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Es gibt wohl kaum etwas Komplexeres auf dieser Erde als einen lebenden Organismus. Der menschliche Körper beispielsweise besteht aus Dutzenden Billionen von Zellen, jede Zelle wiederum aus Milliarden von Molekülen, jedes Protein aus Hunderten bis Tausenden von Aminosäuren.
«Eigentlich würde man erwarten, dass solch komplexe Strukturen nicht stabil sind, sondern wie Kartenhäuser zusammenbrechen», erklärt Andreas Wagner, Professor am Biochemischen Institut der Universität Zürich. «Doch offensichtlich ist das nicht der Fall, im Gegenteil: Biologische Systeme sind äusserst robust. Sie sind zum Beispiel fähig, sich ständig ändernden Umgebungsbedingungen anzupassen.»
Und biologische Systeme verfügen noch über eine zweite bemerkenswerte Eigenschaft: Sie sind innovativ und entwickeln sich kontinuierlich weiter. «Im Grunde genommen blicken wir auf vier Milliarden Jahre Innovations-geschichte zurück», bringt es Andreas Wagner auf den Punkt.
In dieser langen Zeit gab es nicht nur zahllose kleinere Innovationen wie etwa die Fähigkeit von Bakterien, toxische Substanzen als Lebensgrundlage zu nutzen, sondern auch fundamental neue Entwicklungsschritte wie die Photosynthese. Aus evolutionsbiologischer Sicht stellt sich daher die Frage: Warum sind biologische Systeme robust und innovativ zugleich? Gibt es einen grundlegenden Mechanismus, der dies erklären könnte?
Andreas Wagner geht mit seinem Team dieser Frage bereits seit mehreren Jahren nach, indem er die Funktionsweise von biologischen Systemen auf verschiedenen Ebenen miteinander vergleicht und mit Computermodellen nachzubilden versucht. Ein erstes wichtiges Prinzip lässt sich bereits auf der untersten Stufe, auf der Ebene der Proteine, erkennen.
Betrachtet man eine Eiweissstruktur, dann besteht diese aus einer klar definierten Abfolge von Aminosäuren. Wechselt man nun eine oder mehrere dieser Aminosäuren aus, kann es sein, dass die Funktion des Proteins trotzdem noch erhalten bleibt. Ein Protein gilt unter diesem Gesichtspunkt also als umso robuster, je mehr Änderungen es tolerieren kann.
In biologischen Systemen gibt es für die überwiegende Mehrheit der Probleme offenbar mehrere Lösungen. «Um zu verstehen, wie metabolische Prozesse in Zellen ablaufen, reicht es nicht, die Funktionsweise von einzelnen Genen zu verstehen, sondern man muss das gesamte Netzwerk an Wechselwirkungen beachten», hält Andreas Wagner fest.
Immer mehr zeigt sich dabei, dass zelluläre Netzwerke sehr flexibel organisiert sind. «Man kann in solchen Netzwerken auch zentrale Teile ausschalten, ohne dass die Funktion grundsätzlich beeinträchtigt wird», stellt Andreas Wagner fest. «Das ist ein wichtiger Grund, warum biologische Systeme so robust sind.»
Die Abläufe in Zellen vergleicht der Evolutionsbiologe mit dem Verkehrsfluss auf einem gut ausgebauten Strassennetz: Wenn eine einzelne Strasse gesperrt ist, bringt das den Verkehr noch nicht zum Erliegen, da es Ausweichrouten gibt. Der gleiche Mechanismus, der für die Robustheit von biologischen Systemen verantwortlich ist, spielt aber auch bei der Evolution eine zentrale Rolle.
Wenn man auf der Ebene der Proteine den erwähnten Sequenzraum betrachtet, dann hat jedes Protein in diesem Raum ein Spektrum von benachbarten Strukturen mit teilweise ganz anderen Funktionen. Weil es nun in diesem Sequenzraum unterschiedliche Strukturen mit gleicher Funktion gibt, entstehen völlig neue Entwicklungsmöglichkeiten.
Bestehende und bewährte Strukturen können sich zunächst so verändern, dass keine funktionelle Änderung damit verbunden ist. Die Entwicklung hin zu neuen Funktionen kann somit von verschiedenen Startpunkten aus erfolgen. Auch auf der Zellebene führt die Tatsache, dass verschiedene Abläufe zu gleichen Resultaten führen und metabolische Prozesse nicht einfach linear ablaufen, zu ganz anderen Entwicklungsmöglichkeiten.
Dass die Evolution durch zufällige Mutationen und natürliche Auslese getrieben wird, wie dies Charles Darwin bereits vor mehr als 150 Jahren postulierte, steht für Andreas Wagner fest. «Allerdings läuft dieser Prozess nicht einfach unstrukturiert ab, denn wir beobachten in der Realität ja nicht alle möglichen Variationen. Das Genotypnetzwerk, bei dem aus verschiedenen Genotypen gleiche Phänotypen entstehen, strukturiert die Variation.»
Und das wiederum hat enorme Konsequenzen für die Evolution: «Vieles am Lebendigen ist sicherlich historischer Zufall», meint Andreas Wagner. «Dennoch bin ich überzeugt, dass die Entwicklung des Lebens Gesetzmässigkeiten folgt, die wir erst ansatzweise verstehen.»
