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Menschliche Evolution: Schwer zu reparieren

MADISON –Menschen sind zweifellos komplex, und sie sind stolz darauf. Unsere biologische Überlegenheit steht, so meinen wir, außer Zweifel. Durch ein kompliziertes Netz von Interaktionen sind unsere biologischen Funktionen erstaunlich gut reguliert und beständig gegenüber externen Veränderungen. Im Gegensatz zu anderen Arten scheinen wir durch Willenskraft und Intellekt in der Lage zu sein, unsere Umgebung zu verändern, um die Folgen unserer abnehmenden Fitness auszugleichen.

Trotzdem sind wir als Art möglicherweise dem Untergang geweiht, und dies gerade wegen der Art und Weise, auf die unsere Komplexität entstanden ist. Wie der Wissenschaftsautor Philip Ball schreibt, scheint die Natur eine Zeitbombe aktiviert zu haben, gegen die unsere Komplexität nur eine kurzfristige Abhilfe ist.

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Um das Problem zu verstehen, müssen wir untersuchen, wie Menschen auf der molekularen Ebene beschaffen sind, und unsere Struktur mit der anderer Arten wie z.B. Einzellern vergleichen, die wir oft als “rudimentär” bezeichnen. Diese Analyse führt uns zur Untersuchung von Proteinen – unserer zellulären Bausteine und Träger biologischer Funktionen – bei sehr unterschiedlichen Arten. Proteine gleicher Abstammung, die “Orthologe” genannt werden und bei verschiedenen Arten vorkommen, eignen sich gut zum Vergleich.

Es herrscht allgemeine Übereinstimmung darüber, dass die grundlegende “Faltung” oder Form eines Proteins über die Arten hinweg erhalten bleiben muss, da zwischen Struktur und Funktion ein enger Zusammenhang besteht. Proteine, die bei verschiedenen Arten dieselbe Funktion innehaben, was bei Orthologen generell der Fall ist, sollten erwartungsgemäß dieselbe Faltung aufweisen.

Aber die Sequenz von Aminosäuren, aus denen die Proteinketten in diesen Orthologen bestehen, kann sich deutlich unterscheiden. Manchmal gleichen sich die Sequenzen zwischen zwei Orthologen nur zu 25-30%, obwohl ihre Faltung erstaunlich gleich bleibt, was für die Robustheit der Funktion gegenüber evolutionärer Veränderung spricht.

Angesichts der Bewahrung der Proteinfaltung über die Arten hinweg ist der Ursprung unserer Komplexität noch rätselhafter, da bekanntlich die Anzahl der menschlichen Gene erstaunlich gering ist – sie beträgt beispielsweise nur etwa das Zehnfache der von Reis. Wenn die Struktur der Proteine über die Arten hinweg erhalten bleibt, woher kommt dann unsere Komplexität? In welchem Sinne sind wir überhaupt komplexer?

Kürzlich haben Forscher in Orthologen von Arten, die sich vor Milliarden von Jahren voneinander weg entwickelt haben, subtile strukturelle Variationen gefunden. In diesen Strukturen verändert sich zwischen den Orthologen etwas Subtileres als die allgemeine Topologie. In einigen scheint die Struktur “loser” zu sein als in anderen – weniger gut gepackt, mit Oberflächenbereichen, die es umgebendem Wasser ermöglicht, einzudringen und die Struktur zu stören, indem es mit der Hauptkette interagiert. Diese strukturellen Schwachstellen werden als Dehydronen bezeichnet.

Bei der Untersuchung von Orthologen sind die Proteine in Arten mit geringerer effektiver Population degradierter oder reicher an Dehydronen – ein schwer fassbarer Indikator, der sich invers zur Größe und Komplexität des Organismus und zur Komplexität seines Reproduktionsmusters verhält. Also haben Menschen (oder Säugetiere) deutlich kleinere Populationen als Bakterien (zehn oder mehr Zehnerpotenzen).

Die Beobachtung, dass strukturelle Degradation mit abnehmender Population von Arten zusammenhängt, spiegelt sich auch im Bereich der Evolution wider, da natürliche Auslese bei kleinerer Populationsgröße ineffizienter wird. Also ist strukturelle Degradation ein Indikator für die Anfälligkeit der Art für zufällige genetische Drift: Bei Bakterien ist es viel wahrscheinlicher, dass mäßig schädliche Mutationen, die typischerweise die Proteinstruktur degradieren, ausselektiert werden, bevor sie sich in der gesamten Population (Milliarden von Individuen) festsetzen. Bei Menschen hingegen haben solche Mutationen eine viel bessere Überlebenschance.

Ein Protein, das reicher an Dehydronen ist ein zu ihm orthologes Protein, ist verletzlicher gegenüber einer Störung durch umgebendes Wasser. Genau aus diesem Grund wird es “bedürftiger” – das heißt, abhängiger von Bindungspartnern, um seine strukturelle Integrität zu erhalten. Darüber hinaus sind Dehydronen für ihre Klebrigkeit bekannt, also gehen strukturell degradierte Proteine mit höherer Wahrscheinlichkeit Protein-Protein-Verbindungen ein als Orthologe mit niedrigerem Dehydronengehalt. So werden Protein-Protein-Interaktionen, ein Kennzeichen für Komplexität, tatsächlich durch zufällige Drift, die evolutionäre Kraft hinter dem Degradationsprozess der Proteine, begünstigt.

Es scheint also, dass Komplexität kein Ergebnis natürlicher Selektion ist, sondern statt dessen als kurzfristige Reparatur der Effekte von Selektionsineffizienz auftritt. Beim ersten Lesen scheint diese Aussage der Intuition zuwider zu laufen, aber dies liegt einfach an unserer dogmatischen Ansicht, dass komplexe Eigenschaften ein Ergebnis natürlicher Auslese sein müssten.

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Und wohin führt uns dieses Gambit der Natur? Die Proteine mit der größten Akkumulation struktureller Defekte sind die Prione, lösliche Proteine mit einer so schwachen Umhüllung, dass sie ihre funktionelle Faltung preisgeben und abnorme Aggregate bilden, die degenerative Neuropathien zur Folge haben können.

Dieser extreme Fall eines “abnorm bedürftigen Proteins” veranschaulicht das hohe genetische Risiko, dem wir aufgrund unserer kleinen Population ausgesetzt sind. Das Prion ist eine “Fitness”-Katastrophe, die uns Hinweise darauf gibt, wohin das Gambit der Natur die Menschheit führen könnte. Vielleicht sind die langfristigen evolutionären Kosten unserer Komplexität zu hoch, da unser Überleben als Art letztlich von unserer Fähigkeit abhängt, unsere Fitness-Defizite durch immer mühsamere therapeutische Lösungen auszugleichen. Wir können nur hoffen, dass wir diesen Test bestehen.