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Evolutionsforschung - Von der klassischen Biologie zur molekularen Phylogenie

„Nichts in der Natur ergibt Sinn, außer im Lichte der Evolution“, sagte der Evolutionsgenetiker Theodosius Dobzhansky. Den Schluss, dass gemeinsame Merkmale verschiedener Arten (in heutiger Terminologie homologe Merkmale) auf eine gemeinsame Abstammung zurückzuführen sind, stellt seit Darwin kein Wissenschaftler ernsthaft in Frage. Freilich gibt es immer noch genügend Menschen, die sich gegen diese Erkenntnis wehren. Mit wenigen Mausklicks im Internet unter den entsprechenden Stichworten kann man sich von der Wut, den dreisten Behauptungen und Lügen überzeugen, mit denen religiöse und pseudoreligiöse Eiferer auch nach 150 Jahren dagegen ankämpfen.

Die Verwandtschaftsverhältnisse im Reich der Organismen sind durch vergleichende Untersuchungen lebender Arten in ihren Grundzügen und oft auch in erstaunlicher Detailgenauigkeit aufgeklärt worden. Die kunstvollen, minutiös ausgearbeiteten Stammbäume, die Ernst Haeckel, Zeitgenosse und glühender Verehrer Darwins, gezeichnet hatte, kann man nur mit Bewunderung betrachten. Aus ihnen sprechen tiefe Kenntnisse und Einsichten und ein feines Gespür für evolutive Zusammenhänge. Grundlagen solcher Stammbäume waren zunächst vor allem vergleichende Anatomie und Morphologie sowie Entwicklungsgeschichte und Embryologie.
Ernst Haeckel: Monophyletischer Stammbaum der Organismen. (Abbildung: Universität Jena)
Natürlich gab es viele ungeklärte Fragen - oft Gegenstände erbitterten akademischen Streites - und, aus heutiger Sicht, offenkundige Fehlbeurteilungen. Während z. B. Haeckel geradezu hellsichtig die Wale als Schwestergruppe der Flusspferde und in die Verwandtschaft der Paarhufer (Artiodactylen) postulierte, beging er den großen Fehler, auch die Seekühe (Sirenia) als mit den Walen verwandt einzuordnen. Hier hatte er eine konvergente mit einer homologen Entwicklung verwechselt. In neuerer Zeit kamen neben der Genetik vor allem Physiologie, Biochemie und Verhaltensforschung als wichtige Instrumente der Evolutionsforschung hinzu.

Ohne Fossilien geht es nicht

Trilobiten aus dem Mittelkambrium (Foto: Universität Tübingen)
Natürlich war auch klar, dass das Studium heute lebender Organismen nicht ausreicht, um zu klären, wie die Evolution in Wirklichkeit erfolgt ist. Die Herkunft der Vögel aus Reptilien lässt sich aus vergleichender Anatomie und Embryologie ableiten, nicht aber ihre Abstammung von theropoden Dinosauriern. Nur Fossilien dokumentieren uns, dass Dinosaurier überhaupt gelebt haben. Das gleiche gilt für die Therapsiden, aus denen die Säugetiere entstanden sind, ebenso für die Trilobiten und die anderen sonderbaren Tiere, die zusammen mit dem jetzt entdeckten ältesten Krebs die Meere des Kambriums vor 520 Millionen Jahren bevölkerten.

In den letzten Jahrzehnten trat der DNA-Sequenzvergleich zur Analyse der Verwandtschaftsbeziehungen immer mehr in den Vordergrund. Sie ist im Wesentlichen auf rezente Organismen beschränkt (Sequenzanalysen fossiler DNA-Fragmente haben zwar in der Öffentlichkeit große Aufmerksamkeit erregt, wie etwa bei der Frage unserer Verwandtschaft mit dem Neandertaler, aber sie können im besten Falle nur für die Zeitspanne der letzten Jahrzehntausende eingesetzt werden). Die molekulare Evolutionsforschung mit Hilfe von DNA-Analysen hat aber nicht nur ganze Organismengruppen, die fossil gar nicht oder unzureichend dokumentiert sind, der Evolutionsforschung zugänglich gemacht, sie macht sogar erstaunlich präzise Zeitangaben, wann sich Entwicklungslinien in der fernen Vergangenheit getrennt haben. Diese molekulare Uhr wurde zunächst von Linus Pauling und Emile Zuckerkandl anhand der Aminosäuresequenzen von Proteinen postuliert, nur ist dieser Ansatz so aufwändig und mühsam, dass er zugunsten der Nukleinsäureanalytik aufgegeben wurde, sobald zuverlässige Sequenziermethoden zur Verfügung standen. In rascher Folge werden heute für alle Organismengruppen detaillierte Stammbäume mit dem Instrumentarium der molekularen Phylogenie beschrieben und chronologisch eingeordnet.

DNA – ein einzigartiges historisches Archiv

Ernst Haeckel 1904: Kunstformen der Natur. 49. Tafel, Ausschnitt

Derartig weitgehende Schlussfolgerungen über längst vergangene Ereignisse auf der Basis von DNA-Sequenzen heutiger Organismen erscheinen vermessen. Die Begründung für die Selbstsicherheit der Molekulargenetiker hat Richard Dawkins mit großer Klarheit dargelegt (R. Dawkins 2004, „The Ancestor’s Tale“, p. 21 f.): „Solange die Reproduktionskette des Lebens nicht unterbrochen ist, wird die in der DNA kodierte Information in ein neues Molekül hinein kopiert, bevor das alte Molekül zerstört wird. Auf diese Weise überlebt die DNA-Information die DNA-Moleküle bei Weitem; sie kann, da sie jedes Mal bis in die einzelnen Buchstaben hinein nahezu perfekt kopiert wird, potenziell unbegrenzt lange überleben. Große Teile der DNA-Information unserer Vorfahren bleiben in den nachfolgenden Generationen lebender Organismen unverändert erhalten – manchmal über Hunderte von Millionen Jahren. Für den Historiker ist die DNA, so verstanden, eine nahezu unglaublich reiche Datenquelle. Wer hätte sich eine Welt zu erhoffen gewagt, in der jedes einzelne Individuum jeder Art in seinem Körper ein langes, detailliertes Schriftdokument aus den Tiefen der Zeit mit sich trägt.

Damit nicht genug. In dem Dokument gibt es kleine, zufällige Änderungen, die selten genug sind, um die Botschaft nicht unleserlich zu machen, und doch häufig genug, um als distinkte Markierungen zu dienen. Aus der Darwinschen Evolution folgert, dass die Körperform, das ererbte Verhalten, die Chemie der Zellen eines Organismus, ob Tier oder Pflanze, eine verschlüsselte Information über die Welt, in der seine Vorfahren überlebt hatten, darstellt. Die Botschaft ist letzten Endes in der DNA enthalten, welche die Filter der natürlichen Selektion überstanden hat. Wenn wir die DNA eines Delfins richtig lesen lernen, könnte sie uns eines Tages bestätigen, was uns die Anatomie und Physiologie des Tieres schon mitgeteilt haben: dass seine Vorfahren einst auf dem trockenen Lande lebten. Dreihundert Millionen Jahre zuvor waren die Vorfahren aller landlebenden Wirbeltiere, einschließlich der landlebenden Delfin-Ahnen, aus dem Meer gekrabbelt, wo sie sich seit der Entstehung des Lebens aufgehalten hatten. Zweifellos enthält unsere DNA auch Informationen über dieses Ereignis. Wenn wir sie nur verstünden.“ (Übersetzung: EJ)

Glossar

  • Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine; es gibt insgesamt 20 verschiedene Aminosäuren in Proteinen.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Nukleinsäure ist der Oberbegriff für DNA und/oder RNA.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Unter Selektion im biologischen Sinn versteht man die Auslese von Organismen aufgrund ihrer Merkmale. Dies kann einerseits durch natürliche Selektionsmechanismen ("survival of the fittest") im Zuge der Evolution geschehen. Unter künstlicher Selektion versteht man andererseits die Auslese von Organismen durch den Menschen, z.B. in der Zucht. Auch in der Gentechnik wird künstliche Selektion angewandt, um einen gentechnisch veränderten Organismus anhand neu eingebrachter Eigenschaften (z. B. Antibiotikaresistenz) zu identifizieren.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Mit einem Gentest können durch die Analyse der DNA Rückschlüsse auf verschiedene Merkmale eines Individuums gezogen werden. Ein Gentest kann zur Aufklärung medizinisch-diagnostischer Fragen wie der genetischen Ursache einer Krankheit oder der Untersuchung von Krankheitsanfälligkeiten dienen. DNA-Analysen werden auch durchgeführt, um einen sogenannten Genetischen Fingerabdruck zu erstellen, mit dem Identitäts- und Verwandtschaftsfragen geklärt werden können.
  • Die Morphologie ist die Lehre von der Struktur und Form der Organismen.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Physiologie ist die Lehre von den biochemischen und physikalischen Vorgängen in Zellen, Geweben und Organen der Lebewesen.
  • Fossile sind aus der erdgeschichtlichen Vergangenheit stammende Überreste von Tieren oder Pflanzen.
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