Experimentelle Forschung zur Evolution

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1.

 
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2. Forschung mit der Schwarzbäuchigen Fruchtfliege (Drosophila melanogaster). Durch Mutationen entstehen fast nur Fehler

Bildquelle: 2.1 Mutationen von Genen auf dem X Chromosom der Fruchtfliege, die Thomas Hunt Morgan 1916 in " A Critique of the Theory of Evolution" beschrieben hat. a) "cut" - (wörtlich: abgeschnitten) Der Name für das gen wurde gewählt, um auszudrücken, daß die Flügel wirken, als wären sie spitz zugeschnitten worden. Die Fühler sind nach unten verlagert und deren Fühlerborste (Arista) ist verkrümmt. b) "notch" (Kerbe) Mischerbige weibliche Fliege mit der Mutation "notch", einer Einkerbung am hinteren Flügelrand. Diese Mutation ist in der reinerbigen Form tödlich, daher entwickeln sich bei einer Kreuzung eines mischerbigen Weibchens mit einer männlichen Fliege ohne diese Mutation zur Hälfte Fliegen mit der Einkerbung am hinteren Flügelrand, während die andere Hälfte normal ausgebildete Flügel hat. Es entstehen nur halb so viele männliche Fruchtfliegen wie weibliche, da männliche Fruchtfliegen nur ein X-Chromosom haben und deshalb immer reinerbig für die Variante sind, die sie erhalten haben. Diejenigen männlichen Fliegen, die die mutierte Variante des Gens haben, sterben bevor sie sich zu Fliegen entwickeln können. "forked" (gegabelt) Sowohl die Borsten als auch die feinen Haare am Körper sind verbogen oder geknickt "Ruby eye" - wäre hier dargestellt, wenn das bei einem schwarzweißbild möglich wäre "tan" (lohfarben) Die hellere Farbe des Körpers und der Antennen soll anzeigen, daß das Tan-Gen ebenfalls vorhanden ist. Die hellere Farbe der Füghler ist der sicherste Weg, Tan zu identifizieren. Diese Fliegen sind interessant, da sie die Neigung verloren haben, auf Licht zuzufliegen das besonders stark bei Drosophila melanogaster ausgebildet ist. Da diese Besonderheit wie alle anderen geschlechtsgebundenen eigenarten vererbt wird, folgt daraus daß wenn ein tan-weibchen mit einem wilfarbenenen alle söhne die rezessive Farbe Tan erben und gleichgültigkeit gegenüber dem Licht, während die Töchter die dominanten geschlechtsgebundenen Eigenarten des Vaters zeigen, sie sind grau und fliegen zum Licht. Wenn eine solche Brut gestört wird, fliegen die Weibchen zum Licht und die Männchen bleiben zurück. c) "rudimentary" (rudimentär )- Eine der ersten Mutanten die in der Schwarzbäuchigen Fruchtfliege (Drosophila melanogaster) auftauchte wurde aufgrund des Zustandes der Flügel "rudimentary" genannt. Dieselbe Mutation istr mehrfach unabhängig voneinander entstanden. "sable" (nach der dunkelbraunen Farbe des Fells vom Zobel (Martes zibellina)) angezeigt durch die dunkle Körperfarbe "eosin" (Eosin Y - ein gelblicher Farbstoff) - durch dieie hellere Augenfarbe angezeit. Es ist ein anderes Allel von "white" und hat die besonderheit daß die augen der weiblichen Tiere mit diesem Gen dunkler ist als die der Männchen. Bei anderen Fällen der geschlechtsgebundenen Vermehrung prägt sich das Gen in beiden Geschlechtern gleich aus. d) In the fourth figure (d) the third and fourth longitudinal veins of the wing are fused into [ 108 ] one vein from the base of the wing to the level of the first cross-vein and in addition converge and meet near their outer ends. The shape of the eye is represented in the figure as different from the normal, due to another factor called "bar". This is a dominant character, the hybrid condition being also narrow, but not so narrow as the pure type. Vermilion eye color might also be here represented—due to a factor that has appeared independently on several occasions. e) In the fifth figure (e) the wings are shorter and more pointed than in the wild fly. This character is called miniature. The light color of the drawing may be taken to represent yellow body color, and the light color of the eye white eye color. f) In the last figure (f) the wings are represented as pads, essentially in the same condition that they are in when the fly emerges from the pupa case. Not all the flies of this stock have the wings in this condition; some have fully expanded wings that appear normal in all respects. Nevertheless, about the same percentage of offspring show the pads irrespective of [ 109 ] whether the parents had pads or expanded wings. The flies of this stock show, however, another character, which is a product of the same factor, and which is constant, i.e., repeated in all individuals. The two bristles on the sides of the thorax are constantly absent in this race. The lighter color of the eye in the figure may be taken to indicate buff—a faint yellowish color. The factor for this eye color is another allelomorph of white. There are many other interesting characters that belong to the first group, such as abnormal abdomen, short legs, duplication of the legs, etc. In fact, any part of the body may be affected by a sex-linked factor. 2. S.104-110

Bildquelle: 3. Farbmutationen in der Schwarzbäuchigen Fruchtfliege (Drosophila melanogaster): Die englischen Farbnamen werden verwendet, weil es sich um den offiziellen Namen der jeweiligen Mutation handelt, die Übersetzung steht in Klammern dahinter. Augenfarben - oben links beginnend im Uhrzeigersinn: brown (braun), cinnabar (Zinnober), sepia (Sepia), vermilion (Zinnoberrot), white (weiß), wild (natürliche Augenfarbe der wilden Fliegen). Die Fliege mit der Augenfarbe "white" (weiß), hat einem Körper mit der Farbe yellow (gelb), die Fliege mit den Sepia Augen hat eine Körper der Farbe black (schwarz), die braunäugige Fliege brown hat einen Körper mit der Farbe "ebony" (ebenholzschwarz).

Bildquelle: 2.2 Genkarte, die die Lage der bis 1916 ausreichend untersuchten Gene der Schwarzbäuchigen Fruchtfliege (Drosophila melanogaster) auf den vier Chromosomen anzeigt

Auch die experimentell erschaffene Fruchtfliegenart Drosophila synthetica, die sich nicht mehr mit der ausgangsart kreuzen kann, wirkt doch eher, als wäre sie eine Fruchtfliege mit Behinderung, denn sie hat kleinere Augen und eineinfachere Flügeladerung als das Original.

Bildquelle: 4.1 Die experimentell erschaffene neue Art Drosophila synthetica, rechts oben zum Vergleich die Mutterart Schwarzbäuchigen Fruchtfliege (Drosophila melanogaster)

 
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3. Andere Evolutionforschung an mehrzelligen Tieren

Eine wesentliche Kritik an der Evolutionstheorie ist daher, daß Mutationen in den weitaus meisten Fällen entweder neutral sind oder nur Schaden entsteht und daß das keine Höherentwicklung erklärt^{1. S.110}.

Nun hatte der typische Evolutionsforscher durchaus Bilder vor Augen und Informationen, die ihn vermuten lassen, daß eine Evolution stattfindet. Beispielsweise sind die Darwinfinken einander sehr ähnliche Vögel, die sich in Körperbau und Färbund sehr ähnlich sehen, aber sehr unterschiedliche Schnäbel entwickelt haben, so daß man dermuten könnte, daß es ein finkenpärchen oder eine Gruppe von Finken auf die Galapagosinseln verschlagen hatt - vielleicht weil sie von einem Sturm verdriftet wurden - wo sie dann diverse unbesetzte ökologische Nischen gefunden haben, so daß sie sich in mehrere Arten auseinanderentwickeln konnten.
O5.2 3.2.6.3 Darwinfinken (Geospiza) auf den Galápagosinseln
Ähnlich entwickelten sich auch die Fruchtfliegen und Kleidervögel von Hawaii auseinander, oder die Raubtiere von Madagaskar.
O5.2 3.2.6.2 Fruchtfliegen (Drosophila spp.) in Hawaii
O5.2 3.2.6.4 Kleidervögel (Drepanididae) auf Hawaii
O5.2 3.2.6.5: Die Raubtiere Madagaskars
O5.1 4.2 Evolution auf Inseln

Bildquelle: 8. Darwinfinken. Bei den meisten Arten sind die Männchen schwarz wie das unten rechts in der Ecke und die Weibchen braun gezeichnet wie die anderen drei Tiere. Es gibt aber auch Arten, wo die Männchen ebenfalls braun gefleckt oder braun gefleckt mit schwarzem Kopf sind. Kleiner Grundfink (Geospiza fuliginosa) Kaktusgrundfink (Geospiza scandens) Spechtfink (Camarhynchus pallidus) Mittlerer insektenfressender Baumfink (Camarhynchus pauper)

Auch wenn man sich die Reihenfolge der Entwicklung der verschiedenen Arten von Lebewesen anschaut, paßt das zu der Vorstellung, es würde Evolution stattfinden.
T - Zeitleiste

Neben Stammbäumen von ganzen Tieren werden auch Stammbäume von Eiweißen und deren Genen aufgestellt. Ein Beispiele, wo ich einen solchen Stammbaum diskutiert habe, sind die Opsine, die bei Tieren als Sehfarbstoffe dienen.
VB230.1.1.1 Die Opsine
Diese Stammbäume bestätigen die Stammbäme von ganzen Tieren weitgehend, führen aber auch dazu, daß diese Stammbäume geändert werden, weil sich häufig herausstellt daß die jeweils ursprünglichen Vertreter einer gruppe von Lebewesen nicht enger miteinander verandt sind, als sie mit der Gruppe an Lebewesen sind, in denen eine Revolutionäre Neuerfindung aufgetreten ist.Natürlich finden sich auch diverse Fehler in der Einschätzung der Verwandschaftsverhältnisse, die aber nicht so sind, daß sie die evolitionstherorie völlig in Frage stellen. Beispielsweise stellt sich immer wieder heraus, daß Wesen, die für ursprüngliche Vertreter ihrer Gruppe gehalten wurden tatsächlich nachträglich einmal erworbene Organe und Fähigkeiten wieder verloren haben.

Insgesamt glaubten zumindest viele Forscher, man hätte nicht genug Zeit zum Beobachten gehabt und würde sie auch in absehbarer Zeit nicht haben, daher müsse man einfach ein Lebewesen erforschen, das sich schneller vermehrt und mehr Kopierfehler bei der DNA-Synthese macht, dann würde man bessere Erfolge bei der experimentellen Evolutionsforschung zu haben.

 
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4. Experimentelle Evolutionsforschung an Escherichia coli

4.1 Warum Bakterien für die experimentelle Evolutionsforschung interessant wurden

Bildquelle: 5. Lichtmikroskopisches Bild mit grampositiven Kokken der Art Staphylococcus aureus (violett) und gramnegativen Bazillen der Art Escherichia coli (rosa). Die Gram-Färbung wurde zwar erst 1884 entwickelt16., sonst zeigt das Bild aber, wie viel man zu Darwins Zeiten ungefähr von Bakterien erkennen konnte. Das Bild ist so verschwommen, weil das Mikroskop hier nahe seiner Auflösungsgrenze arbeitt.

In Zeiten, als man von Bakterien als nicht viel mehr als verschwommene Striche und Punkte sehen konnte, konnte man sich auch vorstellen, daß diese scheinbar einfachen Lebewesen mal eben so aus Zufall entstanden sein könnten. Inzwischen weiß man wesentlich mehr über den Aufbau der Bakterien und daß sie tatsächlich durchaus schon sehr komplexe Lebewesen sind.
VB198. Bakterien und andere Prokaryoten sind bereits hochkomplexe Wesen
Als möglicher Beginn der Evolution sind sie daher in den 1980ger Jahren keine geeigneten Kanditaten mehr. Dafür konnte man dann aber endlich genügend Eigenarten der Bakterien erkennen, um einen Stammbaum zu erstellen, der grob angibt, wie die verschiedenen Bakteriengruppen miteinander und den Eukaryoten verwandt sind, zu denen wir Menschen zählen.
VB222. Die Herkunft der Eukaryoten

Für die experimentelle Forschung zur Evolution wurden die Bakterien genau aus demselben Grund interessant, aus dem sie als potentiell "einfachstes Lebewesen" uninteressant wurden. Man konnte endlich genug unterschiedliche Eigenarten erkennen, um Evolution zu beobachten. Außerdem war ja bei den größeren Lebewesen herausgekommen, daß man sie nicht genug Generationen lang hatte beobachten können, um Evolution durch experimentelle Forschung überprüfen zu können und da kam ein einfacheres Lebewesen, bei dem eine Generation nicht mindestens mehrere Tage sondern unter einer Stunde dauert, gerade recht. Auch daß bakterielle DNA-Polymerasen - Moleküle die DNA vervielfälitgen - mehr Fehler machen als die von Eukaryoten war da gut, weil Evolution dadurch schneller geht.

 
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4.2 Evolutionsforschung

 
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5. Die Evolution einzelner Moleküle

5.1 Evolution in einer künstlichen RNA-Welt

Der erste Schritt in dieser Richtung wurde groß als selbst replizierenden RNA veröffnentlicht. Während diese Aussage nicht völlig falsch ist, ist das was unter dieser Bezeichnung veröffentlicht nicht recht befriedigend. Es handelte sich nämlich lediglich um eine Ligase, also ein Molekül, das zwei Moleküle zusammenklebt und aus zwei vorhandenen längeren RNA-Bruchstücken, diese Ligase selbst zusammenbaute^14..

Bildquelle: 10. Die erste sich selbst replizierenden RNA. Das Enzym (E) katalisiert die Ligation (zusammenkleben) der beiden RNA-Bruchteile A und B die zusammen eine weitere Kopie von E ergeben. Der Komplex aus zwei Exemparen von E trennt sich dann voneinander und beide Enzyme (E) verbinden sich mit neuen A und B Bruchtücken, um sie zu ligieren.

Der nächste Schritt zu der vorgestellten RNA-Welt bestand darin, daß man ein Ribozym schuf, das aus einzelnen Nukleotiden eine Kopie eines vorhandenen RNA-Stranges erstellen konnte^11.. Also ein Ribozym, das eine RNA-abhängige RNA-Polymerase ist. Dann wurde daran gearbeitet, dieses Ribozym nach und nach leistungsfähiger und zuverlässiger zu machen^12.. 2020 war man schließlich so weit, ein solches Ribozym geschaffen zu haben, das sich auch selbst replizieren konnte^13..

Natürlich besteht auch ein Nukleotid noch aus diversen Atomen, bei denen man sich fragt, wie und warum die ursprünglich zusammengebaut wurden. Es gibt da also noch einiges zu forschen.

 
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Quellen

1. Arthur Ernest Wilder Smith: B86.1 Die Naturwissenschaften kennen keine Evolution. Experimentelle und theoretisch Einwände gegen die Evolutionstheorie. (1980) Basel: Schwabe. ISBN 3-7965-0759-X
   
2. Thomas Hunt Morgan: B86.9 A Critique of the Theory of Evolution. Lectures delivered at Princeton University February 24, March 1, 8, 15, 1916. (1916) London: Princeton University Press ( Volltext 2016, Volltext von 2019)
   
   • 2.1 Bild V0273.PNG: File:Critique of the Theory of Evolution Fig 053.jpg Aus: Thomas Hunt Morgan: B86.9 A Critique of the Theory of Evolution. Lectures delivered at Princeton University February 24, March 1, 8, 15, 1916. (1916) London: Princeton University Press ( Volltext 2016, Volltext von 2019)
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   • 2.2 Bild V027301.PNG: Critique of the Theory of Evolution Fig 067.jpg Aus: Thomas Hunt Morgan: B86.9 A Critique of the Theory of Evolution. Lectures delivered at Princeton University February 24, March 1, 8, 15, 1916. (1916) London: Princeton University Press ( Volltext 2016, Volltext von 2019)
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3. Bild V0273.JPG: File:EyeColors.jpg von User:Ktbn von Wikimedia Commons
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4. Eduardo Moreno: Design and Construction of “Synthetic Species”. In: PLoS One, 2012; 7(7): e39054. ( Volltext)
   
   • 4.1 Bild V027302.PNG ist ein Aussschnitt aus Figure 3. Creation of species boundaries by regulatory evolution. Aus: Eduardo Moreno: Design and Construction of “Synthetic Species”. In: PLoS One, 2012; 7(7): e39054. ( Volltext)
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5. Michael P. Robertson, Gerald F. Joyce: Highly Efficient Self-Replicating RNA Enzymes. In: Chemistry & biology, 2014 Feb 20; 21(2): 238–245. ( Volltext)
   
6. Zachary D. Blount, Christina Z. Borland, Richard E. Lenski: Historical contingency and the evolution of a key innovation in an experimental population of Escherichia coli. In: PNAS, June 10, 2008 105 (23) 7899-7906; first published June 4, 2008 ( Volltext)
   
7. P. J. Hastings, Megan N. Hersh, P. C. Thornton, Natalie C. Fonville, Andrew Slack, Ryan L. Frisch, Mellanie P. Ray, Reuben S. Harris, Suzanne M. Leal, Susan M. Rosenberg: Competition of Escherichia coli DNA Polymerases I, II and III with DNA Pol IV in Stressed Cells. In: PLoS One, Published: May 27, 2010 ( Volltext)
   
8. ↑Bild V027301.JPG setzt sich aus verkleinerten Ausschnitten folgender vier Bilder zusammen:
   1. File:Geospiza fuliginosa.jpg von User:Benjamint444 von Wikimedia Commons
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   2. File:Cactus Finch (46897204865).jpg oder hier von Mike's Birds von flickr.
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   3. File:Camarhynchus pallidus - Hessisches Landesmuseum Darmstadt - Darmstadt, Germany - DSC00111.jpg von User:Daderot von Wikimedia Commons
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   4. File:MTF male.jpg von Jody O'Connor
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9. Christian de Duve: B87. Aus Staub geboren - Leben als kosmische Zwangsläufigkeit (1997) Reinbek bei Hamburg: Rowohlt. ISBN 3-499-60160-5
   

    

10. ↑Bild VB221.PNG: Figure 1 (a) aus: Charles Olea, Gerald F. Joyce: Real-Time Detection of a Self-Replicating RNA Enzyme. In: Molecules 2016, 21(10), 1310; DOI: 10.3390/molecules21101310 , PMID: 27706059 ( Volltext)
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11. Wendy K. Johnston, Peter J. Unrau, Michael S. Lawrence, Margaret E. Glasner, David P. Bartel: RNA-Catalyzed RNA Polymerization: Accurate and General RNA-Templated Primer Extension. In: Science, 18 May 2001: Vol. 292, Issue 5520, pp. 1319-1325, DOI: 10.1126/science.1060786, PMID: 11358999
    
12. Aniela Wochner, James Attwater, Alan Coulson, Philipp Holliger: Ribozyme-catalyzed Transcription of an Active Ribozyme. In: Science, 2011 Apr 8;332(6026):209-12. DOI: 10.1126/science.1200752 , PMID: 21474753
    
13. Katrina F. Tjhung, Maxim N. Shokhirev, David P. Horning, Gerald F. Joyce: An RNA Polymerase Ribozyme That Synthesizes Its Own Ancestor. In: PNAS, 2020 Feb 11;117(6):2906-2913. PMID: 31988127, doi: 10.1073/pnas.1914282117
    
14. Natasha Paul, Gerald F. Joyce: A self-replicating ligase ribozyme. In: PNAS, 2002 Oct 1; 99(20): 12733–12740. doi: 10.1073/pnas.202471099, PMID: 12239349 ( Volltext)
    
15. Charles Darwin (aus dem Englischen übersetzt und mit Anmerkungen versehen von Dr. H. G. Bronn): B86.10 Die Entstehung der Arten im Thier- und Pflanzen-Reich durch natürliche Züchtung, oder Erhaltung der vervollkommneten Rassen im Kampfe um’s Daseyn. (1860) Stuttgart: E. Schweizerbart’sche Verlagshandlung und Druckerei. ( Volltext)
    
16. Hans Christian Gram: Über die isolirte Färbung der Schizomyceten in Schnitt- und Trockenpräparaten. In: Fortschritte der Medicin, Vol. 2, 1884, S. 185–189.