erzeugt der Knochen eine Spannung, die die Zunge zusammen mit ihrem Knochenapparat aus dem Mund schießt. So haben die Vorfahren von Hydromantes nicht nur eine Mutation erworben,das entwickelte sich zu einer "ballistischen Sprache". Stattdessen folgte diese Anpassung einer Reihe von Veränderungen, die es der Kreatur zunächst ermöglichten, ihre Lungenabhängigkeit von Sauerstoff zu überwinden und an die Wasseroberfläche zu schweben. Jede Änderung hing von der vorherigen ab.
Die Chamäleons wiederum behielten ihre Lungen. Anstatt an ihrer Anatomie zu basteln, entwickelten sie Kollagen, wodurch die Zunge auf Beute schießen konnte. Auf den ersten Blick sind die Sprachen der Salamander und Chamäleons ein Beispiel für Konvergenz, aber wenn Sie genau hinschauen, wird klar, dass dies nicht der Fall ist. Das Feuern eines Chamäleons dauert 20 Millisekunden. Dies ist ein Schneckentempo im Vergleich zu den fünf Millisekunden Salamander. Warum haben Chamäleons so langsame Sprachen bekommen? Antwort: Sie standen vor einem Hindernis auf dem Weg der konvergenten Evolution. Die Zunge des Chamäleons ist schnell genug, um zu überleben, aber ihnen fehlt die "ererbte Merkmalsstruktur", um die tödlichere ballistische Anatomie der Salamander zu entwickeln. Chamäleons haben einen „adaptiven Höhepunkt“erreicht, wie Biologen sagen.
In Experimenten mit Viren, die Bakterien infizieren - Bakteriophagen - entdeckte der Harvard-Biologe David Liu auch adaptive Peaks. Diese Peaks begrenzen die Fähigkeit von Organismen, auf eine optimale Struktur zu konvergieren. Sie erklären, warum Unfälle nicht oft passieren.
Liu wollte wissen, ob identische Gruppen von Bakteriophagen unabhängig voneinander dasselbe Enzym entwickeln könnten, wenn der gleiche Evolutionsdruck auf sie ausgeübt würde. Er beschleunigte die Evolution von Proteinen in Viren mit einem System namens PACE.
Während des Experiments wurden Viren, die kein von Liu benötigtes Enzym produzieren konnten, aus dem Experiment entfernt. Nur diejenigen, die das Ziel erreicht hatten, blieben übrig. Einige von ihnen erwiesen sich als "besser" als andere. In diesem Fall benötigten sie das Enzym Polymerase, das eine bestimmte DNA-Sequenz nachweist und in RNA umwandelt, und einige Polymerasen erkannten die Sequenz genauer als andere. Wie die vergleichsweise langsame Sprache der Chamäleons haben diese Viren Anpassungen entwickelt, die es ihnen ermöglichen, zu überleben, aber verhindern, dass sie die beste Polymerase erhalten. Einige Viren blieben auf einem niedrigen Gipfel stecken, andere stiegen höher.
Um zu verstehen, was Biologen unter adaptiven Peaks verstehen, stellen Sie sich einen Bereich vor, dessen Topographie ein hohes und ein niedriges Reproduktionspotential darstellt. Im Fall von Lius Bakteriophagen untersuchten verschiedene Populationen das Gebiet und erwarben verschiedene Mutationen. Einige landeten auf kleinen Hügeln, andere auf Bergen von der Größe des Everest. Und so begannen sie, nach oben zu klettern. Nachdem Viren einen niedrigen Berg bestiegen haben, können sie sich nicht auf einen anderen, höheren Berg bewegen. Dazu müssen sie zuerst zurückgehen und ihre Überlebenschancen mit jedem Schritt verringern. Es ist sehr schwierig, dies zu tun, weil man das Überleben der Stärkeren nicht vergessen darf. Welche Mutation vor anderen passieren wird - welcher Höhepunkt wird zum Körper gehen - dies ist ein historischer Unfall, den die konvergente Evolution nur mit großen Schwierigkeiten überwinden kann.wenn es überhaupt kann.
Der Zeitpunkt des Auftretens von Mutationen ist wichtig. „Frühe zufällige Ereignisse, die einen Unterschied im Genpool bewirken, können erheblich beeinflussen, ob eine vorteilhafte Mutation letztendlich das Überleben eines Organismus beeinflussen kann“, erklärt Liu. "Diese Unfälle verringern die Wiederholbarkeit der Evolution." In diesem Experiment überwand die Zufälligkeit die Konvergenz. Die Ereignisse verhinderten eine Wiederholung.
Eine Möglichkeit, wie das Leben die Grenzen adaptiver Peaks überwinden kann, wurde bei der Untersuchung digitaler Organismen von Computerbiologen der Michigan State University, Chris Adami und Charles Ofria entdeckt. Sie erstellten das Computerprogramm Avida, in dem sich digitale Organismen unter vom Experimentator festgelegten Bedingungen entwickeln. Avidianer mutieren, erwerben und verlieren zufällig Codezeilen, die es ihnen ermöglichen, mathematische Probleme zu lösen, was ihre Reproduktionsfähigkeit erhöht.
In einem Experiment wurden die Avidianer beauftragt, die Fähigkeit zu erlangen, das komplexe logische Problem der "bitweisen Identität" zu lösen. Nur 4 von 50 digitalen Populationen haben den Code entwickelt, der für die Durchführung der Operation erforderlich ist. Alle erfolgreichen Populationen erhielten anfangs viele Mutationen (zufällige Codezeilen), die die Lösung mathematischer Probleme und damit die Reproduktion erschweren. So paradox es klingt, Ophria stellte fest, dass frühe schlechte Mutationen eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung der Fitness in späteren Generationen spielen, möglicherweise weil sie genetische Vielfalt schaffen, aus der neue zufällige Mutationen entstehen können.
Bestätigt die Seltenheit einer der Ereignissequenzen, dass es unwahrscheinlich ist, dass die großen Wendungen in der Evolution erneut auftreten? Experimentell ist dies wahr, aber Conway Morris sagt fest nein. „Es ist dumm zu denken, dass es überhaupt keine Unfälle gibt. Die Frage ist nur die Zeit. Er glaubt, dass die natürliche Selektion mit genügend Zeit und Mutationsgenomen zu unvermeidlichen Anpassungen führen wird, die unabhängig von den auftretenden Chancen am besten für die ökologische Nische von Organismen geeignet sind. Er glaubt, dass eines Tages alle E. coli-Bakterien in Lenskis Experiment beginnen werden, Citrat zu absorbieren und alle Liu-Viren ihren Mount Everest besteigen werden. Darüber hinaus wurden diese Experimente in sehr einfachen und kontrollierten Umgebungen durchgeführt, im Gegensatz zu den komplexen Ökosystemen, an die sich das Leben außerhalb des Labors anpasst. Schwer zu sagen,Der Einfluss der realen Welt hätte die Experimente verändert.
Bisher besteht der größte Fehler bei allen Versuchen, die Frage nach dem Film des Lebens zu beantworten, darin, dass Biologen aus nur einer Biosphäre - der Erde - Schlussfolgerungen ziehen können. Eine Begegnung mit einem außerirdischen Organismus würde uns viel sagen. Selbst wenn fremde Organismen keine DNA haben, zeigen sie höchstwahrscheinlich ähnliche Evolutionsmuster. Sie benötigen Material, das an Nachkommen weitergegeben werden kann, um die Entwicklung von Organismen zu steuern und sich im Laufe der Zeit zu verändern. Wie Lenski sagt: "Was für E. coli gilt, gilt für Mikroben im gesamten Universum."
Daher kann die gleiche Wechselwirkung zwischen Konvergenz und Zufall auf anderen Planeten beobachtet werden. Und wenn das außerirdische Leben einem evolutionären Druck durch eine Umgebung ausgesetzt ist, die der des irdischen Lebens ähnelt, können Menschen der Zukunft Außerirdische finden, die eine konvergente Intelligenz entwickelt haben, die unserer ähnlich ist. Wenn sich andererseits zufällige Ereignisse ansammeln und das Leben auf einzigartigen Wegen führen, wie Gould vorschlug, kann außerirdisches Leben ungewöhnlich seltsam sein.
Gould glaubte, dass Menschen "ein äußerst unwahrscheinliches evolutionäres Ereignis" sind. Als Beweis wies er darauf hin, dass in den 2,5 Milliarden Jahren des Lebens auf der Erde die menschliche Intelligenz nur einmal auftrat. Er hielt die Wahrscheinlichkeit, dass eine andere Spezies eine Intelligenz wie unsere entwickeln würde, für geisterhaft gering. Aus der Tatsache, dass wir möglicherweise die einzige intelligente Spezies im Universum sind, können wir Schlussfolgerungen ziehen, die über die Biologie hinausgehen. "Einige sehen diese Möglichkeit als Grund für Depressionen", schrieb Gould in The Wonderful Life. "Ich habe sie immer als belebend angesehen, als Quelle sowohl der Freiheit als auch als Folge einer moralischen Verantwortung."
Zach Zorich
Die Übersetzung wurde vom Projekt New durchgeführt
