Sonntag, 31. August 2008

Evolutionäre Konvergenzen - sie bleiben überraschend

ResearchBlogging.org
Insbesondere der britische Paläontologe Simon Conway Morris war es, der in Veröffentlichungen aus den Jahren 1998 und 2003 ("The Crucible Creation" und "Life's Solution") evolutionäre Konvergenzen als ein Argument in der Erörterung sehr grundsätzlicher Fragen zur Deutung des Evolutionsgeschehens herangezogen hat. Im Widerspruch zu dem Paläontologen Stephen Jay Gould ("Zufall Mensch", "Illusion Fortschritt" etc.) benutzt Simon Conway Morris die in den letzten Jahren in der Forschung immer deutlicher gewordene Allgegenwärtigkeit evolutionärer Konvergenzen in der Evolution als ein Argument dagegen, daß die Evolution ein reiner und ungerichteter Zufallsprozeß sei, dessen Ausgang gar nicht vorhersehbar wäre. Conway Morris behauptet schlicht das Gegenteil: Evolutionäre Konvergenzen zeigen für ihn auf, daß sich die Evolution immer wieder auf ähnliche Weise vollziehen würde wie sie sich vollzogen hat und selbst von ganz anderen Ausgangspunkten aus immer wieder auf ähnliche Zielpunkte hinsteuern würde.

„Unvermeidlich Menschen in einem einsamen Universum“

Seine Grundthese lautet darum "Inevitable Humans" ("Unvermeidlich Menschen"), was gemeinsam mit der These des Buches von der "Einsamen Erde" in unserem Universum (siehe Ward/Brownlee) zu der These erweitert wird: "Inevitable Humans in a Lonely Universe" ("Unvermeidlich Menschen in einem einsamen Universum"). (In Deutsch gerade unter dem Titel "Jenseits des Zufalls - Wir Menschen im einsamen Universum" erschienen.)

Die vergleichende Beachtung evolutionärer Konvergenzen wird - auch ganz unabhängig von solchen bis in die Philosophie reichenden Grundsatzfragen - derzeit immer häufiger als ein einfaches Forschungsmittel benutzt, etwa wenn Konvergenzen in der Gehirn-Evolution von Papageien, Schimpansen, Bonobos, Delphinen, Elephanten und Menschen verglichen werden, die alle über außergewöhnliche Gehirnkapazitäten und innerartliche Kommunikationsmöglichkeiten verfügen, die aber zu diesen auf ganz verschiedenen evolutiven Wegen gekommen sind.

Auch Richard Dawkins hatte schon 2004 die Gedanken von Conway Morris sehr positiv aufgenommen ("Ancestor's Tale", Abschlußkapitel). Und auch er forderte wie natürlich Conway Morris selbst die grundlegendere Erforschung der Ursachen und des Charakters evolutionärer Konvergenzen.

Konvergenzen bezüglich weniger diskreter Merkmale

Und genau solche Forschungen scheinen nun Fahrt aufzunehmen. Im Januar 2008 erschien im "Journal of Theoretical Biology" ein Aufsatz des Amerikaners C. Tristan Stayton unter dem Titel "Is convergence surprising?" ("Ist Konvergenz überraschend?") (Untertitel: "An examination of the frequency of convergence in simulated datasets") (J. Theor. Biol., pdf.). Und das Ergebnis dieses Aufsatzes ist - so zumindest der Autor: nein, evolutionäre Konvergenzen sind gar nicht überraschend. Auch in einem ungerichteten evolutionären Prozeß von lauter Zufallsereignissen ("Modell der Brown'schen Molekularbewegung") müßte es evolutionäre Konvergenzen geben, so die zur Diskussion gestellte These.

Sieht man sich aber diesen Aufsatz nun genauer an, dann macht er gar nicht mehr jene sehr grundsätzliche Aussage wie sie im Titel angedeutet ist. Er behandelt nämlich nur Konvergenzen von zwei oder drei sehr genau meßbaren und eingrenzbaren ("diskreten") Evolutionsmerkmalen. Also solche meßbaren Merkmale wie Körpergröße, Länge eines bestimmten Knochens, etc.. Und Konvergenzen liegen nach der Definition dieses Aufsatzes vor, wenn nur in Bezug auf solche wenigen Meßdaten schon zwei evoluierte Arten einander "ähnlicher" geworden sind, als ihre beiden jeweiligen stammesgeschichtlichen Vorfahren einander ähnlich gewesen sind.

Hm! Wenn das mal nicht eine arg allgemeine Definition von evolutionärer Konvergenz ist!? Aber irgendwie muß man ja anfangen. Warum nicht einmal so?

Ist das aber nicht mehr oder weniger doch Unfug, was hier betrachtet wird? Durch Zufallsereignisse - und von bestimmten "Zwängen" und Selektionsdrücken abgesehen - kann natürlich immer nur eines von beidem geschehen: Betreffend eines diskreten Merkmales kann die Evolution von zwei getrennten Stammbaumlinien immer nur "ähnlicher" oder "weniger ähnlich" werden. Was soll denn sonst passieren? (Oder übersieht man da irgendwo noch etwas im Raisonement?)

Komplexe Konvergenzen werden ausgeklammert

Aber hat man denn damit schon jene evolutionären Konvergenzen erfaßt, die einen in der Natur so erstaunen und überraschen? Nein, überhaupt nicht. Der Autor gibt es ja selbst gleich schon in der Einleitung zu:
It may be argued that the definition of convergence presented here — greater similarity among a taxon and its distant relatives rather than its closest relatives — ignores the idea that convergence produces complex structures that cannot arise by chance.
Genau! Und der Autor weiter:
However, complex structures are those that can be described only by a large number of variables; as this study will show, such structures are indeed less likely to evolve by undirected evolution than simpler structures.
Die Schlußfolgerung heißt also schon klar, daß Konvergenzen tatsächlich überraschend bleiben, denn auch diese Studie zeigt ja, wie der Autor selbst sagt, daß komplexe Konvergenzen "weniger wahrscheinlich durch nicht-gerichtete Evolution evoluieren als einfachere konvergente Strukturen".

Und doch schreibt der Autor weiter:
If biologists only applied the concept of convergence to extremely complex structures, this issue would not perhaps be so important.
Wahrscheinlich meint er hier mit "this issue" das, was er selbst erklären will, nämlich einfachstrukturierte evolutionäre Konvergenzen bezüglich nur weniger diskreter Einzelmerkmale. Seine Rechtfertigung, sich einfachstrukturierten evolutionären Konvergenzen zuzuwenden ist einleuchtend, und lautet schlicht, daß es sie auch gibt und schon erforscht worden sind:
However, many studies describe convergence in datasets that only include two or three variables and use that convergence as evidence for the action of natural selection. Even cases in which similarity is found in two very different kinds of data may only involve a few variables; for example, convergence between the jaw mechanics and diet of herbivorous lizards only involved two variables (lower jaw mechanical advantage and percent plant material in the diet; Stayton, 2006). Clearly, studies are needed to determine whether such patterns of convergence are likely the results of undirected evolution.
Evolutionäre Konvergenzen bezogen auf zwei oder drei diskrete Einzelmerkmale zugleich sind also nicht überraschend, das will diese Studie beweisen. Mehr nicht. Und es soll hier offen bleiben, ob sie selbst hierbei wirklich überzeugend ist. Das müßte man sich nämlich noch einmal sehr genau durchdenken und hören, was andere dazu sagen. Aber viel wichtiger ist, daß selbst wenn sie darin überzeugend wäre, sie für (philosophische und naturwissenschaftliche) Grundsatzfragen noch gar nichts geklärt hätte und daß das Ergebnis auch den allgemeinen Titel nicht rechtfertigen würde.

Aber was bedeutet das eigentlich: Komplexe evolutionäre Konvergenzen?

Es ist nämlich hier wie so oft in der Natur: Erst durch das In-Rechnung-Stellen der sich ungeheuer gegenseitig potenzierenden Kombinationen von Eigenschaften und evolutionären Möglichkeiten wird der "Hyperraum" an Möglichkeiten deutlich, den die Evolution durchschreitet, und für den sie sich - immer wieder - nicht zu interessieren scheint (obwohl sie sich doch für so vieles interessiert ...), um immer wieder auf einen sehr viel schmaleren Bereich von verwirklichten Möglichkeiten an Eigenschaften zurückzukommen. Das ist ja das Überraschende an evolutionären Konvergenzen. Und dieses Überraschende bleibt natürlich überraschend.

Erstaunlicherweise zitiert Stayton gar nicht Conway Morris von 2003 (bzw. Deutsch von 2008). Hätte er da insbesondere in die vorderen Kapitel hineingeschaut, in denen ja gerade sehr gründlich der Hyperraum von Möglichkeiten bei der Evolution von Biomolekülen (Proteine, DNA etc.) diskutiert wird, und in denen dieser Hyperraum von Möglichkeiten verglichen wird mit dem "schmalen" Bereich von immer wieder konvergent (!) verwirklichten Möglichkeiten innerhalb dieses immensen Hyperraumes, dann hätte er wohl zumindest die kühne grundlegende These seines Artikels nicht mehr so kühn in die wissenschaftliche Debatte geworfen. So möchte man zumindest vermuten.

(Übrigens sind diese wohl sehr wichtigen grundlegenden Kapitel in der deutschen Ausgabe nicht übersetzt. Ob das verlegerisch die richtige Entscheidung war, bleibe dahingestellt. Diese Kapitel sind im Gesamt-Raisonement des Buches sehr wichtig und im Grunde unentbehrlich für die Überzeugungskraft des Buches insgesamt.)

Der "Hyperraum" an Möglichkeiten, "etwas" zu machen, zu evolvieren

Denn übrigens sind das ja alles vom Wesen her immer sehr ähnliche Diskussionen und Argumente wie bei den Diskussionen und Forschungen rund um das "Anthropische Prinzip". Auch bei letzterem wird der "Hyperraum" der Möglichkeiten von Größen und Größen-Kombinationen der grundlegenden Naturkonstanten, Grundkräften des Weltalls erörtert, mit denen ein solches Weltall eben ausgestattet sein könnte. Und es wird die erstaunliche Tatsache festgestellt, daß es nur einen sehr kleinen Bereich von jenen Möglichkeiten gibt, die das Entstehen von Leben in diesem Universum erlauben würden, und daß ausgerechnet in diesem Bereich von Möglichkeiten unser tatsächlich existierendes Weltall angesiedelt ist.

Und der amerikanische Astrophysiker Guillermo Gonzalez ("Privileged Planet") geht noch einen Schritt weiter und zeigt auf, daß in dem Hyperraum der Möglichkeiten der Platz unserer Erde im Weltall geradezu dazu prädestiniert ("priveligiert") zu sein scheint, die wissenschaftliche Erforschung dieses Weltalls durch den Menschen zu ermöglichen.

Bei der Rückfahrt vom Workshop der Templeton Foundation in Frankfurt zu Evolution und Religion kam einem gerade auch dazu noch ein Gedanke im Zusammenhang mit Gedanken über die Moderation des Gespräches zwischen Naturwissenschaft und Theologie. Hier stößt man wieder darauf. Darauf soll noch einmal zurückgekommen werden.

Insgesamt jedenfalls darf man sehr gespannt sein, wie die Diskussion um evolutionäre Konvergenzen weitergeht. Vor einigen Jahren schon war einmal ein schöner Artikel in "Nature" (31.1.2002) erschienen unter dem Titel "Fact and fantasy - The zoology created by our imagination is far outstripped by that of reality" von Sandra Knapp. Dieser machte sehr anschaulich, wie wenig Menschen und Forscher voraussagen können und konnten jene "Merkmals-Kombinationen", die etwa die Tierwelt des Präkambriums ausmacht, die erst seit wenigen Jahrzehnten bekannt ist.

Die Evolution hat also, wenn sie will, viel größere Phantasie als der Mensch, so die grundlegende Aussage dieses Artikels. Und das Erstaunliche ist, daß es trotz ihrer großen Phantasie (und des Hyperraums der Möglichkeiten) immer wieder zu evolutionären Konvergenzen kommt. Und zu diesem Erstaunlichen hat der in diesem Beitrag erörterte Artikel von Stayton eigentlich gar nichts gesagt.

(ursprünglich veröffentlicht 29.5.2008)

C STAYTON (2008). Is convergence surprising? An examination of the frequency of convergence in simulated datasets Journal of Theoretical Biology, 252 (1), 1-14 DOI: 10.1016/j.jtbi.2008.01.008

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