Evolutionslabor
Evolutionslabor
Evolution ist nicht nur etwas, das vor langer Zeit geschah. Sie passiert genau jetzt: in Krankenhäusern, in Wäldern und in jedem Kind, das geboren wird. Führe sechs Experimente selbst durch und sieh dann, was geschah, als Forschende die echten Versuche machten.
1 · Bakterien gegen Antibiotika
Bakterien gegen Antibiotika
Bakterien breiten sich von beiden Rändern einer Platte nach innen aus. Jeder Streifen zur Mitte hin enthält zehnmal so viel Antibiotikum wie der vorige. Ein Bakterium kann in einem Streifen, gegen den es nicht resistent ist, nicht wachsen. Doch bei jeder Teilung gibt es eine kleine Chance auf eine Mutation, und manche Mutationen machen die Nachkommen etwas widerstandsfähiger.
- Generationen
- 0
- Höchster erreichter Streifen
- ohne Wirkstoff
- Resistenzstufen
Drück auf Start. Jede Farbe ist eine Resistenzstufe. Beobachte, wo die Front stockt und wo ein einzelner Mutant durchbricht.
Das echte Experiment
2016 goss ein Team in Harvard eine riesige Platte von 120 mal 60 Zentimetern, mit Streifen des Antibiotikums Trimethoprim, deren Konzentration zur Mitte hin jeweils um das Zehnfache stieg, bis zum 1.000-Fachen der Dosis, die E. coli normalerweise stoppt. Die an den Rändern ausgesetzten Bakterien entwickelten sich in weniger als zwei Wochen bis in den mittleren Streifen, und eine Kamera filmte jeden Schritt. Eine Überraschung: Die resistentesten Mutanten gewannen nicht immer. Manchmal steckten sie hinter langsamer wachsenden, weniger resistenten Nachbarn fest.
Warum das wichtig ist: Der übermäßige Einsatz von Antibiotika führt dieses Experiment weltweit durch. Jede Anwendung begünstigt die Bakterien, die sie überleben.
Das längste Evolutionsexperiment
Am 24. Februar 1988 setzte Richard Lenski 12 identische Kolben mit E. coli an. Jeden Tag wird ein wenig von jeder Kultur in frisches Nährmedium übertragen, das ergibt etwa 6,6 Generationen pro Tag. Im August 2024 überschritten die Populationen 80.000 Generationen, mehr als sechsmal so viele, wie unsere Art bisher erlebt hat. Um Generation 31.000 entwickelte eine Population etwas Neues: die Fähigkeit, sich von Citrat zu ernähren, das E. coli normalerweise nicht verwerten kann, wenn Sauerstoff vorhanden ist.
Warum so schnell? Unter guten Bedingungen kann sich E. coli etwa alle 20 Minuten teilen.
Studien:Baym et al. 2016, Science ↗Blount et al. 2008, PNAS ↗Good et al. 2017, Nature ↗E. coli long-term evolution experiment ↗Antibiotikaresistenz ↗
2 · Sei der Vogel
Sei der Vogel
Birkenspanner ruhen tagsüber auf Baumrinde. Die meisten sind hell und gesprenkelt; einige wenige tragen eine Mutation, die sie schwarz macht. Du bist ein hungriger Vogel: Klicke auf die Falter, die du entdeckst. Die Überlebenden legen Eier, und ihre Jungen sehen aus wie die Eltern.
Das echte Experiment
Das ist wirklich passiert. Schwarze Birkenspanner wurden 1848 erstmals in Manchester beobachtet. Als Kohleruß die Bäume schwärzte, breiteten sie sich rasch aus, und 1895 waren etwa 98 % der Falter rund um Manchester schwarz. Nach den Luftreinhaltegesetzen der 1950er-Jahre wurde die Rinde wieder hell, und schwarze Falter wurden selten. 2016 fanden Genetiker die Mutation selbst: ein Stück „springende DNA“, das in einem Gen namens cortex gelandet war, höchstwahrscheinlich um 1819.
Aber waren es wirklich die Vögel?
Um die Frage zu klären, ließ der Biologe Michael Majerus über sechs Jahre 4.864 Falter frei und beobachtete, welche von Vögeln gefressen wurden. Auf der heutigen sauberen Rinde erwischten Vögel mehr dunkle Falter, genug, um zu erklären, warum die schwarzen Falter verschwinden.
Studien:van't Hof et al. 2016, Nature ↗Cook et al. 2012, Biology Letters ↗Peppered moth evolution ↗Natürliche Auslese ↗
3 · Gen-Mixer
Gen-Mixer
Jedes Kind bekommt die Hälfte seiner Gene von jedem Elternteil, aber welche Hälfte, entscheidet der Zufall. Lerne zwei Fantasiewesen kennen, die jeweils zwei Kopien von fünf Genen tragen. Ein Großbuchstabe ist dominant: Eine Kopie reicht, damit das Merkmal sichtbar wird. Klicke auf einen Buchstaben, um die Gene eines Elternteils zu ändern.
Elternteil A
Elternteil B
Kind
Du bist eine von etwa 70 Billionen Möglichkeiten
Jeder deiner Eltern hatte 23 Chromosomenpaare und gab aus jedem Paar ein Chromosom weiter, ausgewählt durch Zufall. Das ergibt 2²³ = 8.388.608 mögliche Kombinationen pro Elternteil und etwa 70 Billionen für ein Paar, noch bevor Chromosomen untereinander Stücke tauschen (Crossing-over), was die Zahl noch um ein Vielfaches erhöht. Dazu kommt jedes Kind mit etwa 70 ganz neuen Mutationen zur Welt, die keiner der Eltern hatte.
Gregor Mendel entdeckte diese Regeln in den 1860er-Jahren, indem er im Garten eines Klosters rund 28.000 Erbsenpflanzen anbaute und kreuzte. Bis 1900, sechzehn Jahre nach seinem Tod, erkannte niemand, wie bedeutend seine Arbeit war.
Studien:Jónsson et al. 2017, Nature ↗Mendelsche Regeln ↗Crossing-over ↗Gregor Mendel ↗
4 · Darwinfinken
Darwinfinken: Du bestimmst das Wetter
Auf Daphne Major, einer winzigen Galápagos-Insel, haben Peter und Rosemary Grant jahrzehntelang fast jeden Finken gefangen, vermessen und beobachtet. Hier bestimmst du das Wetter jedes Jahres. Das Wetter entscheidet, welche Samen übrig bleiben, und die Samen entscheiden, welche Schnäbel überleben.
Vereinfachtes Modell: Das Überleben hängt davon ab, wie gut ein Schnabel zu den Samen des Jahres passt, und die Schnabelhöhe wird mit einer Heritabilität von 0,75 vererbt, nahe an dem, was die Grants gemessen haben. Die Wiedergabe folgt der echten Abfolge wichtiger Jahre, die Zahlen sind aber simuliert.
Das echte Experiment
1977 fielen auf Daphne Major nur etwa 24 Millimeter Regen. Die kleinen, weichen Samen gingen aus, und die meisten Mittelgrundfinken der Insel starben. Überlebt haben vor allem große Vögel mit hohen Schnäbeln, die die großen, harten Samen des Burzeldorns knacken konnten. Ihr Nachwuchs hatte etwa 4 % höhere Schnäbel als die Population vor der Dürre: Evolution, gemessen mit der Schieblehre, innerhalb einer einzigen Generation.
Dann kehrte sich die Richtung um
Die El-Niño-Regenfälle von 1982–83 überschwemmten die Insel mit kleinen Samen, und in den folgenden Jahren hatten kleinere Schnäbel Vorteile. 1982 hatten sich einige Große Grundfinken auf der Insel angesiedelt. In der Dürre von 2004 nahmen sie die großen Samen für sich, und die Schnäbel der Mittelgrundfinken wurden kleiner: die stärkste evolutionäre Veränderung, die die Grants in 33 Jahren gemessen haben. 2016 brachten Genetiker diese Veränderung mit einer Genregion namens HMGA2 in Verbindung. Die Lehre der Grants nach 30 Jahren: Kurzfristig ist Evolution vorhersagbar, langfristig nicht, weil das Wetter es nicht ist.
Studien:Boag & Grant 1981, Science ↗Grant & Grant 2002, Science ↗Grant & Grant 2006, Science ↗Lamichhaney et al. 2016, Science ↗Darwinfinken ↗
5 · Füchse zähmen
Züchte einen zahmen Fuchs
1959 begann der sowjetische Genetiker Dmitri Beljajew in Sibirien ein Experiment. Von den Silberfüchsen aus Pelzfarmen durften nur die ruhigsten und freundlichsten Junge bekommen. Jetzt bist du der Züchter: Wähle die Eltern jeder neuen Generation und sieh, was sich dabei sonst noch verändert.
Vereinfachtes Modell: Zahmheit hängt von vielen Genen und vom Zufall ab. Weiße Flecken, Schlappohren und Ringelschwänze tauchen selten auf, bei zahmen Füchsen etwas häufiger, wie im Experiment beobachtet; warum, ist noch umstritten.
Das echte Experiment
Im echten Experiment wurden weniger als 10 % jeder Generation zu Eltern. In der vierten Generation wedelten die ersten Welpen Menschen gegenüber mit dem Schwanz. Die „Elite“, Füchse, die wie Hunde die Nähe von Menschen suchen, winseln und lecken, machte in Generation 6 1,8 % der Welpen aus, in Generation 10 18 %, in Generation 20 35 % und in Generation 30 49 %. 2005–2006 gehörte fast die ganze Population zur Elite, und ihre Stresshormonwerte waren auf ein Drittel derer gewöhnlicher Farmfüchse oder weniger gesunken.
Schlappohren, die niemand ausgewählt hat
Ausgewählt wurde nur das Verhalten, und doch erschienen nach 8–10 Generationen weiße „Stern“-Flecken, und manche Füchse bekamen Schlappohren und Ringelschwänze, Merkmale vieler Haustiere. Beljajew glaubte, dass allein die Auswahl auf Zahmheit verändert, wie Gene während der Entwicklung an- und abgeschaltet werden. Diese Idee ist heute umstritten: 2020 verfolgten Forschende Beljajews Füchse zu Pelzfarmen in Ostkanada zurück, wo Füchse bereits seit Jahrzehnten gezüchtet wurden, und argumentierten, dass die Schlussfolgerungen des Experiments überschätzt wurden. 2018 zeigte das Fuchsgenom Regionen, die mit zahmem und aggressivem Verhalten zusammenhängen.
Studien:Trut et al. 2009, BioEssays ↗Kukekova et al. 2018, Nature Ecology & Evolution ↗Lord et al. 2020, Trends in Ecology & Evolution ↗Domesticated silver fox ↗
6 · Deine eigene Welt
Bau deine eigene Welt
Hier leben kleine Fantasiewesen. Sie fressen, fliehen, werden alt und bekommen Nachwuchs. Jedes trägt vier Gene, für Körpergröße, Tempo, Farbe und Fell, und gibt sie mit winzigen zufälligen Änderungen weiter. Niemand entwirft sie. Verändere ihre Welt und sieh zu, wie die natürliche Selektion sie umformt.
Probier das aus
- Stell den Boden auf hellen Sand und setze viele Raubtiere ein. Warte eine Weile und wechsle dann zu dunkler Lava. Was passiert mit der Farbe der Lebewesen?
- Starte eine Eiszeit. Wer überlebt, die mit dickem oder die mit dünnem Fell? Wechsle danach zur Wüstenhitze.
- Stell die Nahrung von reichlich auf knapp und beobachte das Bevölkerungsdiagramm. Wie viele Lebewesen kann die Welt ernähren?
- Drück auf „Neu starten“ und schau einfach zu. Die ersten Lebewesen sind mittelgroß und mittelschnell. Wo pendeln sich Größe und Tempo von selbst ein, und warum?
Das ist eine Simulation, kein echtes Ökosystem, aber sie folgt denselben drei Regeln wie das Leben: Variation, Vererbung und ungleiches Überleben und Fortpflanzen.
Jedes Gen hat seinen Preis
Ein größerer Körper ist für Raubtiere schwerer zu überwältigen, braucht aber mehr Nahrung. Tempo hilft bei Flucht und Futtersuche, verbraucht aber Energie. Fell schützt vor Kälte, führt in der Wüste aber zu Überhitzung. Tarnung wirkt nur auf dem passenden Boden. Die Selektion findet nie das perfekte Lebewesen, sondern einen Kompromiss, der zur Welt passt, wie sie gerade ist. Ändert sich die Welt, ändert sich der Kompromiss.
Nichts hier ist darauf programmiert, sich zu entwickeln
Der Code enthält keine Anweisung wie „werde dunkler“ oder „lass dir Fell wachsen“. Er legt nur fest, wie die Lebewesen sich bewegen, fressen, für ihren Körper bezahlen, gefangen werden und sich fortpflanzen, mit kleinen Kopierfehlern. Jeder Trend in den Diagrammen entsteht allein daraus, und genau das war Darwins Punkt.
Mehr erfahren:Natürliche Auslese ↗Tarnung ↗