Zwei Physiker haben am Computer ein mathematisches Verfahren entwickelt, mit dem sich der Einfluss des Zufalls auf die Evolution quantitativ erfassen lassen soll. Das Modell eigne sich nach Ansicht der Wissenschaftler auch, um die Ausbreitung von Seuchen oder die Dynamik bei Verbrennungsvorgängen vorherzusagen.
Oskar Hallatschek vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation und Kirill Korolev von der Harvard University im amerikanischen Cambridge gingen bei ihrer Simulation davon aus, dass die Evolution nicht allein auf Mutation und Selektion beruht, sondern auch durch den Zufall gesteuert wird. Die meisten in der Natur vorkommenden Mutationen bringen dem betroffenen Organismus – wenn überhaupt – nur einen geringen Selektionsvorteil. Hier spielen zufällige Einflüsse eine besonders große Rolle, betonen die Physiker.
Mutanten auf dem Vormarsch | Als Wellenfront breitet sich eine genetische Variante aus, symbolisiert durch die roten Punkte. In dem abgebildeten Fall bringt die Mutation nur einen leichten Vorteil, so dass ihre Ausbreitung stark von Zufallsprozessen abhängt und sie sich nur langsam durchsetzt.
Ihr Computermodell beschreibt die Ausbreitung einer Mutation als eine Welle, die über das von den Individuen bevölkerte Gebiet schwappt. Dabei hängt die Geschwindigkeit dieser Welle von zwei Faktoren ab: vom Ausmaß des Vorteils, den die Mutanten haben – je mehr die Mutation die Überlebenschance ihrer Träger erhöht, desto schneller breitet sie sich aus –, und vom Zufall, der wiederum durch die Bevölkerungsdichte beeinflusst wird. Denn bei einer niedrigen Populationsdichte sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass die genetische Veränderung auf die nächste Generation übertragen werden kann – die Ausbreitung der Mutation ist somit starken Schwankungen unterworfen.
Simulationen für derartige Wellenausbreitungen von Mutationen stützen sich auf die Fisher-Kolmogorov-Petrovsky-Piscounov-Gleichung (SFKPP), die Wachstum, Ausbreitung und Zufallsfluktuationen von Lebewesen, aber auch von chemischen Reagenzien beschreibt. Bislang wurde dabei jedoch der zufallsabhängige Term vernachlässigt.
Mit Hilfe der so genannten Störungsrechnung lösten Hallatschek und Korolev die SFKPP-Gleichung für solche Fälle. Dabei ergab sich, dass die Geschwindigkeit der Mutanten-Welle proportional zur Wurzel aus der Bevölkerungsdichte anstieg. Die Längen der Wellenfronten folgten einer Häufigkeitsverteilung, die sich mit einem Potenzgesetz beschreiben lässt.
Die Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass sich mit ihrem Modell auch vorhersagen lässt, wie sich Krankheiten ausbreiten. So hätten auch die Pest-Epidemien des Mittelalters Europa in Form von Wellen heimgesucht, bei denen neben Bevölkerungsdichte und Ansteckungsrate auch der Zufall kräftig mitmischte.
Außerdem könnten Chemiker mit Hilfe des Modells den Ablauf von Reaktionen – wie etwa bei Verbrennungsfronten in einem reaktiven Gasgemisch – simulieren. Auch in der Teilchenphysik werden ähnliche Gleichungen verwendet, um das Verhalten von Elementarteilchen bei Streuexperimenten zu beschreiben. In Zukunft will die Arbeitsgruppe von Hallatschek die wellenartige Ausbreitung vorteilhafter Mutationen während der Evolution des Menschen in den letzten 200 000 Jahren rekonstruieren. (aj/mpg)
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