Die vielen Facetten der Evolutionsfähigkeit erfassen

Alles Leben entwickelt sich weiter: Mikroorganismen können gegen Medikamente resistent werden, Viren entgehen unseren Impfstoffen und Arten können sich an den Klimawandel anpassen. Auch die Fähigkeit zur Weiterentwicklung kann sich weiterentwickeln. Wenn wir verstehen würden, wie dies geschieht und welche Mechanismen dabei eine Rolle spielen, könnte es möglich sein, die Evolution bis zu einem gewissen Grad vorherzusagen. Aus diesem Grund ist das Konzept der Evolutionsfähigkeit mittlerweile in verschiedenen Bereichen der Lebenswissenschaften sehr beliebt. Es stellt sich jedoch heraus, dass dieses Konzept innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft sehr unterschiedlich verwendet wird. Theoretische Biologen der Universität Groningen haben nun ein Papier verfasst, das etwas Ordnung in die Diskussionen über Evolvierbarkeit bringen soll. Es wurde online veröffentlicht in Trends in Ökologie und Evolution am 10. Februar.

Alles begann mit einem Journal Club, organisiert von drei Ph.D. Studenten der Evolutionsbiologie. Sie waren sich nicht immer einig, ob es in einem diskutierten Papier wirklich um Evolvierbarkeit ging, und erkannten schließlich, dass dies an ihren unterschiedlichen Hintergründen liegen könnte: der Entstehung von Antibiotikaresistenzen, der Evolution von Gennetzwerken und der Evolution von Wirbeltieren, die in sozialen Systemen leben. „Die Verwirrung, die wir erlebt haben, spiegelt sich auch in der Literatur wider“, sagt Jana Riederer, gemeinsame Erstautorin des Papiers zusammen mit den Journal Club-Mitgliedern Stefano Tiso und Timo van Eldijk. „Wir wollten das zunächst selbst klären“, fährt sie fort. „Aber dann dachten wir, dass es auch für andere nützlich sein könnte.“

Zeitstrahl

Das Ergebnis ihrer Diskussionen ist ein Papier, das verschiedene Facetten der Evolvierbarkeit beschreibt. „Wir haben drei Arten von Mechanismen identifiziert, die der Evolvierbarkeit zugrunde liegen“, erklärt Van Eldijk. Dies sind Determinanten, die für Variation sorgen, Determinanten, die die Auswirkung von Variation auf die Fitness bestimmen, und Determinanten, die den Auswahlprozess prägen.

Darüber hinaus hängt die Entwicklungsfähigkeit von der Zeitskala ab. Krankheitserreger, wie Bakterien oder Viren, vermehren sich oft asexuell, indem sie sich selbst klonen, während viele Wirte, wie Menschen, sich sexuell vermehren. Fragen zum Wettrüsten zwischen Wirten und Krankheitserregern sind daher eng mit einer langjährigen Debatte in der Evolutionsbiologie verbunden: Welche Art der Fortpflanzung ermöglicht die Evolution am besten? Riederer sagt, dass „wir zu dem Schluss gekommen sind, dass sie jeweils in ihrer eigenen Zeitskala am besten funktionieren.“

Sexuelle Fortpflanzung

Sich asexuell fortpflanzende Organismen entwickeln sich schnell, was kurzfristig besser ist, aber sie erreichen normalerweise nicht das höchste Anpassungsniveau. Im Gegensatz dazu verlangsamt die sexuelle Fortpflanzung die Evolution, ermöglicht jedoch eine gründlichere Erkundung aller Optionen und erreicht langfristig ein höheres Maß an Anpassung. Van Eldijk sagt, dass „Evolutionswissenschaftler oft einen Endpunkt für ihre Studien wählen und sich beispielsweise ansehen, welcher Bakterienstamm nach hundert Generationen am besten angepasst ist. Aber sie könnten zu einem anderen Ergebnis kommen, wenn ihr Experiment über tausend Generationen fortgesetzt würde .“

Ein letzter Aspekt der Evolvierbarkeit ist ein Unterschied im Umfang: Einige Mechanismen funktionieren für viele verschiedene Umgebungen, zum Beispiel eine erhöhte Mutationsrate. Andere, wie das Vorhandensein eines spezifischen Enzyms, das sich entwickeln könnte, um Resistenz gegen ein bestimmtes Antibiotikum zu verleihen, sind in ihrem Anwendungsbereich begrenzt. Aber beide Mechanismen können dazu beitragen, die Evolutionsfähigkeit zu gestalten.

Beeinflussen

Zusammenfassend sind die drei Ph.D. Studenten, die die Arbeit zusammen mit ihrem Betreuer Professor Franjo Weissing verfasst haben, identifizierten viele verschiedene Facetten der Evolvierbarkeit. Tiso: „Wir hatten viele Diskussionen, das hat ungefähr zwei Jahre gedauert. Wir mussten viele Punkte berücksichtigen, die außerhalb unserer verschiedenen Disziplinen liegen.“ Sie hoffen, dass diese Arbeit die Kommunikation zwischen Evolutionsbiologen anregt und vielleicht zu praktischen Anwendungen führt. Denn sobald die Mechanismen der Evolvierbarkeit klarer sind, kann es möglich werden, den Verlauf der Evolution besser vorherzusagen. „Natürlich probabilistisch“, fügt Van Eldijk hinzu. „Aber wenn wir den Mechanismus verstehen, mit dem sich ein Organismus anpasst, wird es vielleicht möglich, diesen Prozess zu beeinflussen“, stimmt Tiso zu.

Der im Papier beschriebene Rahmen gibt klare Empfehlungen für die zukünftige Forschung und kann den Diskurs über Evolvierbarkeit verdeutlichen. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass dies dazu beitragen kann, langjährige Diskrepanzen und Debatten auf dem Gebiet der Evolutionsbiologie zu lösen.