Studie: Ist Evolution doch zukunftsgerichtet?

Andreas Müller

27/02/2025 2 min

Experimentelle Evolution der Evolvierbarkeit durch Abstammungsselektion. Mutation und Selektion werden in der Regel als unabhängige Prozesse betrachtet, aber unser Experiment zeigt, wie sie interagieren und dazu führen, dass Mutation in Richtung adaptiver Ergebnisse beeinflusst wird. Im Mittelpunkt steht dabei die Selektion auf der Ebene der Abstammungslinien: Bakterielle Abstammungslinien (verbundene Knotenpunkte) mussten sich wiederholt zwischen zwei phänotypischen Zuständen entwickeln. Die Mutationsübergänge waren anfangs unzuverlässig, was zum Aussterben der Linie und zum Ersatz durch erfolgreichere Konkurrenten führte. Die letzten überlebenden Stämme entwickelten mutationsanfällige Sequenzen in einem Schlüsselgen, das den Phänotypen zugrunde liegt, und ermöglichten so schnelle Übergänge zwischen den Zuständen. (Klicken Sie auf die Bildmitte, um zu einer vergrößerten Darstellung zu gelangen.)Copyright/Quelle: GCO/MPG (Paul B. Rainey/ Michael Barnett, MPI EvolBio) — Experimentelle Evolution der Evolvierbarkeit durch Abstammungsselektion. Mutation und Selektion werden in der Regel als unabhängige Prozesse betrachtet, aber unser Experiment zeigt, wie sie interagieren und dazu führen, dass Mutation in Richtung adaptiver Ergebnisse beeinflusst wird. Im Mittelpunkt steht dabei die Selektion auf der Ebene der Abstammungslinien: Bakterielle Abstammungslinien (verbundene Knotenpunkte) mussten sich wiederholt zwischen zwei phänotypischen Zuständen entwickeln. Die Mutationsübergänge waren anfangs unzuverlässig, was zum Aussterben der Linie und zum Ersatz durch erfolgreichere Konkurrenten führte. Die letzten überlebenden Stämme entwickelten mutationsanfällige Sequenzen in einem Schlüssel-Gen, das den Phänotypen zugrunde liegt, und ermöglichten so schnelle Übergänge zwischen den Zuständen.
Copyright/Quelle: GCO/MPG (Paul B. Rainey/ Michael Barnett, MPI EvolBio)

Plön (Deutschland) – Aktuell Studienergebnisse werfen ein neues Licht auf eines der meistdiskutierten Konzepte in der Biologie: die sogenannte Evolvierbarkeit – also der Fähigkeit zur evolutionären Anpassung. Die Ergebnisse liefern erstmals einen experimentellen Beweis dafür, wie die natürliche Auslese genetische Systeme formen kann, um die zukünftige Fähigkeit zur Evolution zu verbessern. Damit stellt die Studie die traditionelle Sichtweise auf evolutionäre Prozesse in Frage.

Wie Michael Barnett, Lena Meister und Paul Rainey vom Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie aktuell im Fachjournal „Science“ (DOI: 10.1126/science.adr2756) berichtet, zeige die Studie, wie natürliche Auslese genetische Systeme für zukünftige Anpassungen optimiert.

Die Fähigkeit von Organismen, adaptive genetische Variationen zu erzeugen, ist entscheidend für den evolutionären Erfolg, insbesondere in sich verändernden Umgebungen. Ob nun aber die natürliche Auslese nicht nur zufällig durch Mutationen gesteuert wird, sondern auch gezielt Mechanismen fördert, die vorteilhafte Veränderungen begünstigen, war das Forschungsziel der aktuellen Studie.

Drei Jahre lang haben die Forschenden mit experimentellen mikrobiellen Populationen experimentiert. Diese Populationen wurden stark selektiert und mussten sich wiederholt zwischen zwei Merkmalen an wechselnde Umweltbedingungen anpassen. „Linien, die nicht in der Lage waren, den erforderlichen Phänotyp zu entwickeln, wurden eliminiert und durch erfolgreiche Linien ersetzt, wodurch die Bedingungen für die Selektion geschaffen wurden, um auf der Ebene der Linien anpassungsfähige Merkmale zu entwickeln.“

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Anhand der Analyse von mehr als 500 Mutationen kann die Studie nun das Auftreten eines lokalisierten genetischen Hypermutationsmechanismus in bestimmten mikrobiellen Abstammungslinien aufzeigen. „Dieser hyperveränderliche Locus, der durch einen mehrstufigen Evolutionsprozess entstand, wies eine Mutationsrate auf, die bis zu 10.000-mal höher war als die der ursprünglichen Linie“, berichtet das Forschungsteam. „Er erlaubte schnelle und umkehrbare Veränderungen von Merkmalen durch einen genetischen Mechanismus, ähnlich denen in krankheitserregenden Bakterien.“

Die Ergebnisse zeigen, dass die Selektion auf der Ebene der Abstammungslinien die Entwicklung von Merkmalen vorantreiben kann, die das Evolutionspotenzial erhöhen. Sie bieten zudem einen faszinierenden Einblick in die Art und Weise, wie die Evolution eine Art ‚Voraussicht‘ erlangen kann. „Bei der Anpassung geht es also nicht nur um das Überleben in der Gegenwart, sondern auch um die Verfeinerung der Fähigkeit, sich in der Zukunft anzupassen“, erläutert Barnett.

Damit stellen die Forschungsergebnisse die seit langem vertretene Ansicht in Frage, dass die Evolution ohne Voraussicht abläuft. „Stattdessen kann nun gezeigt werden, wie die natürliche Auslese die Evolutionsgeschichte in die genetische Architektur einbetten kann, wodurch Organismen in die Lage versetzt werden, Umweltveränderungen ‚vorauszusehen“ und ihre Anpassung zu beschleunigen.“

Auf diese Weise liefert das Studienergebnis nicht nur wichtige Erkenntnisse über die Evolution mikrobieller Krankheitserreger, sondern hat auch Auswirkungen auf das Verständnis der Anpassungsmechanismen in komplexen Systemen.

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Recherchequelle: Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie

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