Die Bio-Evolutionstheorie


Von Karl Sumereder

Am 12. Feber war der 200. Jahrestag des Geburtstages des britischen Naturforschers Charles Robert Darwin (1809–1882). Am 24. November jährt sich die Veröffentlichung seines epochalen Werkes: „Über die Entstehung der Arten“ zum 150. Mal. Eine Publikation, mit der das Weltbild der damaligen Zeit gekippt wurde.

Darwin bediente sich zur Erklärung der Lebensvielfalt nicht mehr biblischer Mythen, sondern argumentierte rational. Er war der Auffassung, dass alle Lebewesen einen gemeinsamen Ursprung, dass alle Arten eine gemeinsame Abstammung haben und sich allmählich in einem ebenso blinden, wie mechanischen Prozess verändern.

Wie sah aber der Ursprung aus? Darüber äußerte sich Darwin kaum. Er kannte auch weder die Mendelschen Erbgesetze, noch das Prinzip der Symbiogenese, das Verschmelzen von zwei einfach strukturierten, bakterienartigen Organismen zu einer Zelle mit einem Zellkern.

Seine Hypothesen bilden aber das Fundament, auf dem sich die Biologie als wissenschaftliche Disziplin aufbaut.

Obwohl die seither entwickelten Theorien über die Urzeugung bruchstückhaft und variantenreich sind, existiert doch eine plausible Vorstellung, wie die Stationen von biologischen Kettenmolekülen zu Eobionten – Zellen – Zellverbänden – Pflanzen – Tieren – ausgesehen haben könnten.

Noch tiefer gilt es aber, die Emergenz von Urorganismen zu verstehen, wie es diesen gelang, einen Gleichgewichtszustand auf einer hohen Ordnungsstufe in einer chaotischen Umwelt zu erreichen, diesen aufrecht zu erhalten und Lebens- und Organisationspläne weiter zu vererben.

Bezüglich solcher Grundfragen wurde seit Darwin eine Serie von Begriffen und Erklärungen entwickelt. Beispielsweise vom deutschen Zoologen Ernst Haeckel (1834–1919), der 1874 einen anschaulich aus einer Wurzel heraus entspringenden und verzweigten „Lebensbaum“ darlegte. Der österreichische Augustinermönch Gregor Mendel (1822–1884) hat im Jahr 1865 ein danach zeitweilig vergessenes Konzept vorgelegt, wonach Körpermerkmale von pflanzlichen Elternorganismen durch „Einheitsfaktoren der Vererbung“ nach gewissen Regeln (Mendelsche Erbgesetze) an die Nachkommen weitergegeben werden.

Vom dänischen Botaniker Wilhelm Johannsen (1857–1927) wurde 1909 das „Gen“ als „imaginärer Baustein der Vererbung“ postuliert. Der deutsche Physiker und Nobelpreisträger Erwin Schrödinger (1887–1961) war sich dann sicher, dass ein Gen ein biologisches Molekül ist.

Seither werden die zwischenweilig schon gut erforschten und entschlüsselten Gene als Erbinformationen enthaltende Abschnitte auf dem Makromolekül Desoxyribonukleinsäure (DNA) verstanden, das aus einer Sequenz von vier chemischen Basenelementen, nämlich Adenin (A) und Thymin (T), sowie Guanin (G) und Cytosin (C) gebildet ist. Die Basensequenzen, welche die chemischen und physikalischen Eigenschaften der DNA bestimmen, machen zugleich die genetische Ausstattung aus.

Die Genesis der Gene

Die Hypothesen über die Entstehung von Lebensvorstufen und ersten echten Lebewesen sind an und für sich noch immer vage. Es mag demgemäß diverse Anläufe zur Entstehung von biomolekularen Strukturen gegeben haben.

Gestützt auf analysierte Funde in Gesteinen, müssen sich vor etwa 3,5 oder 4 Milliarden Jahren gewisse organische Molekültypen gemäß ihrer chemischen Eigenschaften als geeignet erwiesen haben, sich unter den gegebenen Umweltbedingungen zu so genannten Proto­bionten zu vereinigen. Die, wie auch immer, jedenfalls nicht auf der Basis von Versuch und Irrtum (wofür die Zeit nicht ausgereicht hätte) herausgebildeten, hochkomplexen und kompliziert aufgebauten Nukleinsäure- und Eiweißmoleküle, haben sich zur gegenseitigen Ergänzung als geeignet erwiesen. Der nächste Schritt musste darin bestanden haben, dass dieser sich selbst erhaltende Kreislauf, einerseits von der Umwelt durch eine Einhüllung, eine Membran, isoliert und andererseits zum Stoffwechsel mit der Außenwelt in Kontakt bleibend, gewahrt wurde.

So in etwa, hier in aller Kürze, wird von Chemikern und Molekularbiologen der Weg zu stofflich verankerten „Erkennungs- und Erinnerungsmolekülen“, zu biologischen Zellen, diesen kleinsten Einheiten aller lebenden Strukturen, beschrieben.

Mit einzelligen Strukturen, die sich endlos kopierten, schritt das Evolutionsgeschehen weiter. Irgendwann, irgendwie und irgendwo wurde jener Akt vollzogen, der das Phänomen Leben nachdrücklich verändern sollte. Zellen vereinigten sich und tauschten ihre genetischen Informationen aus. Dann brauchte es wieder relativ lange Zeit bis zur Symbiose zu zellulär arbeitsteiligen Organismen, zu Kolonien und Kollektiven. Zurückgerechnet viel Zeit zur Herausbildung von wenigen Genen der frühesten biologischen Systeme zu Gen-Hierarchien, zu Genomen. Schon ein einfaches Bakterium hat mindestens 10.000 verschiedene Gene, eine Amöbe rund 100.000, bei den höheren Lebewesen geht die Zahl in die Millionen.

Es wird heute angenommen, dass das Lebendige, das auf Zellen mit und ohne einen Zellkern beruht, auf einer Symbiogenese, dem Verschmelzen zweier einfach strukturierter Organismen, fußt. Auf dieser Basis erwarben die zellkernhaltigen Organismen auch manche ihrer Organellen, zum Beispiel Pflanzenzellen ihre Chloroplaste.

Eine molekulare Selbstorganisation

1971 erschien eine grundlegende Publikation, die Hyperzyklustheorie des deutschen Biochemikers und Nobelpreisträgers für Chemie Manfred Eigen. Auf Grund thermodynamisch exakter Berechnungen wird angenommen, dass in der Milliarden Jahre zurückliegenden vorzellulären Phase, unabhängig voneinander, kurze Ketten von Kernsäuren und Proteinen existierten. Kleine, sich selbst regulierende Zyklen, die sich zu Hyperzyklen zusammen schlossen. Durch solche sich selbst organisierende Molekülsysteme mussten primitive Lebensformen zwangsläufig entstehen. Es ging demgemäß um die Selbstaufschaukelung von chemischen Stoffgruppen, von Nukleinsäuren als Trägern der genetischen Erbinformation und von Eiweißen, welche die Lebensfunktionen aufrechterhalten. Eine molekulare Selbstorganisation, im Rahmen welcher Moleküle auf ein höheres Organisationsniveau gebracht wurden und einen folgenden Zyklus durch Selbstreproduktion weiter verstärkten.

Die von Norbert Wiener (1894–1964) begründete Kybernetik, die Wissenschaft von der Steuerung und selbständigen Regelung ineinander greifender vernetzter Abläufe, und die von Claude Elwood Shannon (1916–2001) entwickelte Informations-Kommunikationstheorie werden ebenfalls zur Beschreibung und Erläuterung von Kommunikationssystemen im Falle von DNA- und Proteinsequenzen herangezogen.

Die natürliche Selektion oder das Lernen der Gene

In der Semantik der Gene bedeutet „Lernen“, dass eine Veränderung der Sequenzen der Nukleinsäuremoleküle durch innere oder äußere Einflüsse erfolgt. Veränderte Nukleotid-Sequenzen, also andere Erbinformationen, haben geänderte Aminosäuresequenzen, andere Enzyme zur Folge, die wiederum anderweitige Stoffumsetzungen bewirken. Gelernt wird nicht systematisch, sondern sprunghaft und zufällig. Als Ursache genetischer Lernvorgänge werden Mutationen angesehen, wobei manchmal nur eine einzige chemische Doppelbindung in einem Gen umklappt, was aber genügt, das betroffene Molekül erheblich abzuändern. Die Produktion abgeänderter Enzyme bei der Zellteilung ist dann die Folge. Die Zelle hat sich mutiert, alle ihre Nachkommen oder bestimmte Funktionen haben sich verändert.

Gelernt wird in erster Linie durch äußere Einflüsse, wie Ionen (positiv oder negativ geladene Atome – Zellen besitzen besondere Ionenkanäle), energiereiche Strahlung (Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, Höhenstrahlen), Chemikalien, Gifte, welche Bausteine der Nukleinsäure zerschlagen, dabei Sequenzänderungen bewirken, oder durch Kopierfehler bei der Zellteilung.

Die Hierarchie der Gene besitzt eine Disposition für das Auffinden und Lernen von Regelmäßigkeiten und strukturellen Gesetzmäßigkeiten, was aber nicht tiefer hinterfragbar ist.

Gene werden in einer Zelle ständig an- und ausgeschaltet oder gehemmt. Dabei bestimmt beispielsweise nur rund 1 Prozent der fast 3 Milliarden Basenpaare des menschlichen Genoms die Proteinbildung. Die Funktion des weitaus größeren Anteils der Basensequenzen auch bei anderen Lebewesen ist stillgelegt, zwar in Zellkernen gespeichert, aber noch weitgehend unbekannt und wird (noch) als „genetischer Müll“ bezeichnet.

Die Kommandos verlaufen chemisch-quantenmechanisch über Impulse, Hormone und andere Botenstoffe, die ihre Existenz wieder der Aktivität anderer Gene verdanken.

Es handelt sich um eine komplexe Interaktion und ein Regulieren von ungeheurem, in Nanosekunden sich vollziehendem Ausmaß. Mutierte Abschnitte können aber auch aus der DNA wieder entfernt und durch die Originalsequenz ersetzt werden. Wenn sich die Zelle allerdings teilt, bevor die Reparatur erfolgt ist, kann ein erster Schritt zu einer Tumorentstehung getan sein, sofern Kontrollgene, Repressoren mit Blockierungsfunktionen, intermediäre Gene, Gene mit gemischten Funktionen, nicht erfolgreich sind.

Beim Lernen der Gene handelt es sich um eine Kausalkette, gemäß welcher ein Organismus befähigt sein kann, wenn auch nicht generell, Einflüssen oder Änderungen der Umwelt, gerecht zu werden.

Beim Lernen, wie auch bei einer körperlichen Veränderung eines Organismus, gibt es auch eine Selektion, was überhaupt gelernt werden kann. Das im gegebenen Augenblick Gelernte wird durch früher Gelerntes begrenzt oder erleichtert. Das Lernen hat so eine Grenze, die durch die genetische Konstitution gesetzt wird.

Das genetische Erbgut ist also kein statisches Gebilde, sondern ist dynamisch. Ansonsten hätte es die unzähligen Pilzarten, Pflanzen- und Tierarten, den Vormenschen, den Neandertaler, den Cro-Magnon-Menschen, uns heutige Menschen nicht gegeben. Unser Genom beinhaltet so eine uralte, molekular materialisierte Lerngeschichte. Der gegenwärtige Zustand alles Lebendigen mutet wie ein gefrorenes Standbild eines dynamischen, schöpferischen Prozesses an.

Kritische Stimmen

Der deutsche Zoologe Joachim Illies (1925–1982) hat darauf hingewiesen, dass Mutation, natürliche Selektion und Isolation zweifelsohne Faktoren sind, die bei der biologischen Evolution wirksam sind. Diese allerdings allein gelten zu lassen, sei aber unzulänglich und führe auch zu Zirkelschlüssen. Die darwinschen Faktoren reichen nicht aus, die tieferen Ursachen der Evolution oder den tieferen Hintergrund der Funktionen der Gene zu erklären. Die darwinsche Überinterpretation werde besonders bei der Höherentwicklung, bei größerer Komplexität und Organisationshöhe des Lebendigen fragwürdig. Weder Mutationen, bei denen immer ein gewisser Prozentsatz des biologischen Erbes aufs Spiel gesetzt wird, sind hiefür ausreichend, noch war der Wandel der Umwelt in der Erdgeschichte so erheblich, um die Entstehung höherer biologischer Systeme, beziehungsweise eine derartige Formen- und Funktionsfülle zu erklären.

Der deutsche Biochemiker Gerhard Schramm (1900–1969) wies in ähnlicher Weise darauf hin, dass die chemisch-energetische Beschreibung der Tätigkeit der Gene hinsichtlich der inhärenten abstrakten, ideellen Informationen, wie ein neuer Organismus aufzubauen sei, unvollständig ist. Es spielen auch andere, mit dem traditionellen Begriffssystem aus der Chemie und Physik nicht beschreibbare Faktoren herein.

Ein Ausblick

Vor allem die Genomensequenz muss hinsichtlich tieferer Hintergründe noch besser verstanden werden. So wie mit den Buchstaben des Alphabets unendlich viele Texte geschrieben werden können, Unsinn genauso wie Weltliteratur, so beinhalten Gene unendlich viele Informationen. Es hat die Komplexität biologischer Vorgänge, wie auch das genetische Lernen ein Ausmaß, das mit naturwissenschaftlicher Terminologie nicht ausreichend verständlich ist. Was ein experimentelles Nachvollziehen zur Erzeugung zellulären Lebens als nicht möglich erwiesen hat.

Der österreichische Naturwissenschafter Rupert Riedl hat 1981 herausgestrichen, dass allein die Bindungskräfte zwischen Protonen und Neutronen, Kräfte der Gravitation, der elektrostatischen Anziehung und Abstoßung, Zündungstemperaturen atomarer Kernreaktionen und andere Eigenschaften die zusammenwirkenden Ursachen allen kosmischen und biologischen Geschehens sind. Evolutionäre Prozesse folgen nicht vorgegebenen Gesetzen, sondern die Gesetze entwickeln sich mit ihnen. Es gäbe keinen durchgehenden Kausalnexus und auch keine vollständige Finalität.

Der Vollständigkeit halber war in diesem Essay auch kurz auf Meinungen hinzuweisen, wonach es sich beim Evolutionsgeschehen nicht nur um mechanische, naturwissenschaftlich plausible Vorgänge und Prozesse handle. Dass hier auch Metaphysik hereinspiele. Dass der tiefere Hintergrund anorganischer und organischer Entwicklungen auf Informationen, auf Bau- und Funktionsplänen, auf immateriellen „Vor-Bildern“, einem weiter nicht erfassbaren Agens beruhe.

Die Charakterisierung der biologischen Evolution, wie sie durch Charles R. Darwin und seine Epigonen charakterisiert wird, nämlich fortlaufend sich wiederholende mechanische Vorgänge: Natürliche Selektion – Vermehrung – Mutation, seien nicht der Weisheit letzter Schluss. Die darwinsche Theorie sei sicherlich eine sehr bedeutsame und unser Weltbild verändert habende Entdeckung menschlichen Geistes, sei eine interessante Metapher, aber keine wissenschaftliche Lebens- und Welterklärung insgesamt.

Der Philosoph Karl R. Popper meinte, dass der Darwinismus keine prüfbare wissenschaftliche Theorie, sondern ein metaphysisches Forschungsprogramm, ein Rahmen für empirisch prüfbare Hypothesen sei. Diese Theorie vermittle keine erschöpfende Erklärung, wie etwas im Verlauf der Evolution in das Dasein tritt. Der Darwinismus sei als erklärende Theorie demgemäß schwach. Es werde auch wenig zum metaphysischen oder ontologischen Status der Gene, beziehungsweise der DNA beigetragen.

Man komme also nicht umhin, hinsichtlich des souveränen Umganges eines Ensembles von Genen und Enzymen mit Informationen, mit Ideellem, nicht nur chemisch-physikalische Faktoren, sondern komplementär dazu auch geisteswissenschaftliche Aspekte heranzuziehen.

Was letztlich dennoch bleibt ist die Einsicht, dass wir leider keine Sicherheit im Wisssen, sondern nur ein Vermutungswissen besitzen.

 
Dr. Karl Sumereder war Top-Manager mit internationaler Erfahrung und lebt in Tirol.

Bearbeitungsstand: Freitag, 26. November 2010

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