Inhaltsverzeichnis

• Sind die meisten Mutationen schädlich?
• Gibt es günstige Mutationen?
• Arten von Mutationen und ihre Wirkungen
• Mutation Studies von Joe Boxhorn
• Anmerkungen
• Anhang I - Mutationsraten
• Anhang II - Resistenz gegen Arteriosklerose
• Anhang III - Resistenz gegen Arteriosklerose
• Anhang IV - Resistenz gegen HIV
• Literatur
• Danksagungen

Menschen stellen oft Fragen wie „Ist die Evolution nicht von Mutationen abhängig, und sind die meisten Mutationen schädlich?" oder „Gibt es vorteilhafte Mutationen?". In diesem FAQ versuchen wir, diese Fragen zu beantworten. Kurz gesagt:

• Mutationen treten auf.
• Das geschieht mit großer Regelmäßigkeit.
• Fast alle Mutationen sind neutral.
• Bei den übrigen hängt Nutzen/Schaden von den Umständen ab

Biologie ist kompliziert; der Jargon der biologischen Wissenschaften ist gewaltig. In diesem FAQ habe ich versucht, häufige Fragen in einfacher Sprache für den Laien zu beantworten. Gleichzeitig habe ich versucht, auch Material in größerer Tiefe für den Leser bereitzustellen, der wissenschaftliche Substanz sucht.

F: Ist die Evolution nicht von Mutationen abhängig und sind die meisten Mutationen schädlich?

A: Nein. Die meisten Mutationen sind weder schädlich noch vorteilhaft.

Das ist die kurze Antwort. Die lange Antwort ist, dass Mutationen neutral (weder hilfreich noch schädlich), ausschließlich schädlich, ausschließlich hilfreich sein können, oder (und das ist wichtig), ob sie schädlich oder hilfreich sind, hängt von der Umwelt ab. Die meisten Mutationen sind entweder neutral oder ihre Wirkung hängt von der Umwelt ab. Schauen wir uns ein Beispiel für eine Mutation an, die je nach Umständen schädlich oder hilfreich sein kann.

Englische Eulenfalter gibt es in zwei Varianten, hell und dunkel. Vor der industriellen Revolution waren dunkle Falter sehr selten. Während der schlimmsten Jahre der industriellen Revolution, als die Luft sehr rußig war, wurden dunkle Falter recht häufig. In den letzten Jahren, seit den großen Bemühungen zur Verbesserung der Luftqualität, ersetzen die hellen Falter die dunklen. Ein berühmter Aufsatz von H.B.D. Kettlewell schlug folgende Erklärung für dieses Phänomen vor:

Vögel fressen die Mottenart, die sie am besten sehen können.

In England vor der Industriellen Revolution waren Bäume oft mit hell gefärbten Flechten bedeckt. Infolgedessen wurden helle Motten bevorzugt, da sie auf der Rinde der Bäume schwer zu erkennen waren, während die dunklen Motten leicht zu sehen waren; Vögel fraßen die dunklen Motten. Während der schlimmsten Jahre der Industriellen Revolution war die Luft sehr rußig, sodass die Baumrinde aufgrund des Rußes dunkel wurde. Dunkle Motten waren schwer zu erkennen, während die hellen Motten leicht zu sehen waren; Vögel fraßen die hellen Motten. Infolgedessen wurden die dunklen Motten häufig und die hellen Motten selten.

Trotz kreationistischer Kritik hat diese Erklärung die Zeit standgehalten. Vor der Industriellen Revolution war eine Mutation, die helle Motten in dunkle Motten verwandelte, eine ungünstige (schädliche) Mutation, während sie in den dunklen Jahren eine günstige (hilfreiche) Mutation war.

Um zu verstehen, warum die meisten Mutationen weder schädlich noch hilfreich sind, hilft es, etwas über das Wesen von Mutationen zu wissen. Eine Mutation ist eine Veränderung im genetischen Material, das die Vererbung steuert. Das genetische Material befindet sich in den Chromosomen. Pflanzen und Tiere besitzen zwei Kopien jedes Chromosoms, während Bakterien nur eine Kopie haben. Organismen, die zwei Kopien jedes Chromosoms besitzen, werden als diploid bezeichnet. Solche, die nur eine Kopie jedes Chromosoms haben, werden als haploid bezeichnet.

Chromosomen sind in Gene unterteilt, wobei jedes Gen ein DNA-Abschnitt ist, d. h. eine Nukleotidsequenz (kurz A, G, C, T). Der Ort eines Gens wird als Locus bezeichnet. (Die Position eines Nukleotids innerhalb eines Gens wird als Site bezeichnet. Verwechseln Sie Locus und Site nicht.) An einem gegebenen Locus kann es sein, dass die DNA-Sequenz bei verschiedenen Tieren in geringfügiger Weise unterschiedlich ist. Diese werden üblicherweise als verschiedene Allele bezeichnet, werden manchmal jedoch verwirrend genug auch als verschiedene Gene bezeichnet. Nennen wir sie verschiedene Allele, damit wir nicht verwechselt werden; zudem ist dies der Standardbegriff.

Wenn wir Populationen von Tieren und Pflanzen betrachten, finden wir, dass an 10–20 % der Gene mehrere Allele vorliegen. Mit anderen Worten: Wenn wir an einem gegebenen Locus bei allen Mitgliedern einer Population schauen, finden wir etwa 10–20 % der Zeit mehr als eine Sequenz an diesem Locus. Innerhalb einer Population kann es für ein gegebenes Genlocus mehr als zwei Allele geben.

Unsere Birkenspanner haben ein Gen, das steuert, ob der Spanner hell oder dunkel ist.[1] Da Spanner Diploide sind, besitzt jeder Spanner zwei Kopien des Gens. Wenn beide Kopien eines bestimmten Gens das gleiche Allel sind, wird der Spanner für dieses Gen als homozygot bezeichnet. Wenn die beiden Kopien unterschiedliche Allele sind, wird der Spanner für dieses Gen als heterozygot bezeichnet. Wenn beide Allele gleich sind, wird der Spanner hell oder dunkel sein, je nachdem, welches Allel er besitzt. Manchmal sagen Leute „welches Gen er besitzt", was verwirrend ist, weil dies Gene und Allele vermischt. Wenn ein Spanner zwei unterschiedliche Allele besitzt (d. h. wenn er heterozygot ist), hängt der Farbton davon ab, welches Allel dominant ist. Bei Birkenspannern ist Dunkelheit dominant, d. h., ein Heterozygot wird dunkel statt hell sein.

Nun lassen Sie uns darüber sprechen, wie sich ein Gen verändern kann, d. h., wie ein Allel in ein anderes übergehen kann. Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie dies geschehen kann. Wir könnten eine Punktmutation erhalten, bei der ein Nukleotid durch ein anderes ersetzt wird. Ein Abschnitt könnte von Ende zu Ende ausgetauscht werden. Ein Abschnitt könnte herausgeschnitten werden. Ein Abschnitt könnte eingefügt werden. Oder das gesamte Gen könnte dupliziert werden. Sehen Sie sich den nächsten Abschnitt für eine ausführlichere Beschreibung der verschiedenen Arten von Mutationen und deren Auswirkungen an.

Was ist die Konsequenz, wenn eines dieser Dinge passiert? Meistens hat die Veränderung entweder überhaupt keine wahrnehmbare Wirkung oder sie ist tödlich. Kodierende Gene bilden Proteine unter Verwendung des genetischen Codes. Der genetische Code ist redundant (der technische Begriff lautet degeneriert), d. h., verschiedene Tripletts von Nukleotiden produzieren die gleiche Aminosäure. Aufgrund der Redundanz kann eine Punktmutation überhaupt keine Wirkung auf das kodierende Protein haben; diese werden als stille Mutationen bezeichnet. Wenn die Sequenz durch Ausschneiden oder Austauschen verändert wird, ist das Ergebnis wahrscheinlich tödlich, weil die kodierende Sequenz [die Ablesung in Bezug auf Tripletts] durcheinandergebracht wird. Dies ist jedoch nicht immer der Fall, da es Prozesse gibt, die Abschnitte von DNA auf eine Weise in Gene einschneiden und einfügen, die die kodierende Sequenz nicht durcheinanderbringen.

Angenommen, wir haben eine dieser Mutationen, die nicht tödlich ist, aber auch nicht stumm. Was als Ergebnis passiert, ist, dass wir ein etwas anderes Protein erhalten. Meistens funktioniert das neue Protein fast genau so wie das alte Protein – es katalysiert die gleichen Reaktionen. Manchmal ändert sich seine funktionale Fähigkeit; es katalysiert jetzt eine andere Reaktion. Wenn dies passiert, kann es ein anderes Protein geben, das auch die ursprüngliche Aufgabe übernommen hat; in diesem Fall haben wir eine neue Fähigkeit hinzugefügt. Wenn es kein solches Protein gab, haben wir die ursprüngliche Fähigkeit verloren und durch eine neue ersetzt. Änderungen in Enzymen (Proteinen, die Reaktionen katalysieren) sind selten eine Frage des Alles-oder-Nichts.[3]

Die Gen-Duplikation ist wichtig, da sie ein Weg ist, neue Gene zu erhalten. Sobald ein Gen dupliziert wurde, kann eine Kopie sich verändern, während die andere unverändert bleibt.

Gene variieren stark hinsichtlich des Ausmaßes, in dem sie verändert werden können, ohne dass dies dem Organismus schadet. Manche Gene, wie diejenigen, die den Grundumsatz und die Komponenten der Replikations-, Transkriptions- und Translationsmaschinerie kodieren, lassen sich kaum ohne Schaden verändern. Wir sehen bei ihnen von einem Organismus zum anderen sehr wenig Variation. Solche Gene werden als konserviert bezeichnet.

"Was ist das Nettoergebnis," können Sie fragen. Manche Mutationen sind tödlich oder sehr schädlich. Diese Mutationen werden sofort eliminiert. Manche sind stumm und zählen nicht. Manchmal ist eine Mutation eindeutig vorteilhaft; dies ist selten, aber es kommt vor. Fast alle Mutationen, die nicht stumm sind und nicht sofort eliminiert werden, sind weder vollständig vorteilhaft noch schädlich. Die Mutation erzeugt ein leicht anderes Protein, und die Zelle sowie der lebende Organismus funktionieren etwas anders. Ob die Mutation hilfreich oder schädlich ist, hängt von der Umwelt ab; sie kann beides sein.

Wenn man darüber nachdenkt, muss das Leben so funktionieren – Mutationen (Änderungen im genetischen Material) finden ständig statt. Der durchschnittliche Mensch hat etwa 50–100 Mutationen, von denen etwa 3 von Bedeutung sind, d. h., sie verändern tatsächlich ein Protein. Wenn die typische Mutation schädlich wäre, würde das Leben in kurzer Zeit aussterben. [4]

Obwohl die meisten Mutationen weder einheitlich vorteilhaft noch schädlich sind, können sie in einer bestimmten Umgebung entweder vorteilhaft oder schädlich sein. Umgebungen verändern sich ständig, und jedes Mitglied einer Population lebt in einer leicht anderen Umgebung als die anderen Mitglieder. Manche Organismen überleben; andere nicht. Manche reproduzieren sich; andere nicht. Die Allele derjenigen, die überleben und sich reproduzieren, werden weitergegeben. Jeder Unterschied im Organismus, der in Bezug auf die Umgebung vorteilhaft ist, wird gedeihen.

Es ist wichtig zu verstehen, dass Mutationen nicht als Reaktion auf die Umwelt auftreten. Sie geschehen einfach so. Häufig tritt eine Mutation innerhalb einer Population auf und verschwindet dann, weil das Organismus keine Nachkommen hatte oder die Mutation zufällig nicht an seine Nachkommen weitergegeben wurde; dies kann auch dann geschehen, wenn die Mutation vorteilhaft ist. Manchmal wird eine Mutation zufällig innerhalb einer Population etabliert, obwohl sie keinen Vorteil bietet; dies wird als genetische Drift bezeichnet. [8]

Es ist auch wichtig zu erkennen, dass Mutationen nicht nur einmal auftreten. Sie geschehen zwar selten, aber sie wiederholen sich innerhalb einer Art immer wieder. Eine Mutation erhält im Wesentlichen mehr als eine Chance, „das Apfelstück zu ergreifen"; wenn sie beim ersten Auftreten nicht Fuß fasst, bekommt sie eine weitere Gelegenheit.[9]

F: Gibt es günstige Mutationen?

A: Es gibt sie, aber es kann schwierig sein, sie zu erkennen.

Um aus verschiedenen Gründen Beispiele für vorteilhafte Mutationen zu geben, ist es nicht einfach. Erstens können Merkmale [6] je nach Umwelt vorteilhaft oder nachteilig sein. Zweitens ist in der Regel nicht bekannt, inwieweit ein Merkmal genetisch fixiert ist und inwieweit es eine Reaktion auf die Umwelt widerspiegelt. Drittens wissen wir in der Regel nicht, welche Gene welche Merkmale beeinflussen. Darüber hinaus kann eine Mutation im Sinne, dass sie das Überleben in einer ungünstigen Umwelt ermöglicht, vorteilhaft sein, aber in einer besseren Umwelt nachteilig sein.

Jedoch gibt es eine Reihe von guten Beispielen:

1. Antibiotikaresistenz bei Bakterien

   In der modernen Zeit sind Antibiotika, Medikamente, die spezifische Merkmale von Bakterien angreifen, sehr beliebt geworden. Bakterien entwickeln sich sehr schnell, daher ist es nicht überraschend, dass sie Resistenzen gegen Antibiotika entwickelt haben. Im Allgemeinen beinhaltet dies das Ändern der Merkmale, die Antibiotika angreifen.

   Häufig, aber nicht immer, verringern diese Mutationen die Fitness der Bakterien, d. h., in Umgebungen, in denen keine Antibiotika vorhanden sind, vermehren sie sich nicht so schnell wie Bakterien ohne die Mutation. Dies ist nicht immer der Fall; einige dieser Mutationen beinhalten keinen Verlust an Fitness. Darüber hinaus gibt es oft sekundäre Mutationen, die die Fitness wiederherstellen.

   Bakterien sind leicht zu untersuchen. Dies ist ein Vorteil in evolutionären Studien, da wir Evolution im Labor beobachten können. Es gibt ein Standardexperiment, bei dem der Experimentator mit einem einzelnen Bakterium beginnt und es in einer kontrollierten Umgebung vermehren lässt. Da Bakterien sich ungeschlechtlich vermehren, sind alle ihre Nachkommen Klone. Da die Vermehrung nicht perfekt ist, treten Mutationen auf. Der Experimentator kann die Umgebung so einstellen, dass Mutationen für ein bestimmtes Merkmal selektiert werden. Der Experimentator weiß sowohl, dass die Mutation ursprünglich nicht vorhanden war, und somit, wann sie auftrat.

   In der Natur ist es in der Regel unmöglich festzustellen, wann eine Mutation auftrat. In der Regel wissen wir nur (und oft wissen wir gar nicht einmal), dass die aktuelle Verteilung bestimmter Merkmale vorliegt.

   Die Situation bei Insekten und Pestiziden ist ähnlich der bei Bakterien und Antibiotika. Pestizide werden weit verbreitet eingesetzt, um Insekten zu töten. Im Gegenzug entwickeln sich die Insekten schnell auf Weise, um immun gegen die Pestizide zu werden.

2. Bakterien, die Nylon fressen

   Nein, sie fressen eigentlich kein Nylon; sie fressen kurze Moleküle (Nylon-Oligomere), die sich in den Abwässern von Pflanzen befinden, die Nylon produzieren. Sie metabolisieren kurze Nylon-Oligomere und spalten die Nylon-Verbindungen mit ein paar verwandten Enzymen. Da die beteiligten Bindungen nicht in natürlichen Produkten vorkommen, müssen die Enzyme seit der Erfindung des Nylons (um die 1940er Jahre) entstanden sein. Es scheint, dass dies durch neue Mutationen in diesem Zeitraum geschehen ist.

   Die Enzyme, die die Nylon-Oligomere abbauen, scheinen durch einen Verschiebungs-Mutation (frameshift mutation) von einem anderen Gen entstanden zu sein, das für ein funktionell unverbundenes Enzym kodiert. Diese Anpassung wurde experimentell nachgeahmt. In den Experimenten wurden nicht-Nylon-metabolisierende Stämme von Pseudomonas in Medien gezüchtet, in denen Nylon-Oligomere als primäre Nahrungsquelle verfügbar waren. Innerhalb einer relativ kleinen Anzahl von Generationen entwickelten sie diese Enzymaktivitäten. Dies scheint ein Beispiel für das dokumentierte Auftreten vorteilhafter Mutationen im Labor zu sein.

3. Resistenz gegen Malaria bei Sichelzellenanämie

   Das Sichelzellen-Allel führt dazu, dass die normalerweise runden Blutzellen eine Sichelform annehmen. Die Wirkung dieses Allels hängt davon ab, ob eine Person eine oder zwei Kopien des Allels besitzt. Wenn eine Person zwei Kopien hat, ist dies in der Regel tödlich. Wenn sie eine Kopie hat, besitzt sie Sichelzellen.

   Im Allgemeinen ist dies eine unerwünschte Mutation, da die Sichelzellen weniger effizient sind als normale Zellen. In Gebieten, in denen Malaria verbreitet ist, erweist sich dies jedoch als vorteilhaft, da Menschen mit Sichelzellen weniger wahrscheinlich Malaria durch Mücken bekommen.

   Dies ist ein Beispiel dafür, dass eine Mutation die normale Effizienz des Körpers (seine Fitness in einem Sinne) verringert, dennoch aber einen relativen Vorteil bietet.

4. Laktosetoleranz

   Die Laktoseintoleranz bei erwachsenen Säugetieren hat eine klare evolutionäre Erklärung; das Einsetzen der Laktoseintoleranz erleichtert das Entwöhnen der Jungen. Menschen haben jedoch die Gewohnheit angenommen, Milchprodukte zu essen. Dies ist nicht universell; es ist etwas, das in Kulturen entstanden ist, die Rinder und Ziegen hielten. In diesen Kulturen hatte die Laktosetoleranz einen starken selektiven Wert. In der modernen Welt besteht eine starke Korrelation zwischen Laktosetoleranz und Nachkommen, die in Kulturen lebten, die Milch als Nahrung ausbeuteten.

   Es sollte verstanden werden, dass es ein Zufall war, dass die Mutation der Laktosetoleranz in einer Gruppe auftrat, in der sie vorteilhaft war. Sie könnte zunächst durch genetische Drift innerhalb einer Gruppe etabliert worden sein, die dann entdeckte, dass sie Milch verwenden konnten. [9]

5. Widerstand gegen Arteriosklerose

   Arteriosklerose ist vor allem eine Krankheit des modernen Zeitalters, die durch moderne Ernährung und Lebensstile hervorgerufen wird. Es gibt eine Gemeinde in Italien in der Nähe von Mailand (siehe Anhang II und III für biologische Details), deren Bewohner keine Arteriosklerose bekommen, aufgrund einer glücklichen Mutation bei einem ihrer Vorfahren. Diese Mutation ist besonders interessant, weil die Person identifiziert wurde, die die ursprüngliche Mutation hatte.

   Beachten Sie, dass dies eine Mutation ist, die in der modernen Zeit vorteilhaft ist, weil (a) Menschen länger leben und (b) Menschen Ernährung und Lebensstile haben, die nicht denen unserer Vorfahren ähneln. In prähistorischen Zeiten wäre dies keine vorteilhafte Mutation gewesen. Selbst heute können wir nicht sicher sein, dass diese Mutation reproduktiv vorteilhaft ist, d. h., dass Menschen mit dieser Mutation mehr Nachkommen haben als im Durchschnitt. Es ist jedoch klar, dass die Mutation für die Individuen persönlich vorteilhaft ist, die sie tragen.

6. Immunität gegen HIV

   HIV infiziert eine Reihe von Zelltypen, einschließlich T-Lymphozyten, Makrophagen, dendritische Zellen und Neuronen. AIDS tritt auf, wenn Lymphozyten, insbesondere CD4+ T-Zellen, abgetötet werden, wodurch der Patient nicht mehr in der Lage ist, opportunistische Infektionen abzuwehren. Das HIV-Virus muss sich an Moleküle anlagern, die auf der Oberfläche der T-Zellen exprimiert werden. Eines dieser Moleküle wird CD4 (oder CD4-Rezeptor) genannt; ein anderes ist der C-C-Chemokin-Rezeptor 5, bekannt unter den Namen CCR5, CCCKR5 und CKR5. Manche Menschen tragen ein mutiertes Allel des CCR5-Gens, das zu einem fehlenden Ausdruck dieses Proteins auf der Oberfläche der T-Zellen führt. Homozygote Individuen sind resistent gegen HIV-Infektionen und AIDS. Die Frequenz des mutierten Allels ist in einigen Populationen recht hoch, die niemals AIDS ausgesetzt waren, so dass es wahrscheinlich ist, dass dieses Allel einer früheren Selektion unterlag. (Siehe Anhang IV)

   Für eine Beschreibung der jüngsten Literatur konsultieren Sie die OMIM-Seite für CCR5.

Typen von Mutationen und ihre Auswirkungen

Mutationen sind Veränderungen im Genom (genetische Konstitution). Es gibt eine ganze Reihe von Möglichkeiten, wie Mutationen auftreten können. Sie unterscheiden sich auch darin, wie sie die Evolution beeinflussen.

Mutationen, die auftreten, wenn das Genom während der Fortpflanzung kopiert wird, werden als vertikale Transfermutationen bezeichnet. Sie werden vertikale Transfermutationen genannt, weil sie von den Vorfahren an die Nachkommen entlang vertikaler Abstammungslinien übertragen werden. In der ursprünglichen Arbeit zur Populationsgenetik wurde angenommen, dass alle Mutationen vertikale Transfermutationen sind.

Horizontal Transfer-Mutationen treten auf, wenn DNA von einem Organismus zu einem anderen übertragen wird. Horizontaler Transfer kann eine wichtige Quelle für evolutionäre Neuheiten sein. Er ist wichtig, weil neue Gene durch horizontalen Transfer viel schneller verbreitet werden können als durch vertikalen Transfer. Wenn die Evolution durch einen Baum dargestellt wird, ist die vertikale genetische Bewegung die Weitergabe von Genen entlang der Äste; die horizontale genetische Bewegung ist die Übertragung von Genen zwischen den Ästen.

Intra-organism transfer mutations occur when genes or parts of genes move around within an organism.

Streng genommen sind Hybriden (Züchtung über Arten hinweg) keine Mutanten. Bei vielen Gruppen von Arten, insbesondere bei Pflanzen, werden Gene über Hybriden von einer Art auf eine andere übertragen.

Arten von Mutationen:

1. Punktmutationen

   Der häufigste Typ von Kopierfehlern ist die Punktmutation. Bei dieser Form der Mutation wird das Nukleotid an einer Stelle durch ein anderes Nukleotid ersetzt. Wenn Menschen über Mutationsraten sprechen, meinen sie in der Regel Raten von Punktmutationen.

   Wirkungen von Punktmutationen: Punktmutationen in Junk-DNA sind häufig, haben aber keine Wirkung. Manchmal haben Punktmutationen in regulatorischen Regionen keine Wirkung und manchmal verändern sie die Expression bestimmter Gene.

2. Einfügungen und Deletionen

   Während der Kopierung kann ein DNA-Segment gelöscht werden oder ein neues Segment eingefügt werden. Typischerweise geschieht dies als Folge von Chromosomenbrüchen oder Neuausrichtung. (Siehe unten.) Einfügungen und Deletionen können auch durch bestimmte Arten von horizontaler Übertragung erzeugt werden.

   Wirkungen von Einfügungen und Deletionen: Wenn die Länge des neuen oder gelöschten Segments kein Vielfaches von drei ist, wird die Übersetzung nach dem Punkt, an dem die Einfügung/Deletion aufgetreten ist, durcheinandergebracht, da das Leserahmen jetzt nicht mehr ausgerichtet ist. Dies wird als Frameshift-Mutation bezeichnet. Bei einigen Genen gibt es Segmente, die als Block dupliziert werden können. Dies wird als Tandemduplikation bezeichnet.

3. Chromosomale Duplikation

   Manchmal werden während der Fortpflanzung ein oder mehrere Chromosomen dupliziert; die Nachkommen erhalten zusätzliche Kopien dieser Chromosomen.

   Wirkungen der chromosomalen Duplikation: Die Duplizierung nur eines Chromosoms ist im Allgemeinen nachteilig; ein Beispiel beim Menschen ist das Down-Syndrom. Das Vorhandensein mehrerer Kopien aller Chromosomen wird als Polyploidie bezeichnet. Polyploidie ist bei Pilzen und Tieren selten (obwohl sie vorkommt) und ist bei Pflanzen häufig. Es wird geschätzt, dass 20-50% aller Pflanzenarten als Ergebnis der Polyploidie entstehen.

   Gen-Duplikation ist sehr häufig; sie ist wichtig, weil sie einen Weg bietet, neue Fähigkeiten zu entwickeln, während die alten Fähigkeiten beibehalten werden. Alle Zwischenstufen können in der Natur gefunden werden, von einem einzelnen Gen mit alternativen Allelen bis hin zu fast identisch duplizierten Genen mit leicht unterschiedlichen funktionellen Allelen bis hin zu Genfamilien evolutionär verwandter Gene mit unterschiedlichen Funktionen.

4. Chromosomale Brüche und Neuausrichtung

   Während der Fortpflanzung kann ein Chromosom in zwei Teile zerbrechen oder zwei Chromosomen können zusammengefügt werden. Ein Abschnitt kann von einem Teil des Chromosoms zu einem anderen verschoben werden oder kann in der Orientierung umgedreht werden (invertiert). Dies ist der Mechanismus, durch den Deletionen, Duplikationen und Transpositionen auftreten können.

   Wirkungen chromosomaler Brüche und Neuausrichtung: Sehr oft beeinträchtigen diese Arten von Veränderungen nicht die Überlebensfähigkeit des Organismus (die Gene sind immer noch da; sie sind nur an anderen Stellen), aber bei sexuell sich fortpflanzenden Arten können sie die Wahrscheinlichkeit verringern, dass der Organismus lebensfähige, fruchtbare Nachkommen erzeugt.

5. Retroviren

   Bestimmte Viren haben die Fähigkeit, eine Kopie von sich selbst in das Genom eines Wirts einzufügen. Die Chemikalie, die dies ermöglicht (Reverse-Transkriptase), wird in der Gentechnik weit verbreitet eingesetzt.

   Wirkungen von Retroviren: In der Regel ist dies ein Weg, damit das Virus den Wirt dazu bringt, die Arbeit der Reproduktion des Virus zu erledigen. Manchmal mutiert jedoch das eingefügte Gen und wird ein permanenter Bestandteil des Genoms des Wirtsorganismus. Je nach Position der viralen DNA im Wirtsgenom können Gene unterbrochen oder ihre Expression verändert werden. Wenn Einfügungen in der Keimbahn mehrzelliger Organismen auftreten, können sie vertikal weitergegeben werden.

6. Plasmide

   Plasmide sind kleine Stücke von zirkulärer DNA, die von Bakterium zu Bakterium weitergegeben werden. Plasmide können über Artgrenzen hinweg übertragen werden.

   Wirkungen der Plasmidübertragung: Die Plasmidübertragung ist ein wichtiger Weg, um nützliche Gene zu verbreiten, wie diejenigen, die Resistenz gegen Antibiotika verleihen. Die Plasmidübertragung ist ein Beispiel für horizontale Übertragung.

7. Bakterielle DNA-Austausch

   Bakterien können DNA direkt austauschen. Sie tun dies oft als Reaktion auf Umweltstress.

   Wirkungen des bakteriellen DNA-Austauschs: Der Austausch ist oft tödlich für eines oder beide der beteiligten Bakterien. Manchmal erwerben jedoch eines oder beide Partner Gene, die für die aktuelle Umgebung essenziell sind.

8. Übertragung auf höherer Ebene

   Einige Parasiten können genetisches Material von einem Organismus aufnehmen und es zum nächsten tragen. Dies wurde bei Fruchtfliegen in freier Wildbahn beobachtet.

   Wirkungen der Übertragung auf höherer Ebene: Wenn dies geschieht, können neue Allele viel schneller durch eine Art verbreitet werden als bei gewöhnlichem Genfluss.

9. Symbiotische Übertragung

   Wenn zwei Organismen in einer engen symbiotischen Beziehung existieren, kann einer Gene vom anderen „stehlen". Das bekannteste Beispiel dafür sind Mitochondrien. Bei den meisten Organismen mit Mitochondrien haben sich die meisten ursprünglichen mitochondrialen Gene von den Mitochondrien zum Kerngenom verlagert.

   Wirkungen der symbiotischen Übertragung: Eine Hauptwirkung ist, dass die symbiotische Beziehung von optional zu obligatorisch wird.

10. Transposons

    Transposons sind Gene, die sich von einer Stelle im Genom zu einer anderen bewegen können.

    Wirkungen von Transposons: Je nach Einfügungsposition können Transposons die Expression von Wirtsgenen unterbrechen oder verändern. Bei einigen Arten sind die meisten Mutationen auf Transposon-Einfügungen zurückzuführen. Zum Beispiel sind bei Drosophila 50-85% der Mutationen auf Transposon-Einfügungen zurückzuführen.

Mutationsstudien

Experimentelle Arbeiten mit Bakterien, eukaryotischen Mikroorganismen und sehr kleinen Tieren können uns viel über das Vorkommen und die Eigenschaften von Mutationen, einschließlich vorteilhafter Mutationen, verraten. In den letzten etwa fünfzig Jahren wurden in einer Reihe von Studien vorteilhafte Mutationen beobachtet.

Die meisten dieser Experimente wurden in einem kontinuierlichen Kultursystem durchgeführt, das als Chemostat bezeichnet wird. Chemostats werden seit fünfzig Jahren zur Erforschung der Physiologie, der Populationsbiologie und der Ökologie von Bakterien und einer Vielzahl anderer kleiner Organismen eingesetzt. Sie werden auch weit verbreitet in der kommerziellen Herstellung von mikrobiell produzierten Substanzen verwendet. Ein Chemostat besteht aus einer Flasche, in der die Organismen wachsen. Wachstumsmedium (d. h. Nahrung) wird kontinuierlich in die Flasche gepumpt, und Abfallprodukte, Restmedium und Organismen fließen heraus. Der Inhalt der Flasche ist gut durchmischt, sodass jedes Wesen im Chemostat eine gleiche Chance hat, an jedes Stück Nahrung zu gelangen. Faktoren, die das Wachstum der Organismen beeinflussen, wie beispielsweise die Temperatur, werden kontrolliert, manchmal sogar sehr rigoros. Es wurden mehrere Varianten von Chemostats entwickelt. Sie werden beschrieben, sobald sie relevant werden.

Chemostats besitzen mehrere Eigenschaften, die sie für biologische Forschung nützlich machen. Im Laufe der Zeit erreichen die Organismen im System einen stationären Zustand, in dem das Organismenwachstum gleich der Menge an Organismen ist, die aus der Flasche abfließt. In diesem stationären Zustand bleibt die Konzentration der Organismen, gemessen als Biomasse, sowie die Konzentration des verbleibenden (nicht genutzten) Nährstoffs recht stabil. Die Zahlen können sich etwas aufgrund von Änderungen in der Größe der Individuen verändern. Es ist wichtig zu beachten, dass wenn das System im stationären Zustand ist, die Organismen exponentiell wachsen, wobei ihre Wachstumsrate der Verdünnungsrate (Fluss des Mediums/Flascheninhalt) des Systems entspricht. Die durchschnittliche Zeit, die ein Organismus im Chemostat verbleibt, ist der Kehrwert der Verdünnungsrate. Diese Organismen befinden sich auch physiologisch in einem stationären Zustand. Die Populationsdichten von Organismen, die in diesen kontinuierlichen Kultursystemen gezüchtet werden, können sehr hoch sein. Für ein schnell wachsendes Bakterium wie E. coli sind Dichten von 3 × 10⁸ pro ml leicht erreichbar. Ebenso können kleine eukaryotische Algen wie Chlorella vulgaris leicht bei Dichten von 3 × 10⁷ pro ml kultiviert werden. Dichten in der Größenordnung von 10⁵ - 10⁶ pro ml sind für viele größere einzellige und koloniale Eukaryoten erreichbar. Die Implikationen dies für die Untersuchung von Mutationen sind wichtig. Unter der Annahme vernünftiger Mutationsraten und Genomgrößen ist es nahezu sicher, dass eine Kultur dieser Art, die über eine beliebige Zeitspanne im stationären Zustand betrieben wurde, einige mutierte Individuen enthalten wird. Dies gilt auch, wenn die Kultur mit einem Stamm beimpft wird, der von einem Individuum einer obligat asexuellen Art stammt. Wenn wir beispielsweise folgende Eigenschaften für einen E. coli-Chemostat mit identischen Zellen annehmen:

Wir sollten 7,5 × 10⁶ mutierte Gene pro Tag entstehen sehen. Ich möchte anmerken, dass E. coli-Chemostate im Allgemeinen mit Verdünnungsraten betrieben werden, die weit schneller sind als dies. Eine weitere Eigenschaft dieses Systemtyps ist, dass sich der Anteil der schneller wachsenden Formen in der Population tendenziell auf Kosten der langsamer wachsenden erhöht, wenn die Organismen in einem Chemostat unterschiedliche Wachstumsraten aufweisen. Schließlich sind die mathematischen Modelle, die das Wachstum von Bakterien und einzelligen Algen in diesen Systemen beschreiben, relativ gut verstanden und funktionieren bei Vergleich mit Daten recht gut (siehe beispielsweise Herbert et al. 1956, Kubitschek 1970, Pirt 1975). Diese Modelle funktionieren nicht so gut bei der Vorhersage der Dynamik, wenn größere Organismen mit komplexeren Lebenszyklen in Chemostaten gezüchtet werden.

Eine Neuinterpretation durch Kubitschek (1974) von Arbeiten von Novick und Szilard (1956) deutet darauf hin, dass das oben dargelegte Argument begründet war. In dieser Studie wurde die Resistenz gegen ein bakterielles Virus als Marker verwendet, um das Auftreten bestimmter Mutationen in einer Chemostat-Kultur zu verfolgen. Novick und Szilard züchteten E. coli in einem Chemostat bei einer stationären Dichte von etwa 3 × 10⁸ Zellen pro ml. Periodisch wurden Zellen, die aus dem Chemostat entnommen wurden, auf Resistenz gegen Infektionen durch das Bakteriophagen T5 getestet, und die Dichte der T5-resistenten Zellen in der Kultur berechnet. Zu keinem Zeitpunkt war das Phagen T5 im Chemostat vorhanden, und die Zellen im Chemostat waren dem Phagen T5 nicht ausgesetzt worden. Sie stellten fest, dass es immer einen Anteil von Zellen in der Kultur gab, der gegen T5 resistent war. Die Dichte der resistenten Zellen schwankte zwischen 10² und 10³ pro ml. Sie folgte einem Muster wie dem unten gezeichneten:

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  2.000 pro ml
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(Hinweis: Dies ist nicht das eigentliche Diagramm. Es zeigt das Muster der Veränderungen, durch die das System hindurchging. Für das eigentliche Diagramm siehe Kubitschek 1974.) Die Zunahmen und Abnahmen spiegeln das Auftreten von Mutationen wider, die innerhalb von Stämmen im Chemostat auftreten. Der anfängliche Anstieg der Frequenz resistenter Zellen tritt auf, weil eine Mutation in einem T5-resistenten Stamm auftritt, die ihn (und seine Nachkommen) zu den am schnellsten wachsenden Zellen in der Kultur macht. Solange dieser Stamm der am schnellsten wachsende bleibt, wird seine Darstellung in der Population zunehmen. Schließlich tritt eine verschiedene günstige Mutation in einer Zelle auf, die empfindlich gegenüber T5 ist, die ihn (und seine Nachkommen) zu den am schnellsten wachsenden Zellen in der Kultur macht. Dies führt dazu, dass die Frequenz der T5-Resistenz abnimmt. Später tritt eine andere Mutation in einem T5-resistenten Stamm auf, die ihn zum am schnellsten wachsenden Stamm macht. Seine Frequenz steigt, und so weiter.

Es ist wichtig zu beachten, dass in dieser Umgebung Empfindlichkeit und Resistenz gegenüber einer T5-Infektion ein neutrales Merkmal darstellen. Da sich keine T5-Bakterien in der Umgebung befinden, bietet die Resistenz keinen Vorteil. Sie scheint jedoch auch keinen wesentlichen Nachteil zu verursachen. Würde sie einen Nachteil darstellen, würden die resistenten Zellen aus dem Chemostat herausgewaschen werden. In dieser Umgebung ist das Merkmal selektiv neutral. Mutationen in anderen Genen führen dazu, dass einige Zellen eine höhere Wachstumsrate aufweisen. Es kommt lediglich darauf an, ob diese Mutationen zuerst in resistenten oder empfindlichen Zellen auftreten, das bestimmt, ob die Häufigkeit der T5-resistenten Zellen zunimmt oder abnimmt. Es handelt sich um einen Mitfahrereffekt (hitchhiking effect) – das Gen für die T5-Resistenz fährt einfach mit den Genen, die die Schwankungen verursachen.

Nun in einer anderen Umgebung könnte der Wert der Mutation, die Resistenz gegen eine Virusinfektion erzeugt, einen völlig anderen Wert haben. Chao et al. (1977) züchteten Wildtyp E. coli B in einem Chemostat. Sobald der Behälter den stationären Zustand erreichte, infizierten sie ihn mit dem Bakteriophagen T7. Die Bakterien sind anfällig für eine Infektion durch T7. Unnötig zu sagen, dass sich T7 wie verrückt auf den Bakterien vermehrte. Nach kurzer Zeit jedoch trat eine Mutation auf, die auf ein einzelnes Gen zurückzuführen ist und sich an einer Zelloberflächenrezeptorstelle befindet, wodurch die Bakterien eine vollständige Resistenz gegen T7 erlangten. Dieser Bakterienstamm wurde als B1 bezeichnet. Kurz darauf trat eine Mutation im Virus auf, die es ihm ermöglichte, den Stamm B1 zu infizieren (Stamm T7.1). Eine zweite Mutation trat in B1 auf, die es resistenter gegen diesen zweiten Virusstamm sowie gegen den ursprünglichen Virusstamm machte (Stamm B2). Alle fünf dieser Organismen koexistierten glücklich im selben Chemostat.

Ob diese Mutationen vorteilhaft oder nachteilig sind, hängt davon ab, in welche Umgebung die Organismen gestellt werden. In einer Umgebung, die T7 enthält, können E. coli B1 oder E. coli B2 überleben, während E. coli B enorme Sterblichkeitsraten erleidet. Doch die Mutantenstränge zahlen einen Preis. Sie nehmen Nährstoffe nicht so schnell auf wie der Wildtyp und können daher nicht so schnell wachsen. In Konkurrenzexperimenten in phagenfreien Umgebungen übertrifft E. coli B jedes Mal. Ob eine Mutation, die Resistenz gegen T7 verleiht, vorteilhaft ist, hängt also davon ab:

1. ob T7 in der Umgebung vorhanden ist, und
2. falls nicht, ob sensible Artgenossen anwesend sind.

Es gibt eine beträchtliche Menge an Arbeiten zur Resistenz von Bakterien gegen Bakteriophagen, die dies unterstützen. Ein Teil davon wird in Lenski (1987) zusammengefasst.

Das Vorhandensein eines Räubers in einem kontinuierlichen Kultursystem kann eine starke Selektion auf die gezüchteten Organismen ausüben. Wenn Mutationen in den Beutetieren auftreten, die Resistenz gegen Prädation verleihen, können sie sich im Chemostat sehr schnell ausbreiten – in Echtzeit! Dies wurde in vielen Studien beobachtet, deren Ergebnisse in der Literatur über kontinuierliche Kulturen berichtet werden.

Shikano et al. (1990) beobachteten eine wesentliche morphologische Veränderung bei einem nicht identifizierten gramnegativen Bakterium, wenn es in einer semikontinuierlichen Kultur mit einem Räuber gezüchtet wurde. Eine semikontinuierliche Kultur ist eine Kulturtechnik, bei der Organismen in einem Mischgefäß gezüchtet werden. In regelmäßigen Abständen wird ein festes Volumen an Nährmedium und Organismen entnommen und durch frisches Medium ersetzt. Dieses System erreicht einen Pseudo-Gleichgewichtszustand, der dem Gleichgewichtszustand in einem Chemostat ähnlich ist. In dieser Studie wurde ein amotiles, kurzes (1,5 Mikrometer) stäbchenförmiges Bakterium mit dem Kiliaten-Räuber Cyclidium gezüchtet. Mediumtransfers erfolgten jeden siebten Tag. Nach 8 bis 10 Transfers traten in Kulturen, die den Kiliaten enthielten, lange Bakterienzellen (bis zu 20 Mikrometern) auf. Diese Zellen besaßen keine Querwände. Sie koexistierten mit einer kürzeren Morphologie. Nach dem Auftreten der langen Form nahm die Dichte der Kiliaten in den experimentellen Gefäßen ab. Fütterungsexperimente zeigten, dass die Kiliaten vorzugsweise die kürzeren Zellen fressen.

Um zu testen, ob die Veränderung im Bakterium eine genetische Veränderung war, untersuchten Shikano et al. (1990) die Größenverteilungen der Zellen in 30 Kolonien, die aus einem experimentellen Becher abgeleitet wurden. Die Häufigkeitsverteilung der Größen der kurzen Zellen in den Bechern war nicht von denen in den Kontrollen und der Elternstamme zu unterscheiden. Die Häufigkeitsverteilung der Größen für die langen Zellen war deutlich breiter. Die Tatsache, dass Tochterkolonien, die von Kolonien der langen Zellen abgeleitet wurden, dieselbe Verteilung der Zelllängen aufweisen wie die langen Zellkolonien aus den experimentellen Bechern, deutet darauf hin, dass diese morphologische Veränderung eine genetische Veränderung widerspiegelt.

Die Selektion für filamentöse Formen durch einen phagotrophen Räuber scheint bei Bakterien häufig zu sein. Pernthaler et al. (1997) berichteten über das Auftreten einer filamentösen Form eines unbekannten Mitglieds der Beta-Proteobakterien, wenn der räuberische Flagellat Bodo saltans zu einem Chemostat hinzugefügt wurde, der eine gemischte bakterielle Gemeinschaft züchtete. Ähnliche Filamente wurden beobachtet, wenn E. coli in einem Chemostat mit dem räuberischen Flagellat Poterioochromonas malhamensis gezüchtet wurde (Gillott et al. 1993). Innerhalb von etwa 5 Tagen erschienen nicht-septierte Filamente bis zu 100 Mikrometern lang. Viele waren so lang, dass der Flagellat sie nicht vollständig aufnehmen konnte. (Hinweis: Ich habe einige Fütterungsstudien mit diesem Stamm durchgeführt. Ich habe Videomaterial von Flagellaten, die versuchen, ein langes Filament zu verschlingen, indem sie das Filament durch sich selbst schieben, bis die ganze Sache wie eine Gallenbildung auf einem Goldrutenstamm aussieht und schließlich das Filament wie einen Pfeil, der aus einem Bogen geschossen wird, aus sich selbst herausdrücken.) E. coli ist bekannt dafür, Filamente wie diese als Folge einer langfristigen Exposition gegenüber Strahlung oder chemischen Agentien zu produzieren (Deering 1958, Curry und Greenberg 1962, Hoffman und Frank 1963, Adler und Hardigree 1964). Der Mechanismus scheint eine Mutation in der Querwandbildung zu sein (Begg und Donachie 1985).

Nakajima und Kurihara (1994) erzeugten eine andere günstige Mutation bei E. coli. Sie züchteten die Bakterien in einem Chemostat mit dem räuberischen Käulchen Tetrahymena thermophila. Innerhalb von 15 Tagen nach der Inokulation der Käulchen erschienen Ketten von normalgroßen E. coli-Zellen. Diese morphologische Veränderung hielt über mehrere Platten auf Agar an. Auch diesmal bot die neue Form Schutz vor dem Räubertum.

Van den Ende (1973) führte den Ciliatenräuber Tetrahymena pyriformis in einen Chemostat ein, der das Bakterium Klebsiella aerogenes im stationären Zustand enthielt. Während des Zeitraums von 140 bis 200 Stunden nach der Inokulation mit dem Räuber änderte sich die Kolonienmorphologie des Bakteriums von einer normalen schleimigen Erscheinung zu einer glasartigen Erscheinung. Dies reflektierte den Verlust der schleimigen Kapsel des Bakteriums. Bakterien begannen, sich an den Wänden des Kulturgefäßes anzuhängen. In den Kontrollgruppen wurde kein Wandwachstum beobachtet. Die morphologische Änderung scheint eine Anpassung zu sein, die es den Bakterien ermöglicht, die Wand als Zuflucht vor der Prädation zu nutzen. Dies wird durch eine von van den Ende beobachtete Änderung in der Größenverteilung der Ciliaten gestützt. Bei der Inokulation zeigten die Ciliaten eine Längenverteilung von 40 bis 200 Mikrometern. Nach 800 Stunden im Chemostat überschritten nur wenige Ciliaten eine Länge von 60 Mikrometern. Dies scheint auf Hunger zurückzuführen sein.

In den oben genannten Fällen traten Mutationen auf, die eine Resistenz gegen Prädation bewirkten. Auch bei Studien von Bakterien, die in Chemostaten gezüchtet wurden, wurden Mutationen beobachtet, die eine Resistenz gegen Parasiten vermitteln. Varon (1979) führte den parasitären Bakterienstamm Bdellovibrio in einen Chemostaten ein, in dem der leuchtende Bakterienstamm Photobacterium leiognathi im stationären Zustand wuchs. Innerhalb von sechs Tagen erschien ein neuer Stamm des Wirts, der gegen Angriffe durch den Parasiten resistent war. Dieser Mutant existierte in der Kultur mit einer Form ähnlich dem ursprünglichen Stamm koexistierend. Normalerweise wächst P. leiognathi als Paare stäbchenförmiger Zellen und bildet durchscheinende Kolonien. Der mutierte Stamm wächst als Ketten ovaler Zellen und bildet undurchsichtige Kolonien. Plaque-Assays zeigten, dass die Effizienz der Plattierung der Bdellovibrio-Suspension auf Flächen des Mutanten mindestens 10⁷ Mal geringer war als auf dem ursprünglichen Stamm oder auf Wildtyp-Zellen aus der Kultur. Die Untersuchung einer gemischten Suspension von Parasit und Wirt mittels Phasenkontrastmikroskopie zeigte, dass Wildtyp-Zellen sofort nach dem Mischen von Bdellovibrio angegriffen wurden, während die mutierten Zellen unberührt blieben. Studien an Batch-Kulturen zeigten, dass unter ähnlichen Kulturbedingungen der mutierte Stamm eine deutlich geringere Wachstumsrate aufweist als der Wildtyp-Bakterienstamm.

Dies schließt das ab, was ich über Prokaryoten besprechen werde. Aus diesen Studien scheinen mehrere Schlüsse zu folgen. Erstens scheinen bei exponentiellem Wachstum und großen Populationsgrößen in bakteriellen Populationen viele Mutationen aufzutreten. Wenn Bakterien unter diesen Bedingungen einer starken Selektion ausgesetzt werden, beispielsweise durch die Einführung eines Räubers oder eines Parasiten, erscheinen Anpassungen, die der Wirkung des selektiven Faktors entgegenwirken, rasch und breiten sich in der Population aus. Dies könnte nicht geschehen, es sei denn, Mutationen, die diese Vorteile verleihen, würden auftreten. Dies muss der Fall sein, wenn wir bedenken, dass die Standardpraxis in der Mikrobiologie darin besteht, Kulturen aus einzelnen Kolonien auf Agarplatten zu starten – Kolonien, die die Nachkommen einer einzigen Zelle darstellen. Ob eine Mutation vorteilhaft ist, hängt von der Umgebung ab, in der sich der Mutant befindet. In Anwesenheit des selektiven Faktors (z. B. eines Räubers) ist die Mutation vorteilhaft. In einer anderen Umgebung kann die Mutation nachteilig sein. Eine gemeinsame Wirkung von Mutationen, die Resistenz gegen Räuber und Parasiten verleihen, scheint eine Verringerung der maximalen Wachstumsrate der mutierten Bakterien zu sein. In mindestens einigen Fällen (z. B. E. coli und T-Phagen) resultiert dies daraus, dass dieselbe Mutation sowohl Resistenz als auch die Fähigkeit zur Aufnahme von Nährstoffen zu reduzieren erzeugt. In jedem Fall scheint das Auftreten vorteilhafter Mutationen in kontinuierlichen Kulturen bei einer Reihe von Bakterienarten vorzukommen und ist wahrscheinlich ein allgemeines Phänomen.

Meiner Meinung nach gelten diese Schlussfolgerungen auch für Eukaryoten. Ich werde einige Beispiele aus Arbeiten hier im Counter Culture Lab anführen, um diese Behauptung zu stützen.

Chlorella vulgaris ist eine häufige einzellige grüne Alge, die weltweit als „Labormaus" in Laboren verwendet wird. Wir haben dieselbe Stammkultur über Tausende von Generationen auf Agar und in flüssiger Kultur gezüchtet, ohne dass sie ihre einzellige Morphologie verlor. Dutzende bis Hunderte von Laboren haben dies getan. Steady-state-einzellige C. vulgaris-Kulturen wurden mit dem Räuber Ochromonas velliaca, einem phagotrophen Flagellaten, infiziert. Innerhalb von weniger als 100 Generationen wurde eine mehrzellige Form der Chlorella in der Kultur dominant. (Boraas 1983b, Boraas et al. 1998). Die Alge bildete zunächst kugelförmige Cluster aus Zehnen bis Hunderten von Zellen. Nach 10–20 Generationen in Anwesenheit des Flagellaten überwiegen achtzellige Kolonien. Diese Kolonien behielten die achtzellige Morphologie unendlich in kontinuierlicher Kultur und beim Aufplattieren auf Agar bei. Die Grundlage der Veränderung scheint eine Änderung der Zellwand zu sein. Zellteilung bei normaler Chlorella erfolgt innerhalb der Zellwand der Mutterzelle. Die Zelle durchläuft 1–4 Teilungen, um 2–16 Tochterzellen zu bilden. Dies wird gefolgt von einer Spaltung der Mutterzellwand und der Verteilung der neonatalen Zellen. In einer Kultur sind leere Mutterzellwände mit ganzen Zellen im Verhältnis von etwa 1:4 vermischt. Leere Mutterzellwände werden in Kulturen der mehrzelligen Form nicht gefunden. Die Kolonien sind in eine „Membran" eingeschlossen, die aus modifiziertem Zellwandmaterial zu bestehen scheint.

Wie bei den bakteriellen Fällen wurde diese Mutation der Chlorella Resistenz gegen Prädation verschafft, auf Kosten der Wachstumsrate. Neonatale Kolonien sind kaum klein genug, um von Ochromonas verschluckt zu werden. Nach einem leichten Wachstum sind sie zu groß, um gefressen zu werden. In Anwesenheit des Räubers verdrängt die koloniale Form der Chlorella die einzellige Form und persistiert. Wenn der Räuber nicht vorhanden ist, verdrängt die einzellige Form die koloniale Form. Dies ergibt Sinn, da die koloniale Form weniger Oberfläche der Umwelt ausgesetzt hat, die für die Nährstoffaufnahme verfügbar ist, als die einzellige Form.

Es gibt auch Belege dafür, dass Mutationen auftreten und in Tieren, die in Chemostaten und verwandten Systemen gezüchtet werden, selektiert werden. Boraas (1983a) beobachtete mehrere Veränderungen beim Rädertierchen Brachionus calyciflorus, als es 24 Monate lang in einem Chemostaten gezüchtet wurde. Die durchschnittliche Körpergröße der erwachsenen Tiere nahm im Laufe der Zeit stetig ab. Rädertierchen hörten nach 1–2 Monaten in kontinuierlicher Kultur mit der Produktion von Männchen und Ruheeiern auf, was darauf hindeutet, dass die Umwelt des Chemostaten sich gegen die sexuelle Fortpflanzung aussprach. Nach 2–3 Monaten konnte die Sexualität bei aus der Kultur entfernten Tieren nicht mehr induziert werden. Sie scheinen die Fähigkeit zur sexuellen Fortpflanzung verloren zu haben.

Bennett und Boraas (1988, 1989) beobachteten noch auffälligere Veränderungen bei derselben Rotatorienart, wenn diese in einem Turbidostat kultiviert wurde. Ein Turbidostat ist eine Variante des Chemostats. Während ein Chemostat für eine konstante Zufuhr von Nährmedium konzipiert ist, soll ein Turbidostat die Organismen auf eine konstante Konzentration halten. Ein Trübungssensor misst die Konzentration der Organismen in der Kultur. Wenn diese einen voreingestellten Wert überschreitet, wird zusätzliches Medium hinzugefügt. In der Studie von Bennett und Boraas maß der Sensor die Konzentration des verbleibenden Futters (Algen) in der Kultur (Boraas und Bennett 1988). Wenn diese unter einen bestimmten Wert sank, wurde mehr hinzugefügt. Dieses Art von Kultursystem ermöglicht es den Organismen, mit der maximalen physiologisch möglichen Wachstumsrate in einer gegebenen Umgebung zu wachsen und fördert eine schnelle Wachstumsrate. In einem Chemostat wählt der Forscher die Wachstumsrate, bei der die Organismen wachsen, und die Populationsdichte ist eine abhängige Variable; in einem Turbidostat wählt der Forscher die Populationsdichte und die Organismen wachsen so schnell wie möglich.

Bennett und Boraas beobachteten, dass die Rädertiere mehrere Veränderungen durchliefen. Das Ergebnis dieser Veränderungen war ein schnell wachsendes Stamm der Rädertiere. Über einen Zeitraum von mehr als 8 Monaten im Chemostat stieg die maximale Wachstumsrate der Rädertiere von 0,053 h^-1 auf 0,080 h^-1. Diese Veränderung blieb bestehen, auch wenn die Tiere für über 100 Generationen in einem Chemostat bei der langsamen Wachstumsrate von 0,009 h^-1 gezüchtet wurden. Es gab einen Verschiebung der Fruchtbarkeit hin zu jüngeren Altersklassen bei dem schnell wachsenden Stamm. Die Lebensdauer des schnell wachsenden Stamms war um 28 % kürzer als die des Elternstamms. Die Eientwicklungszeit war kürzer, und das Eivolumen war beim schnell wachsenden Stamm deutlich kleiner. Wie in der Studie von Boraas (1983a) zu sehen ist, waren die Erwachsenen kleiner und die Sexualität ging verloren.

Das Rotifer-Beispiel zeigt Veränderungen in Lebensgeschichtsmerkmalen, die genetisch kontrolliert sind. Diese Beispiele legen nahe, dass das für Prokaryoten aufgestellte Argument auch auf Eukaryoten erweitert werden kann.

Anmerkungen

[1] Es gibt tatsächlich zwei verschiedene Arten von dunklen Schwefelraupenmotten, wobei die Dunkelheit durch unterschiedliche Gene bestimmt wird.

[2] Es gibt keine Anmerkung [2]. Siehe [2] für Details.

[3] Proteine sind die Arbeitspferde-Chemikalien in der Zelle. Es gibt zwei Hauptarten von Proteinen, Strukturproteine und Enzyme. Typischerweise ist ein Enzym optimiert, um eine einfache chemische Operation an einem anderen Chemikalie (das Substrat) durchzuführen. Es kann jedoch auch Operationen mit deutlich geringerer Effizienz an anderen Substraten durchführen. Eine Änderung an einem Enzym ändert oft seine Effizienz an alternativen Substraten; es kann auch die optimalen Bedingungen ändern, unter denen die Reaktion stattfindet, z. B. die Temperatur oder den pH-Wert.

Diploide Organismen besitzen zwei Kopien jedes Gens. Wenn eine Mutation in einer Kopie auftritt, können die Organismen alternative Allele mit unterschiedlichen Eigenschaften aufweisen. In einigen Umgebungen haben Organismen mit Kopien beider Allele (sie werden als heterozygot für das Gen bezeichnet) einen Vorteil.

[4] Das menschliche Genom besteht aus 3 Milliarden Basenpaaren. Die durchschnittliche Rate von Punktmutationen beträgt etwa 20 bis 30 pro Milliarde pro Individuum. Fast alle Punktmutationen bei mehrzelligen Organismen sind streng neutral. Beim Menschen machen 90–97 % der DNA „Junk-DNA" aus, die nichts tut (so gut wie bestimmt werden kann). Ein Drittel der Änderungen an Codons (Abschnitte der DNA, die für Proteine kodieren) sind stumm; das heißt, die DNA ändert sich, aber das kodierte Aminosäure bleibt gleich. Somit sind 93–98 % aller Punktmutationen beim Menschen streng neutral.

Von den verbleibenden 2–7 % sind fast alle auch neutral. Ein typisches Protein besteht aus einer Sequenz von etwa 1.000 Aminosäuren, die sich um eine Reaktionsstelle herum falten, die aus etwa 50 Aminosäuren besteht. Änderungen in der Reaktionsstelle haben einen starken Einfluss auf die Eigenschaften des Proteins; Änderungen an anderer Stelle haben oft keine Wirkung, es sei denn, sie beeinflussen das Faltungsmuster. Infolgedessen unterliegen weniger als 1 % der Punktmutationen der Selektion. [7]

[5] Es gibt auch keine Anmerkung 5.

[6] Ein Merkmal ist eine körperliche Eigenschaft eines Organismus. Die Merkmale eines Organismus werden durch eine Kombination aus seinen Genen und seinen Reaktionen auf die Umwelt bestimmt. Der Einfluss der Gene auf die Merkmale ist oft sehr indirekt.

[7] Die meisten Zahlen, die sich auf die Größe des effektiven Genoms, die Anzahl der Gene und die durchschnittliche Größe der Gene beziehen, sind Näherungswerte und werden noch verfeinert.

Die Sequenzierung ganzer Genome, sowohl bakterieller als auch eukaryotischer, ist abgeschlossen. Die durchschnittliche Proteingröße beträgt etwa 350 Aminosäuren (1050 Basenpaare).

Ältere Schätzungen der Anzahl der Gene im menschlichen Genom liegen im Bereich von 50.000 bis 100.000. Neuere Schätzungen unter Verwendung von Daten aus dem Genomprojekt liegen bei etwa 60.000 bis 70.000.

Schätzungen zur Größe des effektiven Genoms variieren. Drake gibt eine Schätzung von 80.000.000 Basenpaaren kodierender DNA an. Die Zahl kann so niedrig wie 3% (Drake) oder so hoch wie 10% (ältere Schätzungen) sein. Das Problem wird durch die Tatsache kompliziert, dass ein (unbekannter) Prozentsatz der nicht-kodierenden DNA kein Junk-DNA ist.

Die Schätzung von Mutationsraten ist nicht einfach. Es sollte verstanden werden, dass aktuelle Schätzungen Extrapolationen aus abgetasteten Abschnitten in Genomen sind. Darüber hinaus variieren Mutationsraten für verschiedene Stellen. Verschiedene Techniken scheinen jedoch konsistent Schätzungen von 1 bis 6 Punkt-Mutationen ohne Stilleffekt (non-silent) in kodierender DNA pro Individuum beim Menschen zu produzieren. Die Gesamtzahl der Punktmutationen pro Individuum ist viel höher (Drake gibt ~64 an; andere Schätzungen liegen in derselben Größenordnung), aber, wie in Anmerkung 4 diskutiert, sind fast all diese Mutationen entweder stille Mutationen oder befinden sich in nicht-kodierender (Junk-)DNA.

[8] Die Häufigkeiten verschiedener Allele in einer Population schwanken immer, da verschiedene Individuen unterschiedliche Nachkommenschaft haben. Bei diploiden Arten wie uns gibt es eine zusätzliche Quelle der Zufälligkeit: Jedes Nachkommen erhält eine andere Kombination von Genen von seinen Eltern. Nicht nur schwanken die Prozentsätze, sie können zufällig von einem Verhältnis zu einem anderen driftieren.

Diese zufällige Veränderung ist gemeint mit genetischer Drift. Wenn ein bestimmtes Allel im Vergleich zu einem anderen vorteilhaft ist, wird die Schwankung verzerrt; diese verzerrte Bewegung der Veränderungen in den Verhältnissen wird natürliche Selektion genannt.

[9] Wenn wir die Zahlen in Anhang I verwenden, beträgt die effektive Genomgröße (für Menschen) etwa 80.000.000 Basenpaare und die durchschnittliche Anzahl von Punktmutationen im effektiven Genom beträgt etwa 4. Dies ergibt, dass jedes Basenpaar im effektiven Genom etwa einmal in jeder 20.000.000 Individuen mutiert.

Dies bedeutet, dass bei Arten mit großen Populationen wie dem Menschen (derzeit) jede relevante Punktmutation in der Art auftritt. Auf der anderen Seite wird bei einer kleinen Gruppe wie einer Jäger-und-Sammler-Stamm eine bestimmte Mutation wahrscheinlich nicht in der Gruppe auftreten.

Anhang I - Häufigkeit von Mutationen

Wenn wir über die Mutationsfrequenz sprechen, müssen wir zwischen der Mutationsrate für das gesamte Genom und der Mutationsrate für das effektive Genom (die 10 %, die keine Junk-DNA ist) unterscheiden. In Genetics 148:1667-1686, April 1998) John W. Drake et al schätzen, dass ein durchschnittlicher menschlicher Zygot etwa 64 Mutationen aufweist, von denen die meisten in "Junk"-DNA auftreten.

Tabellen 4 und 5 aus „Rates of Spontaneous Mutation" von JW Drake et al., Genetics 148:1667-1686 (April 1998):

Beachten Sie, dass bei Menschen die Anzahl der Zellteilungen vor der Spermienbildung bei einem Mann im Alter von 30 Jahren etwa 400 beträgt. Dies ergibt etwa 1,6 Mutationen pro Spermienzelle.

In der Ausgabe vom 28. Januar 1999 der Zeitschrift Nature, im Artikel "High genomic deleterious mutation rates in hominids", schätzen Walker und Kneightey, dass die Mutationsrate im effektiven Genom etwas höher liegt, nämlich 4,2 Mutationen pro Individuum, wovon 1,6 schädlich sind. Weitere Diskussionen finden Sie in Anmerkung 7.

Anhang II - Ein günstige Mutation, Zusammenfassung einer Zeitschriftenarbeit

Arterioscler Thromb Vasc Biol 1998 Apr;18(4):562-567. "PAI-1-Spiegel in der Allgemeinbevölkerung ohne klinische Anzeichen von Arteriosklerose: Zusammenhang mit umweltbedingten und genetischen Determinanten," von Margaglione M, Cappucci G, d'Addedda M, Colaizzo D, Giuliani N, Vecchione G, Mascolo G, Grandone E, Di Minno G; Unita' di Trombosi e Aterosclerosi, IRCCS Casa Sollievo della Sofferenza, San Giovanni Rotondo (FG), Italien.

Zusammenfassung:

Die Plasminogen-Aktivator-Inhibitor-1 (PAI-1)-Plasmawerte wurden konsistent mit einem Polymorphismus (4G/5G) des PAI-1-Gens in Verbindung gebracht. Der Renin-Angiotensin-Weg spielt eine Rolle bei der Regulation der PAI-1-Plasmawerte. Ein Insertion (I)/Deletion (D)-Polymorphismus des Angiotensin-konvertierenden Enzyms (ACE)-Gens wurde mit ACE-Plasma- und Zellwerten in Verbindung gebracht. Bei 1032 Mitarbeitern (446 Männer und 586 Frauen; 22 bis 66 Jahre alt) eines Krankenhauses in Süditalien untersuchten wir die Assoziation zwischen dem PAI-1 4G/5G- und den ACE I/D-Genvarianten sowie den PAI-1-Antigen-Plasmawerten. Keiner der eingeschlossenen Teilnehmer zeigte klinische Anzeichen einer Atherosklerose. In der univariaten Analyse waren die PAI-1-Werte signifikant höher bei Männern (P<.001), Alkoholtrinkern (P<.001), Rauchern (P=.009) und Homozygoten für das PAI-1-Gen-Deletionsallel (4G/4G) (P=.012). Die multivariate Analyse dokumentierte die unabhängige Wirkung des Body-Mass-Index (P<.001), der Triglyceride (P<.001), des Geschlechts (P<.001), des PAI-1 4G/5G-Polymorphismus (P=.019), des Rauchverhaltens (P=.041) und des ACE I/D-Genotyps (P=.042) auf die PAI-1-Plasmawerte. Somit erklären neben den Markern für Insulinresistenz und Rauchverhalten die Genvarianten von PAI-1 und ACE einen signifikanten Anteil der zwischenindividuellen Variabilität der zirkulierenden PAI-1-Antigenkonzentrationen in der Allgemeinbevölkerung ohne klinische Anzeichen einer Atherosklerose. [Volltext]

Anhang III - Eine günstige Mutation - Journalzusammenfassung

J Biol Chem 1985 Dec 25;260(30):16321-5. "Apolipoprotein AIMilano. Beschleunigte Bindung und Dissoziation von Lipiden einer menschlichen Apolipoprotein-Variante," von Franceschini G, Vecchio G, Gianfranceschi G, Magani D, Sirtori CR.

Zusammenfassung:

Die Lipid-Bindungseigenschaften des Apolipoproteins (apo) AIMilano, einer molekularen Variante des menschlichen Apolipoproteins AI, die durch die Arg173----Cys-Substitution gekennzeichnet ist, wurden unter Verwendung von Dimyristoylphosphatidylcholin-Liposomen untersucht. Sowohl die Variante AIMilano als auch das normale AI werden in gleichem Maße in stabile Komplexe eingebaut, die durch Gel-Filtration isoliert wurden und ähnliche Dimensionen und Stöchiometrien aufweisen. Eine höhere Affinität von apo-AIMilano zu Dimyristoylphosphatidylcholin wird durch die schnellere Assoziationsrate der varianten Apoprotein im Vergleich zum normalen AI angedeutet; ebenso wird apo-AIMilano leichter durch Guanidinchlorid aus den isolierten Dimyristoylphosphatidylcholin-Apoprotein-Komplexen verdrängt. Bei der Untersuchung der Sekundärstruktur von apo-AIMilano mittels Spektrofluorometrie und Zirkulardichroismus wurden im Vergleich zum normalen AI bei der varianten Apoprotein ein höherer Fluoreszenzpeakwellenlängen und ein geringerer alpha-helikaler Gehalt festgestellt. Die Substitution Arg173----Cys in AIMilano verändert die amphipathische Natur des modifizierten alpha-helikalen Fragments des Apoproteins AI dramatisch. Die Assoziationsrate mit Lipiden wird durch eine erhöhte Exposition hydrophober Reste beschleunigt. Die reduzierte Stabilität der Lipid-Apoprotein-Partikel wird möglicherweise durch eine Verringerung der Anzahl der Helixsegmente vermittelt, die an der Lipid-Assoziation beteiligt sind. Die hohe Flexibilität des AIMilano-Apolipoproteins bei der Interaktion mit Lipiden könnte seinen beschleunigten Katabolismus und die möglicherweise verbesserten Aufnahmefähigkeiten für Geweblipide erklären. [Full text]

Anhang IV - Selektion für HIV-Resistenz - Journal-Zusammenfassung

Am J Hum Genet 1998 Jun;62(6):1507-15. von JC Stephens et al.

Zusammenfassung:

Die CCR5-Delta32-Deletion vernichtet den CCR5-Chemokinrezeptor und den Corezeptor für das humane Immundefizienz-Virus (HIV)-1 auf lymphoiden Zellen, was zu einer starken Resistenz gegen HIV-1-Infektionen und AIDS führt. Eine Genotyp-Untersuchung von 4.166 Individuen ergab ein Cline der CCR5-Delta32-Allelfrequenzen von 0% bis 14% über Eurasien, während das Variant bei einheimischen afrikanischen, amerikanischen Indianern und ostasiatischen ethnischen Gruppen fehlt. Eine Haplotyp-Analyse von 192 kaukasischen Chromosomen zeigte eine starke Linkage Disequilibrium zwischen CCR5 und zwei Mikrosatelliten-Loci. Durch Anwendung der Koaleszenz-Theorie zur Interpretation der modernen Haplotyp-Genalogie schätzen wir den Ursprung des CCR5-Delta32-enthaltenden ancestralen Haplotyps auf etwa vor 700 Jahren, mit einem geschätzten Bereich von 275 bis 1.875 Jahren. Das geografische Cline der CCR5-Delta32-Frequenzen und seine jüngste Entstehung sind mit einem historischen starken selektiven Ereignis (z. B. einer Epidemie eines Pathogens, das wie HIV-1 CCR5 nutzt) vereinbar, das seine Frequenz in ancestralen kaukasischen Populationen nach oben trieb. [Volltext]

Referenzen

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Danksagungen

Ich möchte mich bei Larry Moran, Rich Daniel, Tedd Hadley, Allen Gathman, Mike Coon, Robin Goodfellow, Mike Syvanen, Joe Boxhorn, Mark Isaak, Pete Dunkelberg und Adam Noel Harris für hilfreiche Vorschläge und Kommentare bedanken.