Unmögliche Konvergenz: Quergestreifte Muskeln

Bekanntlich gelten Bauplanähnlichkeiten – klassisch als Homologien bezeichnet – als Beleg für gemeinsame Abstammung und Orientierung für konkrete Abstammungsverhältnisse. Eines der drei berühmten Hauptkriterien für Homologie, die der Zoologe Adolf Remane 1952 aufstellte, ist das der „spezifischen Qualität“: Ähnliche Strukturen sind demnach (unabhängig von ihrer Lage im Organismus) homolog, wenn sie in zahlreichen spezifischen Merkmalen übereinstimmen. Das dahinterstehende Argument ist einsichtig: Eine unabhängige mehrfache Entstehung detaillierter Ähnlichkeiten durch einen ungerichteten Evolutionsprozess ist extrem unwahrscheinlich, wenn nicht ausgeschlossen.

Das Homologie-Argument wird in der Evolutionsbiologie schon lange kritisch diskutiert; eine Übersicht dazu bietet Junker (2002). Nun wurde durch eine Studie gezeigt, dass auch das Kriterium der spezifischen Qualität kein sicheres Kriterium für Homologie ist, jedenfalls dann nicht, wenn Homologien evolutionstheoretisch interpretiert werden als Anzeiger einer gemeinsamen Abstammung. Untersuchungen von Genen, die an der Bildung der quergestreiften Muskulatur bei Nesseltieren und Bilateriern (Zweiseitentiere, das ist der größte Teil der Vielzeller) beteiligt sind, haben gezeigt, dass diese spezielle Muskelform mindes­tens zweimal unabhängig entstanden sein muss.

Dieses Ergebnis ist für die Forscher völlig überraschend, denn die ausgeprägten ultrastrukturellen Ähnlichkeiten der quergestreiften Muskeln bei den verschiedenen Tiergruppen galten als starker Hinweis auf einen gemeinsamen evolutionären Ursprung (Steinmetz et al. 2012, 231; Hejnol 2012, 182). Die charakteristische Streifung kommt dadurch zustande, dass die kontraktilen (zusammenziehbaren) Muskelfibrillen regelmäßig angeordnet sind, so dass ein Muster aus roten Myosinfilamenten und weißen Aktinfilamenten entsteht, die durch die sogenannte Z-Linie begrenzt sind. Der Vorgang der Kontraktion ist hochkomplex. Unter dem Mikroskop sehen die Muskeln der verschiedenen Tiergruppen immer ganz gleich aus.

Eine Untersuchung von 47 Muskelproteinen von 22 Tierarten, deren komplette Genome sequenziert sind, zeigte, dass Quallen und Wirbeltiere nicht ein einziges dieser Gene gemeinsam haben. Dazu gehört der bei den Bilateriern vorkommende Troponin-Komplex, der aus drei Untereinheiten besteht. Gemeinsam mit Myosin und Actin bilden die Troponin-Komplexe den kontraktilen Teil der Muskulatur. Bei Quallen sind die Muskelstreifung und die Regulation der Kontraktion jedoch nicht vom Troponin abhängig (Steinmetz et al. 2012, 232). Damit ist der Schluss unvermeidlich, dass dieses komplexe und spezifische ultrastrukturelle Merkmal der Muskelstreifung und ihre identische Funktion konvergent entstanden sind, was völlig unerwartet ist.

Darüber hinaus müssen zusätzlich weitere Konvergenzen bei der Entstehung der Z-Linie innerhalb der Bilaterier angenommen werden (Steinmetz et al. 2012, 232). Die Autoren schließen (S. 234), dass ultrastrukturelle Ähnlichkeit allein kein zuverlässiger Anzeiger für den Schluss auf einen gemeinsamen evolutiven Ursprung darstellt. In einem Kommentar wirft Hejnol (2012, 182) die Frage auf, in wie vielen weiteren Fällen die Ähnlichkeiten von Zell- und Gewebstypen im Rahmen evolutionärer Interpretationen irreführend sein könnten. Er schließt seinen Kommentar mit dem Satz: „In the meantime, Steinmetz and colleagues have taught us a familiar lesson that which looks similar in nature is not necessarily similar by descent.“

Einige andere Muskelgene bzw. -proteine kommen auch bei Organismen vor, die gar keine Muskeln haben; das zentrale Myosin gehört dazu. In solchen Fällen wird evolutionstheoretisch angenommen, dass diese Gene für eine neue Funktion zusätzlich genutzt wurden (sogenannte Kooption); hier also für eine Funktion im Bereich der Muskeln; ein solcher Vorgang ist aber bis auf geringfügige Änderungen rein hypothetisch.

R. Junker

[Hejnol A (2012) Muscle’s dual origins. Nature 487, 181-182; Junker R (2002) Ähnlichkeiten, Rudimente, Atavismen. Design-Fehler oder Design-Signale? Holzgerlingen; Steinmetz PRH, Kraus JEM et al. (2012) Independent evolution of striated muscles in cnidarians and bilaterians. Nature 487, 231-234.]