Das Leben auf der Erde erlebte vor etwa 2,6 Milliarden Jahren einen entscheidenden Wendepunkt. Ein internationales Forscherteam hat nun gezeigt, wie das Auftreten komplexer Zellen, sogenannter Eukaryoten, die Funktionsweise des Lebens grundlegend verändert hat.
Diese Zellen bilden die Grundlage aller komplexen Organismen, von Pflanzen bis zu Tieren – einschließlich uns Menschen. Diese Veränderung scheint mit einer Art "Sprung" in der Organisation und Nutzung genetischer Informationen verbunden zu sein. Wissenschaftler sprechen von einem algorithmischen Phasenübergang. Eine in
PNAS veröffentlichte Studie beschreibt dieses erstaunliche Phänomen.
Um diese Transformation zu verstehen, analysierten die Forscher Tausende von Genomen, also vollständige DNA-Sätze. Sie entdeckten, dass die Längen von Genen und Proteinen präzisen mathematischen Regeln folgen, die einen schrittweisen Evolutionsprozess anzeigen... bis zu einem bestimmten kritischen Schwellenwert.
Alles änderte sich, als Gene durchschnittlich 1.500 Buchstaben (oder Nukleotide) erreichten. Ab diesem Zeitpunkt wurden Proteine nicht mehr länger, sondern etwas Neues entstand: DNA-Sequenzen, die nicht direkt für Proteine kodieren.
Dank dieser sogenannten nicht-kodierenden Sequenzen konnte die Zelle eine physikalische Grenze umgehen: Die Produktion langer Proteine wurde zu kompliziert. Diese neuen DNA-Abschnitte ermöglichten es, mehr Funktionen hinzuzufügen, ohne die Proteine zu verlängern, was das genetische System flexibler und leistungsfähiger machte.
Diese Entdeckung verbindet Biologie, Informatik und Physik, um einen der Schlüsselmomente der Evolution zu erklären. Sie eröffnet auch neue Szenarien darüber, wie komplexe Systeme – biologisch oder nicht – entstehen können.
Ein "algorithmischer Phasenübergang" – was ist das?
Ein Phasenübergang lässt sich veranschaulichen, wenn Wasser zu Eis wird: eine plötzliche Veränderung aufgrund sich allmählich ändernder Bedingungen. Bei Zellen löste die Anhäufung kleiner genetischer Veränderungen einen großen Sprung in der Komplexität aus.
Beim Erreichen eines bestimmten Schwellenwerts begannen Zellen, nicht-kodierende Sequenzen in ihre DNA zu integrieren. Dies veränderte vollständig, wie Gene genutzt und Proteine produziert werden.
Dieses aus der Physik stammende Konzept hilft zu verstehen, wie einfache Lebensformen plötzlich zu größerer Komplexität evolvieren können.
Warum sind diese nicht-kodierenden Sequenzen so wichtig?
Lange Zeit als nutzlos oder sogar als "Junk-DNA" betrachtet, spielen diese Sequenzen tatsächlich eine zentrale Rolle. Sie ermöglichen es Zellen, die Genexpression feiner zu steuern.
Sie erleichtern beispielsweise alternatives Spleißen, einen Mechanismus, bei dem ein einzelnes Gen mehrere verschiedene Proteine produzieren kann. Ergebnis: mehr Vielfalt ohne Vergrößerung der DNA.
Die Studie zeigt, dass ihr Auftreten eukaryotischen Zellen Innovation ermöglichte. Sie trennten bestimmte Schritte der genetischen Informationsverarbeitung, was ihnen Zugang zu einem immensen Spektrum neuer Möglichkeiten gab.
Diese Innovation machte wichtige Schritte wie das Auftreten mehrzelliger Organismen möglich, bei denen sich jede Zelle spezialisieren kann.
Quelle: Proceedings of the National Academy of Sciences