Evolution: Biologie

Interessierte: Mutation

Inhalt

In diesem Artikel wird erklärt, welche Arten von Mutationen bekannt sind, einige Beispiele vorgestellt und die Aussagekraft bezüglich der Entstehung neuer Struk-
turen diskutiert.

Hinführung – Begriffe im Überblick

Mutationsforschung

Vorteilhafte Veränderungen?

Die „wiederkehrende Veränderlichkeit“

Mutationen in Entwicklungsgenen

Ergebnis

Literatur

Weitere Fragen zu diesem Thema

Hinführung – Begriffe im Überblick

Wichtige Grundbegriffe der kausalen Evolutionsforschung sind Genpool, Rekombi-
nation, Mutation, Selektion und Gendrift (Abb. 53). Der Genpool – eine virtuelle Größe – umfasst alle genetischen Varianten (Allele) (=Zustandsformen eines Gens) innerhalb einer Art. Durch Kreuzungen können diese Varianten in den Nachkommen neu gemischt werden (Rekombination). Unter Mutation versteht man eine sprunghafte, spontan auftretende oder künstlich ausgelöste Veränderung des Erbguts (Genotyp), die auch zu Veränderungen im Erscheinungsbild (Phänotyp) führen kann. Selektion ist Auslese der am besten an die Umwelt angepassten Individuen und steht für unterschiedlichen Fortpflanzungserfolg verschiedener Individuen. Unter Gendrift wird die zufällige, nicht auf Auslese zurückzuführende Veränderung des Genpools verstanden.

Mutationsforschung

Mutationen sind die einzige bekannte Quelle für evolutionäre Neuerungen. Alle anderen Evolutionsfaktoren sind letztlich nur wirksam unter der Voraussetzung mutativer Veränderungsmöglichkeiten. Daher hat die Mutationsforschung eine Schlüsselrolle in der kausalen Evolutionsforschung (=Ursachenforschung) inne. Mutationen treten spontan (ohne erkennbare Ursache) im Freiland auf (Beispiel: Abb. 55), können aber auch künstlich unter Laborbedingungen z. B. durch Behandlung mit Chemikalien oder Bestrahlung sowie Wärme- oder Kältebehandlung ausgelöst werden. Allerdings ist nicht vorhersehbar, in welchen Genen (=Erbfaktoren, Abschnitte auf der DNS) Mutationen eintreten und in welcher „Richtung“ sie sich verändern.

Man unterscheidet Punktmutationen, bei denen nur ein einziger Einzelbaustein der Erbsubstanz (DNS) verändert wird, und Chromosomenmutationen (Abb. 56), bei denen ganze DNS-Abschnitte verloren gehen, umgedreht werden, an eine andere Stelle eingebaut oder verdoppelt werden. Durch Mutationen können auch ganze Chromosomen oder sogar komplette Chromosomensätze verdoppelt werden.

Jahrzehntelange Experimente mit der Frucht- oder Essigfliege Drosophila haben zwar Hunderte von unterschiedlich veränderten Tieren hervorgebracht, aber nie-
mals wurde – auch nicht nach langer Zeit – eine komplexe neue Struktur auch nur andeutungsweise erzeugt. Die künstlich ausgelösten Mutationen führten z. B. zu veränderten Augen- oder Körperfarben, veränderten Borsten, anders geformten Augen oder unterschiedlich missgebildeten Flügeln (Abb. 57). Manchmal sind ganze Körperteile an eine falsche Stelle geraten, z. B. Beine anstelle der Antennen oder Flügel anstelle der Schwingkölbchen (Abb. 57, unten rechts). Da keine neuen Bauteile entstanden sind, sondern nur vorhandene variiert oder auch neu kombi-
niert wurden, bewegt sich das Mutationsgeschehen bei Drosophila im mikroevo-
lutiven Bereich. Die Drosophila-Fliegen sind durch diese Mutationen auch nicht zu neuen biologischen Arten geworden, sondern kreuzen sich nach wie vor. Muta-
tionen führen also meistens zu Defekten. Dies trifft auch auf Mutationen bei Pflan-
zen zu. So stellen Meinke et al. (1998) über die Mutationsforschung bei der in-
tensiv untersuchten Acker-Schmalwand (Arabidopsis) fest: „Several thousand mutants of Arabidopsis defective in almost every aspect of plant growth and development have been identified over the past 20 years.“ Mutationen können aber auch ohne Folgen für den Phänotyp (das äußere Erscheinungsbild) bleiben (neutrale Mutationen).

Vorteilhafte Veränderungen?

Nun wird argumentiert, dass die schädlichen Mutationen letztlich keine Rolle im Evolutionsprozess spielen, da sie durch Selektion (=Auslese) wieder ausgemerzt werden. Entscheidend sei jedoch, dass Mutationen sich gelegentlich vorteilhaft auswirken können. Diese würden sich im Laufe der Zeit in den Populationen durchsetzen, und immer wieder könnten weitere positive Mutationen diesen Prozess fortsetzen.

Diese Argumentation ist grundsätzlich richtig. Doch das Auftreten vorteilhafter Mu-
tationen ist nicht gleichbedeutend mit der Entstehung neuer genetischer Informa-
tion, sondern beruht in der Regel letztlich auch auf Defekten, die sich nur unter besonderen Umweltbedingungen als günstig herausstellen.

Ein Beispiel soll dies verdeutlichen: Auf manchen Inseln, die starken Winden aus-
gesetzt sind, leben Insekten, deren Flügel rückgebildet sind oder die ihre Flügel ganz verloren haben (Abb. 58). Für die dortigen Insekten ist diese Veränderung vorteilhaft, denn bei einem Orkan können sie, wenn sie zum Flug ansetzen, weit aufs offene Meer getrieben werden. Wenn der Wind nicht dreht, werden sie aus eigener Kraft dann in der Regel nicht mehr zurückfliegen können und kommen um. Besser also, das Insekt kommt erst gar nicht in Versuchung, „abzuschweben“. Dazu kommt, dass auf Inseln gewöhnlich viel weniger Feinde leben als auf dem Festland, so dass der Verlust an Beweglichkeit verkraftbar ist; schließlich haben diese Insekten ja überlebt. Also ist alles in allem der Flügelverlust vorteilhaft. Doch zum Verständnis der Evolution ist damit nichts gewonnen. Denn dieser Vorteil beruht auf einem Verlust, ist also ein Abbau eines Körperteils, keine Höherentwick-
lung. Zudem ist der Flugverlust nur an den speziellen Standorten für das Überle-
ben günstig; normalerweise ist er nachteilig; entsprechende Mutanten werden andernorts durch Selektion ausgemerzt.

Aus der Biochemie sind folgende Verhältnisse bekannt: Wenn durch eine Mutation ein Enzym einen neuen Stoff abbauen oder umbauen kann (neue Substrataffini-
tät), geht das gewöhnlich auf Kosten der (vorherigen) Spezifität der Substrataffini-
tät, d. h. die genaue Zuordnung zwischen Enzym und Substrat ging verloren. Neu erworbene Gift- oder Antibioticaresistenzen können auf Stoffwechseldefekte zu-
rückgehen, die verhindern, dass das Gift in lebenswichtige Stoffwechselprozesse eingeschleust wird.

Wir können festhalten: Mutationen, die sich nur unter bestimmten Bedingun-
gen als „positiv“ erweisen, erklären Evolution neuer Strukturen nicht, da sie Verluste beinhalten. Es geht also nicht um die Frage, ob es vorteilhafte Mutationen gibt, sondern ob dadurch echt neues Erbmaterial und neue Strukturen entstehen.

Die „wiederkehrende Veränderlichkeit“

An verschiedensten Organismen wurde seit Jahrzehnten wiederholt beobachtet, dass nach einiger Zeit immer wieder die gleichen Mutanten auftreten. Es entste-
hen häufig solche Mutanten, die zuvor bereits existierten. Pflanzenzüchter stel-
lten fest, dass im allgemeinen infolge künstlicher Mutationsauslösung hauptsäch-
lich Merkmale und Eigenschaften auftreten, die auch nach spontan auftretenden Mutationen wildwachsender Pflanzen entstehen. Die Zahl der neuen Mutantenty-
pen nimmt bei immer weiteren Mutationsversuchen ab. Der Genetiker W.-E. Lönnig hat dieses Phänomen unter der „Regel der rekurrenten Variation“ zusammenge-
fasst. Das bedeutet „wiederkehrende Veränderlichkeit“. Auch beim Menschen ist dieses Phänomen bekannt; bislang sind über 5000 wiederholt auftretende erb-
liche Abweichungen bekannt geworden. Bei Getreide kennt man als Beispiele für rekurrente Variationen dichte Ähren, frühe Reife, Fehlen von Wachs, kurze Gran-
nen, Fehlen des Farbstoffs Anthocyan oder Mehltauresistenz.

Als Grund für die Regel der rekurrenten Variation vermutet Lönnig, dass es nur eine begrenzte Zahl von Erbfaktoren gibt, bei denen unter schrittweisem bis völ-
ligem Funktionsverlust noch ein lebensfähiger, aber in vielen Fällen mehr oder we-
niger geschädigter Organismus gebildet werden kann.

Die Regelhaftigkeit der Mutationserscheinungen weist auf vorgegebene, zwar reich-
haltige, aber letztlich begrenzte Veränderungsmöglichkeiten der Lebewesen hin. Die Vielfalt der Mutationen bewegt sich nach bisherigen Untersuchungen innerhalb von Grundtypen.

Mutationen in Entwicklungsgenen

In jüngerer Zeit haben Erkenntnisse über sog. Homeoboxgene besondere Bedeu-
tung gewonnen. Homeoboxgene stehen an einer frühen Stelle der ontogeneti-
schen (=die individuelle Entwicklung betreffend) Entwicklungskaskade ganzer Organe. Mutationen in Homeoboxgenen können daher schwerwiegende Auswirkungen haben, so dass ganze Organe an falschen Körperstellen ausgeprägt werden können (vgl. Abb. 57, rechts unten). Doch auch Homeoboxgene tragen nichts zur Erklärung der Entstehung der Lebensstrukturen bei, da sie nur auf der Basis bereits vorhandener nachgeschalteter Strukturen und Entwicklungskaskaden wirksam sind.

Ergebnis

Generell hat die Mutationsforschung bislang gezeigt, dass durch Mutationen keine neuen Strukturen entstehen. Vielmehr entfalten sie ihre Wirkung auf der Basis vorhandener komplexer Strukturen oder Stoffwechselvorgänge. Das Mutations-
spektrum bewegt sich nur im Rahmen der Mikroevolution.

Literatur

MEINKE, D.W.; Cherry, J.M.; Dean, C., Rounsley, S. D.; Koornneef, M.: Arabidopsis thaliana: A Model Plant for Genome Analysis. Science 282, 678-682 (1998)

LÖNNIG, W.-E. (1995) Mutationen: Das Gesetz der rekurrenten Variation. In: Mey, J., Schmidt, R. & Zibulla, S. (Hg) Streitfall Evolution. Stuttgart, S. 149-165.

Weitere Fragen zu diesem Thema

Widerlegt die Tatsache, dass ein Großteil der Mutationen schädlich ist, die Möglichkeit einer Evolution?

Wie kann man unterscheiden, ob eine Veränderung mikroevolutiver oder makroevolutiver Natur ist?

Ist die moderne Gentechnik ein Modell für Evolution?

Autor: Reinhard Junker, 04.02.2009

 
© 2009