Warum hat das Leben die Funktion des Todes entwickelt?

Sein oder Nichtsein? Dies ist nicht nur eine philosophische Frage, sondern auch die grundlegende Frage nach der tatsächlichen Existenz der biologischen Evolution. Leben und Tod existieren dialektisch und in Einheit an den beiden Enden des individuellen Lebens. Was Leben und Tod einzelner Individuen und sogar das Überleben ganzer Arten miteinander verbindet, ist die wichtige Aufgabe der Fortpflanzung.

Für den Menschen bringt der Tod oft Unglück und Leid mit sich. Im Laufe der Geschichte träumten die Menschen immer von der Unsterblichkeit. Doch aus einer breiteren zeitlichen Perspektive sind das Altern und der Tod von Individuen ebenso wie die Wiedergeburt äußerst wichtig und wertvoll für die Fortpflanzung der gesamten Art.

Um die Langlebigkeit der Arten zu gewährleisten, hat die grausame natürliche Selektion den Lebewesen auf der Erde zwei lebenswichtige Überlebensgesetze beigebracht:

1. Es gibt zwei Grundlagen für die biologische Evolution: eine ausreichende Anzahl von Individuen zur Erhaltung der Population und genetische Vielfalt zur Anpassung an Umweltveränderungen.

2. In einer Umgebung mit begrenzten Ressourcen ist es für die Entwicklung der gesamten Art von Vorteil, Generationswechsel in angemessener Zeit und Form durchzuführen.

Verfolgen wir die Entwicklung der Evolution und sehen wir, wie diese beiden Gesetze funktionieren.

Teil 1

Genetische Vielfalt: Die Geheimwaffe gegen Konkurrenz

Paläontologen haben herausgefunden, dass es bereits vor 3,5 Milliarden Jahren photosynthetische Bakterien gab, die Sonnenlicht zur Energieerzeugung nutzen konnten, sowie Mikroorganismen wie Archaeen, die Methan produzieren konnten. Diese uralten Mikroorganismen leisteten einst einen unauslöschlichen Beitrag zur Entwicklung der Umwelt der Erde. Erwähnenswert ist, dass Cyanobakterien vor etwa 1 Milliarde Jahren auftauchten. Durch sein Auftreten begann die Atmosphäre, die ursprünglich aus Kohlendioxid, Methan und Ammoniak bestand, Sauerstoff aufzunehmen. Anaerobe Organismen sterben oder verschwinden sogar, wenn sie sich nicht an die Sauerstoffzunahme anpassen können. Um zu überleben und sich fortzupflanzen, mussten verschiedene Lebensformen ihre eigenen Fähigkeiten zur Anpassung an Umweltveränderungen entwickeln, und der Vorhang des Artenwettbewerbs hat sich seit der Antike geöffnet.

Die Evolution der Arten beruht im Wesentlichen auf zwei Aspekten: individuellen Genmutationen und natürlicher Selektion. Der Unterschied zwischen beiden besteht darin, dass die durch Genmutationen verursachten Veränderungen gut oder schlecht sein können und unbemerkt existieren können, während die natürliche Selektion diejenigen Veränderungen, die dem Überleben nicht förderlich sind, fast einseitig eliminiert. Eine größere genetische Vielfalt bedeutet mehr Strategien und Reaktionsmöglichkeiten, wenn die natürliche Selektion zuschlägt. Das jüngste vom Menschen beobachtete Ereignis natürlicher Selektion ereignete sich zwischen August und September 2017. Colin Donihue, ein Wissenschaftler an der Harvard University in den USA, hatte gerade eine Studie über eine kleine Population der Anolis scriptus in Westindien abgeschlossen, als plötzlich Hurrikan Irma aufkam. Nach dem Hurrikan fingen die Wissenschaftler 100 Eidechsen auf demselben Weg und stellten fest, dass die durchschnittliche Fläche ihrer Vorder- und Hinterzehen 9,2 % bzw. 6,1 % größer war als zuvor. Außerdem waren ihre Hinterbeine länger als ihre Vorderbeine. Solche Eidechsen konnten sich eher an Ästen festhalten und den Hurrikan überleben [1]. Gerade aufgrund der genetischen Vielfalt ist diese Echsengattung nach einem Hurrikan nicht ausgerottet worden.

Es besteht ein untrennbarer Zusammenhang zwischen der Anzahl der Individuen, die eine Population bilden, und der genetischen Vielfalt. Die Internationale Union zur Bewahrung der Natur und natürlicher Ressourcen (IUCN) veröffentlicht seit den 1960er Jahren das Rote Buch der bedrohten Arten, in dem Arten je nach Grad der Bedrohung und Aussterbegefahr in unterschiedliche Gefährdungsstufen eingeteilt werden. Eines der wichtigsten Kriterien zur Definition verschiedener Stufen ist die Anzahl der reproduktiven Individuen in einer Population. Je weniger fortpflanzungsfähige Individuen eine Population hat, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit des Aussterbens. Wir wissen, dass die Nachkommen von Inzucht wahrscheinlich bestimmte genetische Krankheiten haben, und das gilt auch für andere Organismen. Je weniger Individuen eine Population hat, desto ähnlicher sind die Gene ihrer Nachkommen. Einerseits ist dies der genetischen Vielfalt nicht förderlich. Andererseits ist auch das Risiko höher, dass die Nachkommen an häufigen genetischen Erkrankungen leiden. Sobald ein Teufelskreis entsteht, wird die gesamte Population schrumpfen und schließlich aussterben.

In der Geschichte der Erde kam es zu fünf natürlichen Massenaussterben und derzeit befinden wir uns im Prozess des sechsten Massenaussterbens. Mit der Intensivierung menschlicher Aktivitäten kommt es immer häufiger zu Wetterextremen und Veränderungen der Lebensumwelt, die häufigere und schwerwiegendere Auswirkungen auf andere Arten haben als Naturkatastrophen. Der Mensch trägt eine unübersehbare Verantwortung für dieses Massensterben von Arten. Diejenigen, die überlebten, mussten lernen, in Städten zu leben, und natürlich passten sich einige Arten an die menschlichen Aktivitäten an und profitierten davon. Das Gesetz des Überlebens des Stärkeren ist wie ein großes Messer, das jedes Lebewesen vorwärts treibt. Überleben ist nicht einfach, also schätzen Sie das Leben, das Sie haben.

Teil 2

Sexuelle Fortpflanzung: Der Schlüssel zur Erschließung der genetischen Vielfalt

Die Fortpflanzung ist die Grundlage der Artenexistenz und ein Grundphänomen allen Lebens. Das Fortbestehen jeder Art ist untrennbar mit der Fortpflanzung verbunden, die jeweiligen Fortpflanzungsmethoden sind jedoch sehr unterschiedlich. Wenn ich im Detail darauf eingehen würde, würde dieser Artikel nicht ausreichen. Existenz ist vernünftig. Egal in welche Richtung es sich entwickelt, solange es nicht im langen Fluss der Geschichte untergeht und noch auf dieser Erde existiert, ist es ein Erfolg.

In den frühen Stadien der Evolution vermehren sich Bakterien, Viren usw. normalerweise ungeschlechtlich. Bakterien vermehren sich durch ungeschlechtliche Zweiteilung, was einfach bedeutet, dass sie ihre gesamte Materie in zwei Teile kopieren und sich dann in zwei Teile teilen. Die Selbstreplikation von Viren ist sogar noch einfacher und primitiver. Sie geben sogar die Zellstruktur auf und verfügen nur noch über eine Außenhülle und ein Stück Erbgut. Sie beuten den Wirt parasitär aus und tun unermüdlich nur eines: sich selbst zu reproduzieren. Man kann sagen, dass sie das Modell der Reproduktionswelt sind.

Bei einigen primitiven Tieren entwickelte sich allmählich eine neue Methode der Fortpflanzung: die Parthenogenese. Nur Weibchen können sich fortpflanzen, indem sie ihre eigene DNA ohne die Anwesenheit von Männchen replizieren. Der Unterschied zur ungeschlechtlichen Fortpflanzung besteht darin, dass bei der ungeschlechtlichen Fortpflanzung kein Fortpflanzungssystem beteiligt ist, sondern dass sich reife Zellen selbst replizieren und teilen. Parthenogenetische Tiere hingegen verfügen über ein Fortpflanzungssystem und die Eizellen existieren in Form der Meiose, was der Definition von „weiblich“ entspricht.

Bei der ungeschlechtlichen Fortpflanzung oder Parthenogenese wird jedoch immer noch derselbe Satz mütterlicher DNA kopiert und die Wahrscheinlichkeit einer Mutation bei den Nachkommen ist weitaus geringer als bei der sexuellen Fortpflanzung. Bei der sexuellen Fortpflanzung handelt es sich um eine Methode der Fortpflanzung, bei der die von den Eltern erzeugten Keimzellen beider Geschlechter (wie etwa Spermien und Eizellen) sich zu einer befruchteten Eizelle verbinden, aus der sich dann ein neues Individuum entwickelt. Bei der sexuellen Fortpflanzung erhalten die Nachkommen Gene von beiden Eltern, wodurch die genetische Vielfalt im Prozess der Fusion erheblich bereichert wird. Um im Laufe der Evolution mehr genetische Mutationen zu erreichen, die für die Anpassung an die Umwelt von Vorteil sind, neigen fortgeschrittenere Organismen zur sexuellen Fortpflanzung.

Es gibt immer Organismen in einer Übergangsphase der Evolution, wie etwa Pilze, die sich ungeschlechtlich durch Knospung und nach der Reife geschlechtlich vermehren können, und Quallen, bei denen es sowohl ungeschlechtliche als auch geschlechtliche Generationen gibt, worauf später noch eingegangen wird. Caenorhabditis elegans befindet sich in der Übergangszone zwischen parthenogenetischer und sexueller Fortpflanzung. In der Natur sind die meisten Caenorhabditis elegans Hermaphroditen. Sie verfügen über ein Paar Geschlechtschromosomen und können ihre Eizellen mit Spermien befruchten, die von ihren eigenen Spermienbläschen produziert werden. Unter natürlichen Bedingungen besteht jedoch eine Wahrscheinlichkeit von 5 zu 10.000, dass ein Geschlechtschromosome verloren geht und männliche Nachkommen entstehen. Dieses „einzigartige“ Männchen kann es Hermaphroditen ermöglichen, mehr Nachkommen zu zeugen als durch Selbstbestäubung durch Paarung, und Hermaphroditen geben der Verwendung männlichen Spermas den Vorzug. Interessanterweise wird im Labor bei Hermaphroditen in den frühen Stadien der Geschlechtsreife häufig Hitze eingesetzt, um den Verlust ihrer Geschlechtschromosomen herbeizuführen und so die Wahrscheinlichkeit der Zeugung männlicher Nachkommen zu erhöhen. Vielleicht gilt dies auch in der Natur. Unter normalen Bedingungen bringt Caenorhabditis elegans durch Selbstbestäubung Nachkommen mit stabiler Anzahl und stabilen Genen hervor, wobei nur eine sehr kleine Anzahl männlicher Würmer zur Bereicherung der genetischen Vielfalt beiträgt. Bei ungünstigen Umgebungsbedingungen vermehrt er die Anzahl männlicher Würmer und sorgt so für mehr Nachkommen, um die Überlebenschancen der gesamten Population zu erhöhen.

Erwachsener Caenorhabditis elegans. Der auf dem oberen Bild ist ein Hermaphrodit und der mit dem „Häkchen“ auf dem unteren Bild ist ein Männchen.

Bildquelle: www.wormbook.org

Teil 3

Aktive Regulierung: ein riesiger Fortschritt für die Evolution

Das Altern und der Tod höherer Organismen, wie beispielsweise die Zellapoptose, sind das Ergebnis der Wirkung eines bestimmten programmierten Mechanismus. Der Schalter, der den Alterungs- und Todesmodus einschaltet, ist in der DNA kodiert und wird im Laufe der Evolution Schritt für Schritt in unsere Gene geschrieben.

Das Überleben, die Fortpflanzung und der Tod niederer Organismen, seien es Bakterien, Pilze oder Viren, sind keine aktiv geregelten Entscheidungen, sondern werden durch die äußere Umgebung bestimmt: Wenn die Umgebung geeignet ist, können sie endlos existieren; Wenn sich die Umweltbedingungen verschlechtern und sie sich nicht mehr fortpflanzen können, sterben sie.

Eine Bakterienkolonie kann sich unbegrenzt vermehren, solange genügend Nahrung und Platz vorhanden sind. Sobald es an Nährstoffen mangelt, kann die gesamte Kolonie sterben. In diesem Fall lautet die Reaktion der Bakterien: Bakterien des gleichen Typs nehmen mehr Nährstoffe auf, um die Replikation zu beschleunigen und geben der anderen Seite keine Chance zu wachsen; Bakterien unterschiedlicher Arten können harmonisch koexistieren und voneinander profitieren. Ein gutes Beispiel hierfür ist die menschliche Darmflora. Verschiedene Bakterien helfen dabei, verschiedene Nahrungsmittel zu verdauen und aufzuspalten und das allgemeine Gleichgewicht aufrechtzuerhalten.

Viren parasitieren Wirte, und wenn der Wirt stirbt, kann das Virus nicht weiter überleben. Deshalb haben Viren auch ihre eigenen Strategien entwickelt: Das berüchtigte Ebolavirus kann Menschen in nur zwei Wochen töten. HIV kann das menschliche Immunsystem zerstören, nachdem es viele Jahre lang im Körper verborgen war. Grippeviren ändern häufig ihre „Verkleidung“ und verlassen sich im Kampf gegen das Immunsystem auf sich ständig verändernde Oberflächenantigene. Diese Strategien zielen alle darauf ab, neue Wirte zu infizieren, bevor der Wirt stirbt.

Pilze gehen einen anderen Weg. Vor der Geschlechtsreife können sie sich durch Knospung vermehren, um Nachkommen zu zeugen und die Population zu vergrößern. Nach der Reife bilden sie Sporen und verbreiten sich beispielsweise durch Wind. Auf diese Weise kann die Kolonie neue Gebiete finden, um sich weiterzuentwickeln, bevor die Nährstoffe der Mutter aufgebraucht sind. Einige Pilze haben die Fähigkeit entwickelt, andere Arten zu töten, um ihr Territorium zu besetzen. Penicillin wurde entdeckt, weil Penicillium Staphylococcus-Kolonien auf derselben Kulturschale auflöst.

Penicillium unter einem Hochleistungsmikroskop. Bildquelle: Internet

Im Laufe der Evolution entwickelten Pflanzen und einige niedere Tiere die Fähigkeit, den Entwicklungsrhythmus zu kontrollieren. Wenn die Umgebung für das Wachstum nicht geeignet ist, können Pflanzensamen in einen Ruhezustand übergehen und den Keimschalter vorübergehend ausschalten. Bei Caenorhabditis elegans entdeckte der Wissenschaftler Sherwood, dass es vor Erreichen der Geschlechtsreife Entwicklungskontrollpunkte gibt, anhand derer beurteilt wird, ob die gegenwärtigen Bedingungen für eine weitere Entwicklung geeignet sind. Kommt es beispielsweise zu einem Mangel an Nahrung, wird die Entwicklung an dieser Stelle gestoppt und es bildet sich eine Larvenform, die sogenannte Dauer. Der Dauer kann mehrere Monate überleben, also viel länger als die normale durchschnittliche Lebensdauer von drei Wochen, und altert erst, wenn die Bedingungen für eine weitere Entwicklung geeignet sind. Diese Fähigkeit von C. elegans verschwindet jedoch nach der Geschlechtsreife, was bedeutet, dass der Fadenwurm mit Erreichen der Geschlechtsreife auf dem Weg zum Tod ist und es kein Zurück mehr gibt [2]. Nachfolgende Studien bestätigten, dass die Reifung des Fortpflanzungssystems der Fadenwürmer ein wichtiges Signal für die Aktivierung des Todesschalters darstellt. Dieser Genschalter wirkt auf den Hitzeschock-Reaktionsmechanismus der Zelle. Es reagiert auf äußeren Druck durch die Stimulation von Kaskadensignalwegen, wodurch die Zellen in die Lage versetzt werden, schädlichen äußeren Reizen zu widerstehen und in einem ausgezeichneten Zustand zu bleiben. Acht Stunden nach Erreichen der Geschlechtsreife der Fadenwürmer wird die schützende Hitzeschockreaktion jedoch vollständig abgeschaltet. Die Zellen verlieren diesen Schutz und altern langsam, was zur Alterung und zum Tod der Fadenwürmer führt[3]. Die Aktivierung des Todesschalters hat viel mit der Entwicklung und der Geschlechtsreife zu tun.

Obwohl ich Caenorhabditis elegans um seine Fähigkeit beneide, in seinem „jugendlichen“ Zustand zu bleiben, ist es schade, dass dieser Regulierungsmechanismus im Laufe der Evolution nicht in die Gene der Säugetiere eingeschrieben wurde. Die Evolution hat Säugetiere mit einem konstanten Temperatursystem zur Regulierung der Körpertemperatur, einer Methode der Lebendgeburt, die die Überlebenschancen erhöht, und einer Reihe von Fähigkeiten ausgestattet, um mit Veränderungen in der äußeren Umgebung umzugehen. Sie müssen ihre eigene Entwicklung nicht mehr an die Umgebung anpassen. Dies bedeutet auch, dass wir vom Moment unserer Geburt an ständig auf den Tod zugehen.

Teil 4

Generationswechsel: Der Tod ist unvermeidlich

Die Aktivierung des Todesschalters hängt weitgehend mit der Entwicklung und der Geschlechtsreife zusammen und ist eigentlich ein unvermeidliches Ergebnis der natürlichen Selektion und Evolution. Die Existenz des Einzelnen ist untrennbar mit den Ressourcen verbunden, die für sein Überleben erforderlich sind. Mit der Zunahme der Individuenzahl einer Population kommt es unweigerlich zu einem Wettbewerb zwischen den Arten und dem Kampf ums Überleben des Stärkeren. Wie bereits erwähnt, hängt die Langlebigkeit einer Art von der Anzahl der fortpflanzungsfähigen Individuen innerhalb der Population und ihrer genetischen Vielfalt ab. In einer Umwelt mit begrenzten Ressourcen ist es für die Entwicklung der gesamten Art von Vorteil, Generationswechsel in angemessener Zeit und Form durchzuführen. Am deutlichsten ist dieses Phänomen bei Insekten und einigen Fischen zu beobachten, die sich nur einmal vermehren. Sobald die Reproduktionsaufgabe abgeschlossen ist, sterben diese Individuen schnell, um den Generationswechsel abzuschließen. Die bekannteste ist vielleicht die Eintagsfliege, die „morgens geboren wird und abends stirbt“. Auch einjährige krautige Pflanzen folgen dieser Logik.

Nur sehr wenige Lebewesen können dem Fluch des Todes entkommen. Die berühmte Qualle Turritopsis dohrnii ist die einzige bekannte Art, die nach der Geschlechtsreife in das Larvenstadium zurückkehren kann. Diese Fähigkeit, Differenzierungstransfer genannt, ermöglicht ihnen theoretisch eine unbegrenzte Lebensdauer. Der Stamm der Cnidaria, zu dem auch Turritopsis dohrnii gehört, weist eine Lebensgeschichte abwechselnder Generationen auf, nämlich Polypen und Medusen. Die polypenartige Generation vermehrt sich ungeschlechtlich und bringt durch Knospung viele Quallenknospen hervor. Diese Generation altert nicht und stirbt nicht. Sobald die Geschlechtsreife erreicht ist, tritt es in die Quallengeneration ein und zeugt Nachkommen durch sexuelle Fortpflanzung. Im Jahr 1996 führten die italienischen Forscher Piraino und andere ein Transformationsinduktionsexperiment an 4.000 Quallen der Art Turritopsis dohrnii in verschiedenen Entwicklungsstadien durch, indem sie die Umgebung künstlich veränderten, unter anderem durch Hunger, plötzliche Veränderungen der Wassertemperatur, verringerten Salzgehalt und mechanische Schäden. Die Ergebnisse zeigten, dass sich Turritopsis dohrnii in verschiedenen Entwicklungsstadien alle von der Quallenform in die Polypenform verwandelten, was als „Verjüngung“ bezeichnet werden kann. Andere Nesseltierarten haben nicht so viel Glück. Sobald die sexuelle Fortpflanzung endet, sterben die Quallen. [1]

Für Spezies wie uns Menschen, die über zahlreiche Möglichkeiten zur Fortpflanzung verfügen, ist der Moment, in dem wir die Fähigkeit zur Fortpflanzung verlieren, der Moment, in dem wir anfangen zu altern und zu sterben – es ist an der Zeit, unseren Nachkommen genügend Ressourcen zu hinterlassen. Was die Frage angeht, warum wir Säugetiere nicht sofort sterben wie Eintagsfliegen, sondern einen Alterungsprozess durchlaufen, können uns Elefanten meiner Meinung nach eine Offenbarung sein: Die Erfahrung und Weisheit älterer Menschen kann der Population gewisse Vorteile bringen.

Eine Elefantenherde wird normalerweise von einer erfahrenen Elefantenkuh angeführt. Bildquelle: Internet

Teil 5

Ist Unsterblichkeit wirklich wert?

Tolkien schrieb einst in Der Herr der Ringe: Elfen haben ewiges Leben und der Tod ist ein Geschenk des Schöpfers an die Menschheit. Gerade weil das kurze Leben der Menschen wie ein Feuerwerk explodiert, wird in Tolkiens Romanen ein brillantes und glorreiches Kapitel der Geschichte geschrieben. Doch die Elfen, die von den Menschen beneidet werden, obwohl sie über beispiellose Kräfte verfügen, sterben nach langer Zeit aus und verschwinden langsam von der Bildfläche der Geschichte.

Wie würde die Welt aussehen, wenn sie unsterblich geworden wäre? Der Film bietet auch viele Möglichkeiten. Sowohl „In Time“ als auch „Elysium“ zeigen, dass selbst wenn man Unsterblichkeit erlangt, die Welt nach der Unsterblichkeit kein besserer Ort sein wird, sondern nur von endloser Ausbeutung geprägt sein wird, solange die Kluft zwischen Arm und Reich bestehen bleibt und die menschliche Natur gierig bleibt. Hinzu kommt, dass die Erde mit der gegenwärtigen Zahl der Menschen bereits überfordert ist. Wenn alle Menschen unsterblich wären, wäre die Zerstörung der Erde nicht mehr weit. Man könnte sagen, dass uns die Sterne und das Meer noch immer gehören, doch leider macht der derzeitige Stand der menschlichen Technologie eine interstellare Migration unmöglich. Alles, was wir haben, ist die Erde. Das beste Geschenk, das wir zukünftigen Generationen hinterlassen können, ist nicht Reichtum und Status, sondern eine bessere und gesündere Erde sowie grünere und umweltfreundlichere Spitzentechnologien, die keine Opferung der Ressourcen der Erde mehr erfordern.

Abschließend möchte ich noch eines sagen: Wenn wir Leben und Tod einzelner Individuen außer Acht lassen, ist eine Art, die lange Zeit existieren und sich fortpflanzen kann, in gewissem Sinne unsterblich.

Quellen:

[1] Donihue, CM, et al., Hurrikan-induzierte Selektion auf die Morphologie einer Inselechse. Nature, 2018. 560(7716): p. 88-91.

[2]Schindler, AJ, LR Baugh und DR Sherwood, Identifizierung von Entwicklungskontrollpunkten im späten Larvenstadium bei Caenorhabditis elegans, die durch Insulin/IGF- und Steroidhormon-Signalwege reguliert werden. PLoS Genet, 2014. 10(6): p. e1004426.[3]Labbadia, J. und RI Morimoto, Die Unterdrückung der Hitzeschockreaktion ist eine programmierte Ereignisreaktion zu Beginn der Reproduktion. Mol Cell, 2015. 59(4): p. 639-50.

Autor: Song Mengjiao

Autoreinheit: Center for Excellence in Molecular Cell Science/Institute of Biochemistry and Cell Biology, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: China Science Expo

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