Artifizielle Evolution heute

„Artifizielle Evolution heute, Optimieren nach dem Vorbild der Natur“ Beuth Hochschule für Technik Berlin im Sommer 2009

Naturwissenschaften findet derzeit eine dieser aktuellen Entwicklung entgegen gesetzte Bewegung statt. Entwicklungsbiologen entwerfen eine Theorie der inneren, endogenen Selektion auf der Basis der darwinschen Theorie und rezenten Erkenntnissen der Erforschung der der embrionalen Muster- und Strukturgenese. Hiervon wird später die Rede sein.

Der religiös motivierte Sturm der Entrüstung über Darwins Theorie war gewaltig, und ist bis zum heutigen Tag nicht gänzlich abgeflaut.

Nun, auch der junge Darwin betrachtete die Welt der Tiere und Pflanzen als die natürliche Spur für das Wirken Gottes in der Natur. Erst nach jahrelangen Forschungen – und dann nur zögerlich – veröffentlichte Darwin eine Theorie die nicht mehr auf die Existenz eines Schöpfergottes zurückgriff.

Auf lediglich drei empirisch plausiblen Annahmen basiert die Theorie Darwins, die die Entstehung, die Vielfalt und Angepasstheit der verschiedenen Tier- und Pflanzenarten an ihre natürliche Umwelt erklärt.

Erstens: Wenn Tiere sich fortpflanzen, können bestimmte Eigenschaften der Eltern bei den Nachkommen mehr oder weniger stark verändert werden oder ganz verloren gehen.

Zweitens: Diese Unterschiede in den Eigenschaften können einerseits allmählich so groß werden, dass nur noch Nachkommen einer Spezies, die diese Unterschiede in den Eigenschaften nicht mehr aufweisen gemeinsam Nachkommen zeugen können. Dies erklärt das Auftreten neuer Arten aus schon vorhandener Arten.

Drittens: Die mit den Veränderungen einhergehenden Unterschiede in den Eigenschaften lassen die Eigenschaften einer Spezies unterschiedlich gut an ihre Umgebung angepasst sein. Und, je besser Tiere und Pflanzen an ihre Umgebung angepasst sind, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie sich reproduzieren und die umwelttauglichen Eigenschaften an ihre Nachkommen weitergeben.

© Mi. Dienst, bionic research unit Berlin

„Artifizielle Evolution heute, Optimieren nach dem Vorbild der Natur“ Beuth Hochschule für Technik Berlin im Sommer 2009

Der 200. Geburtstag Darwins ist uns ein guter Anlass, die Kernaussagen der Theorie Darwins und einige Stationen auf dem Weg zu einer modernen Evolutionstheorie zu benennen.

Die Kernaussagen der darwinschen Theorie:

• Prinzip der Variation durch Mutation und Rekombination

• Prinzip der Vererbung (Deren Mechanismen Darwin noch nicht bekannt waren)

• Prinzip der Überproduktion. Alle Lebewesen erzeugen mehr Nachkommen, als jemals zur Reproduktionsreife kommen können.

• Prinzip der natürlichen Auslese (Darwin: Überleben der Tauglichsten)

• Prinzip der natürlichen Evolution. Vererbung mit Modifikationen. (Darwin: Transmutation is descent with modifikations).

• Nichtvorhersagbarkeit. Die Variationen sind zufällig, also nicht vorzugsweise auf günstige Anpassung hin ausgerichtet. Der weg der Evolution ist nicht vorprogrammiert, nicht zielgerichtet, nicht determiniert, nicht vorhersagbar.

• Es existiert kein höheres Prinzip

Die Stationen auf dem Weg zu einer modernen Evolutionstheorie:

1809 Charles Darwin wird als Sohn eines wohlhabenden Arztes in Shrewsbury, England geboren. Im gleichen Jahr erklärt der Naturkundler Jean-Baptiste Lamarck in seiner „Philosophie zoologique“, die Tier- und Pflanzenarten seien unveränderlich. Allerdings nahm er an, dass der Gebrauch oder Nichtgebrauch von Organen Veränderungen bewirke, die ihrerseits weitervererbt würden. Das ständige strecken des Kopfes bewirke demnach im Laufe der Generationen eine Verlängerung des Giraffenhalses.

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1831 Der Junge Darwin beginnt eine fast fünfjährige Weltreise an Bord des Vermessungsschiffes „Beagle“. Während er die Vielfalt von Tieren und Pflanzen und ihre offenkundige Anpassung an die Umgebung studiert, reift in ihm sehr langsam die Erkenntnis, dass die Arten wandelbar sind.

1859 Darwin begründet mit seinem Werk „On the Origin of Species“ die moderne Evolutionstheorie. Antrieb des Artenwandels ist die natürliche Auslese, bei der die am besten an ihre Umwelt angepassten Individuen größere Überlebenschancen haben und so ihre Merkmale verbreiten können.

1865 Der Augustinermönch Gregor Mendel stellt nahezu unbemerkt von der Welt die Ergebnisse seiner Kreuzungsexperimente mit Erbsenpflanzen vor. Die Mendelschen Vererbungsregeln sollen späterd die Grundlage der Genetik werden.

1900 Drei Botaniker werden auf Mendels alte Arbeiten aufmerksam. Einer von ihnen ist der Niederländer Hugo de Vries, der in seiner Mutationstheorie spontane Veränderungen des Erbguts zum Hauptantrieb der Evolution erhebt.

1924 Hans Spemann und Hilde Mangold veröffentlichen ihre wohl spektakulärsten Transplantationsexperimente an den Embrionen von Molchen. Sie begründen damit die moderne Entwicklungsbiologie, die sich mit der Gestaltwerdung während der Embriogenese befasst.

1937 In mehreren Schriften begründet eine Schule von Wissenschaftlern um Ernst Mayr die neue „Synthetische Evolutionstheorie“. Diese befasst sich insbesondere mit der Neubildung von Arten durch die räumliche Trennung von Populationen.

1953 James Watson und Francis Crick entdecken die doppelsträngige Helixstruktur des Erbmoleküls DNS. Die Abfolge der Basen in diesem Riesenmolekül ist der genetische Code aller Kreaturen auf der Erde.

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1957 In Theorie und Experiment untersucht Manfred Eigen molekulare Hyperzyklen, zyklische Folgen von sich selbst reproduzierenden Einzelzyklen, bestehend aus RNA- und Proteinmolekülen, die durch Rückkopplung voneinander abhängen. Sie sind als Erklärungsmöglichkeit für die präbiotische Entstehung replikativer chemischer Systeme angesehen und stehen im Übergangsbereich zwischen chemischer und biologischer Evolution. Manfred Eigen erhält 1967 den Nobelpreis für Chemie.

1967 Wolpert führt den Begriff der Morphogenetischen Gradienten für Botenstoffe beim biologischen Struktur- und Gestaltaufbau und Die klassische Vorstellung in der Entwicklungsbiologie ist die Steuerung der Entwicklung durch gradierte Konzentrationsverteilungen. Wolpert prägte dafür den Begriff der „Positions- Information“.

1972 Meinhardt und Gierer entwickeln ein Modell der biologischer Musterbildung, welches von der Erkenntnis ausgeht, dass dem biologischen Strukturaufbau Selbstorganisationsprozesse zu Grunde liegen und voraussagt, dass eine Wechselwirkung von mindestens zwei ursprünglich homogen verteilten Substanzen erforderlich ist, um ein lokales Konzentrationsmaximum generieren.

1995 Christiane Nüsslein-Volhard erhält den Nobelpreis für Medizin und Physiologie. Sie identifiziert und systematisiert Gene, welche im Ei der Taufliege (Drosophila melanogaster) die Anlage des Körperplans und der Segmente steuern. Sie entwickelt die Gradiententheorie, die darstellt, wie durch Stoffgradienten in der Eizelle und dem Embrio die Genexpression gesteuert wird und zeigte Parallelen in der Embryonalentwicklung zwischen Insekten und Wirbeltieren auf.

2000 Entschlüsselung des menschlichen Genoms. Eine erste Version der Basenabfolge wird vom internationalen Humangenomprojekt und Craig Venters Unternehmen Celera vorgestellt. Drei Jahre später ist das Großprojekt abgeschlossen.

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Biologische Muster- und Gestaltentstehung. In den Jahrmillionen der biologischen Evolution hat die belebte Natur eine erstaunliche Vielfalt von Mustern, Formen und Gestalt hervorgebracht. Die Vorgänge des Aufbaus und die des Vergehens von Struktur, des Wesens und Verwesens erfolgt in einem räumlich - zeitlich verwoben und verschachtelten Prozess der (vertikalen) evolutiven Entwicklung von Generation zu Generation und einem (horizontalen) Prozess der ontogenetischen Individualentwicklung. Die Entwicklung eines Lebewesens ist die Gesamtheit aller Prozesse des Form- und Funktionswechsels im Lebenszyklus eines ein- oder vielzelligen Organismus. Von grundlegender Bedeutung bei der Individualentwicklung von Lebewesen sind Prozesse des Wachstums und der Differenzierung.

Beim biologischen Struktur- und Gestaltaufbau spielen emergente Prozesse, das Auftauchen neuer Qualitäten eine übergeordnete Rolle. Emergenz gründet auf hierarchisch angeordneten Struktur- und Entwicklungsstufen. Leben ist auf unterschiedlichen Ebenen organisiert. Biologische Systeme besitzen die Fähigkeit ihre komplexe Struktur in jedem Generationenzyklus neu aufzubauen. Dabei entstehen räumliche Verteilungen von Substanzen, die als Signalstoffe in der Lage sind, Prozesse des Wachstums und der Differenzierung lokal zu steuern.

Die Organisation örtlich verteilter lokaler Signale, die eine ortsabhängige Zelldifferenzierung bewirken können, wird als sich räumlich-zeitlich verändernde dreidimensionale Muster von Stoffkonzentrationen darstellbar. Kennzeichnend für biologischen Gestaltaufbau ist der Unstand, dass Inhomogenitäten in der Stoffverteilung aus gleichmäßig verteilten Ausgangsmustern entstehen können. Stoffliche Gradienten beeinflussen den Differenzierungsprozess einzelner Zellen, bzw. Zellen in einem Zellverband und basieren auf der Wechselwirkung von Molekülen. Eine hohe Stoffkonzentration an einer Stelle in einem sich entwickelnden Gewebes kann dabei als ein Signal dienen, die Anzahl, Position und Abstand von Differenzierungsereignissen zu bestimmen.

© Mi. Dienst, bionic research unit Berlin