Immunabwehr mathematisch erklärt
| 11. Juli 2013
Panzerdicke oder Körpergröße sind quantitative Merkmale, um Folgen von Selektion vorherzusagen. Die Publikation des Mathematikers Reinhard Bürger beruht auf dem klassischen Modell quantitativer Genetik. (Foto: Brocken Inaglory/Wikipedia)
Abwehrmechanismen gegen Fressfeinde, Parasiten oder Pathogene sind oft stärker ausgebildet als notwendig – wie etwa bei Autoimmunerkrankungen. Der Mathematiker Reinhard Bürger von der Universität Wien hat eine evolutionsbiologisch begründete Erklärung für diese Paradoxie.
Autoimmunerkrankungen sind ein Beispiel für übertriebene Abwehrmechanismen. Sie werden als Konsequenz übertriebener Abwehr gegen potenzielle Krankheitserreger gedeutet. Reinhard Bürger von der Fakultät für Mathematik hat gemeinsam mit US-Biologen eine einfache, evolutionsbiologisch begründete Erklärung für diese Paradoxie in "Nature Communications" veröffentlicht. Diese ergibt sich als unmittelbare Folgerung aus einem mathematischen Modell über die evolutionären Auswirkungen asymmetrischer Formen der Selektion.
| Eine überschießende Immunabwehr gefährdet erst dann ein Individuum, wenn dadurch Gewebe zerstört wird. Eine zu schwache Immunabwehr wiederum kann leicht tödlich enden. "Unser Modell löst dieses Dilemma: Es zeigt, dass der evolutionär optimale Zustand darin liegt, eine höhere als notwendig erscheinende Abwehr zuzulassen – selbst wenn das zu gewissen Kosten führt", so Reinhard Bürger von der Fakultät für Mathematik. |
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Die Publikation beruht auf einem klassischen Modell der quantitativen Genetik zur Vorhersage der Folgen von Selektion. Dafür werden quantitative Merkmale, die kontinuierliche Variation aufweisen, herangezogen: 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 WissenschafterInnen die Evolution von Merkmalen unter Selektion vorher oder rekonstruieren Evolutionsvorgänge in der Vergangenheit.
Darstellung durch eine "Fitnesslandschaft"
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.
| 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 Bürger. Grund ist: 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 zur Hälfte rechts. |
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Die Nachkommen, welche 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 detaillierten genetischen und ökologischen Eigenschaften der Population ab.
Kosten in Kauf nehmen
Für Merkmale, die der Abwehr dienen, ist es wichtig, dass sie dies möglichst effektiv tun. Denn Fressfeinde oder Pathogene stellen eine hohe Gefahr dar. 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 leicht tödlich enden. "Unser Modell löst dieses Dilemma: Es zeigt, dass der evolutionär optimale Zustand darin liegt, eine höhere als notwendig erscheinende Abwehr zuzulassen – selbst wenn das zu gewissen Kosten führt", so der Mathematiker Reinhard Bürger abschließend. (af)
Die Publikation "Asymmetric selection and the evolution of extraordinary defences" (AutorInnen: Urban MC, Bürger R, Bolnick DI) erschien am 11. Juli 2013 in Nature Communications.