Druck-Version

Neues aus der Forschung

Evolution: Übertriebene Mechanismen des Immunsystems

Mathematisches Modell zur asymmetrischen Selektion erklärt 'Design-Fehler'

In der Biologie und Humanmedizin ist es ein bekanntes Phänomen, dass Abwehrmechanismen gegen Fressfeinde, Parasiten und Pathogene oft viel stärker ausgebildet sind als es notwendig wäre und zwar in einem Ausmaß, das gefährlich werden kann. Beispiele dafür sind Autoimmunerkrankungen, Allergien und deren Langzeitschäden sowie die lebensgefährliche Entgleisung des Immunsystems ("Zytokinsturm"), etwa zur Abwehr von Ebola- oder H5N1-Viren. Reinhard BÜRGER von der Fakultät für Mathematik und US-Biologen veröffentlichten eine evolutionsbiologische Erklärung für diese Paradoxie.

Titelbild: Die Überlebenswahrscheinlichkeit nimmt von rechts nach links exponentiell zu, bis zu dem Wert des Abwehrmerkmals (hier 0.5) ab dem Individuen "unverwundbar" sind. Andererseits nimmt die Fruchtbarkeit von links nach rechts linear zu, da eine hohe Abwehr mit Kosten verbunden ist (am besten zu sehen links von 0.5). Von hinten nach vorne nimmt die Häufigkeit der (Fress-) Feinde zu. Je mehr Feinde es gibt, desto asymmetrischer wird die Selektion. Bildquelle: Urban, Bürger & Bolnick (2013, Fig. 4).

Die Publikation beruht auf einem klassischen Modell der quantitativen Genetik zur Vorhersage der Folgen von Selektion auf quantitative Merkmale. Das sind Merkmale, die kontinuierliche Variation aufweisen, wie etwa Körpergröße oder Panzerdicke. Dieses Modell, das seit langem in der Tier- und Pflanzenzucht verwendet wird, findet in modifizierter Form seit einigen Jahrzehnten auch in der Evolutionsbiologie Anwendung. Damit sagen Wissenschaftler die Evolution von Merkmalen unter Selektion vorher oder rekonstruieren Evolutionsvorgänge in der Vergangenheit.

In vielen Fällen wird dabei eine Glockenkurve verwendet, um Selektion in der Nähe eines optimalen Merkmalzustandes zu beschreiben. In diesem Fall evolviert dann eine Population so, dass ihr Mittelwert den optimalen Merkmalszustand erreicht und die Population um diesen herum variiert. Zahlreiche Merkmale stehen aber unter asymmetrischer Selektion, d.h. Abweichungen in eine Richtung sind schädlicher als in die andere. Die Effektivität der Selektion wird oft durch eine Fitnesslandschaft dargestellt, also durch eine Kurve oder Fläche, deren Höhe die Überlebenswahrscheinlichkeit misst. Im vorliegenden Fall hat die Fitnesslandschaft dann eher das Profil einer Klippe, mit einer sehr steilen und einer flachen Flanke, anstatt einer Glockenkurve (siehe Titelbild).

Für den Fall asymmetrischer Selektion entwickelte Reinhard BÜRGER eine mathematische Theorie, die vorhersagt, auf welcher Seite des Fitnessoptimums der Mittelwert der Population liegen wird, wenn sich ein Gleichgewicht eingestellt hat: "Unter sehr allgemeinen Bedingungen befindet sich der Mittelwert der Population auf der flacheren Flanke des Fitnessgipfels", erklärt Reinhard BÜRGER. Der Grund dafür ist der folgende: Die Nachkommen von Eltern, deren Merkmal sich nahe am Gipfel der Fitnesslandschaft befindet, produzieren Nachkommen, deren Merkmal sich in etwa der Hälfte der Fälle links davon befindet, und zu Hälfte rechts. Die Nachkommen, die die "Klippe hinuntergefallen sind", haben aber eine sehr geringe "Fitness" (Überlebenswahrscheinlichkeit). Also haben Eltern, die sich auf der flacheren Seite der Klippe befinden, im Durchschnitt mehr lebensfähige Nachkommen. So ein Zustand stellt sich dann auch tatsächlich als Gleichgewichtszustand ein. Seine genaue Position hängt von verschiedenen genetischen und ökologischen Eigenschaften der Population ab.

Für Merkmale, die der Abwehr dienen, ist es wichtig, dass sie dies möglichst effektiv tun, da Fressfeinde oder Pathogene eine hohe Gefahr darstellen. Oft ist die Ausbildung solcher Merkmale auch mit (z.B. energetischen) Kosten verbunden, die aber nur dann hoch werden, wenn die Ausbildung des Merkmals extrem ist. Eine überschießende Immunabwehr gefährdet erst dann ein Individuum, wenn dadurch Gewebe zerstört wird. Eine zu schwache Immunabwehr wiederum kann aber leicht tödlich enden. Das vorliegende Modell löst dieses Dilemma, indem es zeigt, dass der evolutionär optimale Zustand darin liegt, eine höhere als notwendig erscheinende Abwehr zuzulassen, selbst wenn das zu gewissen Kosten führt.

Asymmetrische Selektion fördert also übertriebene Mechanismen des Immunsystems. In der obigen Abbildung nimmt die Überlebenswahrscheinlichkeit von rechts nach links exponentiell zu, und zwar bis zu dem Wert des Abwehrmerkmals (hier 0.5) ab dem Individuen "unverwundbar" sind. Andererseits nimmt die Fekundität (Fruchtbarkeit) von links nach rechts linear zu, da eine hohe Abwehr mit Kosten verbunden ist (am besten zu sehen links von 0.5). Von hinten nach vorne nimmt die Häufigkeit der (Fress-) Feinde zu. Je mehr Feinde es gibt, desto asymmetrischer wird die Selektion.

Literatur

Autoren: VBio / AG EvoBio