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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 i
nduzierte 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


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