Fehler sind vielleicht überall in der natürlichen Welt zu finden, aber warum sind sie in der Evolution sogar notwendig?

Falsch abgeguckt

Die vielleicht simpelste Form eines Fehlers ist der Lesefehler. DNA wird von Enzymen abgelesen, den sogenannten DNA Polymerasen, die ab und zu die falschen Nukleotide in die kopierte DNA einbauen. Schlimmer noch, es könnten auch zu viele oder zu wenige Basenpaare hinzugefügt werden. Das ergäbe nicht nur einen kleinen, vielleicht sogar vernachlässigbaren Fehler, sondern verändert die ganze nachfolgende Bedeutung eines Gens. Beispielhaft könnte man sagen, dass der Satz “Wieviel Holz fällt ein Holzfäller?” durch einfügen eines zufälligen neuen Buchstabens zu “Wieviet Lhol zfäll tei Nholzfälle r?” Bei dem genetischen Rezept für rote Blutkörperchen z.B. wäre es fatal, wenn hinterher nicht das herauskommt, was eigentlich soll. (Einem Holzfäller könnte dann nämlich schnell die Puste ausgehen.)

All solche Fehler werden in der Regel durch andere Enzyme ausgebessert, aber manchmal entgeht selbst diesen molekularen Polizisten der eine oder andere Patzer. Das ist die Geburtsstunde einer Mutation. Ist die Mutation erst einmal in der DNA drin, wird sie von einer Zellgeneration zur nächsten weiter gegeben. Entstehen solche Mutationen in Zellen, aus denen Geschlechtszellen werden, können die Mutationen auch an Nachkommen dieser Mutationsträger weiter gegeben werden. So funktioniert schon ein wesentlicher Bestandteil evolutionärer Prozesse … und zwar nur wegen einem “kleinen” Lesefehler.

Aber damit nicht genug. Passiert dieser kleine Fehler in einem Gen, das eigentlich die Enzyme produziert, die die DNA-Replikation auf Fehler kontrollieren sollen, können sich Fehler erstaunlich schnell anhäufen. In vielen Fällen entstehen so Krebsgeschwüre. Über evolutionsbiologisch relevante Zeiträume allerdings bedeutet das eine erstaunliche Möglichkeit für Veränderungen im Erbgut von Lebewesen. Relevant wird so ein Fehler dann, wenn entsprechend starker Selektionsdruck auf einem Individuum lastet. Escherichia coli (momentan besser bekannt als EHEC) zum Beispiel ist ein Bakterium, welches in vielen Fällen mit Antibiotika bekämpft wird. Viel stärkeren Druck kann so ein Lebewesen gar nicht haben; für das Bakterium geht es um Leben und Tod. Entwickelt es nun eine hohe Vielfalt an Mutationen, erhöht sich die Chance dass irgendetwas dabei rum kommt, was doch etwas resistenter ist. Bei einem Genom von ca. 4 Millionen Basenpaaren und einer geschätzten Mutationsrate von einem Fehler pro einer Milliarde Nukleotiden, bedeutet das, dass ungefähr 1% aller neuen E. coli-Bakterien eine Mutation haben, die sie von ihrer “Mutter” abheben. So klein die Zahlen erscheinen, bei Zellen die sich alle paar Stunden vermehren, entwickeln sich so schnell neue Varianten – wie die, die jetzt auf Gurken (oder sind es Tomaten?) auftauchen.

Fehler sind aber nicht nur einer der Hauptmotivatoren der Evolution, gleichzeitig sind sie auch ein unheimlich wertvolles Werkzeug für Evolutionsbiologen, um der Verwandtschaft von Arten auf die Schliche zu kommen. Haben unterschiedliche Arten die gleichen “Fehler” in ihrer DNA, ist es wahrscheinlich, dass sie auch den gleichen Vorfahren haben. Genauso wie zwei Schüler wahrscheinlich voneinander (oder von einer gleichen Quelle) abgeschrieben haben, wenn sie die gleichen Wörter irgendwo gleich falsch geschrieben haben, lässt sich mit Hilfe von Fehlern in der DNA der Ursprung eines Fehlers bestimmen. Ein klassisches Beispiel ist Hämoglobin. Nicht nur Holzfäller sind auf den Sauerstofftransport im Blut angewiesen, und ohne Hämoglobin, der rote Farbstoff in unseren Venen und Arterien, kommt Sauerstoff nicht dort an, wo er gebraucht wird. Das Protein beta-globin ist dabei ein wesentlicher Bestandteil; fünf Gene kodieren dafür, dass es produziert wird. Schaut man aber genauer, findet man noch ein weiteres, ein sechstes Gen inmitten der anderen fünf, das auf Grund von Fehlern schlicht gar nichts mehr produziert. Hier handelt es sich nicht um einen kleinen Fehler von einem verwechselten Basenpaar, sondern um viele Fehler – darunter vertauschte Basenpaare, die nun für andere Aminosäuren kodieren, und gelöschte Basen, durch die der nachfolgende Strang völlig seine ursprüngliche Bedeutung verliert. Ansonsten ist dieses sechste Gen so wie seine anderen fünf funktionsfähigen “Brüder” aufgebaut.

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Kommentare (11)

  1. #1 MisterX
    Juni 5, 2011

    Sehr interessanter Artikel.
    Aber EHEC bedeutet im momentanen Zusammenhang nicht Escherichia coli sondern EnteroHämorragische Escherichia Coli .
    Füht vielleicht zu verwechslungen weil der normale EC ja auch bei uns im Darm vorkommt, und der hat mit den Krankheiten die vom ECEH ausgelöst werden nix zu tun.

    gruß 🙂

  2. #2 MisterX
    Juni 5, 2011

    Ohh, im letzten Satz meinte ich natürlich “…mit den Krankheiten die vom EHEC ausgelöst werden…….”

    ^.^

  3. #3 Locman
    Juni 5, 2011

    Grandioser Artikel. Während dem Lesen für mich klar und offensichtlich, als hätt ich mir das alles schon mal überlegt. Hab ich teilweise auch, aber zum Großteil sind hier neue und sehr anregende Gedanken und Darlegungen drinnen.
    Danke!

  4. #4 Theres
    Juni 6, 2011

    Ein gelungener Artikel, wirklich gut erklärt … obwohl, der letzte Satz stört mich doch. Ich halte ihn nämlich für wahr 😉

  5. #5 Redfox
    Juni 6, 2011

    Sehr interesanter Artikel, danke dafür!

    … wie die, die jetzt auf Gurken (oder sind es Tomaten?) auftauchen.

    Sprossen sind im Moment die vermutete Saat des Bösen.

  6. #6 Polygon
    Juni 6, 2011

    Echt toller Artikel!
    Sprossen? Solange Schnitzel ausgeschlossen sind, mache ich mir keine Sorgen. Ich lebe eh nicht so gesund und esse kaum gesunde Sachen.

  7. #7 Dr. Webbaer
    Juni 8, 2011

    Kurz angemerkt: Es gibt in der Natur (vs. in rein mathematischen Modellen) keine Fehler, jedenfalls keine sicheren, weil auch ex post nie klar wird, ob es wirklich ein Fehler war. – “Fehler” sind meist der Versuch der Beschreibung aus einer Ex-Post Sicht heraus einen Misserfolg zu erkennen. Aber war die “fehlerhafte” Maßnahme auch ex ante nicht erfolgsversprechend?

    Was ist eigentlich das Gegenteil eines Fehlers?

    MFG
    Dr. Webbaer

  8. #8 Nils
    Juni 8, 2011

    @Webbaer:
    Diesen Kommentar hatte ich schon erwartet. 😉 “Fehler” sind ein komplexes Thema – semantisch, weil er in so vielen verschiedenen Bereichen (z.B. Mathematik vs. Natur) unterschiedlich benutzt wird; philosophisch, weil an einen Fehler gerne eine Schuld geknüpft wird und so die Willensfreiheit da eine Rolle spielt; oder aber im Baseball, wo etwas erst ein Fehler wird, wenn jemand anderes davon profitiert hat.

    Ich sehe das eher pragmatischer und definiere “Fehler” dafür so wie unser Institut für Normung (DIN): “Nichterfüllung einer Anforderung”. Die Definition lässt sich zwar auch diskutieren, und natürlich erkennt man einen Fehler erst aus ex-Post-Sicht, aber das ändert nichts daran, dass Fehler auch in der Natur vorkommen. Die Anforderung an die DNA Polymerase ist das korrekte Ablesen. Tut sie das nicht, macht sie einen Fehler. Das ist das Gleiche wie wenn ich in einen falschen Zug einsteige. In beiden Fällen machen wir Fehler, da der Ausgang nicht der war, den wir beabsichtigt hatten. Dabei ist egal ob der falsche Zug sich als eine günstige Abkürzung herausstellt, oder ob eine Mutation entsteht, die im Nachhinein einen evolutionären Vorteil mit sich bringt.

    Das Gegenteil von Fehler wäre damit die “korrekte Erfüllung einer Anforderung”, oder?

  9. #9 Dr. Webbaer
    Juni 8, 2011

    Das Gegenteil von Fehler wäre damit die “korrekte Erfüllung einer Anforderung”, oder?

    Dr. W würde hier vergleichsweise gerne das Wirtschaftsleben bemühen wollen und dort wird oft von Fehlern gesprochen, die keine sind, sondern Ex-Post-Feststellungen eines Mißerfolgs bei gleichzeitiger Inhaftnahme einer oder mehrerer Personen. – War eine Maßnahme dagegen wirtschaftlich erfolgreich, wird sie oft von höheren Schichten als Leistung behauptet. Der Erfolg einer Maßnahme sozusagen als Gegenteil des Fehlers (oder “Fehlers”).

    Man muss hier in der Tat philosophisch bemüht sein, um noch Honig saugen zu können aus dem Begriff des Fehlers – oder eben erdig und kojotenhaft.

    MFG
    Dr. Webbaer (der ein wenig überrascht ist im Zusammenhang mit der Biologie von Fehlern zu lesen und der zudem oft ein und denselben Fehler mehrfach macht, ein No-Go für einige 😉

  10. #10 Dr. Webbaer
    Juni 8, 2011

    Nachtrag:

    Die Anforderung an die DNA Polymerase ist das korrekte Ablesen. Tut sie das nicht, macht sie einen Fehler.

    Die technische Definition, schon verstanden. Dr. W ging es eher um das Wesen des Fehlers an sich. 😉

  11. #11 Redfox
    Juni 10, 2011

    Ever tried. Ever failed. No matter. Try again. Fail again. Fail better.
    — Samuel Beckett