,,Artifizielle Evolution heute, Optimieren nach dem Vorbild der Natur"

Beuth Hochschule für Technik Berlin im Sommer 2009

University of Applied Sciences Berlin, Germany

Artifizielle Evolution heute.

Optimieren nach dem Vorbild der Natur

Beuth Hochschule für Technik Berlin

University of Applied Sciences Berlin, Germany

FB VIII Maschinenbau, Umwelt- und Verfahrenstechnik

BIONIC RESEARCH UNIT

Dipl.-Ing. Michael Dienst

Wir

feiern

das

,,Darwin-Jahr".

150

Jahre

Evolutionstheorie.

In

den

Ingenieurwissenschaften kommen seit einiger Zeit Optimierungsstrategien nach

dem Vorbild der biologischen Evolution zum Einsatz. Der vorliegende Aufsatz der

BIONIC RESEARCH UNIT der Beuth Hochschule für Technik Berlin erörtert die

theoretischen Grundlagen und zeigt neue Entwicklungen in der Optimierungstechnik

auf.

Darwins revolutionäre Theorie zur Veränderung der Arten, weil diejenigen

überleben, die sich am besten an ihre Umwelt angepasst haben und seine

Erklärungen, wie sich das Leben entwickelt hat und entwickelt, haben unser Denken

verändert. (Charles Robert Darwin: *12.Feb. 1809, Shrewsbury; 19.April 1882 in

Downe).

Auch heute noch sind einige seiner Thesen umstritten, insbesondere bei den

Vertretern einer planenden Intelligenz in der Natur. Kreationismus und Intelligent

Design laufen Sturm gegen die Gottlosigkeit des Darwinismus. In den USA konnten

Eltern besorgt verfolgen, wie an nicht wenigen Schulen die darwinsche

Evolutionstheorie aus den Lehrplänen gestrichen wurde. Auf der Seite der

© Mi. Dienst, bionic research unit Berlin

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Naturwissenschaften findet derzeit eine dieser aktuellen Entwicklung entgegen

gesetzte Bewegung statt. Entwicklungsbiologen entwerfen eine Theorie der inneren,

endogenen Selektion auf der Basis der darwinschen Theorie und rezenten

Erkenntnissen der Erforschung der der embrionalen Muster- und Strukturgenese.

Hiervon wird später die Rede sein.

Der religiös motivierte Sturm der Entrüstung über Darwins Theorie war gewaltig,

und ist bis zum heutigen Tag nicht gänzlich abgeflaut.

Nun, auch der junge Darwin betrachtete die Welt der Tiere und Pflanzen als die

natürliche Spur für das Wirken Gottes in der Natur. Erst nach jahrelangen

Forschungen ­ und dann nur zögerlich ­ veröffentlichte Darwin eine Theorie die

nicht mehr auf die Existenz eines Schöpfergottes zurückgriff.

Auf lediglich drei empirisch plausiblen Annahmen basiert die Theorie Darwins, die

die Entstehung, die Vielfalt und Angepasstheit der verschiedenen Tier- und

Pflanzenarten an ihre natürliche Umwelt erklärt.

Erstens:

Wenn Tiere sich fortpflanzen, können bestimmte Eigenschaften der Eltern

bei den Nachkommen mehr oder weniger stark verändert werden oder ganz

verloren gehen.

Zweitens:

Diese Unterschiede in den Eigenschaften können einerseits allmählich

so groß werden, dass nur noch Nachkommen einer Spezies, die diese Unterschiede

in den Eigenschaften nicht mehr aufweisen gemeinsam Nachkommen zeugen

können. Dies erklärt das Auftreten neuer Arten aus schon vorhandener Arten.

Drittens:

Die mit den Veränderungen einhergehenden Unterschiede in den

Eigenschaften lassen die Eigenschaften einer Spezies unterschiedlich gut an ihre

Umgebung angepasst sein. Und, je besser Tiere und Pflanzen an ihre Umgebung

angepasst sind, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie sich reproduzieren

und die umwelttauglichen Eigenschaften an ihre Nachkommen weitergeben.

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Der 200. Geburtstag Darwins ist uns ein guter Anlass, die Kernaussagen der

Theorie Darwins und einige Stationen auf dem Weg zu einer modernen

Evolutionstheorie zu benennen.

Die Kernaussagen der darwinschen Theorie:

· Prinzip der Variation durch Mutation und Rekombination

· Prinzip der Vererbung (Deren Mechanismen Darwin noch nicht bekannt

waren)

· Prinzip der Überproduktion. Alle Lebewesen erzeugen mehr Nachkommen,

als jemals zur Reproduktionsreife kommen können.

· Prinzip der natürlichen Auslese (Darwin: Überleben der Tauglichsten)

· Prinzip der natürlichen Evolution. Vererbung mit Modifikationen.

(Darwin: Transmutation is descent with modifikations).

· Nichtvorhersagbarkeit. Die Variationen sind zufällig, also nicht vorzugsweise

auf günstige Anpassung hin ausgerichtet. Der weg der Evolution ist nicht

vorprogrammiert, nicht zielgerichtet, nicht determiniert, nicht vorhersagbar.

· Es existiert kein höheres Prinzip

Die Stationen auf dem Weg zu einer modernen Evolutionstheorie:

1809

Charles Darwin wird als Sohn eines wohlhabenden Arztes in Shrewsbury,

England geboren. Im gleichen Jahr erklärt der Naturkundler Jean-Baptiste Lamarck

in seiner ,,Philosophie zoologique", die Tier- und Pflanzenarten seien

unveränderlich. Allerdings nahm er an, dass der Gebrauch oder Nichtgebrauch von

Organen Veränderungen bewirke, die ihrerseits weitervererbt würden. Das ständige

strecken des Kopfes bewirke demnach im Laufe der Generationen eine

Verlängerung des Giraffenhalses.

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1831

Der Junge Darwin beginnt eine fast fünfjährige Weltreise an Bord des

Vermessungsschiffes ,,Beagle". Während er die Vielfalt von Tieren und Pflanzen und

ihre offenkundige Anpassung an die Umgebung studiert, reift in ihm sehr langsam

die Erkenntnis, dass die Arten wandelbar sind.

1859

Darwin begründet mit seinem Werk ,,On the Origin of Species" die moderne

Evolutionstheorie. Antrieb des Artenwandels ist die natürliche Auslese, bei der die

am besten an ihre Umwelt angepassten Individuen größere Überlebenschancen

haben und so ihre Merkmale verbreiten können.

1865

Der Augustinermönch Gregor Mendel stellt nahezu unbemerkt von der Welt

die Ergebnisse seiner Kreuzungsexperimente mit Erbsenpflanzen vor. Die

Mendelschen Vererbungsregeln sollen späterd die Grundlage der Genetik werden.

1900

Drei Botaniker werden auf Mendels alte Arbeiten aufmerksam. Einer von

ihnen ist der Niederländer Hugo de Vries, der in seiner Mutationstheorie spontane

Veränderungen des Erbguts zum Hauptantrieb der Evolution erhebt.

1924

Hans Spemann und Hilde Mangold veröffentlichen ihre wohl spektakulärsten

Transplantationsexperimente an den Embrionen von Molchen. Sie begründen damit

die moderne Entwicklungsbiologie, die sich mit der Gestaltwerdung während der

Embriogenese befasst.

1937

In mehreren Schriften begründet eine Schule von Wissenschaftlern um Ernst

Mayr die neue ,,Synthetische Evolutionstheorie". Diese befasst sich insbesondere

mit der Neubildung von Arten durch die räumliche Trennung von Populationen.

1953

James Watson und Francis Crick entdecken die doppelsträngige

Helixstruktur des Erbmoleküls DNS. Die Abfolge der Basen in diesem

Riesenmolekül ist der genetische Code aller Kreaturen auf der Erde.

© Mi. Dienst, bionic research unit Berlin

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1957

In Theorie und Experiment untersucht Manfred Eigen molekulare Hyperzyklen,

zyklische Folgen von sich selbst reproduzierenden Einzelzyklen, bestehend aus

RNA- und Proteinmolekülen, die durch Rückkopplung voneinander abhängen. Sie

sind als Erklärungsmöglichkeit für die präbiotische Entstehung replikativer

chemischer Systeme angesehen und stehen im Übergangsbereich zwischen

chemischer und biologischer Evolution. Manfred Eigen erhält 1967 den Nobelpreis

für Chemie.

1967

Wolpert führt den Begriff der Morphogenetischen Gradienten für Botenstoffe

beim biologischen Struktur- und Gestaltaufbau und Die klassische Vorstellung in der

Entwicklungsbiologie ist die Steuerung der Entwicklung durch gradierte

Konzentrationsverteilungen. Wolpert prägte dafür den Begriff der ,,Positions-

Information".

1972

Meinhardt und Gierer entwickeln ein Modell der biologischer Musterbildung,

welches von der Erkenntnis ausgeht, dass dem biologischen Strukturaufbau

Selbstorganisationsprozesse zu Grunde liegen und voraussagt, dass eine

Wechselwirkung von mindestens zwei ursprünglich homogen verteilten Substanzen

erforderlich ist, um ein lokales Konzentrationsmaximum generieren.

1995

Christiane Nüsslein-Volhard erhält den Nobelpreis für Medizin und

Physiologie. Sie identifiziert und systematisiert Gene, welche im Ei der Taufliege

(Drosophila melanogaster) die Anlage des Körperplans und der Segmente steuern.

Sie entwickelt die Gradiententheorie, die darstellt, wie durch Stoffgradienten in der

Eizelle und dem Embrio die Genexpression gesteuert wird und zeigte Parallelen in

der Embryonalentwicklung zwischen Insekten und Wirbeltieren auf.

2000

Entschlüsselung des menschlichen Genoms. Eine erste Version der

Basenabfolge wird vom internationalen Humangenomprojekt und Craig Venters

Unternehmen Celera vorgestellt. Drei Jahre später ist das Großprojekt

abgeschlossen.

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