Hat an so vielen Abzweigungen der Stammesgeschichte der Zufall mitgemischt, dass bei einem zweiten Durchlauf der Erdgeschichte ganz andere Formen und Lebensgemeinschaften auftreten würden - und ganz bestimmt kein Homo sapiens? Der US-Paläontologe Stephen J. Gould war der Meinung, dass in der Tat in erster Linie der Zufall regiert. Aber manchmal gibt es offenbar gar nicht so viele Freiheitsgrade, und die Evolution stößt trotz der stochastischen Natur genetischer Mutationen immer wieder auf die gleichen Lösungen. Schöne Beispiele für konvergente Evolution erklärt der Laborjournal-Chefredakteur im aktuellen Heft.
Ein Problem, zwei Lösungen
Forscher um Markus Pfenninger (Senckenberg Forschungszentrum Biodiversität und Klima) analysierten kürzlich Genome von Atlantikkärpflingen. Und die Ergebnisse hätten wiederum Gould gefallen, denn hier fand die Evolution zwei unterschiedliche Lösungen für genau das gleiche Problem (Molecular Ecology doi 10.1111/mec.13397; siehe auch diese Pressemitteilung). Der Atlantikkärpfling Poecilia mexicana lebt unter anderem in den Gewässersystemen Tacotalpa und Puyacatengo in Mexiko. Manche Stellen in diesen Gewässern, die vulkanischen Ursprungs sind, sind eigentlich ausgesprochen lebensfeindlich, wegen des lokal hohen Schwefelwasserstoffgehalts. Atlantikkärpflinge gehen ein, wenn man sie von Standorten mit unbelastetem Wasser an benachbarte, mit dem Stinkemolekül angereicherte Stellen umsetzt – nicht überraschend bei einem H2S-Gehalt von bis zu 190 Mikromol. Dennoch leben manche P. mexicana-Populationen dauerhaft in der Giftbrühe. Die toleranten Populationen haben durch den Prozess aus Mutation und Selektion Anpassungen an das H2S-haltige Wasser erworben.
Die Cytochromoxidase mag keinen Schwefelwasserstoff
Eine erste Erklärung für den Mechanismus der H2S-Resistenz hatten die Forscher schon zuvor in Fischen der Tacotalpa-Population gefunden. Die mitochondriale Cytochrom-c-Oxidase (COX) ist besonders anfällig für Schwefelwasserstoff. In den toleranten Tacotalpa-Fischen ist insbesondere die Untereinheit COX1 mutiert, was dem H2S-Molekül offenbar den Zugang zum aktiven Zentrum erschwert. Nun haben die Forscher im Puyacatengo-Gewässersystem eine weitere Population entdeckt, die sich ebenfalls im Schwefelwasserstoff-reichen Wasser wohl fühlt. Auch im Puyacatengo-System gibt es eng verwandte und benachbarte Fische, die nicht H2S -tolerant sind.
Die Toleranz ist also offenbar zwei mal unabhängig entstanden, und die Forscher kennen im Puyacatengo- und im Tacotalpa-System jeweils nahe verwandte Populationen mit und ohne Resistenz. Eine ideale Situation also, um Goulds große Frage anzugehen: Sind bei den beiden unabhängigen Evolutionsereignissen die gleichen Gene, die gleichen Signalwege involviert? So ganz abwegig ist die Idee nicht. Denn Mutationen geschehen zwar zufällig. Aber vielleicht gibt es ja nur wenige oder gar nur einen einzigen genetischen Pfad, um H2S-Resistenz zu erwerben? Allerdings: Die COX der H2S-toleranten Puyacatengo-Fische zeigte keine besondere Resistenz gegen das Stinkemokelül, anders als im Tacotalpa-System – ein erster Hinweis, dass die Evolution in diesem Fall unterschiedliche Lösungen für das H2S-Problem gefunden hat.
Tief im Genom regiert der Zufall
Die Forscher um Markus Pfenninger wollten es genauer wissen. Sie nahmen DNA-Proben aus den Flossen hunderter Fische, sequenzierten das Erbgut en masse mit der Illumina-Hochdurchsatz-Methode, zählten SNPs (Polymorphismen an einzelnen DNA-Positionen) und annotierten Genfunktionen. Mit diesem Datensatz konnten die Forscher schließlich paarweise Vergleiche anstellen und Unterschiede in SNPs, Genen und Signalwegen auswerten. Das Ergebnis: Die H2S-Toleranz der Atlantikkärpflinge ist offenbar tatsächlich zwei mal auf weitgehend verschiedenen Wegen entstanden. „Unsere Ergebnisse stützen sehr stark die Kontingenztheorie, welche besagt, dass der Weg, den das heutige Leben auf der Erde genommen hat, überwiegend durch Zufälle bestimmt wurde und nicht zwangsläufig wieder so verlaufen würde, wenn man die Erdgeschichte ‚zurückspulen‘ würde“, erklärt Pfenninger in der Pressemitteilung der Senckenberg Gesellschaft.
Goulds große Frage kann man auf verschiedenen Ebenen angehen, und zwischen "Alles Zufall" und "Alles Konvergenz" gibt es Graustufen. Sind bei den parallelen Evolutionsereignissen die gleichen Signalwege, die gleichen Gene, vielleicht sogar die gleichen DNA-Positionen innerhalb dieser Gene betroffen?
Die Senckenberg-Forscher quantifizierten den Grad der parallelen Evolution auf verschiedenen genomischen Organisationsebenen mit dem sogenannten Jaccard-Index, benannt nach dem Botaniker Paul Jaccard, der diese Metrik schon 1901 eingeführt hatte. Der Jaccard-Index nimmt Werte zwischen 0 (keine Gemeinsamkeiten) und 1 (identische Mengen) an. In den Poecilia-Daten von Pfenninger et al. liegt diese Vergleichszahl umso höher, je weiter man in der genomischen Hierarchie nach oben steigt: Auf der Ebene der SNPs liegt der Wert bei nur 0,003 – quasi keine Gemeinsamkeiten also. Nimmt man "metabolische Pathways" als Grundlage, liegt der Jaccard-Index immerhin bei 0,25
Anders gesagt: Je tiefer man in die molekularen Details einsteigt, desto deutlicher tritt der Zufallscharakter der Evolution zutage - zumindest in diesem einen Fallbeispiel.
Hans Zauner
Foto: (c) Pfenninger