ESSAY

Gerhard Vollmer

Zufall in der Biologie

Der umgangssprachliche Zufallsbegriff ist mehrdeutig. Je nach Situation werden seltene oder unerwartete, unerklärte oder unerklärbare, unsichere, unwiederholbare oder regellose Ereignisse als zufällig bezeichnet. Manchmal („hier regiert der Zufall“) wird sogar „der Zufall“ selbst als wirksamer Faktor, als Ursache, als Naturkraft, als Erklärungsgrund ausgegeben.

Für den wissenschaftlichen Sprachgebrauch muß der Zufallsbegriff präzisiert werden. Dabei sind verschiedene Bedeutungen zu unterscheiden, die in einschlägigen Diskussionen leicht durcheinander geraten:

– Ein Ereignis ist objektiv zufällig, wenn es keine Ursache hat.

– Ein Ereignis ist subjektiv zufällig, wenn wir dafür keine Erklärung haben und auch keine erwarten.

Beiden Begriffen gemeinsam ist die Tatsache, daß das Geschehen, soweit wir wissen, auch anders oder gar nicht ablaufen könnte, daß es nicht determiniert, nicht „naturnotwendig“ war. Dieser Gegensatz kommt auch in dem Begriffspaar „Zufall und Notwendigkeit“ zum Ausdruck. Während aber der objektive Zufallsbegriff die Struktur der Welt beschreibt, bezieht sich der subjektive auf unser Wissen. Zwischen beiden besteht natürlich ein Zusammenhang: Für ein ursachloses Ereignis gibt es auch keine Erklärung. Objektive schließt also subjektive Zufälligkeit ein. Die Umkehrung gilt nicht: Ein Ereignis kann unerklärt sein und doch eine (bisher unbekannte) Ursache haben. Zufällig im objektiven Sinne ist der spontane Zerfall eines Atomkerns oder der Strahlungsübergang eines angeregten Atoms (Anregung) oder Moleküls in den Grundzustand. Charakteristisch für diese Prozesse ist das Entstehen neuer Teilchen (Alphateilchen, Elektronen, Photonen...), das Auftreten neuer Kausalketten, neuer Weltlinien. Solche Prozesse, die nach allem, was wir wissen, keine Ursache haben, werden vor allem durch die Quantenmechanik beschrieben. Man spricht deshalb auch von quantenmechanischem oder absolutem Zufall.

Zufällig im objektiven Sinne ist aber auch das Zusammentreffen vorher unverbundener Kausalketten. Man trifft einen Bekannten auf Mallorca (ohne mit ihm verabredet zu sein); der Hammer des Dachdeckers fällt (ohne böse Absicht) dem vorübereilenden Arzt auf den Kopf; ein Gammaquant vom Fixstern Sirius löst in einem Chromosom eine Mutation aus. Obwohl jede einzelne Kausalkette in sich geschlossen und vielleicht vollständig erklärbar ist, bleibt doch das Zusammentreffen dieser lückenlosen Kausalketten ohne direkte Ursache, also auch ohne Erklärung; es ist zufällig.

Ob die genannten Kausalketten tatsächlich unverbunden waren, kann davon abhängen, wie weit man sie zurückverfolgt. Vielleicht waren sie vor zwei Stunden, vor tausend Jahren oder wenigstens im Urknall verbunden. Wenn man das betrachtete System nur genügend groß nimmt, mag doch noch eine Verbindung entdeckt werden. Diese Art von Zufall ist also bezogen (relativ) auf die Größe des betrachteten Systems. Wir sprechen deshalb auch von relativem Zufall. Relativen Zufall könnte es auch dann geben, wenn es den absoluten Zufall nicht gäbe.

Subjektiv zufällig sind dagegen die Ereignisse beim Münzwerfen, beim Würfeln, beim Roulette, beim Lotto. Hier können kleine Unterschiede im Anfangszustand große Unterschiede im Endzustand bewirken, im Extremfall sogar zwischen Reichtum und Bankrott, zwischen Leben und Tod entscheiden. Unsere Kenntnis der Anfangsbedingungen reicht dabei im allgemeinen nicht aus, um das Ergebnis vorauszusagen oder auch nur nachträglich zu erklären. Selbst wenn Münzen, Würfel, Kugeln sich ausschließlich nach deterministischen Gesetzen bewegten (also der quantenmechanische Zufall nicht existierte oder keine Rolle spielte) und alle Einflußfaktoren wie Gewichtsverteilung, Windverhältnisse, Tischoberfläche usw. bekannt wären (also auch der relative Zufall ausgeschaltet wäre), würden doch die unvermeidlichen Ungenauigkeiten dieser Kenntnisse eine exakte Prognose unmöglich machen (der subjektive Zufall würde also bestehen bleiben). Bei chaotischen Systemen (Chaos) können sogar beliebig kleine Unterschiede oder Fehler zu großen Abweichungen führen.

Kommt ein Ereignis mehrmals vor, so läßt sich die Häufigkeit ermitteln, mit der es eintritt. Bei der relativen Häufigkeit dividiert man die Anzahl der günstigen durch die Anzahl der möglichen Fälle. Bleibt diese Häufigkeit stabil, so spricht man von der statistischen Wahrscheinlichkeit des Ereignisses (Statistik). Die statistische Wahrscheinlichkeit für das Erscheinen einer Zahl beim Münzwerfen ist 1/2, für das Auftreten einer Sechs beim Würfeln 1/6. Für solche stabilen Häufigkeiten gelten die Gesetze der Wahrscheinlichkeitsrechnung.

Zufällige Ereignisse sind also keineswegs gänzlich gesetzlos. Obwohl sich im Einzelfall nur wenig sagen läßt, kann doch die Prognose des Durchschnittsverhaltens bei genügender Anzahl der beteiligten Ereignisse (Kernzerfälle, Strahlungsübergänge, molekulare Stöße, Münzwürfe, Todesfälle usw.) äußerst genau sein („Gesetz der großen Zahl“).

Inwiefern sind nun Mutationen zufällig? Haben sie etwa keine Ursache? Können wir ihr Auftreten nicht erklären? Wir kennen sehr wohl auslösende, also verursachende, Faktoren für Mutationen: ionisierende Strahlen, Hitzeschock, mutagene Substanzen (Mutagene). In vielen Fällen durchschauen wir sogar den Ablauf von Mutationsprozessen, erklären z.B. die Veränderung der Base eines Nucleotids durch Umlagerung innerhalb des Moleküls oder führen eine Genverdopplung (Genduplikation) auf Verzögerungen während der meiotischen Teilung (Meiose) zurück.

Höhenstrahlung (kosmische Strahlung) kann Mutationen auslösen: Ein Gammaquant vom Sirius mag zwar durch ein absolut zufälliges Ereignis (einen Quantensprung) entstanden sein. Es stellt aber nach seinem Entstehen eine in sich geschlossene Kausalkette dar, die auf eine andere Kausalkette trifft, z.B. auf den molekularen Baustein des Gens. Die dadurch ausgelöste(!) Mutation ist also zwar nicht absolut zufällig, aber als ein Zusammentreffen vorher unverbundener Kausalketten doch relativ (also auch objektiv) zufällig. Da eben dieses Zusammentreffen nicht voraussehbar und auch nicht erklärbar ist, ist es natürlich auch subjektiv zufällig.

Mutationen sind allerdings noch in einem weiteren Sinne zufällig. Es ist nämlich nicht vorhersagbar, welches Gen als nächstes und vor allem in welche Richtung (zu welchem Allel) es mutieren wird. Mutationen sind also „richtungslos“, „blind“: Die Ursache einer Mutation ist nicht eindeutig mit ihrer phänotypisch sichtbaren Wirkung (Phänotyp) verknüpft. Ein Hitzeschock (heat-shock-response) z.B. kann zwar zahlreiche Mutationen auslösen, wird die betroffenen Organismen jedoch in der Regel nicht widerstandsfähiger oder anfälliger gegenüber hohen Temperaturen machen. Die Wirkungen von Mutationen sind vielmehr zufällig verteilt; sie streuen in alle Richtungen. Darunter kann dann allerdings auch eine positive oder negative Reaktion auf die eigentliche auslösende Ursache sein.

Durch gezielte Eingriffe kann man die Häufigkeit von Mutationen verändern. Mit zunehmender Einsicht in das Mutationsgeschehen wird somit auch dessen subjektive Zufälligkeit verringert. An den objektiven Zufallsmomenten ändert sich dadurch allerdings nichts.

Man könnte den Eindruck haben, der Zufallsbegriff stifte in der Biologie eher Verwirrung als Orientierung, und man mag vielleicht versuchen, ihn ganz zu vermeiden. Das ist aber unmöglich. Zufällige Ereignisse sind nicht nur ein wesentliches Element unserer Welt, vielmehr spielen sie gerade im Bereich des Organischen eine ausgezeichnete Rolle. Die Tatsache, daß es verschiedene Arten von Lebewesen (Mannigfaltigkeit) auf der Erde gibt, daß sich auch die Mitglieder ein und derselben Art voneinander unterscheiden, daß Organismen individuelle Systeme mit je eigener Struktur und – bei Höheren Säugetieren – eigener Persönlichkeit sind, daß also gerade die lebendigen Systeme Vielfalt und Individualität aufweisen, und daß schließlich die biologische Evolution ein einmaliger, nicht umkehrbarer und nicht wiederholbarer historischer Vorgang ist, all dies ist letztlich dem Auftreten zufälliger Ereignisse, insbesondere in Form von Mutationen, zu verdanken. In kleinen Populationen kann auch die Allelenhäufigkeit durch zufällige Ereignisse (z.B. welches der zahlreichen genetisch verschiedenen Spermien eines Ejakulats ein Ei befruchtet) beeinflußt werden und so im Laufe der Generationenfolge die Zusammensetzung des Genpools verändern (Gendrift).

Daß die Evolution trotz des Wirksamwerdens zufälliger Ereignisse häufig gerichtet verläuft und zu Organismen mit komplexeren Strukturen und Funktionen und mit höherer Ökonomie führt, beruht auf dem Wirken der Selektion. Die Selektion ist also im Evolutionsgeschehen der große Gegenspieler des Zufalls. Die Frage, welcher dieser beiden Evolutionsfaktoren wichtiger ist, wäre jedoch so sinnlos wie die Frage, welcher Faktor in einem Produkt wichtiger ist. Ohne Selektion gäbe es keine Höherentwicklung. Aber ohne Zufall gäbe es keine Varianten (Variation), an denen die Selektion angreifen kann. Deshalb ist der Zufall für die organismische Evolution und somit auch für die Biologie konstitutiv. chemische Evolution, Determinismus, Erkenntnistheorie und Biologie – Evolutionäre Erkenntnistheorie, extraterrestrisches Leben, Indeterminismus, Meßfehler, Naturgesetze, Populationsgenetik, Probabilismus, Proteine, Synergetik, Wissenschaftstheorie, Zufallsfixierung.

Lit.: Henning, K., Kutscha, S.: Mangelnde Ursache oder mangelndes Wissen? Zum Begriff Zufall in Philosophie und Naturwissenschaft. Naturwissenschaften 71, 493–499 (1984). Monod, J.: Zufall und Notwendigkeit. München: Piper 1971 (auch dtv). Poincaré, H.: Der Zufall. In: Wissenschaft und Methode. Leipzig und Berlin 1914. Darmstadt 1973, 53–79.