Das Spiel mit der Wahrscheinlichkeit


Die Kritiker der Evolutionslehre gehen davon aus, dass bereits die winzigsten Lebewesen eine erstaunliche Komplexität aufweisen und rechnen nun mit der Wahrscheinlichkeitsrechnung aus, wie häufig exakt einer dieser Organismen durch zufällige Vertauschungen der Nukleotide seiner Gensequenz entstanden sein könnte. Berechnet man auf die gleiche Weise, ob ein Kristall in einer gesättigten wässrigen Lösung entstehen kann, so kommt man zu dem Ergebnis, dass Kristalle in wässrigen Lösungen (z. B. Salzkristalle) fast nie entstehen können, was natürlich, wie jeder weiß, falsch ist. Man muss sich also fragen, welche Fehler einem bei dieser Rechnung unterlaufen sind.

Ein weiterer Punkt ist, dass Leben nicht von seiner Struktur her definiert ist, sondern von seiner Funktion. Leben ist definiert als ein von einer Membran eingeschlossenes biochemisches Gebilde, das einen Stoffwechsel hat und in der Lage ist sich selbst zu reproduzieren. Diese beiden Funktionen können in recht unterschiedlichen chemischen Netzwerken realisiert sein, was sich ja schon an der Vielzahl unterschiedlicher Lebewesen zeigt. Derjenige, der die Evolutionstheorie in dieser Weise kritisiert, begeht also den Fehler, dass er die Entstehungswahrscheinlichkeit eines Organismus berechnet ohne die Lösungsmenge zu kennen, geschweige denn sie zu berücksichtigen. Die Struktur eines Lebewesens ist auch nur in gewissen Bereichen in einem bestimmten Entwicklungsstadium der Zelle konstant. Ansonsten lebt ein Lebewesen von der Veränderung seiner Struktur.

Aber gehen wir erst einmal der Frage nach, was man mit der Wahrscheinlichkeitsrechnung berechnen kann und was nicht. Berechnen lässt sich die Häufigkeit, mit der bestimmte Ereignisse unter einer Vielzahl von gleich möglichen Ereignissen auftreten. Aus Wahrscheinlichkeitsrechnungen ergeben sich jedoch keine Aussagen darüber, wann ein Ereignis eintrifft.

Beispiel:

Würfelt man ca 600 Mal, so ist zu erwarten, daß die Zahl 1 etwa zwischen 50 und 150 Mal gewürfelt wird (ca 1 / 6 Mal). Möglich ist aber auch, dass die Zahl 1 überhaupt nicht gewürfelt wird. Nur dieser Fall ist recht unwahrscheinlich, es sei denn der Würfel wurde präpariert oder der Wurf erfolgte in exakt definierter Weise. In diesem Fall sind die möglichen Ereignisse nicht mehr gleichmäßig verteilt. Es handelt sich also nicht mehr um einen reinen Zufallsprozess, sondern hier dominieren ganz bestimmte funktionale Abläufe, die - wie übrigens alle funktionalen Abläufe - eine ganz bestimmte Ordnung erzeugen.

Das Bild besteht aus aneinandergereihten Strichfolgen, deren Länge und Richtung per Zufallszahlengenerator bestimmt wurde. Die einzelnen Strichfolgen wurden wiederum mehrmals aneinandergereiht. Schließlich wurde der erste Quadrant noch an der Waagerechten und der Vertikalen gespiegelt. So generierte das Programm dieses Bild, das den Eindruck von Ordnung vermittelt und doch ein Zufallsprodukt ist.

 

Wenn die Strichfolge aus weniger als 20 Strichen besteht, so werden Wellenlinien generiert. 

Bei Strichfolgen mit 300 oder mehr Strichen entstehen hochkomplexe filigrane Gebilde. Je größer die Anzahl der Striche in einer Folge ist, bei nahezu gleicher Länge der einzelnen Striche, desto mehr konzentriert sich das Gewirr aus einzelnen Strichen aus makroskopischer Sicht auf einen Punkt, der sich nur langsam bewegt, denn die Richtung der Striche ist statistisch gleich verteilt.  Erst durch ein Aneinandersetzen der langen Strichfolge entsteht die Bewegung. Grob betrachtet entstehen so Massepunkte. Vielleicht ist diese Vorstellung ein brauchbares Modell für die Darstellung der Materie.

Siehe hierzu auch das java-Applet.

Bevor man anfangen kann, die Wahrscheinlichkeit zu berechnen, muss man also sehr genau untersuchen, welche Eigenschaften die einzelnen beweglichen Teile des Systems haben, in welcher Beziehung sie zueinander stehen und wie die Umgebung beschaffen ist, denn chemische Prozesse werden ganz wesentlich von Randbedingungen beeinflusst.

Um zu klären, ob die Entstehung der Lebewesen auf einen Evolutionsprozess zurückzuführen ist, muss man das gesamte chemische Umfeld betrachten. U. a. muss folgendes berücksichtigt werden:

  • Die Bindungspräferenzen von Molekülen, die im wesentlichen den   Ablauf von chemischen Reaktionen bestimmen. Sie hängen ihrerseits ab von der Systemumgebung (z. B. Temperatur, Druck, Konzentration, Art der Moleküle, Katalysatoren, Inhibitoren u. s. w.).

  • Die Lösungsvielfalt! Es gibt doch nicht nur einen lebenden Organismus, sondern nach Schätzungen mehrere hunderttausend Arten. Berücksichtigt man noch, dass ein Organismus auch nach einer genetischen Veränderung in den meisten Fällen noch funktionsfähig bleibt, so ergibt sich eine gigantische Lösungsvielfalt. Selbst innerhalb einer Art weisen zwischen 5 und 15 % der Gene kleine Unterschiede auf, die es uns ermöglichen jedes Lebewesen als Individuum zu erkennen. Innerhalb der menschlichen Art unterscheiden sich die Gene zweier Menschen um ca 0,1%. Dies ist eines der Ergebnisse des Human Genom Projekts. Viele der in Lebewesen produzierten Enzyme unterscheiden sich von Art zu Art  (siehe Die Evolutionsgeschichte des Enzyms CytochromC). Beim Menschen sind etwa 6,7 % der Gene leicht unterschiedlich. Für den Menschen ergibt sich daraus eine Lösungsvielfalt von 10 hoch 2017 (Eine 1 mit 2017 Nullen) (Quelle: "Evolution" Spektrum akademischer Verlag). Wer meint, dass diese Zahl zu hoch gegriffen ist, der betrachte einmal die Zahl unterschiedlicher menschlicher Gesichter, die Kombinationsmöglichkeiten bei den Blutgruppen, bei der Augenfarbe, bei der Haarfarbe, bei der Hautfarbe, bei der Körpergröße u. s. w.

  • Die Fehlertoleranz von Lebewesen! Bakterien, aber auch Insekten können auch an für sie giftige Umgebungen (z. B. Insektizide) adaptiert werden. D. h. der ganze Stoffwechsel passt sich der giftigen Umgebung an. Auch beim Menschen gibt es Gewöhnungseffekte bei bestimmte Arzneien.

  • In mehrzelligen Organismen sind oft nur zwischen 2% und 8% des genetischen Materials aktiviert ist (je nach Funktion der Zelle).

  • Nicht alle Gene eines Organismus sind für diesen überlebenswichtig. Wie viele Gene ein bakterieller Organismus mindestens benötigt, wird derzeit im Rahmen des "Minimal Genom Project" untersucht. Die Forschergruppe um Craig Venter experimentiert derzeit mit dem Bakterium mycoplama genitalium, das u. a. auch im menschlichen Genitalbereich lebt. Es hat nur 517 Gene (der Mensch hat rund 30000 Gene). Die Forscher schätzen, dass dieses Bakterium zum Überleben nur so zwischen 265 und 350 Gene benötigt. Derzeit versucht man dies herauszufinden, indem man einzelne Gene entfernt. (Natur & Kosmos März 2003)

  • Vergleichende Untersuchungen an Biopolymeren haben ergeben, dass sehr viele verschiedene Nukleotid- oder Aminosäuresequenzen zu Nukleinsäure bzw. Proteinstrukturen mit etwa den selben Eigenschaften führen. In Computerexperimenten zeigt sich, dass man nur einen Bruchteil aller Sequenzen durchsuchen muss, um eine vorgegebene Struktur zu finden. So kann man nachweisen, dass alle für das irdische Leben wesentlichen Sekundärstrukturen von Sequenzen aus 100 Nukleotiden durch maximal 20 Nukleotidsubstitutionen von jeder Zufallssequenz aus erreichbar sind. Anstelle der insgesamt ca 1060 RNA-Sequenzen, die als kombinatorische Vielfalt bei 100 Nukleotiden möglich sind, braucht man "nur" höchstens 1030 Sequenzen zu untersuchen, um eine geeignete Struktur zu finden, d. h. eine Struktur mit einer bestimmten Funktion. (Quelle: P. Schuster P (1994) Molekulare Evolution an der Schwelle zwischen Chemie und Biologie. In: W. Wieser (1994; Hrsg.) Die Evolution der Evolutionstheorie. Von Darwin zur DNA Heidelberg. Berlin; Oxford, Spektrum akademischer Verlag, S. 62-63).

  • Die riesige Oberfläche der Erde! Riesig ist die Oberfläche der Erde vor allem im Vergleich zur Größe der Moleküle. Und in wässrigen Lösungen ist es der dreidimensionale Raum in dem sich die Teilchen begegnen. Nur zum Vergleich: Wie oft ist es Ihnen schon passiert, dass Sie einem Ihrer Bekannten, Verwandten oder Freunde / Freundinnen zufällig begegnet sind. Mir ist dies schon öfters passiert. Einmal sogar im Ausland, in Verona..Solche Ereignisse sind also höchst wahrscheinlich, trotz der vielen anderen Menschen, die in Europa leben und von denen ich vielleicht nur 300 oder vierhundert persönlich kenne. und trotz der riesigen Fäche, wenn man Europa als als Zielgebiet einschränkt.

  • Die unterschiedlichen Bedingungen, die auf der Erde herrschen. Heiße Vulkane, Sümpfe, riesige Wasserflächen, Landgebiete mit den unterschiedlichsten Mineralien. Dies alles ermöglicht unzählige chemische Reaktionen, die gleichzeitig ablaufen können. Dabei muss man auch noch bedenken, dass chemische Reaktionen mit enorm hohen Geschwindigkeiten ablaufen können. Ein einzelnes Enzym-Molekül (Bio-Katalysator) kann unter günstigen Bedingungen (ca 30 Celsius, Reaktionspartner in der Nähe) pro Sekunde mehrere hundert Moleküle synthetisieren. In einer menschlichen Zelle werden nach Schätzungen ca 10 Millionen ATP-Moleküle pro Sekunde umgesetzt.

  • Angenommen wir leben in einem unendlich großen Universum, das zu einem gewissen Prozentsatz mit Materie angefüllt ist. Dann folgt aus der Unendlichkeit dieses Universums und seiner Dynamik, dass jede molekulare Konstellation die prinzipiell entstehen kann (z. B. die  Konstellation einer Urform der lebenden Zelle) auch irgendwo in diesem Universum realisiert wird oder bereits realisiert ist.

Aber selbst wenn wir in einem endlichen Universum leben, dann gibt es, was die Urform der lebenden Zelle anbetrifft einen Wald von Lösungen, aber man weiß bis heute nicht welche Prozessbedingungen (Randbedingungen chemischer Reaktionen) notwendig sind, um diesen Wald zu erreichen. Aber wenn auch nur eine der Lösungen in diesem Wald erreicht wird, dann kommt es zur Zündung eines Evolutionsprozesses, der sowohl zu einer allmählichen Normierung einzelner Arten führt als auch zu einer Differenzierung infolge von Mutation, Selektion und Isolation. Man weiß nur, dass die Erde in ihrem Urzustand offenbar akzeptable Bedingungen dafür geboten hat. Dies zeigen u. a. die Versuche von Stanley L. Miller und Harold C. Urey Anfang der fünfziger Jahre (1952) durchgeführt wurden (siehe Mechanismen der Evolution).

Ein Streitpunkt ist auch, was man als kleinste Einheit des Lebens definiert. Ist es eine Zelle, ein sich selbst reproduzierendes System unterschiedlicher Moleküle oder ist es ein Makromolekül, das sich wie ein Virus innerhalb bestimmter Molekül-Systeme reproduzieren kann? Eine Bakterienzelle enthält jedenfalls wesentlich mehr, als für den Start eines Evolutionsprozesses nötig ist, z. B. primitive Mechanismen zur Steuerung der Bewegung und zum Erkennen der Nahrung. Als Startbedingung für einen Evolutions-Prozeß genügt ein modulartig erweiterbares Molekül, das sich innerhalb eines Systems von unterschiedlichen Molekülen selbst reproduzieren kann oder ein System unterschiedlicher Moleküle, die sich als chemisches Netzwerk gegenseitig reproduzieren und dies innerhalb einer Membran, die nur bestimmte Stoffwechselreaktionen zulässt (siehe das Kapitel emergente Organisationen). Sich selbst reproduzierende Moleküle müssen keine Riesenmoleküle wie die menschliche DNA sein. Es kann auch eine RNA sein. Aus dem Einzeller Tetrahymena Thermophila konnte man eine RNA isolieren, die sich selbst reproduzieren kann (Quelle: Zeitschrift "Spektrum" Spektrum akademischer Verlag Januar 1987). Die Kettenlänge dieses Moleküls bestand aus ca 400 Nukleotiden. Die zahlreichen Experimente zur Evolutionstheorie zeigen, dass unter bestimmten Bedingungen Makromoleküle mit einer Kettenlänge von 200 und mehr Aminosäuren in der Kette entstehen. Damit ist nicht ausgeschlossen, dass kurzfristig auch Kettenlängen von 400 Nukleotiden entstehen.

Die Entstehung des Lebens als Ergebnis eines chemischen Evolutionsprozesses ist also durchaus nicht so unwahrscheinlich, wie es von manchen Kritikern der Evolutionslehre dargestellt wird.


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