Mutation
Mutationen sind spontan auftretende Veränderungen des Erbguts. Sie bilden das „Rohmaterial“ für evolutive Veränderungen. Sie stellen zweifellos eine Quelle für Vielfalt innerhalb von Arten bzw. Grundtypen dar. Doch liefern sie keine Belege für die Entstehung neuer Strukturen.
1.0 Inhalt
In diesem Artikel wird erklärt, welche Arten von Mutationen bekannt sind, einige Beispiele vorgestellt und die Aussagekraft bezüglich der Entstehung neuer Strukturen diskutiert.
1.1 Hinführung – Begriffe im Überblick
Wichtige Grundbegriffe der kausalen Evolutionsforschung sind Genpool, Rekombination, Mutation, Selektion und Gendrift (Abb. 54). Der Genpool – eine virtuelle Größe – umfasst alle genetischen Varianten (Allele) [= Zustandsformen eines Gens] innerhalb einer Art. Durch Kreuzungen können diese Varianten in den Nachkommen neu gemischt werden (Rekombination). Unter Mutation versteht man eine sprunghafte, spontan auftretende oder künstlich ausgelöste Veränderung des Erbguts (Genotyp), die auch zu Veränderungen im Erscheinungsbild (Phänotyp) führen kann. Selektion ist Auslese der am besten an die Umwelt angepassten Individuen und steht für unterschiedlichen Fortpflanzungserfolg verschiedener Individuen. Unter Gendrift wird die zufällige, nicht auf Auslese zurückzuführende Veränderung des Genpools verstanden.
Abb. 54: Die wichtigsten Variationsfaktoren. Selektion bedeutet bildhaft gesprochen „Abfluss“ aus dem Genpool; ein Teil der vorhandenen Vielfalt wird „ausgesiebt“. Quelle: R. Junker & S. Scherer: Evolution – ein kritisches Lehrbuch. Gießen 2001
1.3 Mutationsforschung
Mutationen sind die einzige bekannte Quelle für evolutionäre Neuerungen. Alle anderen Evolutionsfaktoren sind letztlich nur wirksam unter der Voraussetzung mutativer Veränderungsmöglichkeiten. Daher hat die Mutationsforschung eine Schlüsselrolle in der kausalen Evolutionsforschung [= Ursachenforschung] inne. Mutationen treten spontan (ohne erkennbare Ursache) im Freiland auf (Beispiel: Abb. 55), können aber auch künstlich unter Laborbedingungen z. B. durch Behandlung mit Chemikalien oder Bestrahlung sowie Wärme- oder Kältebehandlung ausgelöst werden. Allerdings ist nicht vorhersehbar, in welchen Genen [= Erbfaktoren, Abschnitte auf der DNS] Mutationen eintreten und in welcher „Richtung“ sie sich verändern.
Abb. 55: Beispiel einer Mutation. Unten: normales Erbsenblatt, oben: Mutante. Die Fiederblättchen sind in Ranken verwandelt. Quelle: R. Junker & S. Scherer: Evolution – ein kritisches Lehrbuch. Gießen 2001
Man unterscheidet Punktmutationen, bei denen nur ein einziger Einzelbaustein der Erbsubstanz (DNS) verändert wird, und Chromosomenmutationen (Abb. 56), bei denen ganze DNS-Abschnitte verloren gehen, umgedreht werden, an eine andere Stelle eingebaut oder verdoppelt werden. Durch Mutationen können auch ganze Chromosomen oder sogar komplette Chromosomensätze verdoppelt werden.
Abb. 56: Fünf wichtige Chromosomenmutationen. Quelle: R. Junker & S. Scherer: Evolution – ein kritisches Lehrbuch. Gießen 2001
Jahrzehntelange Experimente mit der Frucht- oder Essigfliege Drosophila haben zwar Hunderte von unterschiedlich veränderten Tieren hervorgebracht, aber niemals wurde – auch nicht nach langer Zeit – eine komplexe neue Struktur auch nur andeutungsweise erzeugt. Die künstlich ausgelösten Mutationen führten z. B. zu veränderten Augen- oder Körperfarben, veränderten Borsten, anders geformten Augen oder unterschiedlich missgebildeten Flügeln (Abb. 57). Manchmal sind ganze Körperteile an eine falsche Stelle geraten, z. B. Beine anstelle der Antennen oder Flügel anstelle der Schwingkölbchen (Abb. 57, unten rechts). Da keine neuen Bauteile entstanden sind, sondern nur vorhandene variiert oder auch neu kombiniert wurden, bewegt sich das Mutationsgeschehen bei Drosophila im mikroevolutiven Bereich. Die Drosophila-Fliegen sind durch diese Mutationen auch nicht zu neuen biologischen Arten geworden, sondern kreuzen sich nach wie vor. Mutationen führen also meistens zu Defekten. Dies trifft auch auf Mutationen bei Pflanzen zu. So stellen Meinke et al. (1998) über die Mutationsforschung bei der intensiv untersuchten Acker-Schmalwand (Arabidopsis) fest: „Several thousand mutants of Arabidopsis defective in almost every aspect of plant growth and development have been identified over the past 20 years.“ Mutationen können aber auch ohne Folgen für den Phänotyp (das äußere Erscheinungsbild) bleiben (neutrale Mutationen).
Abb. 57: Die 2-3 mm große Fruchtfliege Drosophila. Oben links: Normalform; oben rechts und unten links: zwei durch Mutation veränderte, flugunfähige Formen; unten rechts: eine vierflügelige Form, ebenfalls eine flugunfähige Missbildung. Quelle: R. Junker & S. Scherer: Evolution – ein kritisches Lehrbuch. Gießen 2001
1.4 Vorteilhafte Veränderungen?
Nun wird argumentiert, dass die schädlichen Mutationen letztlich keine Rolle im Evolutionsprozess spielen, da sie durch Selektion [= Auslese] wieder ausgemerzt werden. Entscheidend sei jedoch, dass Mutationen sich gelegentlich vorteilhaft auswirken können. Diese würden sich im Laufe der Zeit in den Populationen durchsetzen, und immer wieder könnten weitere positive Mutationen diesen Prozess fortsetzen.
Diese Argumentation ist grundsätzlich richtig. Doch das Auftreten vorteilhafter Mutationen ist nicht gleichbedeutend mit der Entstehung neuer genetischer Information, sondern beruht in der Regel letztlich auch auf Defekten, die sich nur unter besonderen Umweltbedingungen als günstig herausstellen.
Ein Beispiel soll dies verdeutlichen: Auf manchen Inseln, die starken Winden aus-
gesetzt sind, leben Insekten, deren Flügel rückgebildet sind oder die ihre Flügel ganz verloren haben (Abb. 58). Für die dortigen Insekten ist diese Veränderung vorteilhaft, denn bei einem Orkan können sie, wenn sie zum Flug ansetzen, weit aufs offene Meer getrieben werden. Wenn der Wind nicht dreht, werden sie aus eigener Kraft dann in der Regel nicht mehr zurückfliegen können und kommen um. Besser also, das Insekt kommt erst gar nicht in Versuchung, „abzuschweben“. Dazu kommt, dass auf Inseln gewöhnlich viel weniger Feinde leben als auf dem Festland, so dass der Verlust an Beweglichkeit verkraftbar ist; schließlich haben diese Insekten ja überlebt. Also ist alles in allem der Flügelverlust vorteilhaft. Doch zum Verständnis der Evolution ist damit nichts gewonnen. Denn dieser Vorteil beruht auf einem Verlust, ist also ein Abbau eines Körperteils, keine Höherentwicklung. Zudem ist der Flugverlust nur an den speziellen Standorten für das Überleben günstig; normalerweise ist er nachteilig; entsprechende Mutanten werden andernorts durch Selektion ausgemerzt.
Abb. 58: Zwei Beispiele flugunfähiger Insekten, die auf windumtosten Inseln vorkommen: Tangfliege (links), Dungfliege (rechts). Quelle: R. Junker & S. Scherer: Evolution – ein kritisches Lehrbuch. Gießen 2001
Aus der Biochemie sind folgende Verhältnisse bekannt: Wenn durch eine Mutation ein Enzym einen neuen Stoff abbauen oder umbauen kann (neue Substrataffinität), geht das gewöhnlich auf Kosten der (vorherigen) Spezifität der Substrataffinität, d. h. die genaue Zuordnung zwischen Enzym und Substrat ging verloren. Neu erworbene Gift- oder Antibiotikaresistenzen können auf Stoffwechseldefekte zurückgehen, die verhindern, dass das Gift in lebenswichtige Stoffwechselprozesse eingeschleust wird.
Wir können festhalten: Mutationen, die sich nur unter bestimmten Bedingungen als „positiv“ erweisen, erklären Evolution neuer Strukturen nicht, da sie Verluste beinhalten. Es geht also nicht um die Frage, ob es vorteilhafte Mutationen gibt, sondern ob dadurch echt neues Erbmaterial und neue Strukturen entstehen.
1.5 Die „wiederkehrende Veränderlichkeit“
An verschiedensten Organismen wurde seit Jahrzehnten wiederholt beobachtet, dass nach einiger Zeit immer wieder die gleichen Mutanten auftreten. Es entstehen häufig solche Mutanten, die zuvor bereits existierten. Pflanzenzüchter stellten fest, dass im Allgemeinen infolge künstlicher Mutationsauslösung hauptsächlich Merkmale und Eigenschaften auftreten, die auch nach spontan auftretenden Mutationen wildwachsender Pflanzen entstehen. Die Zahl der neuen Mutantentypen nimmt bei immer weiteren Mutationsversuchen ab. Der Genetiker W.-E. Lönnig hat dieses Phänomen unter der „Regel der rekurrenten Variation“ zusammengefasst. Das bedeutet „wiederkehrende Veränderlichkeit“. Auch beim Menschen ist dieses Phänomen bekannt; bislang sind über 5000 wiederholt auftretende erbliche Abweichungen bekannt geworden. Bei Getreide kennt man als Beispiele für rekurrente Variationen dichte Ähren, frühe Reife, Fehlen von Wachs, kurze Grannen, Fehlen des Farbstoffs Anthocyan oder Mehltauresistenz.
Als Grund für die Regel der rekurrenten Variation vermutet Lönnig, dass es nur eine begrenzte Zahl von Erbfaktoren gibt, bei denen unter schrittweisem bis völligem Funktionsverlust noch ein lebensfähiger, aber in vielen Fällen mehr oder weniger geschädigter Organismus gebildet werden kann.
Die Regelhaftigkeit der Mutationserscheinungen weist auf vorgegebene, zwar reichhaltige, aber letztlich begrenzte Veränderungsmöglichkeiten der Lebewesen hin. Die Vielfalt der Mutationen bewegt sich nach bisherigen Untersuchungen innerhalb von „Grundtypen“ (https://genesis-net.de/s/0-3/).
1.6 Mutationen in Entwicklungsgenen
In jüngerer Zeit haben Erkenntnisse über sog. Homeoboxgene besondere Bedeutung gewonnen. Homeoboxgene stehen an einer frühen Stelle der ontogenetischen [= die individuelle Entwicklung betreffend] Entwicklungskaskade ganzer Organe. Mutationen in Homeoboxgenen können daher schwerwiegende Auswirkungen haben, so dass ganze Organe an falschen Körperstellen ausgeprägt werden können (vgl. Abb. 57, s.o.: rechts unten). Doch auch Homeoboxgene tragen nichts zur Erklärung der Entstehung der Lebensstrukturen bei, da sie nur auf der Basis bereits vorhandener nachgeschalteter Strukturen und Entwicklungskaskaden wirksam sind.
1.7 Ergebnis
Generell hat die Mutationsforschung bislang gezeigt, dass durch Mutationen keine neuen Strukturen entstehen. Vielmehr entfalten sie ihre Wirkung auf der Basis vorhandener komplexer Strukturen oder Stoffwechselvorgänge. Das Mutationsspektrum bewegt sich nur im Rahmen der Mikroevolution.
1.7 Literatur
MEINKE, D.W.; Cherry, J.M.; Dean, C., Rounsley, S. D.; Koornneef, M.: Arabidopsis thaliana: A Model Plant for Genome Analysis. Science 282, 678-682 (1998)
LÖNNIG, W.-E. (1995) Mutationen: Das Gesetz der rekurrenten Variation. In: Mey, J., Schmidt, R. & Zibulla, S. (Hg) Streitfall Evolution. Stuttgart, S. 149-165.
Autor: Reinhard Junker, 04.02.2009
Aktualisiert am 07.01.2024 (B. Scholl); © beim Autor; alter Link: 2009, https://www.genesisnet.info/schoepfung_evolution/i41241.php