Mechanismen der Evolution

Die "Beweise" für die Evolution, die wir in der vorherigen Einheit betrachtet haben, sind die Ergebnisse der Evolutionsforschung. Im Rahmen dieser Forschung unterscheidet man zwei Hauptbereiche:

  • die historische Evolutionsforschung und
  • die kausale Evolutionsforschung.

Die historische Evolutionsforschung versucht, die Entstehung des Lebens im Sinn der Evolutionslehre zu rekonstruieren und die Beweise für die Evolution des Lebens ausfindig zu machen.

Die kausale Evolutionsforschung stellt die Fragen nach den Faktoren, welche die Evolution bewirken, und nach den Mechanismen, die dabei zugrunde liegen. Weiterhin versucht sie, den Wirkungsbereich der gefundenen Evolutionsfaktoren zu ermitteln und das Ausmaß an Veränderungen der Lebewesen durch diese Faktoren zu erklären.

Die Ergebnisse dieser Forschung ("empirische Daten") werden nicht nur im Rahmen der Evolutionslehre, sondern auch im Rahmen der Schöpfungslehre gedeutet. Während die Evolutionslehre versucht, anhand dieser Daten die beliebige Wandelbarkeit der Organismen, d.h. die Entstehung der völlig neuen Organe und Baupläne der Organismen, zu beweisen, versucht die Schöpfungslehre, die Grenzen der Veränderlichkeit der Lebewesen innerhalb der Grundtypen aufzuzeigen. 

Folgende Evolutionsfaktoren, die empirisch belegt sind, werden der Reihe nach betrachtet:

  • Mutation,
  • Selektion,
  • Rekombination,
  • Gendrift und
  • Artbildung.

Anmerkung: Im folgenden werden die wichtigen biologischen Fachbegriffe mit der Erklärung ihrer Bedeutung verlinkt.

Mutation

Für die Wirkungsweise der Evolution spielt nicht das Individuum, sondern die so genannte Population eine wichtige Rolle. Evolution spielt sich am Genpool ab. Der Genpool wird durch das Auftreten von Mutationen bereichert. Mutationen sind sprunghafte erfolgende Veränderungen im Erbgut. Durch sie erhalten die Organismen neue Merkmale. Die Veränderungen im Erbgut könnten an die Nachkommen der Population vererbt werden. Zum Beispiel haben alle Fruchtfliegen rote Augen. Durch Mutation können ihre Nachkommen weiße Augen bekommen. Folgende Bilder zeigen einige mutierten Fruchtfliegen:


Normalform


Achtbeinigkeit   Gebogene Flügel

Ebenholzkörper     Flügellos

Abb. 1: Normalform und Mutantenform der Drosophila

Weiteres Beispiel für die Mutation ist der Albinismus. Der Albino ist genetisch nicht in der Lage, Melanin zu erzeugen. Das Melanin ist ein braunes bis schwarzes Pigment, das die Färbung der Haut, der Haare und der Augen bewirkt. Daher sind beim Albino die Haare weißlich, die Haut blass, und die Augen bekommen wegen des durchscheinenden Blutes eine rote Farbe.

Abb. 2: Albino-Mutanten

Mutationen können spontan auftreten oder durch z.B. kosmische Strahlungen, Röntgenstrahlen, oder auch Chemikalien erzeugt werden.

Fast alle Mutationen sind aber für ihre Träger schädlich. Man denke z.B. an die durch Tschernobyl hervorgerufenen Erbgutschädigungen und Krebserkrankungen. In Hiroshima wurden nach Explosion der Atombombe zum Beispiel Fröschen mit drei Augen oder mit fünf Beinen geboren.


Dieses mutierte Lamm hat fünf Beine. In Freiheit lebend würde es schnell von Raubtieren getötet. Diese Mutation ist für dieses Lamm schädlich.


Zwischensexuelle Schmetterling
Jeder besitzt eine männliche und eine weibliche Seite, was sich an ihren ungleichen Flügeln zeigt. Die Zwischensexuellen können sich jedoch nicht fortpflanzen. Sie werden aussterben.

Abb. 3: Mutationen

In der Evolutionstheorie geht man davon aus, dass eine Vielzahl dieser kleinsten Veränderungen den betreffenden Organismus so verändern, dass er komplexer, also höher entwickelt wird.

 

Selektion

Durch Mutationen erhalten die Lebewesen neue Merkmale. Ob diese für sie vorteilhaft sind, entscheidet allein die Selektion. Die Selektion ist eine natürliche Auslese durch die Umwelt. Sind neue Merkmale besser an die Umwelt angepasst, dann kommen die betreffenden Organismen zur Fortpflanzung, d.h. vorteilhafte neue Merkmale werden an die Nachkommen weitergegeben. Dagegen werden die nachteiligen Merkmale von der Selektion ausgemerzt, d.h. sie werden nicht an die Nachkommen weitergegeben. Ein Beispiel: In Wald und Feld sind braune Kaninchen am braunen Boden gut angepasst. Denn sie werden von Fressfeinden (Adler, Habicht usw.) schwer entdeckt. Wenn durch Mutation ein weißes Kaninchen geboren wird, und die Umwelt (Brauner Boden) unverändert bleibt, wird es von Fressfeinden schnell gefunden. Man sagt, das weiße Kaninchen hat einen negativen Selektionswert, weil es an seine Umwelt schlecht angepasst ist. Daher wird das weiße Kaninchen von der Selektion schnell ausgemerzt. Wenn die braunen Kaninchen aber das Hochgebirge besiedeln, dann fallen sie auf dem Schneefeld auf und werden daher von Räubern eher entdeckt und gejagt. Diesmal sind die braunen Kaninchen schlecht an die Umwelt (= Schnee auf dem Hochgebirge) angepasst. Durch Mutation werden aber weiße Kaninchen geboren, die auf dem Schnee besser getarnt sind. In diesem Fall hat das weiße Kaninchen einen positiven Selektionswert. Die Selektion sorgt also dafür, dass mit der Zeit nur noch weiße Kaninchen überleben und braune Kaninchen aussterben.


Abb. 4. Selektion durch Fressfeinde

Im Lauf der Erdgeschichte blieb die Umwelt nicht konstant, z.B. Trockenheit, die Wüstenbildung, der Klimawechsel, die Eiszeit usw. Die Lebewesen (Pflanzen und Tiere) müssen sich an die sich veränderte Umwelt stetig neu anpassen. Sonst führt das zum Aussterben der Art.

 

Rekombination

Unter Rekombination versteht man eine Neudurchmischung vorhandener Gene. Bei der sexuellen Fortpflanzung der Lebewesen werden die väterlichen und mütterlichen Gene in den Keimzellen neu verteilt. Wie diese Verteilung abläuft, entscheidet der Zufall allein. Durch die freie Kombinierbarkeit der Gene entsteht eine sehr große Zahl genetisch unterschiedlicher Lebewesen. Die Anzahl der Kombinations-möglichkeiten der Gene einer Population ist unvorstellbar hoch.

 

Gendrift

Auch wenn weder neue Mutationen auftreten noch die Selektion wirkt, kann sich trotzdem die Zusammensetzung des Genpools einer Population bei der Fortpflanzung über mehrere Generationen verändern. Solche zufallsbedingte Änderungen der Zusammensetzung des Genpools bezeichnet man als Gendrift. Die Gendrift kommt besonders bei einer Naturkatastrophe wie zum Beispiel Seuche, Unwetter oder Waldbrand zutage, wobei eine Gruppe von Trägern bestimmter Merkmale plötzlich aussterben. Dadurch verschiebt sich die Zusammensetzung des Genpools. Sie ist in kleinen Populationen viel wirksamer als in großen. Ein Beispiel ist die Population aus 40 Kaninchen, davon 24 braune und 16 weiße Kaninchen. Während eines Sturmes fällt ein dicker Baum auf diese Population. Bei diesem tragischen Unfall sterben 20 Kaninchen, und zwar 18 braune und 2 weiße. 
 

 

Anteil an der Population

  Vor dem Sturm Nach dem Sturm
Braune Kaninchen 24 60% 18 90%
Weiße Kaninchen 16 40% 2 10%

  

Vor dem Sturm

Nach dem Sturm

Abb. 5: Gendrift in einer Kaninchen-Population

Das Verhältnis hat sich durch dieses Zufallsereignis stark verändert. Zum Vergleich die selbe Rechnung mit einer zehnmal so großen Population.
 

 

Anteil an der Population

  Vor dem Sturm Nach dem Sturm
Braune Kaninchen 240 60% 234 62%
Weiße Kaninchen 160 40% 146 38%

 

Artbildung

Unter Artbildung versteht man die Aufspaltung einer Art in zwei oder mehrere Tochterarten. Populationen können sich zum Beispiel durch Klimaveränderungen, Stürme usw. so auseinander entwickeln, dass der Genaustausch zwischen ihnen unterbrochen oder zumindest so selten ist, dass kein einheitlicher Genpool mehr besteht. Auf diese Weise entsteht aus der Ausgangspopulation die Tochterpopulationen, die mit der Zeit immer mehr Merkmalsunterschiede aufweisen, weil keine Vermischung mehr möglich ist und

  • jede Tochterpopulation einige Allele aus dem Genpool der Ausgangspopulation in geringer Menge oder gar nicht mitbekommen hat,
     

  • in den Tochterpopulationen verschiedene Mutationen auftreten,
     

  • die Selektion (bedingt durch verschiedene Umwelten) unterschiedlich wirkt,
     

  • verschiedene Rekombinationen vorkommen.

Schreitet diese Auseinanderentwicklung einmal so weit voran, dass die getrennten Populationen bei späterer Wiederüberlappung oder bei künstlicher Zusammenführung durch den Menschen miteinander keine Nachkommen mehr hervorbringen, so sind gemäß der biologischen Artdefinition aus einer Ausgangsart zwei neue Tochterarten entstanden.

Artaufspaltung einer Art in zwei Tocherarten:


Zwischen beiden Populationen einer Fischart herrscht ein ständiger Genfluß.


Durch die natürliche Barriere (z.B. Vulkanstätigkeit) werden die beiden Populationen geographisch aufgespalten. Der Genfluß zwischen den Populationen findet nicht mehr statt.


Unterschiedliche Mutationen und verschiedene Selektionsbedingungen in den getrennten Populationen führen zu einer Artaufspaltung, zunächst in zwei Unterarten, dann in zwei getrennte Arten. Nach genetischer Isolierung ist keine fruchtbare Paarung mehr möglich, selbst wenn die natürliche Barriere wieder verschwindet, die Arten sich ausbreiten und ihre Lebensräume sich überlappen.
Abb. 6: Artaufspaltung

 

Die Synthetische Evolutionstheorie

Durch Naturbeobachtung hatte Charles Darwin folgendes festegestellt:

  • Die Lebewesen erzeugen viel mehr Nachkommen, als dies zur Erhaltung der Art notwendig wäre (Überproduktion).
  • Da sich die Individuen einer Art in vielen Merkmalen und Eigenschaften unterscheiden (Variabilität), sind sie auch unterschiedlich gut an ihre Umwelt angepasst.
  • Die Größe der Population bleibt langfristig aber konstant.

Daraus hatte Darwin gefolgert, dass aus dem Überangebot der Nachkommen im Wettbewerb um günstige Lebensbedingungen (Nahrung, Lebensraum und Geschlechtspartner) nur diejenigen Individuen überleben, die am besten an die Umwelt angepasst sind. Diese geben ihre erblichen Merkmale an die folgenden Generationen weiter ("survival of the fittest" = Überleben der Tauglichsten). Aufgrund dieser Beobachtung hatte Darwin seine Selektionstheorie in seinem epochemachenden Buch "On the Origin of Species" (1895) begründet. Die natürliche Auslese durch die herrschenden Umweltbedingungen bewirkt das gleiche, was der Züchter geplant und gezielt vornimmt (künstliche Selektion).

Streng genommen hatte Darwin keine Evolutionstheorie, sondern nur eine Selektionstheorie formuliert. In seinem Werk hatte Darwin nicht dargestellt, dass neue erbliche Eigenschaften durch Mutationen entstanden sind, weil die Genetik zu dieser Zeit noch nicht erforscht war. Niemand wusste damals, wie es überhaupt möglich ist, dass Eigenschaften vererbt werden. Daher war die Selektionstheorie in den Jahrzehnten nach dem Erscheinen von Darwins Buch "On the Origin of Species" nicht immer unumstritten. Als die Mendelschen Vererbungsregeln um die Jahrhundertwende "wiederentdeckt" wurden, kam die Selektionstheorie in eine ernste Krise.

Im Lauf der fortgeschrittenen Forschung wurde aus der Selektionstheorie durch die  Hinzunahme der weiteren Evolutionsfaktoren Mutation, Rekombination, Isolation, Gendrift, Populationswellen und Gentransfer eine so genannte "Synthetische Evolutionstheorie" entwickelt. Sie hat ihren Namen daher, dass sie eine Synthese von Erkenntnissen aus allen biologischen Forschungsgebieten darstellt, d.h. in die Synthetische Evolutionstheorie fließen die Erkenntnisse der Genetik, Populationsgenetik, Ökologie und Biochemie ein.

Nach Auffassung der meisten Evolutionsbiologen soll das Zusammenwirken der in dieser Theorie beschriebenen Evolutionsfaktoren nicht nur die Optimierung der vorhandenen Organe und Strukturen (Mikroevolution, siehe nächste Webseite), sondern auch die Entstehung völlig neuer Organe und Strukturen (Makroevolution, siehe nächste Webseite) erklären.

Bildquellen:

Abb. 1: Time-Life Wunder der Natur - Die Evolution, 1969
Abb. 2: Time-Life Wunder der Natur - Die Evolution, 1969
Abb. 3: Fred Hoyle, Das intelligente Universum, Umschau-Verlag, 1983
Abb. 4: Hans-Holger Miebach
Abb. 5: Hans-Holger Miebach
Abb. 6: Nachzeichnung einer Abbildung aus Linder Biologie, Schroedel-Verlag