Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Warum übertriebene Abwehr gegen Krankheiten evolutionsbiologisch Sinn macht

11.07.2013
In der Biologie und Humanmedizin ist es ein bekanntes Phänomen, dass Abwehrmechanismen gegen Fressfeinde, Parasiten oder Pathogene oft viel stärker ausgebildet sind als es notwendig erscheint, und zwar in einem Ausmaß, das sogar auch schädlich sein kann.

Ein Beispiel dafür sind Autoimmunerkrankungen, die als Konsequenz übertriebener Abwehr gegen potenzielle Krankheitserreger gedeutet werden. Reinhard Bürger von der Fakultät für Mathematik und US-Biologen veröffentlichten kürzlich eine einfache, evolutionsbiologisch begründete Erklärung für diese Paradoxie in "Nature Communications".


Asymmetrische Selektion verursacht übertriebene Abwehrmechanismen. In dieser Abbildung nimmt die Überlebenswahrscheinlichkeit von rechts nach links exponentiell zu, und zwar bis zu dem Wert des Abwehrmerkmals (hier 0.5) ab dem Individuen "unverwundbar" sind. Andererseits nimmt die Fekundität (Fruchtbarkeit) von links nach rechts linear zu, da eine hohe Abwehr mit Kosten verbunden ist (am besten zu sehen links von 0.5). Von hinten nach vorne nimmt die Häufigkeit der (Fress)Feinde zu. Je mehr Feinde es gibt, desto asymmetrischer wird die Selektion.

(Urban MC, Bürger R, Bolnick DI: "Asymmetric selection and the evolution of extraordinary defences". Nature Communications 4: 2085 (2013))

Die Publikation beruht auf einem klassischen Modell der quantitativen Genetik zur Vorhersage der Folgen von Selektion auf quantitative Merkmale. Das sind Merkmale, die kontinuierliche Variation aufweisen, wie etwa Körpergröße oder Panzerdicke. Dieses Modell, das seit langem in der Tier- und Pflanzenzucht verwendet wird, findet in modifizierter Form seit einigen Jahrzehnten auch in der Evolutionsbiologie Anwendung: Damit sagen WissenschafterInnen die Evolution von Merkmalen unter Selektion vorher oder rekonstruieren Evolutionsvorgänge in der Vergangenheit.

In vielen Fällen wird dabei eine Glockenkurve verwendet, um Selektion in der Nähe eines optimalen Merkmalzustandes zu beschreiben. In diesem Fall evolviert dann eine Population so, dass ihr Mittelwert den optimalen Merkmalszustand erreicht und die Population um diesen herum variiert. Zahlreiche Merkmale stehen aber unter asymmetrischer Selektion, d.h. Abweichungen in eine Richtung sind schädlicher als in die andere. Die Effektivität der Selektion wird oft durch eine Fitnesslandschaft dargestellt, also durch eine Kurve oder Fläche, deren Höhe die Überlebenswahrscheinlichkeit misst. Im vorliegenden Fall hat die Fitnesslandschaft dann eher das Profil einer Klippe, mit einer sehr steilen und einer flachen Flanke, anstatt einer Glockenkurve.

Für den Fall asymmetrischer Selektion entwickelte Reinhard Bürger eine mathematische Theorie, die vorhersagt, auf welcher Seite des Fitnessoptimums der Mittelwert der Population liegen wird, wenn sich ein Gleichgewicht eingestellt hat: "Unter sehr allgemeinen Bedingungen befindet sich der Mittelwert der Population auf der flacheren Flanke des Fitnessgipfels", erklärt Reinhard Bürger. Der Grund dafür ist der folgende: Die Nachkommen von Eltern, deren Merkmal sich nahe am Gipfel der Fitnesslandschaft befindet, produzieren Nachkommen, deren Merkmal sich in etwa der Hälfte der Fälle links davon befindet, und zu Hälfte rechts. Die Nachkommen, die die "Klippe hinuntergefallen sind", haben aber eine sehr geringe "Fitness" (Überlebenswahrscheinlichkeit). Also haben Eltern, die sich auf der flacheren Seite der Klippe befinden, im Durchschnitt mehr lebensfähige Nachkommen. So ein Zustand stellt sich dann auch tatsächlich als Gleichgewichtszustand ein. Seine genaue Position hängt von verschiedenen detaillierten genetischen und ökologischen Eigenschaften der Population ab.

Für Merkmale, die der Abwehr dienen, ist es wichtig sich, dass sie dies möglichst effektiv tun, da Fressfeinde oder Pathogene eine hohe Gefahr darstellen. Oft ist die Ausbildung solcher Merkmale auch mit (z.B. energetischen) Kosten verbunden, die aber nur dann hoch werden, wenn die Ausbildung des Merkmals extrem ist. Eine überschießende Immunabwehr gefährdet erst dann ein Individuum, wenn dadurch Gewebe zerstört wird. Eine zu schwache Immunabwehr wiederum kann aber leicht tödlich enden. Das vorliegende Modell löst dieses Dilemma, indem es zeigt, dass der evolutionär optimale Zustand darin liegt, eine höhere als notwendig erscheinende Abwehr zuzulassen, selbst wenn das zu gewissen Kosten führt.

Wissenschaftliche Publikation:
Urban MC, Bürger R, Bolnick DI: "Asymmetric selection and the evolution of extraordinary defences". Nature Communications 4: 2085 (2013),

DOI: 10.1038/ncomms3085

Wissenschaftlicher Kontakt:
Ao. Univ.-Prof. Dr. Reinhard Bürger
Institut für Mathematik
1090 Wien, Nordbergstraße 15
T +43-1-4277-506 31
reinhard.buerger@univie.ac.at
Rückfragehinweis:
Mag. Alexandra Frey
Pressebüro der Universität Wien
Forschung und Lehre
1010 Wien, Universitätsring 1
T +43-1-4277-175 33
M +43-664-602 77-175 33
alexandra.frey@univie.ac.at

Michaela Wein | Universität Wien
Weitere Informationen:
http://www.univie.ac.at

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers
28.04.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Forschungsteam entdeckt Mechanismus zur Aktivierung der Reproduktion bei Pflanzen
28.04.2017 | Universität Hamburg

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: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie