Darwins
Evolutionstheorie, Evolution in einfachen Worten. Die Rolle des Zufalls
Obwohl Evolution etwas Biologisches ist, lässt es sich sehr gut physikalisch erklären.
Der Begriff Evolutionstheorie ist
zwar formal wissenschaftlich korrekt, allerdings weckt der Begriff "Theorie" bei
wissenschaftlich weniger Vorgebildeten meistens falsche
Vorstellungen. Im Folgenden wird deshalb nur noch von Evolution gesprochen.
Unter Evolution versteht man die natürliche Veränderung von Lebewesen
über die Zeit. Dies schliesst die Entstehung neuer Arten und das
Aussterben von Arten mit ein. Die Veränderung kann nur Merkmale
betreffen, die vererbbar sind. Angelernte Dinge unterliegen
keiner Evolution, da sie von jeder Generation neu
erlernt werden müssen, allerdings kann die Lernfähigkeit an sich durchaus einer Evolution
unterliegen.
Evolution ist bei grösseren (vielzelligen) Lebewesen ein sehr langsamer
Prozess. Massgebend
ist hierbei weniger die absolute Zeit, sondern die Anzahl
der beteiligten Generationen, denn nur bei der Erzeugung von Nachkommen kann
Evolution überhaupt stattfinden.
Veränderungen bei grösseren Lebewesen, die für Laien unmittelbar
ersichtlich sind (z.B. längere Rüssel bei Elefanten), brauchen
Zeitdauern, die in
der Grössenordnung von mindestens einigen 1.000 bis einigen 10.000 Generationen
liegen, was je nach biologischer Art wenige 1000 Jahre bis einige Hunderttausend Jahre betragen kann.
Der Unterschied Mensch - Schimpanse ist, vereinfacht gesagt, das
Resultat der Entwicklung von ca. 400.000 Generationen (~7 Mio Jahre).
Derart grosse Veränderungen lassen sich aufgrund der notwendigen langen Zeitdauern nicht direkt beobachten.
Bei
kleinen,
einzelligen Lebewesen kann Evolution jedoch direkt beobachtet werden.
Solche Beispiele findet man haufenweise bei Versuchen mit Bakterien in
Labors. Aber auch in der Agrartechnik kann man Evolution beobachten,
dort sogar bei höheren Lebewesen: Schädlinge (in der Regel bestimmte
Insekten) werden auf einmal resistent gegen bestimmte
Pflanzenschutzmittel, weil sich in deren Stoffwechsel etwas verändert
hat, das zu einer besseren Tolerierung des Pflanzenschutzmittels führt.
Diese Insekten haben sich entsprechend einer sich geänderten
Umweltbedingung (= dem Pflanzenschutzmittel ausgesetzt sein) angepasst.
Die genaue Funktionsweise der Evolution lässt sich mit wenigen Begriffen
vollständig charakterisieren, die man als Axiome auffassen kann:
1. Mutation
2. Selektion
(3. Zufall)
Die ersten beiden Axiome haben mit denen der Speziellen Relativitätstheorie und der Allgemeinen Relativitätstheorie folgendes gemeinsam:
a) Sie sind besonders sparsam
b) Ihre Konsequenzen sind besonders weitreichend.
Das Dritte ist ist eigentlich überflüssig, und daher in Klammern
gesetzt, weil es im Grunde nur besagt, dass keine weiteren Axiome
notwendig sind.
Da der Zufall bei der Evolution jedoch die treibende Kraft ist (der
Motor sozusagen), wäre es unklug, ihn bei den Erklärungen einfach zu übergehen.
Was ist Zufall?
Dies wird in einer gesonderten Abhandlung erklärt: Die Rolle des Zufalls in den Naturwissenschaften.
Das Ergebnis zusammengefasst: Es gibt objektiven Zufall, das
bedeutet, Zufall ist ein integraler Bestandteil von Naturvorgängen, der
mit technologischen Mitteln grundsätzlich nicht beherrscht werden kann.
Im Kontext der Evolution bedeutet das:
Mutation
Allein durch die Tatsache, dass ein Lebewesen existiert, unterliegt es,
ganz unabhängig von äusseren Rahmenbedingungen, dem Prozess der
Mutation. Dies wird spontane Mutation
genannt, und ist rein zufälliger Natur. Es gibt dahinter keinen
deterministischen Mechanismus. Die Ursache dafür liegt darin, dass
objektiver Zufall integraler Bestandteil der Quantenmechanik ist, und
spontane (=zufällige) quantenmechanische Prozesse in grossen makroskopischen Strukturen wie z.B.
Lebewesen, mit nennenswerter Wahrscheinlichkeit stattfinden.
Im biologischen Kontext meint man mit Mutation insbesondere die
Veränderung der Atom- und Molekularstruktur von DNA (Erbgut).
DNA Moleküle sind so gross, beinhalten also so viele Atome, dass spontane Mutationen infolge zufälliger
quantenmechanischer Fluktuationen mit nennenswerter Wahrscheinlichkeit
stattfinden.
Mutationen betreffen immer nur sehr kleine Bereiche der DNA, immer
nur wenige Atome, und damit nur kleine Bereiche eines bestimmten
Gens. Man kann das gut vergleichen mit einer Software im
Arbeitsspeicher eines Computers, bei der ein einzelnes Bit "umfällt".
(So etwas passiert tatsächlich, wenn auch ausgesprochen selten).
Neben der spontanen Mutation, die ein immanenter Prozess der Natur ist,
gibt es noch die induzierte Mutation. Diese beruht auf Einflüssen der
äusseren Umgebung, und hängt stark von ihr ab. Die wirksamste
und zugleich wahrscheinlichste induzierte
Mutation wird durch energiereicheTeilchen hervorgerufen, die von aussen
auf das Lebewesen eintreffen. Die Ursache dafür ist natürliche
Radioaktivität, die überall vorhanden ist, und deren Intensität wiederum
davon abhängt, wo man sich befindet, z.B., welche Gesteinsschichten man
unter sich hat, welche chemischen Elemente aus dem Erdboden ausgasen,
ob man sich auf Meereshöhe oder im Gebirge befindet (-->kosmische
Höhenstrahlung), usw.
Induzierte Mutationen können auch chemische Ursachen haben, oder können durch chemische Einflüsse zumindest begünstigt werden.
Die Wahrscheinlichkeit, dass höhere Lebewesen wenigstens eine Mutation
erfahren (die an spätere Generationen verebt wird), liegt in der
Grössenordnung von 0,01% bis 100 % pro Lebewesen. Neben der Umgebung
hängt das auch davon ab, wie alt das Lebewesen werden kann. Beim
Menschen kann man von einem Wert nahe bei 100% ausgehen.
Ob eine bestimmte Mutation ein "sinnvolles" Resultat liefert, hängt von
verschiedenen Faktoren ab. Viele Mutationen führen dazu, dass die
Nachkommen mit erhöhter Wahrscheinlichkeit krank, oder erst gar nicht
lebensfähig sind. Die meisten anderen Mutationen bewirken rein gar
nichts, selbst auf lange Sicht nicht. Die verbleibenden Mutationen
sind es, die die Grundlage für das bilden, was man als Evolution beobachtet.
Wie sich eine bestimmte Mutation auf kurz oder lang auswirkt, hängt von
den äusseren Randbedingungen ab, denen die Nachkommen ausgesetzt sind.
Hier kommt der Satz "Survival of the fittest" zum tragen, das Überleben
der Bestangepassten (an ihre Umwelt). Welche Individuen bzw. welche
Mutationen die letztlich Bestangepassten ausmachen, wird sich immer
hinterher herausstellen, denn durch welche Veränderungen ein Lebewesen
besser angepasst wird als andere Lebewesen derselben biologischen
Art, ist kaum vorhersagbar. Auf lange
Sicht wird es aber immer so sein, dass besser an ihre Umgebung
angepasste Individuen einer biologischen Art es leichter haben werden,
und sich daher häufiger vermehren werden.
Diesen Prozess nennt man
Selektion
Durch in der Vergangenheit stattgefundene Mutationen bestehen
biologische Arten aus Unterpopulationen, die sich in bestimmten Genen
systematisch unterscheiden. Das können scheinbar banal anmutende
Merkmale wie Augenfarbe oder Haarfarbe sein. Solange sich aus diesen
Merkmalsausprägungen keine Vor- oder Nachteile ergeben, werden sie
nicht zur Evolution beitragen, d.h., es wird auch in Zukunft innerhalb
dieser biologischen Art Individuen mit unterschiedlichen Augenfarben
geben.
Etwas schwieriger gelagert sind Mutationen, die beispielsweise den
Stoffwechsel, die Zusammensetzung des Blutes, oder andere grundlegende
Merkmale von Lebewesen betreffen. Wer z.B. aufgrund einer
Mutation bestimmte Nahrungsmittel besser, oder überhaupt verdauen kann,
muss nicht zwangsläufig besser angepasst sein, denn es ist ziemlich
wahrscheinlich, dass dieser Vorteil mit irgendeinem Nachteil einher
geht: Es ist nämlich oft so, dass bestimmte Eigenschaften von Lebewesen
durch mehrere Gene gleichzeitig codiert werden, dieselben Gene aber
auch gleichzeitig noch andere Eigenschaften codieren.
Das ist vergleichbar mit Einstellungsparametern von komplexen
Maschinen: Es ist oft unmöglich, durch Veränderung lediglich eines
einzigen Parameters das Prozessergebnis in bestimmter Weise zu
beeinflussen; meistens verändert man damit (ungewollt) mehrere Aspekte
gleichzeitig.
Evolution
Wenn man der Natur nur genügend Zeit gibt, dann kann man sich leicht
vorstellen, dass das bisher Geschilderte auf lange Sicht biologische
Arten verändern, und sogar neue biologische Arten hervorbringen, bzw.
bestehende Arten allmählich von der Bildfläche verschwinden lassen
kann:
Durch Mutationen bietet die biologische Art ihrer Umgebung sozusagen
eine Variantenvielfalt an, von denen sich langfristig die besser
angepassten Varianten häufiger vermehren werden.
Solange die Mutationsrate einer biologischen
Art ausreicht, um mit sich ändernden Umweltbedingungen "schritthalten"
zu können, solange wird die Art existieren. Rückwirkend wird es dabei
immer so aussehen, als hätten sich ändernde
Umweltbedingungen diese biologische Art über die Zeit allmählich
"geformt".
Wenn die Mutationsrate im Vergleich zu den sich ändernden
Umeltbedingungen dagegen zu niedrig ist (oder die Umweltbedingungen
sich zu schnell ändern, was letztlich dasselbe ist), die biologische
Art also zu wenig
Varianten produziert, die Chancen auf besser angepasste Individuen
demnach zu niedrig sind, dann stirbt die Art
auf lange Sicht aus.
Dass Evolution stattfindet, insbesondere die zugrundeliegenden
Mechanismen Mutation und Selektion, wurde von den meisten
Wissenschaftlern schon zur Zeit Charles Darwins akzeptiert.
Den
wirklichen "Beweis" dafür lieferten jedoch Erkenntnisse aus anderen
Gebieten, die erst mehrere Jahrzehnte später gewonnen wurden: Allen
voran die Entdeckung der DNA und das damit verbundene Wissen um den
Aufbau der Gene, aber auch die Quantenmechanik, in der die Ursache der
spontanen Mutation begründet ist.
Der grosse Nachteil der Evolutionstheorie gegenüber allen
physikalischen Theorien ist, dass man mit ihr keine Vorhersagen machen
kann.
Sie taugt damit nicht als Arbeitsmittel innerhalb der Biologie für
zukünftige Forschung, sondern kann nur retrospektiv erklären.
Wirklich ankreiden kann man ihr das aber nicht, denn biologische
Prozesse innerhalb sich ändernden Umweltbedingungen sind sehr viel
komplizierter als diejenigen Dinge, mit denen sich die Physik
beschäftigt. Die Entwicklung von biologischen Prozessen ist kaum
vorhersagbar, erst recht nicht in Dimensionen von hunderten oder
tausenden Generationen. Den Anspruch, wissenschaftliches
Vorhersageinstrument zu sein, kann die Evolutionstheorie demnach
grundsätzlich nicht haben.
Ungeachtet dessen ist ihre (retrospektive) Erklärungskraft beeindruckend.
Zusammenfassung
- Die Evolution von biologischen
Arten beruht darauf, dass Individuen aufgrund von Mutation genetisch
verändert werden, und diese Veränderung an Nachkommen weitergeben.
- Mutation ist ein Resultat quantenmechanischer Eigenschaften von Materie, und ist durch objektiven Zufall charakterisiert.
- Welche Mutationen vorteilhaft
sind, kann zum Zeitpunkt der Mutation nicht vorhergesagt werden, und
hängt sehr stark von den Umgebungsbedingungen ab, denen die Nachkommen
ausgesetzt sind.
- Sich ändernde Umgebungsbedingungen führen auf lange Sicht zu sich verändernden biologischen Arten.
- Wenn sich die Bedingungen zu schnell ändern, im Vergleich dazu die Mutationsrate also zu niedrig ist, dann stirbt die Art aus.
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