Was Evolutionsbiologen schon immer über Sex wissen wollten

Er kostet Zeit und Energie, ist weder effektiv noch effizient. Trotzdem ist Sex die von der Natur favorisierte Fortpflanzungsstrategie – eine Tatsache, die die Evolutionsbiologie noch immer nicht erklären kann. Empirische molekulargenetische Untersuchungen konnten von den bisher entwickelten Theorien noch keine umfassend bestätigen.

Warum Sex? Die Frage wäre rasch beantwortet, würde sie nicht auf der Wissenschaftsseite einer Zeitung gestellt. Schließlich macht er Spaß und – ja sicher – er dient der Fortpflanzung, hat gar keinen anderen Zweck, wie die Geistlichen mancher Kirchen insistieren. Doch so selbstverständlich uns solche Aussagen in ihrer Anthropozentrik erscheinen, so unklar ist noch immer die Antwort der Evolutionsbiologie.

Die Königin der unbeantworteten Fragen

Während der Evolution gab es lange Zeit weder geschlechtliche Fortpflanzung noch geschlechtliche Lust. So vermehrten sich die ersten, noch kernlosen Zellen – die sogenannten Prokaryonten – schlicht dadurch, dass sie sich zweiteilten. Während des Übergangs von den Pro- zu den komplexeren Eukaryonten vor rund 1,4 Milliarden Jahren entstand dann der Sex, zunächst noch als fakultativer Austausch von genetischem Material. Erst bei den vielzelligen Organismen, die vor mehr als einer Milliarde Jahren aus den Eukaryonten entstanden, wurde der Sex zu einem solchen Renner, dass er nicht mehr aufgegeben und – wiederum vergingen Ewigkeiten – bei den Tieren zur favorisierten und meist auch ausschließlichen Fortpflanzungsstrategie wurde.

«Warum Sex?» bedeutet in der Biologie daher: Warum gibt es die sexuelle Reproduktion? Warum gibt es zuerst eine Zellteilung, die sogenannte Meiose oder Reduktionsteilung, die den doppelten Chromosomensatz auf einen einfachen reduziert, durch die genetische Rekombination das Erbgut neu mischt und schließlich auf Eizellen oder Spermien verteilt, und, als zweiten Schritt, die Verschmelzung dieser Keimzellen zu einer einzigen Zelle mit nun wieder doppeltem Chromosomensatz? Warum wurde nicht die Fortpflanzungsstrategie der Bakterien beibehalten, die ohne Sex auskommen und sich einfach klonen? Die Frage stellt sich für die Evolutionsbiologie deshalb so drängend, weil die asexuelle Jungfernzeugung risikolos und effizient ist, Sex hingegen vor allem Kosten zu verursachen scheint.

Auf die Ineffizienz der sexuellen Fortpflanzung weist eine Modellrechnung hin, die sich leicht umreißen lässt: Wenn jedes Weibchen einer Gruppe zwei Nachkommen zur Welt bringt, dann wird ein asexuelles Weibchen zwei Klone zeugen, diese je wieder zwei, so dass nach zwei Generationen vier Enkelinnen existieren. Ein sich sexuell fortpflanzendes Weibchen wird hingegen durchschnittlich nur eine Tochter haben (und einen Sohn, doch der kann in dieser Rechnung vernachlässigt werden). Auch die Tochter zeugt im Durchschnitt wiederum nur eine Tochter, so dass nach zwei Generationen nur zwei Enkelinnen existieren, nicht vier wie von der sich klonenden Großmutter. Von Generation zu Generation werden auf diese Weise die Weibchen, die auf Sex bauen, im Verhältnis zu ihren sich klonenden Geschlechtsgenossinnen weniger, bis sie schließlich aussterben – und mit ihnen das nutzlos gewordene männliche Geschlecht. Eine Welt von sich asexuell fortpflanzenden Weibchen wäre die Konsequenz.

Es ist offensichtlich, dass hier die Rechnung an der Realität vorbeigeht und es Prozesse geben muss, die der skizzierten Entwicklung entgegensteuern. Wo allerdings die Vorteile des Sex liegen, die so groß sind, dass sie die Nachteile aufwiegen können, ist ein Frage, deren Antwort sich als so langwierig und schwierig herausgestellt hat, dass Wissenschaftler vom «Paradox des Sex» oder auch blumiger von der «Königin aller ungelösten Probleme» sprechen. Die meisten Theorien hierzu fokussieren auf die Erklärung, dass Sex zu einer höheren Variabilität in der Gen-Ausstattung der Nachkommen führt und auf diese Weise den Organismus anpassungsfähiger macht. Sex selbst schafft zwar keine neuen Genvarianten, das leisten nur die Mutationen. Er schafft jedoch neue Kombinationen schon vorhandener Genvarianten, indem ein Teil der mütterlichen und ein Teil der väterlichen Gene im Erbgut der befruchteten Eizelle neu kombiniert werden.

Einer der ältesten Vorschläge, warum dies von Vorteil sein könnte, stammt von Ronald Fischer, der um 1930 darauf aufmerksam machte, dass Sex zu einer Häufung vorteilhafter Eigenschaften führe. Wenn nämlich ein Individuum A eine Mutation x mit positiven Konsequenzen für die Fitness trägt, ein zweites Individuum B eine ebenfalls vorteilhafte Mutation y, dann ist intuitiv einsichtig, dass die Kombination beider Mutationen mit einem additiven Vorteil verbunden ist. Bilden die Individuen A und B ein Paar, so besteht für jeden ihrer Nachkommen die Chance, sowohl x wie auch y zu erben und von beiden damit verbundenen Eigenschaften zu profitieren. In einer Generationenfolge von sich klonenden Individuen gibt es hingegen diese Kombinationseffekte nicht. Es wird mithin sicher mehrere Generationen brauchen, bis sich in dem Genom eines Individuums mit der Mutation x zufällig auch die Mutation y ereignen wird.

Rennen, um stehen zu bleiben

Ob eine Mutation oder eine neue Kombination verschiedener Mutationen sich als vorteilhaft erweisen wird, dafür gibt es allerdings keinen situationsunabhängigen und a priori feststehenden Maßstab. Hat ein Organismus dank einer neuen Eigenschaft Konkurrenten ausgestochen, Angriffe von Feinden besser abwehren und mehr Nachkommen zeugen können, dann hat sich diese Eigenschaft erst im Nachhinein als vorteilhaft erwiesen und zur biologischen Fitness des Organismus beigetragen. Doch was heute gilt, das gilt nicht morgen, und was für die Eltern von Vorteil war, muss nicht automatisch auch für die Nachfahren gut sein. Konkurrenten werden besser, Feinde rüsten auf, und Landschaften wandeln sich. Organismen müssen sich deshalb ständig verändern, um ihre Fitness zu behalten. In der Literatur wird dies als «red queen effect» bezeichnet, nach jener Stelle aus Lewis Carrolls Roman «Through the looking glass», in dem die rote Königin die kleine Alice belehrt, dass sie in ihrem Reich rennen müsse, um am selben Fleck zu bleiben.

Auch das Wettrüsten zwischen Parasiten und ihren unfreiwilligen Wirten kann zu einem «red queen effect» führen. Parasiten, die immer neue Taktiken des Befalls entwickeln, zwingen den Organismus zur Gegenwehr – er muss sich ständig verändern, damit er im gleichen Maße resistent gegen den Befall bleibt. Da nie vorhersehbar ist, wie sich die Parasiten verändern, ist es von Vorteil, Nachkommen mit möglichst verschiedenen Erbgutvarianten zu zeugen. Sex und nicht das Klonen, so eine vor rund 20 Jahren von William Hamilton ausgearbeitete Theorie, könne zu dieser Variabilität führen. Ein Weibchen, das sich klont, verhält sich damit wie ein Spieler, der alle Jetons auf eine Zahl setzt. Das durch Sex Nachkommen zeugende Weibchen dagegen verteilt die Jetons auf viele Felder und gewinnt wenn nicht in allen, so doch in vielen Runden etwas dazu. Sex ist also eine Strategie, durch möglichst hohe Variabilität für die Koevolution mit Parasiten gerüstet zu sein.

Eine dritte Theorie zum Erfolg von Sex basiert auf der Beobachtung, dass nur die wenigsten Mutationen im Erbgut eines Organismus vorteilhaft sind. Viele lassen schon den Embryo absterben, andere wirken sich auf Überleben und Fortpflanzung mehr oder weniger negativ aus. Wenn solch eine negative Mutation etwa auf einem Chromosom liegt, das auch ein für den Organismus wichtiges Gen trägt, dann wird das negative Gen vom positiven Gen geschützt und kann durch die natürliche Selektion nicht ausgemustert werden – eine Situation, in der wieder der Sex und die Rekombination helfen können. Denn diese befreit die positiven Gene aus ihrem ursprünglichen chromosomalen Kontext und fasst im besten Fall die negativen Gene auf einem Chromosom, die positiven auf einem anderen zusammen. Ein Nachkomme aus einer sexuellen Beziehung hat nun die Chance, nur die guten Gene zu erben. Sex sollte daher immer in solchen Situationen von Vorteil sein, in denen gute Gene sich in «schlechter Gesellschaft» befinden, nachteilig hingegen in jenen, in denen sie sich in «guter Gesellschaft» befinden, da er diese Konstellation ja unnötigerweise sprengen würde.

Die Zukunft gehört den Experimentatoren

So weit nur drei der wichtigsten Ideen zur Evolution des Sex, von denen jede ihre Fürsprecher und Gegner unter den Experten hat. Den insgesamt weit über zwanzig diskutierten und mathematisch untermauerten Hypothesen stehen jedoch vergleichsweise wenige empirische Überprüfungen gegenüber. Das ist nicht weiter verwunderlich, denn «Evolution in the making» ist für gewöhnlich ein zu langwieriger Prozess, um in der Natur beobachtet werden zu können. Freilandbeobachtungen können vor allem auf Korrelationen verweisen. Zu den bekanntesten gehören hier die des Biologen Curt Lively von der Universität Indiana in Bloomington. Er beobachtet seit vielen Jahren Schnecken, die in den Seen Neuseelands leben und unter dem Befall von parasitischen Würmern leiden. In Seen mit einem niedrigen Aufkommen dieser Würmer pflanzen sich die Schnecken ohne, bei hohem Parasitenbefall hingegen mit Sex fort, was als ein Indiz für die Richtigkeit der «red queen»-Hypothese interpretiert werden kann. Als schlagender Beweis werden diese wie auch ähnliche Beobachtungen in Fachkreisen jedoch nicht anerkannt, dazu gibt es zu viele alternative Erklärungen.

Geändert hat sich die Ausgangslage für die Empiriker, seit Datenbanken mit Erbgutsequenzen von Viren, Bakterien oder Hefen zur Verfügung stehen. Da diese Organismen große Populationen bilden, für gewöhnlich hohe Mutationsraten haben und sich so rasch fortpflanzen, dass sich das Werden und Vergehen mehrerer Generationen innerhalb eines Labortages beobachten lässt, bieten sie das geeignete lebende Material, an dem die Forscher ihre Hypothesen über Nutzen und Schaden von Sex unter verschiedenen Bedingungen testen können. So verwendete etwa Sebastian Bonhoeffer von der Arbeitsgruppe Ökologie und Evolution der ETH Zürich rund 10 000 Proben von HI-Viren, deren Replikationszyklus als eine primitive Form von Sex angesehen werden kann. Bonhoeffer ging dabei von der Hypothese aus, dass Sex bei diesen Viren wegen einer sogenannten negativen Epistase auftritt, also deshalb, weil sich im Genom die Wirkungen der nachteiligen Mutationen gegenseitig verstärken. Sex würde in solch einer Situation diese ungünstige Konstellation von Genen aufbrechen können.

Zur Überraschung Bonhoeffers zeigte die Analyse der Daten jedoch genau das Gegenteil: Das Genom der Viren ist durch eine positive Epistase charakterisiert, was bedeutet, dass die nachteiligen Mutationen derart angeordnet sind, dass sie sich in ihrer Wirkung gegenseitig abschwächen. Jede neue Mischung, wie sie durch Sex herbeigeführt wird, lässt daher für die Fitness Nachteile erwarten. Der Forscher hat damit Indizien geliefert, die gegen die Hypothese der negativen Epistase sprechen, kann aber im Moment auch keine alternative Erklärung anbieten.

Klonen – ein Rückschritt?

Die letztes Jahr in «Science» vorgestellte Untersuchung zeigt eindrücklich, wie indirekt die Suche nach Daten in diesem Feld nach wie vor ist und wie weit die Evolutionsbiologen trotz allen Theorien noch immer von einer Antwort auf die «Königin der unbeantworteten Fragen» entfernt sind. Mehr noch als die Theoretiker seien in Zukunft daher weiterhin Experimentatoren gefordert, fasst Bonhoeffer die Situation zusammen.

Eine Antwort auf die Frage «Warum Sex?» ist aber nicht nur von akademischem Interesse, sie ist auch für die intensiv geführte Debatte um das Pro und Contra des reproduktiven Klonens relevant. Um zurück auf das Rechenexempel zu kommen: Wenn die Nachteile der Asexualität so groß sind – etwa weil die Anfälligkeit für genetische Defekte oder Parasiten höher ist –, dass statistisch gesehen weniger Enkelinnen als bei der sexuellen Fortpflanzung auf die Welt kommen, dann gewinnt der Sex das Rennen. So betrachtet ließe das reproduktive Klonen evolutionär überwundene Nachteile wieder zutage treten. Die als wissenschaftlicher Fortschritt gefeierte Technik des Klonens könnte sich daher als ein Rückschritt in die evolutionsbiologische Vergangenheit erweisen.

Suzann-Viola Renninger; Neue Zürcher Zeitung 9. März 2005

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