Evolution von Fluoreszenz unter UV: Gibt es unselektierte Merkmale?

Quote from Merlin

Alles kostet Ressourcen und geschieht nur, wenn es einen Vorteil hat.

Also das würde ich so nicht sagen. Wenn man davon ausgehen kann, dass etwas eine Adaption darstellt, dann ist diese Aussage richtig. Nun ist aber nicht jedes Merkmal gleich automatisch eine Adaption. Viele Merkmale sind auch einfach neutral, sprich werden nicht selektiert. Beispiel Blutfarbstoffe: Limulus hat blaues Blut wir haben so wie die Mehrzahl der Tiere rotes Blut. Hat die Farbe des Blutes irgendeinen Vorteil oder macht das einen Unterschied? Haben gar Tiere mit rotem Blut einen Vorteil? Nein. Die Farbe ist einfach ein zufälliges Nebenprodukt der Moleküle die als Sauerstofftransporter fungieren und die sind eben zufällig farbig. Tatsächlich ist Hämoglobin einfach ein "besserer" Sauerstofftransporter und kommt daher häufiger bei großen Tieren vor.

Bei sehr vielen Fällen von Fluoreszenz würde ich davon ausgehen dass das ähnlich gelagert ist. Es gibt einige Pflanzeninhaltstoffe die Fluoreszieren und da die Raupen diese sicher aufnehmen wird das einfach ein Nebenprodukt davon sein.

Mit Vögeln hat das aus zwei Gründen wahrscheinlich nichts zu tun: Wie Natalia sagt sind Vögel eigentlich berühmt dafür neben Bienen UV sehen zu können. Es gibt sogar Vögel die können tetrachromatisch sehen (also rot, grün blau und UV). Außerdem ist ein beliebter Denkfehler, dass die Raupe UV reflektiert. Das tut sie nicht (vielleicht auch, aber das ist nicht was man hier sieht). Bei Fluoreszenz ist die abgestrahlte Wellenlänge energiärmer als die Anregungswellenlänge, sprich das Licht ist hier wahrscheinlich irgendwo im blauen Bereich. Sonst würden wir ja auch nichts sehen, weil wir sehen UV ja nun nicht. Solange Vögel also keine UV Lichtquellen dabei haben, sehen die auch nicht mehr als wir. Jedenfalls nicht das was wir hier sehen.

Grüße Dennis

Quote from Merlin

ich glaube, das ist ein weit verbreiteter Irrtum, der letztlich noch aus dem kirchlichen teleologischen Mittelalter kommt

Nein glaub mir das ist es nicht. Mit deiner Meinung gehst du ziemlich gegen den Strich von so ziemlich jedem Evolutionsbiologen. Dass es Mutationen gibt die keinem Selektionsdruck unterliegen ist gut belegt und ein zentraler Aspekt der Evolution. Die daraus folgende Gendrift ist ebenso fest etablierter Fakt. Da müsstest du schon einiges an wissenschaftlicher Forschung vorbringen die das Gegenteil belegt. Erklär mir z.B. das Vorhandensein von Transposons und repetetiven Gensequenzen wie short tandem repeats? Das Hardy-Weinberg-Gleichgewicht ist eine der wichtigsten Modelle der Evolutionsbiologie und berechnet die Allelfrequenzen in einer Population ohne Selektion oder andere wirkende evolutive Faktoren. Es gibt nicht viele Populationen die diesem Gleichgewicht näherungsweise folgen, aber es gibt sie. Solche Ansichten sind (nicht persönlich nehmen) viel eher Ausdruck dessen, dass man nicht akzeptieren kann dass in der Natur nicht alles einen Sinn hat oder einen Zweck verfolgt. Das ist viel mehr Überbleibsel des kirchlichen Mittelalters. Daraus kommen dann solche absurden Aussagen wie "Tier XY macht dies zur Erhaltung seiner Art". Das will einfach nicht aussterben.

Quote from Merlin

Alle Arten die in der Gegenwart existieren, sind optimal angepasst

Das stimmt uneingeschränkt. Schließt jedoch nicht aus, das sie Merkmale tragen die keinem Selektionsdruck unterliegen, eben weil diese neutral sind (keinen Vor-oder Nachteil haben).

Quote from Merlin

Es gibt keinen "besseren" Sauerstoffträger. Menschen haben Hämoglobin, weil es für sie die günstigsten sind. In Afrika aus gutem Grund andere als in Europa.

Vielleicht ist dir aufgefallen, dass ich besser in Anführungszeichen gesetzt habe. Eben weil besser ein relativer, nicht definierbarer Ausdruck ist. Natürlich hängt das vom Kontext ab, aber auf dem Papier ist Hämoglobin besser als Sauerstofftransporter weil die Sauerstoffbindekapazität höher ist als bei Hämocyanin. Deshalb ist es der verbreitetste Sauerstofftransporter (nicht weil rotes Blut vorteilhafter ist). Es gibt natürlich gute Gründe für die Nutzung von Hämocyanin, das würde jetzt zu weit führen. Es ging mir auch um das Merkmal der Farbe nicht um das Molekül selbst. Die Farbe ist reiner Zufall und kein selektiertes Merkmal. Das Molekül selbst ist wiederum selektiert. Das Menschen in Afrika anderes Hämoglobin haben stimmt auch nicht. Dort ist einfach die Frequenz einer Mutation in einer Hämoglobin-Kette höher, weil diese Malariaresistenz vermittelt und damit positiv selektioniert wird. Man beachte dass die Frequenz auch dort nicht 100 % erreicht, weil wie überall sonst das ganze eigentlich eine Krankheit darstellt, die ihrerseits mit entsprechender Mortalität einhergeht. Man sieht das "perfekt angepasst" nicht unbedingt heißt dass alles perfekt ist. So gut wie es geht angepasst wäre wahrscheinlich auch die passendere Bezeichnung wenn auch wenig griffig.

Quote from Merlin

Wenn die Raupen in UV sichtbar sind, dann gibt es einen Grund dafür

Lange rede kurzer Sinn. Nein.

Quote from Merlin

Und der Grund muß die Nachteile (z. B. bessere Sichtbarkeit für Fressfeinde, Stoffwechselkosten) überwiegen

Das kann so sein, es reicht aber eben wie erläutert wenn keine Kosten und kein Nutzen entsteht. Zu behaupten dass alles Kosten und Nutzen hat ist schlicht falsch bzw. falsch verstandene Evolutionstheorie.

Grüße Dennis

Ich glaube ich verstehe deinen Ansatz. Ich schätze wir betrachten dasselbe einfach in anderen Zeitdimensionen, wobei ich grundsätzlich nicht damit konform gehe, dass es in der Evolution keinen Platz für Sinnloses gibt. Hier ist jetzt wieder die Schwierigkeit was ist "sinnlos"? Wenn ich von Dingen spreche die keinen Zweck erfüllen (unnütz, sinnlos und alle Synonyme) meine ich damit immer etwas das einfach ungerichtet ist. Quasi eine Art Rauschen in der keine Regelmäßigkeit zu erkennen ist bzw. im Bezug auf genetisches Material: DNA die weder für Proteine codiert, noch irgendwelche metabolischen oder regulatorischen Funktionen übernimmt.

Quote from Merlin

Gibt es überhaupt unselektionierte Merkmale, die einen genetischen Drift in einer Population bewirken können?

Also ersteinmal: Genetische Drift und Selektion ist kein entweder oder Ding. Beides kann gleichzeitig wirken, daher sind unselektionierte Merkmale nicht nötig um eine genetische Drift zu bewirken, bei diesen ist genetische Drift jedoch das einzige was Allelfrequenzen ändert.

Quote from Merlin

Stell dir 10 Populationen mit genetischem Drift eines "unselektionierten" Merkmals vor und 10 Populationen ohne dieses Merkmal. Welche der beiden Gruppen sind nach 100 Generationen noch da?

Die Antwort wäre einfach nämlich beide, wenn es ein echtes unselektioniertes Merkmal ist und wir den Zufall außer Acht lassen. Das ist aber ein interessantes Gedankenspiel und ich kann daran einen wichtigen Punkt erläutern, den du für meine Begriffe übersiehst. Ich würde sagen: Im Wesentlichen hängt es vom Zufall ab welche der beiden Populationen nach 100 Generationen noch da ist. Du würdest nehme ich an darauf anspielen, dass die Population mit dem unselektionierten Merkmal zuerst ausstirbt weil diese quasi "nutzlosen Ballast" mit sich rumschleppt. Beziehungsweise wäre es dann natürlich kein echtes unselektioniertes Merkmal, weil offensichtlich wirkt hier dann ein negativer Selektionsdruck, ansonsten würde die Population nicht zuerst aussterben (man müsste hier mitteln über viele modellierte Durchläufe um auszuschließen dass das Zufall war). Aber das ist ja dein Punkt. Du sagst ja quasi, dass gegen "nutzlose" Merkmale ein Selektionsdruck besteht.

Natürlich hat es für den Organismus nicht null Kosten unnütze DNA zu synthetisieren etc. selbst wenn diese unheimlich klein sind. Die Sache ist aber die: Zu verhindern, dass unnütze DNA entsteht hat auch nicht null Kosten. Es nehmen immer die Gene an Frequenz zu die sich am meisten replizieren und dazu müssen sie keine Funktion für den Organismus erfüllen. Sie müssen lediglich gut darin sein sich zu replizieren. Mechanismen zu entwickeln welche solche nur auf Selbstreplikation ausgerichtete Gene unterdrücken sind teuer. Um zu deinem Gedankenexperiment zurückzukehren: Man würde beobachten, dass die Populationen ohne "unselektionierte" Merkmale (die quasi nur codierende oder regulatorische Gene enthalten) anfangen DNA anzuhäufen die eben keinen Zweck erfüllt. Beide Populationen würden Mutationen anhäufen, die vielleicht erstmal keine Auswirkungen haben. Dann hängt es vom reinen Zufall ab, ob irgendwann sich eine dieser Mutationen als vorteilhaft erweist, ob irgendein Genabschnitt plötzlich eine Funktion übernehmen kann die zuvor nicht notwendig war. Erst dann wird eine Population hervortreten, zunehmen und andere verdrängen.

Natürlich ist bei DNA Müll irgendwo eine Grenze erreicht. Wir sehen in biologischen Systemen dass Mechanismen existieren, die sehr wahrscheinlich dazu dienen den Anteil an selbstreplizierenden Genen einzudämmen. Offenbar sind Organismen mit kleinen Genomen auch sehr viel sensitiver darauf. Bakterien z.B. haben extrem wenig DNA die nicht für Proteine codiert. Ist irgendwo logisch. Wenn mein Genom klein ist, dann erreicht der Anteil an Schrott schnell ein unverträgliches Level. Man könnte hier natürlich sagen der Zweck ist der Selbstzweck der sich replizierenden DNA und Selektionsdruck wirkt hier auf die Fähigkeit sich selbst zu replizieren und das wäre sicher richtig. Ich glaube das war aber nicht was wir beide meinten. Zumal es tatsächlich Merkmale gibt die zweifelsohne in ihrer evolutiven Auswirkung völlig indifferent sind wie z.B. der Austausch einer Base welche für ein redundantes Codon codiert. Ich bin jetzt auf die Genebene abgedriftet und hier ist es denke ich offensichtlicher, dass es unselektierte Merkmale geben muss.

Ich denke es geht eher um die phänotypische Ebene auf der das vielleicht weniger klar ist. Auch hier gibt es Merkmale die einfach keine Kosten verursachen und keinen Nutzen haben. In meinem Beispiel mit der Farbe des Blutes ist die Merkmalsausprägung "rotes Blut" ohne Kosten, weil die Kosten für das Hämoglobin entstanden sind und durch dessen Vorteil ausgeglichen werden. Die Farbe ist ein reines Nebenprodukt dessen und es hat dem Organismus keine Kosten verursacht extra einen roten Farbstoff herzustellen. Wäre Hämoglobin zufällig lila, dann wäre unser Blut eben lila. Ein Protein kann auch mit einer anderen Aminosäure noch genauso funktionieren wie vorher, ergo keine Kosten. Ein Tiefseefisch kann unter UV fluoreszieren, das kann aber ja gar keine Auswirkungen haben weil es in der Tiefsee kein Licht gibt.

Quote from Merlin

Man muss nur den Beobachtungszeitraum angemessen ansetzen. Ich weiß nicht, welche Merkmale in 1000 Generationen wichtig sind, oder gar welche Merkmalsausprägung.

Klar, wenn man das so betrachtet kann alles was zum jetzigen Zeitpunkt keinen Zweck erfüllt irgendwann einen Zweck erfüllen. Das ist der ganze Motor der Evolution. Mutationen passieren und diese sind entweder sofort von Vor-oder Nachteil oder eben neutral, persistieren und können irgendwann später zum Vor- oder Nachteil werden. Das Problem hierbei ist aber: Wenn man sehr große Zeitskalen betrachtet bekommen wir allerlei Probleme. Wie definieren wir dasselbe Merkmal auf einer so langen Zeitskala? Wenn wir uns ein Genom in Zeitraffer anschauen könnten, würden die Basen da nur so durchrattern wie bei einem Spielautomaten. Wo genau ist die Grenze zwischen dem roten und grünen Photopsin welche uns das Farbensehen ermöglichen? Beide entstanden aus der Duplikation eines einzelnen Gens. Wir enden damit in einem Brei wo die Grenzen zwischen Merkmalen verschwimmen. Es ist dann sinnlos ein Merkmal überhaupt noch definieren zu wollen. Deswegen sollte man bei evolutiven Fragestellungen grundsätzlich einen Punkt in der Zeit oder ein sinnvoll kleines Zeitfenster betrachten in dem das Merkmal eindeutig zuzuordnen ist. Außerdem verschiebt das den Torpfosten finde ich etwas, weil die Frage war ja: Gibt es unselektionierte Merkmale? Wenn es diese für irgendeinen Zeitraum gibt, dann lautet die Antwort ja. So ist das ein bisschen wie zu sagen eine Sportmannschaft hat heute nicht verloren, weil sie könnte ja nächstes mal gewinnen.

Quote from Merlin

Das Merkmal ist scheinbar "unselektioniert". Die Veränderlichkeit (Variabilität) ist aber (auf lange Sicht) nicht unselektioniert. Variabilität ist wahrscheinlich ein kaum schlagbarer Vorteil. Sexuelle Reproduktion hat einen erheblichen evolutionären Schub gebracht wegen der schnellen Veränderung.

Wenn man Variabilität oder besser Evolutionsrate als Merkmal definiert, klar. Auch das finde ich verschiebt den Torpfosten, weil du damit jetzt sagst, dass unselektionierte Merkmal ist selektioniert weil es Teil eines übergeordneten Merkmals ist welches selektioniert ist. Damit ist aber ja das unselektionierte Merkmal für sich genommen trotzdem immer noch unselektioniert. Wir diskutieren damit dann denke ich eher über Definitionen und Formulierungen als über die Mechanismen.

Natürlich wissen wir nicht alles. Es kann immer sein, dass wir den wahren Nutzen eines Merkmals übersehen oder nicht verstehen. Das sollte aber nicht zum falschen Umkehrschluss verleiten, dass alles worin wir keinen Nutzen erkennen können einen haben müsste den wir nur nicht verstehen. Manchmal kann und muss man die Frage nach dem Warum auch mit "gibt es nicht" bzw. mit Zufall beantworten.

Grüße Dennis

Quote from Merlin

Alles kostet Ressourcen und geschieht nur, wenn es einen Vorteil hat.

Also gefühlsmäßig wäre ich hier voll bei Dennis (auch wenn ich in eurer fachlich fundierten Diskussion dazu nichts beitragen kann) - ich glaube, dass so vieles in der Natur letztlich auf Zufällen basiert, die wir wohl in den wenigsten Fällen wirklich erklären können, aber zwanghaft immer nach irgendwelchen Gründen suchen. Allein schon bei den vielen Beispielen der Mimikry bin ich oft skeptisch, ab wir hier nicht versuchen, Dinge in ein Muster zu pressen, das für uns irgendwie Sinn ergibt, eigtl. aber gar nicht existiert. Ich finde, wir dürfen der Natur bzw. va auch uns ruhig mal zugestehen dürfen, einfach nicht alle Dinge in der Natur erklären zu können.

Aber das ist nur mein Gefühl dazu.

Zumindest ein etwas fundierterer Teil zu UV: Vögel können (wie Natalia ja schon geschrieben hat) sehr wohl UV wahr nehmen (obwohl wir hier ja auch nur über den auch für die Menschen sichtbaren Bereich reden). Tatsächlich scheint die Fluoreszens Prädation eher abzuhalten statt zu fördern:
https://www.cambridge.org/core…5997DDC746E0C1736957FDE18

Ist zwar m.E. auch ziemlich entgegen dem, was man erwarten würde, da fluoreszierend quasi noch auffälliger, aber scheinbar gibt es da etwas, was die Vögel hier irgendwie irritiert/abhält...

Beste Grüße,

Toni

Jetzt wirds stark spekulativ bei mir, aber trotzdem kurz ein paar Gedanken von mir noch dazu

Quote from Natalia

die durch den hohen Chlorophyllgehalt besonders stark rot leuchten

Scheint logisch. Wiederum konnte ich auch beobachten, dass gegen Herbst umso mehr Pflanzenarten fluoreszieren (bestes Beispiel: Brennnessel). Jetzt kenn ich mich mit der Biologie nicht gut genug aus (Schule ist zu lange her ), hätte aber eher gedacht, dass das Chlorophyll dann eher weniger werden müsste (?)

Quote from Natalia

das Leuchten des Kots

... der Gedanke bringt mich gerade wieder zu dem "alles hat einen Zweck": selbst Erde fluoresziert oftmals. Die Lampe, die ich verwende, wird ursprünglich zur Bestimmung von Mineralien genutzt, die in den spektakulärsten Farben fluoreszieren... Zweck?

Quote from Natalia

Deshalb habe ich hier die Vermutung, dass diese Eigenschaft des Leuchtens darauf hindeutet, dass ein Schutz vor UV Strahlung vorliegt.

Beobachte ich genauso. Aber finde ich auch nur logisch - Wir haben es hier ja mit einer sehr starken Strahlung zu tun, die potenziell schädigend wirken kann. Leuchte ich mit meiner Lampe aus ca 0,4m auf meine Haut, spüre ich bereits die Wärme (unbedingt immer vermeiden!). Wäre nur logisch, dass die Tiere ebenfalls spüren, wenn gerade hohe Strahlungsintensität herrscht und sich dann zurück ziehen. Wahrscheinlich wird ihnen auch genauso warm (daher würde ich einzelne Tiere auch immer nur möglichst kurz anleuchten).

Beste Grüße,

Toni

Quote from Toni Kasiske

Ist zwar m.E. auch ziemlich entgegen dem, was man erwarten würde, da fluoreszierend quasi noch auffälliger

Ich denke bei alledem muss man sich ja mal überlegen was für eine Relevanz das überhaupt haben kann. Die Vögel haben ja keine UV Lampe dabei. Tagsüber ist UV Licht der Sonne vorhanden, da fluoreszieren die Raupen, aber das Licht ist viel schwächer als das reflektierte sichtbare Licht, sodass weder wir noch Vögel das sehen. Nachts gibt es sehr wenig Licht (citation needed) inklusive UV, sodass die Raupen dort kaum fluoreszieren dürften (abgesehen vielleicht von Vollmondnächten, aber Raupen sitzen auch selten offen im Licht). Vögel sind außerdem überwiegend tagaktiv.

Tut mir leid dass die Diskussion zuvor sehr hochtrabend geworden ist. Ich versuche immer die Zusammenhänge möglichst verständlich zu formulieren, aber in dem Fall wollte ich auch deutlich machen dass dies ein sehr komplexes Thema ist bei dem man sich mit verallgemeinernden Aussagen zurückhalten sollte.

Quote from Natalia

Bei der Aufzucht von Charaxes jasius ist mir aufgefallen, dass unter UV Licht v.a. die Kopfkapsel der Raupen fluoresziert

Auch nur Spekulation, aber Chinone fluoreszieren stark unter UV und werden bei der Bildung von Sklerotin (dem was dem Chitinskelett die Härte verleiht) eingebaut. Könnte sein, dass daher stark sklerotisierte Strukturen besonders in der Aushärtungsphase zu verstärkter Fluoreszenz neigen.

Quote from Natalia

Deshalb habe ich hier die Vermutung, dass diese Eigenschaft des Leuchtens darauf hindeutet, dass ein Schutz vor UV Strahlung vorliegt.

Wäre möglich, dazu hab ich wieder in Physik nicht genug aufgepasst. Das wird fast überall sonst aber durch Melanine bewerkstelligt, sodass ich nicht erkennen kann warum Raupen hier die Ausnahme machen sollen. Dafür müsste man sich anschauen, ob das bei Raupen im Gebirge häufiger vorkommt. Was ich bezweifle.

Quote from Merlin

Vielleicht dient Fluoreszenz auch nur als Zwischenschritt zur Energieaufnahme, d.h. zum Aufwärmen.

Auch dafür wäre Melanin besser geeignet da durch Absorption die Energie im Gewebe verbleibt, während sie durch Fluoreszenz ja wieder abgegeben wird.

Ich tendiere nach wie vor dazu, dies eher als zufälliges Nebenprodukt anzusehen, was auch dadurch gestützt wird, dass diese Eigenschaft äußerst ungleich verteilt ist.

Quote from Merlin

Ich dachte, im Herbst recylen Pflanzen Chlorophyll und die Photosynthese wird vorübergehend von roten Farbstoffen übernommen

Ersteres ja, Chlorophyll enthält viel wertvollen Stickstoff den die Pflanzen in der Regel nicht wegwerfen wollen. Zurück bleiben gelb/orange oder rote Farbstoffe wie Carotinoide und Anthocyane. Diese dienen in der Tat dem Schutz vor UV Strahlung, können aber nicht zur Photosynthese verwendet werden. Die Hypothese dass im Herbst mehr langwelliges Licht vorhanden ist, ist auch verlockend, aber da die Farbstoffe rot reflektieren und nicht absorbieren (sonst wären sie nicht rot), könnten sie ja gerade dieses Licht nicht verwerten.

Grüße Dennis