Ein unerwarteter Grund für die Existenz komplexer Lebensformen
Charles Darwin war noch nicht einmal 30 Jahre alt, als er es bereits geschafft hatte, die Grundlagen der Evolutionstheorie zu bilden. Aber er hat seine Argumentation der Welt erst mit 50 offenbart. Zwei Jahrzehnte lang sammelte er methodisch Beweise für seine Theorie und fand Antworten auf alle skeptischen Gegenargumente, die er sich vorstellen konnte. Und das am meisten erwartete Gegenargument war, dass ein schrittweiser Evolutionsprozess nicht zur Entstehung bestimmter komplexer Strukturen führen konnte.Nimm das menschliche Auge. Es besteht aus vielen Teilen - der Netzhaut, der Linse, den Muskeln, dem Gelee usw. - und alle müssen interagieren, um eine Vision zu schaffen. Beschädigen Sie einen Teil und dies kann zur Erblindung führen. Das Auge funktioniert nur, wenn alle Teile die richtige Größe und Form haben, um zusammenzuarbeiten. Wenn Darwin Recht hatte, dann entwickelte sich das komplexe Auge aus einfacheren Vorgängern. In The Origin of Species schrieb Darwin, dass diese Idee "unglaublich absurd erscheint, und ich gebe es offen zu".Aber Darwin konnte den Weg für die Entwicklung der Komplexität erkennen. In jeder Generation variierten die Eigenschaften von Individuen. Einige Optionen erhöhten ihr Überleben und ermöglichten es ihnen, mehr Nachkommen zu hinterlassen. Im Laufe der Generationen haben sich diese Vorteile weiter verbreitet - das heißt, sie wurden "ausgewählt". Neue Varianten könnten mit der Anatomie gespielt werden und komplexe Strukturen erzeugen.Darwin argumentierte, dass sich das menschliche Auge aus einem einfachen Gewebefleck entwickeln könnte, der auf Licht reagiert, wie es heutige Plattwürmer haben. Natürliche Selektion könnte diesen Bereich in eine Aussparung verwandeln, die die Lichtrichtung erkennen kann. Dann würde eine zusätzliche Eigenschaft mit der weiteren Vertiefung arbeiten und den Organismus an die Umgebungsbedingungen anpassen, und dieser Zwischenvorfahr des Auges würde an nachfolgende Generationen weitergegeben. Schritt für Schritt würde eine natürliche Selektion zu einer Zunahme der Komplexität führen, da jede Zwischenform einen Vorteil gegenüber der vorherigen hätte.Darwins Argumentation über den Ursprung der Komplexität fand Unterstützung in der modernen Biologie. Heute können Biologen das Auge und andere Organe im Detail untersuchen und auf molekularer Ebene äußerst komplexe Proteine finden, die sich zu Strukturen verbinden, die Förderbändern, Motoren und Ventilen überraschend ähnlich sind. Solche komplizierten Proteinsysteme könnten von einfacheren stammen, wenn die natürliche Selektion zugunsten von Zwischenvarianten spielt.In letzter Zeit haben einige Wissenschaftler und Philosophen vorgeschlagen, dass Komplexität auf andere Weise auftreten kann. Einige argumentieren, dass das Leben im Laufe der Zeit tendenziell komplexer wird. Andere schlagen vor, dass beim Auftreten zufälliger Mutationen die Komplexität ein Nebeneffekt ist, auch ohne die Hilfe der natürlichen Selektion. Sie sagen, Komplexität sei nicht nur das Ergebnis von Millionen von Jahren der Feinabstimmung durch natürliche Selektion, ein Prozess, den Richard Dawkins als „blinden Uhrmacher“ bezeichnete. Man kann sagen, dass dies einfach passiert.Summe der austauschbaren Teile
Biologen und Philosophen haben jahrzehntelang über die Entwicklung komplexer Strukturen nachgedacht, aber laut Daniel W. McShea, Paläobiologe an der Duke University, wurden sie durch die Unbestimmtheit der Definitionen behindert. „Das Problem ist nicht nur, dass sie nicht wissen, wie sie dies quantifizieren sollen. Sie wissen nicht, was sie mit diesem Wort meinen “, sagt Makshey.Makshey arbeitet seit mehreren Jahren mit Robert N. Brandon an der Duke University an diesem Thema. Makshey und Brandon schlagen vor, nicht nur auf die Anzahl der Teile zu achten, aus denen die Organismen bestehen, sondern auch auf die Arten dieser Teile. Unser Körper besteht aus 10 Billionen Zellen. Wenn sie alle vom gleichen Typ wären, wären wir Haufen von Protoplasma ohne Merkmale. Stattdessen haben wir Muskelzellen, rote Blutkörperchen, Hautzellen usw. Selbst in einem Organ kann es verschiedene Zelltypen geben. Es gibt 60 verschiedene Arten von Neuronen in der Netzhaut, von denen jede ihre Aufgabe erfüllt. Mit diesem Ansatz können wir sagen, dass Menschen einzigartig komplexer sind als ein Tier wie ein Schwamm, der nur sechs Zelltypen aufweist.Einer der Vorteile dieser Definition ist die Fähigkeit, die Komplexität auf verschiedene Arten zu messen. In unseren Skeletten gibt es verschiedene Arten von Knochen, von denen jeder eine bestimmte Form hat. Sogar die Wirbelsäule besteht aus verschiedenen Teilen, von den Wirbeln im Nacken, die den Kopf halten, bis zu denen, die die Brust stützen.In ihrem 2010 erschienenen Buch Biology's First Law haben Makshey und Brandon beschrieben, wie komplexe Strukturen geschaffen werden können, die auf diese Weise definiert werden. Sie argumentieren, dass sich einige Teile, die zu Beginn mehr oder weniger ähnlich waren, im Laufe der Zeit unterscheiden sollten. Wenn sich Organismen vermehren, können eines oder mehrere ihrer Gene mutieren. Manchmal treten aufgrund von Mutationen neue Arten von Teilen auf. Wenn der Körper mehr Komponenten hat, haben sie die Möglichkeit, sich zu unterscheiden. Nach dem versehentlichen Kopieren eines Gens kann sein Duplikat Mutationen aufnehmen, die nicht im ursprünglichen Gen enthalten sind. Ausgehend von einer Reihe identischer Teile können Sie also sehen, wie sie sich allmählich mehr und mehr voneinander unterscheiden. Das heißt, die Komplexität des Körpers nimmt zu.Zunehmende Komplexität kann dem Körper helfen, besser zu überleben oder mehr Nachkommen zu hinterlassen. In diesem Fall wird die natürliche Selektion diesen Trend aufgreifen und über die Bevölkerung verteilen. Beispielsweise wirkt bei Säugetieren der Geruchssinn, indem Geruchsmoleküle an Rezeptoren an Nervenenden in der Nase gebunden werden. Rezeptorgene wurden seit Millionen von Jahren kontinuierlich dupliziert. Neue Kopien mutieren und lassen Säugetiere mehr Gerüche riechen. Tiere, die auf Düfte angewiesen sind, wie Mäuse und Hunde, haben mehr als 1000 Gene für diese Rezeptoren. Andererseits kann Komplexität eine Belastung sein. Mutationen können beispielsweise die Form der Wirbel verändern, was die Kopfdrehung erschwert. Die natürliche Selektion verhindert, dass sich diese Mutationen über die Bevölkerung ausbreiten. Organismen, die mit diesen Eigenschaften geboren wurden, sterben normalerweise vor der Fortpflanzung ab.und dadurch schädliche Eigenschaften aus dem Verkehr ziehen. In diesen Fällen wirkt die natürliche Selektion der Komplexität entgegen.Im Gegensatz zur üblichen Evolutionstheorie zeigt die Theorie von Maxey und Brandon eine Zunahme der Komplexität, selbst wenn keine natürliche Selektion vorliegt. Sie betrachten dies als ein grundlegendes Gesetz der Biologie - vielleicht das einzige. Sie nannten es das Gesetz der Nullkraftentwicklung.Drosophila-Test
Kürzlich haben Makshey und Leonore Fleming, ein Doktorand an der Duke University, das Nullkraft-Evolutionsgesetz getestet. Drosophila-Fliegen wurden zu Subjekten. Seit mehr als hundert Jahren züchten Wissenschaftler Herden solcher Fliegen zur Verwendung in Experimenten. In Laborhäusern führen Fliegen ein verwöhntes Leben, sie haben eine konstante Nahrungsquelle und ein gleichmäßiges, warmes Klima. Ihre wilden Verwandten müssen mit Hunger, Raubtieren, Kälte und Hitze umgehen. Natürliche Selektion greift aktiv in das Leben von Wildfliegen ein und eliminiert Mutationen, die es ihnen nicht ermöglichen, mit ihren vielen Versuchen fertig zu werden. In einer geschützten Laborumgebung manifestiert sich die natürliche Selektion sehr schlecht.Labor Drosophila sind komplexer als wilde, da sich selbst erfolglose Mutationen in einer geschützten Umgebung vermehren. Diese Fliege hat Augen in Form von Rechtecken, die
kleiner sind als gewöhnliche Fliegen.Das Gesetz der Null-Kraft-Evolution gibt eine klare Vorhersage: In den letzten hundert Jahren haben Laborfliegen schwächere Mutationen schwächer eliminiert und sollten daher komplexer geworden sein als wilde.Fleming und Makshey studierten die wissenschaftliche Literatur zu 916 Genealogie von Laborfliegen. Sie führten viele Dimensionen der Komplexität jeder Bevölkerung durch. Sie berichteten kürzlich in der Zeitschrift Evolution & Development, dass Laborfliegen tatsächlich härter waren als wilde.Obwohl einige Biologen das Null-Kraft-Evolutionsgesetz unterstützen, glaubt Douglas Erwin, ein führender Paläontologe am Smithsonian National Museum of Natural History, dass er schwerwiegende Mängel aufweist. "Eine seiner Hauptannahmen funktioniert nicht", sagte er. Nach dem Gesetz kann die Komplexität ohne Auswahl zunehmen. Dies wäre jedoch nur dann der Fall, wenn Organismen außerhalb des Einflusses der Selektion existieren könnten. Im wirklichen Leben funktioniert die Auswahl immer noch, selbst wenn sie von Wissenschaftlern, die sie lieben, blind gepflegt werden. Damit sich ein Tier wie eine Fliege richtig entwickeln kann, müssen Hunderte von Genen in einem komplexen System interagieren, eine Zelle in viele verwandeln, verschiedene Organe wachsen lassen usw. Mutationen können diese Choreografie stören und verhindern, dass Fliegen bei lebensfähigen Erwachsenen wachsen.Ein Organismus kann ohne externe Selektion existieren - ohne dass die Umgebung bestimmt, wer in der evolutionären Rasse gewonnen und wer verloren hat -, aber er wird dennoch einer internen Selektion unterzogen, die innerhalb von Organismen stattfindet. Erwin glaubt, dass Maxey und Fleming in der neuen Arbeit keine Beweise für ihr Gesetz liefern, weil "sie nur Optionen für Erwachsene in Betracht ziehen". Trotz der Abkehr von den Wissenschaftlern berücksichtigen Forscher keine Mutanten, die an Entwicklungsstörungen gestorben sind, bevor sie reif sind.Einige Insekten haben unebene Beine. Andere haben komplexe Flügelmuster. Die Form der Antennensegmente ändert sich. Befreit von natürlicher Auslese gingen sie in Komplexität umher.Ein weiterer Einwand von Erwin und anderen Kritikern - die Komplexitätsoption von Makshe und Brandon stimmt nicht mit der Definition der meisten Menschen überein. Schließlich wird das Auge nicht nur durch das Vorhandensein mehrerer Teile bestimmt. Diese Teile führen zusammen einige Arbeiten aus, und jeder von ihnen hat seine eigene Aufgabe. Aber Maxey und Brandon glauben, dass die Komplexität, die sie untersuchen, zu anderen Arten von Komplexität führen kann. "Die Komplexität, die wir in der Drosophila-Population beobachten, dient als Grundlage für sehr interessante Phänomene, die die Selektion antreiben kann", sagt Makshey, um komplexe Strukturen aufzubauen, die das Überleben sichern.Molekulare Komplexität
Als Paläobiologe wird Makshey verwendet, um über die Komplexität von Fossilien nachzudenken - zum Beispiel über die Knochen, aus denen das Skelett besteht. In den letzten Jahren haben mehrere Molekularbiologen unabhängig voneinander begonnen, über die Ursachen der Komplexität in der gleichen Weise wie er zu spekulieren.In den 1990er Jahren begann eine Gruppe kanadischer Biologen zu untersuchen, dass bestimmte Mutationen keine sichtbaren Auswirkungen auf den Körper hatten. Im Jargon der Evolutionsbiologie werden sie als neutral bezeichnet. Wissenschaftler, darunter Michael Gray von der Universität Dalhousie in Halifax, schlugen vor, dass diese Mutationen zum Auftreten komplexer Strukturen führen könnten, wobei die für ihre Hilfe bei der Anpassung des Körpers an die Umwelt ausgewählten Zwischenoptionen umgangen würden. Sie nannten diesen Prozess "konstruktive neutrale Evolution".Gray wurde von jüngsten Studien inspiriert, die sehr interessante Beweise für die Existenz einer konstruktiven neutralen Evolution liefern. Einer der Leiter dieser Studie ist Joe Thornton von der University of Oregon. Er und Kollegen fanden ein Beispiel für eine solche Entwicklung in Pilzzellen. In Pilzen wie Champignon Bicuspid müssen Zellen Atome von Ort zu Ort bewegen, um das Leben zu erhalten. Dazu verwenden sie insbesondere Molekularpumpen, die als „vakuolarer Adenosintriphosphatkomplex“ [V-ATPase] bezeichnet werden. Ein rotierender Proteinring sendet Atome von einer Seite der Membran im Pilz zur anderen. Dieser Ring ist offensichtlich eine komplexe Struktur. Es enthält sechs Proteinmoleküle. Vier von ihnen bestehen aus Vma3-Protein, das fünfte - Vma11, das sechste - Vma16. Und alle drei Arten von Proteinen sind für die Ringrotation notwendig.
Fehlerbehebung
Gray entdeckte ein weiteres Beispiel für eine konstruktive neutrale Evolution in der Art und Weise, wie viele Arten ihre Gene bearbeiten. Wenn Zellen ein Protein erzeugen müssen, kopieren sie die DNA ihres Gens in RNA, eine Einzelstrangkopie der DNA, und verwenden dann spezielle Enzyme, um einige Teile des ILV (Nukleotide) durch andere zu ersetzen. Die RNA-Bearbeitung ist für viele Arten erforderlich, auch für uns. Unbearbeitete RNAs produzieren nicht funktionierende Proteine. Aber das ist immer noch seltsam - warum haben wir einfach keine Gene mit der anfänglich korrekten Sequenz, die die Notwendigkeit einer RNA-Bearbeitung beseitigen würden?Das von Gray vorgeschlagene Szenario der RNA-Evolution ist wie folgt: Das Enzym mutiert so, dass es in der Lage ist, RNA zu verbinden und bestimmte Nukleotide zu verändern. Dieses Enzym schädigt nicht und hilft der Zelle nicht - zumindest zunächst nicht. In Abwesenheit von Schaden bleibt es bestehen. Eine schädliche Mutation tritt später im Gen auf. Glücklicherweise hat die Zelle bereits ein Enzym, das an RNA bindet und diese Mutation durch Editieren von RNA kompensieren kann. Es schützt die Zelle vor dem Schaden der Mutation und ermöglicht die Weitergabe an die nächste Generation und die Verbreitung in der Bevölkerung. Die Entwicklung eines RNA-Editing-Enzyms und die dadurch fixierte Mutation waren keine Folge der natürlichen Selektion, sagt Gray. Im Gegenteil, diese zusätzliche Komplexität entstand von selbst - "neutral". Nach seiner Ausbreitung war es nicht mehr möglich, es loszuwerden.David Speijer, Biochemiker an der Universität von Amsterdam, glaubt, dass Gray und seine Kollegen der Biologie einen Gefallen getan haben, indem sie die Idee einer konstruktiven neutralen Evolution zum Ausdruck gebracht haben, insbesondere Zweifel daran, dass jede Komplexität anpassungsfähig sein muss. Aber Speyer ist besorgt, dass sie in einigen Fällen ihre Idee zu sehr vorantreiben. Einerseits glaubt er, dass Pumpen in Pilzen ein gutes Beispiel für eine konstruktive neutrale Evolution sind. "Jede vernünftige Person wird dem vollkommen zustimmen", sagt er. In anderen Fällen, beispielsweise bei der Bearbeitung von RNA, sollten Wissenschaftler seiner Meinung nach die Möglichkeit einer Beteiligung an der natürlichen Selektion nicht verwerfen, auch wenn diese Komplexität nutzlos erscheint.Gray, Makshey und Brandon erkennen die wichtige Rolle der natürlichen Selektion bei der Erhöhung der Komplexität, die uns umgibt, von der Biochemie der Federn bis zu den in Baumblättern enthaltenen Photosynthesefabriken. Sie hoffen jedoch, dass ihre Forschung andere Biologen davon überzeugen wird, über die natürliche Selektion hinauszugehen und die Möglichkeit zu erkennen, dass zufällige Mutationen die Entwicklung der Komplexität unabhängig voneinander befeuern können. „Wir verwerfen die Rolle der Anpassung in diesem Prozess nicht“, sagt Gray. "Wir glauben einfach nicht, dass sie alles erklären kann." Source: https://habr.com/ru/post/de401953/
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