Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie schnell ist die Evolution?

30.12.2010
Ein Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation bestimmt den Einfluss zufälliger Mutationen

In der Evolution herrscht der Zufall: Einzelne, zufällig auftretende Mutationen, die zunächst nur wenige Exemplare einer Art betreffen, können nach und nach eine gesamte Population verändern und maßgeblich prägen. Bisher konnten Wissenschaftler den entscheidenden Einfluss solch seltener Mutationen jedoch nicht präzise mathematisch beschreiben - und somit keine exakten Vorhersagen für die Evolutionsgeschwindigkeit treffen.


Da sich eine Population mit der Zeit immer besser an ihre Umgebung anpasst, verschiebt sich die Verteilung der Fortpflanzungsraten zu immer höheren Werten - hier von niedrig (schwarz) zu hoch (rot). Die genaue Ausbreitung dieser Welle hängt von den seltenen Fluktuationen an der Wellenfront ab. Das Hintergrundbild wurde im Norden Thailands in der Nähe von Chiang Mai aufgenommen. Bild: MPIDS

Dem Physiker Oskar Hallatschek vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen ist es nun erstmals gelungen, dieses Problem zu lösen. Die neue Herangehensweise lässt sich dabei nicht nur auf Evolutionsvorgänge anwenden. Auch für das Verständnis der Geschwindigkeit chemischer Reaktionen und der Ausbreitung von Krankheitserregern bietet die Methode neue Impulse. (PNAS, 27. Dezember 2010)

Im Verlaufe ihrer Evolution passt sich jede Population ständig ihrer Umgebung an. Schärfere Augen, spitzere Krallen oder eine höhere Ausdauer - oft sind es zufällige Mutationen einzelner Individuen, die am Anfang einer solchen Entwicklung stehen. Erweist sich eine solche Mutation als vorteilhaft im Kampf ums Überleben, können sich ihre Träger schneller und effektiver vermehren. Als Folge nimmt die Anzahl der Tiere, Pflanzen oder Viren, die sich durch diese Mutation auszeichnen, mit der Zeit zu - bis eine weitere spontane Genveränderung neue Vorteile bietet. "Mit der Zeit verschiebt sich somit die Verteilung der Fortpflanzungsraten innerhalb einer Population immer weiter zu höheren Werten hin", erklärt Oskar Hallatschek vom MPIDS. Die Spezies vermehrt sich immer schneller.

Mit welcher Geschwindigkeit sich dieser Anpassungsprozess vollzieht, ließ sich bisher nicht zuverlässig berechnen. "Die zufälligen Mutationen entsprechen aus mathematischer Sicht statistischen Fluktuationen", so Hallatschek. "Und diese sind in Formeln kaum in den Griff zu bekommen." Vernachlässigt man hingegen die statistischen Fluktuationen, ergibt sich, dass sich der Anpassungsprozess der Population immer weiter beschleunigt. Dies entspricht jedoch nicht den Beobachtungen in der Natur. Stattdessen gehen Wissenschaftler davon aus, dass sich nach und nach eine konstante Anpassungsgeschwindigkeit einstellt.

Ein geschickter Kniff verhalf dem Göttinger Forscher nun zum Erfolg. Während ältere Modelle die Anzahl der Individuen innerhalb einer Population als konstant voraussetzen, lässt das Modell von Hallatschek kleine Schwankungen der Populationsgröße zu. "Natürlich begrenzt jeder Lebensraum die Anzahl der Tiere, die dort leben können", so der Physiker. Dennoch können beispielsweise in einem milden Winter in einem abgeschlossenen Waldgebiet einige Wildschweine mehr überleben als in einer besonders kalten Saison. Diesem Umstand trägt das neue Modell Rechnung. Die Gleichungen nehmen dadurch eine Form an, die sich deutlich leichter lösen lässt.

In einem ersten Schritt konnte Hallatschek diese Methode nun auf die Evolution bestimmter RNA-Viren anwenden. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass Mutationen besonders schnell und häufig auftreten. Insgesamt ergaben die Rechnungen Vorhersagen, die mit bisherigen Computersimulationen gut übereinstimmen.

Doch auch in anderen Bereichen lässt sich das neue Lösungsverfahren einsetzen. Voraussetzung ist nur, dass sich eine abzählbare Größe - wie etwa einzelne Tiere - wellenartig ausbreitet und an ihrer Wellenfront zufälligen Schwankungen unterliegt. Dies ist auch bei der Verteilung einzelner Ionen bei einer chemischen Reaktion der Fall oder bei der Verbreitung ansteckender Krankheiten durch einzelne kranke Individuen.

Originalveröffentlichung:

Oskar Hallatschek
The noisy edge of traveling waves
Proceedings of the National Academy of Sciences, Early Edition, 27. Dezember 2010, doi:10.1073/pnas.1013529108

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Dr. Birgit Krummheuer, Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen
Tel.: 0551 5176-668, Mobil: 0173 3958625
E-Mail: birgit.krummheuer@ds.mpg.de
Dr. Oskar Hallatschek
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen
Tel.: 0551 5176-670
E-Mail: oskar.hallatschek@ds.mpg.de

Barbara Abrell | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Aufräumen? Nicht ohne Helfer
19.10.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Einzelne Rezeptoren auf der Arbeit
19.10.2017 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Im Focus: Neutron star merger directly observed for the first time

University of Maryland researchers contribute to historic detection of gravitational waves and light created by event

On August 17, 2017, at 12:41:04 UTC, scientists made the first direct observation of a merger between two neutron stars--the dense, collapsed cores that remain...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Aufräumen? Nicht ohne Helfer

19.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Neue Biotinte für den Druck gewebeähnlicher Strukturen

19.10.2017 | Materialwissenschaften

Forscher studieren molekulare Konversion auf einer Zeitskala von wenigen Femtosekunden

19.10.2017 | Physik Astronomie