DIE ZEIT

Darwins kluge Erben

Wer Evolution verstehen will, darf nicht nur Fossilien suchen. Er muss Würmern, Fliegen und Krebsen beim Wachsen zusehen

Von Andreas Sentker

Drei, zwei, eins – meins. Auf der Leinwand leuchtet eine eBay-Seite auf, Lachen schallt durch den Hörsaal des Tübinger Uniklinikums. Am Pult steht Nipam Patel, Entwicklungsbiologe von der University of California in Berkeley. Er ist Grundlagenforscher und von der kommerziellen Verwertung seiner Arbeit so weit entfernt wie die Evolutionstheorie vom Schöpfungsglauben. Dennoch hat Patel ein hohes berufliches Interesse an Internet-Auktionen. Bei eBay findet er seine Forschungsobjekte: Schmetterlinge. Sehr seltene Schmetterlinge. Der Biologe sucht gynandromorphe Tiere – Scheinzwitter. Die werden bei eBay versteigert und bringen 1400 Dollar und mehr. »Mich kostet das gar nichts«, sagt der Amerikaner lächelnd. »Ich brauche nur die Bilder.«© G. Czepluch/Wildlife BILD

Auf ihnen wird augenfällig, wo weibliches und wo männliches Erbgut aktiv ist. Mancher Falter trägt auf der einen Seite einen prachtvoll gemusterten männlichen Flügel, auf der anderen die schlichte weibliche Variante. Solche Exemplare sind bei Sammlern beliebt. Patel findet jene Tiere spannender, bei denen sich die Geschlechtergrenze mitten durch den Flügel zieht. Das Muster gibt Auskunft über Hierarchien im Erbgut. Es zeigt, wo das übergeordnete genetische Programm männliche Gene aktiviert hat, wo weibliche.

Entwicklungsbiologen fahnden im Internet nach seltsamen Spezies

Nipam Patel ist Mitbegründer von Evodevo, Evolution and development, einer Synthese aus Darwins Ideen und den Erkenntnissen der Entwicklungsbiologie. Die Ansätze könnten unterschiedlicher kaum sein. Charles Darwin, der mit der HMS Beagle über die Weltmeere fuhr, richtete seinen Blick vom Organismus auf die Umwelt. Die verschiedenen Schnabelformen der von ihm untersuchten Finken erklärte er damit, dass sie unterschiedliche Nahrung knacken. Patel, dem zur Beobachtung seiner Forschungsobjekte allerdings nur selten ein Mausklick genügt, blickt unter die Oberfläche der Lebewesen. Die unterschiedlichen Muster seiner Schmetterlinge erklärt er mit Entwicklungsprogrammen im Erbgut, die Dutzende von Genen ein- oder ausschalten.

Seine Ergebnisse präsentiert Patel vor der Elite der Entwicklungsbiologie, die sich auf dem Tübinger Schnarrenberg versammelt hat. Oxford und Cambridge sind vertreten, Stanford und Princeton. Sie seien, sagen die Forscher, gern gekommen an diesen legendären Ort. Hier, in der Schlossküche, wurde die Erbsubstanz Desoxyribonukleinsäure erstmals isoliert. Hier, im botanischen Garten, wurden Mendels in Vergessenheit geratene Regeln wiederentdeckt. Hier steht das Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie. Hier wird Evolution erforscht, wie sie die Forscher heute verstehen, als Ergebnis vieler kleiner Schritte, einer Vielzahl von Entscheidungen auf verschiedenen Ebenen.

Bei Patels Lieblingsschmetterlingen wird die Arbeit eines genetischen Programms sichtbar, das vorn und hinten beim Flügel definiert. Vorn werden andere Abschnitte im Erbgut aktiviert als hinten. Eine Art Chef-Gen dominiert dabei eine Vielzahl anderer Gene. Dass es solche Hierarchien der Entscheidung gibt, kann auch die Evolution komplexer Strukturen erklären. Wenn ein Chef Veränderungen bewirken will, tauscht er gern den Abteilungsleiter aus. Der Neue bringt dann viele Angestellte auf Kurs. Ähnlich mutiert mit einzelnen Genen die Aktivität vieler untergeordneter Abschnitte im Erbgut. An der Fruchtfliege Drosophila lässt sich ein solches Umschalten auf ein anderes Programm eindrucksvoll beobachten. Manchmal wachsen den Tieren Beine am Kopf, dort, wo Antennen sein sollten. Antennapedia heißt die Mutante, keine vorteilhafte übrigens.

Das Umschalten von Aktivitätsmustern als treibende Kraft der Entwicklung erklärt elegant, was Gegner der Evolutionstheorie für unerklärbar halten: Vielfalt in ihrer Komplexität. Die könne durch zufällige Mutation nicht entstanden sein, lautet das Schlüsselargument der Evolutionsgegner. Sie führen daher den Schöpfungsglauben ins Feld oder sprechen neuerdings vom »Intelligent Design«, das der Evolution ein Ziel, eine Richtung gebe. Derweil reifen in den Labors der Entwicklungsbiologen die Gegenargumente heran.

Doch zunächst ist es auch hier meist wie im wahren Leben: Viele Hierarchien sind nur schwer zu durchschauen. »Ich fühle mich manchmal wie George W. Bush, der im Nachhinein den Irak-Krieg erklären muss«, stöhnt der Genetiker Michael Levine von der University of California in Berkeley über sein Problem, die Evolution der komplexen Interaktion zu erklären.

Auch Eric Wieschaus, nobelpreisgekrönter Entwicklungsbiologe von der Princeton University, weiß um das Unverständnis mancher Menschen angesichts der unübersichtlichen Zellstammbäume und Genhierarchien. Er kann sogar den Vertretern des Intelligent Design Verständnis entgegenbringen: »Im Alltag kann ich Menschen verstehen, die sich nach Antworten sehnen und von der Komplexität des Lebens überfordert sind. Aber es ist in der Wissenschaft verboten, da, wo man nicht mehr weiterweiß, einfach Gott einzusetzen.« Wieschaus’ Co-Nobelpreisträgerin Christiane Nüsslein-Volhard wird deutlicher: »Der intelligente Designer ist eine faule Ausrede für noch nicht gemachte Experimente.«

Und so reihen die Entwicklungsbiologen Experiment an Experiment. Der Fadenwurm Caenorhabditis elegans beispielsweise, ein unscheinbares Wesen, das in Blumentöpfen lebt, wird weltweit von einigen hundert Forschern untersucht. Aus genau 959 Zellen besteht ein erwachsener Wurm. 302 davon sind Nervenzellen. Und exakt 131-mal in der Entwicklung des Tieres muss eine Zelle Selbstmord begehen – weil sie stört.

Wurmforscher kennen das Schicksal jeder dieser Zellen. Marie-Anne Felix vom Institut Jacques Monod in Paris hat sich wie ihr Kollege Paul Sternberg vom California Institute of Technology in Pasadena auf die Entwicklungsgeschichte der Vulva konzentriert, der weiblichen Geschlechtsöffnung des zwittrigen Wurms. »Wie mache ich ein Loch in einen Organismus, ohne dass er kaputt geht? Das ist die entscheidende Frage«, sagt Sternberg. Die Vulva entsteht aus sechs Zellen, drei davon bilden die eigentliche Öffnung, drei weitere die Außenhaut. Keine Organentwicklung im Tierreich ist besser untersucht als diese. Wann schaltet sich welches Gen ein? Wann tritt welcher Botenstoff auf den Plan? Die Publikationen füllen Regalmeter.

Vom »Überleben des Stärkeren« zur »Ankunft des Stärkeren«

Und was ist die Quintessenz jahrelanger Forschung? »Alles in der Biologie ist gleichzeitig Ergebnis und Triebkraft der Evolution«, formuliert Marie-Anne Felix ihr Credo. Die Evolution, ergänzt Paul Sternberg, basiere auf einer »Balance von Entwicklungsprogrammen«. Auf der einen Seite gebe es eine modulare Vielfalt von genetischen Entscheidungsmustern. Auf der anderen Seite die Millionen Jahre anhaltende Stabilität, in der sich ein Organismus immer wieder gleich entwickele. Und dazwischen? Überraschende Mutationen, die die Entwicklung ganz neue Wege einschlagen lasse.

Um diesen Wandel der Entwicklungswege besser verstehen zu lernen, legt sich die Wurmgemeinde neue Würmer zu. Einen hat Ralf Sommer vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie ins Spiel gebracht: den Fadenwurm Pristionchus pacificus. »Der Vergleich mit Caenorhabditis elegans soll molekulare Veränderungen identifizieren, die der Evolution von Entwicklungsvorgängen zugrunde liegen«, sagt er. Vor 200 Millionen Jahren haben sich die Wege der beiden Würmer getrennt. Vor einem Jahr wurde Pristionchus pacificus vom National Human Genome Research Institute der USA in die Liste jener Arten aufgenommen, deren Erbgut als Nächstes sequenziert werden soll. Dann kann Sommer seine Untersuchungen präzisieren. Schon jetzt stehe fest: »Es sind die Unterschiede in der Regulation von Genen, die zu neuen Strukturen, Formen und Entwicklungsvorgängen in Organismen führen.«

Die Entwicklungsgenetik schließt eine klaffende Lücke in der Evolutionstheorie, die schon lange nichts mehr mit dem auf reine Naturbeobachtung setzenden Darwinismus zu tun hat. Seit 50 Jahren herrscht die so genannte synthetische Theorie vor: Die darwinistische Perspektive wird ergänzt durch Erkenntnisse der molekularen Genetik und der Populationsgenetik, die die Verteilung von Genen mathematisch beschreibt. Evolution wird als Zusammenspiel von Mutation und Selektion beschrieben. Mutation gilt als die sprudelnde Quelle neuer Varianten, die Selektion ist das Sieb. Doch Mutationen wirken auf der Ebene von Genen, Selektion auf der Ebene der äußeren Erscheinung, des so genannten Phänotyps. Wie gelangt man von einem veränderten Gen zu einem neuen Phänotyp?

Die Erklärung könnte jene Reprogrammierung sein, die das Lebewesen aufgrund einer einzigen Mutation einen neuen Entwicklungsweg einschlagen lässt. Dabei haben Mutationen in untergeordneten Genen wenig Einfluss auf den Phänotyp, solche in höheren Ebenen der Hierarchie mehr. Letztere könnten die Zahl der Extremitäten variieren, die Körperlänge, die Ausrichtung von Körperachsen – so entsteht eine von Mutationen getriebene Entwicklung nicht nur in einem Protein, sondern in einem kompletten Entwicklungsprogramm.

Eine neue Synthese findet statt, eine Vereinigung von Populations- und Entwicklungsgenetik. In der Sicht der Populationsgenetik konkurrieren die Gene von Erwachsenen um den höchsten Reproduktionserfolg – das alte und oft missverstandene Überleben des Besten, »survival of the fittest«. In der Sicht der Entwicklungsgenetik bauen Gene in embryonalen Organismen Strukturen auf. Sie steuern, wie der amerikanische Entwicklungsbiologe Scott Gilbert schreibt, die Ankunft des Besten, »arrival of the fittest«.

Die »erfinderische« Natur ist tatsächlich ziemlich konservativ

Und die Ankunft ist oft mit überraschend einfachen Mechanismen zu erklären. Einen solchen Fall hat Eric Wieschaus jahrelang erforscht (und dafür vor zehn Jahren gemeinsam mit Christiane Nüsslein-Volhard den Medizinnobelpreis erhalten). Bei der Fruchtfliege Drosophila reguliert ein Protein namens Bicoid die Aktivität des so genannten Hunchback-Gens. Hunchback ist überall da aktiv, wo Bicoid in einer bestimmten Minimalmenge vorhanden ist.

Die Verteilung des Proteins im Fliegenembryo folgt einfachen chemischen und physikalischen Gesetzen. Sie ist sehr stabil. Das Protein wird stetig gebildet, verteilt und wieder abgebaut. Das Konzentrationsgefälle legt fest, wo die Fliege ihren Kopf und wo sie ihren Hinterleib tragen soll. Eine Mutation im Bicoid-Gen lässt einen Fliegenembryo ohne Kopf, aber mit zwei Hinterleibern heranwachsen – und sehr bald sterben. »Es ist fast paradox«, sagt Wieschaus, »die wichtigsten Entscheidungen über das künftige Schicksal eines Organismus beruhen auf ganz ordinärer Physik.«

Die Regeln, die in der Fruchtfliege gefunden wurden, gelten auch anderswo. Nipam Patel untersucht seit langem, wann bei der Entwicklung lebender Embryos in einzelnen Zellen welche Gene eingeschaltet werden. Er hat im Laufe der Jahre einen ganzen Zoo von Versuchstieren angelegt: Grashüpfer, Brotkäfer und Grillen sind darunter, Shrimps und Hummer. Sein gegenwärtiges Lieblingsobjekt ist ein kleiner durchsichtiger Krebs namens Parhyale hawaiensis. Entwicklungsbiologen brauchen solche Tiere: Sie müssen sich rasch vermehren. Ihr Embryo sollte möglichst lange Zeit durchsichtig sein, sodass sich die Entwicklung im Inneren gut beobachten lässt. Und für intensive Pflege haben die Biologen wenig Zeit. Darum muss anspruchsloses Getier her – wie Parhyale. Patel fand die Tiere im Filtersystem des berühmten Shedd-Aquariums in Chicago, wo den Krebsen die sich ständig verändernden Umweltbedingungen ganz offenbar nichts ausmachten. »Wir wussten, das war etwas, das uns nicht viel Arbeit machen würde.« Tatsächlich kann Parhyale wie Fruchtfliege und Fadenwurm theoretisch von Müll leben.

Nun verfolgt Patel das Schicksal einzelner Zellen im wachsenden Embryo. Der eBay-Falter ist längst von der Leinwand verschwunden. Jetzt läuft hier das große Kino der Entwicklungsbiologen: Patel zeigt Krebsembryos. Bunt markierte Zellen teilen sich, wandern, formen Segmente im lebenden Tier. Die Zellen leuchten dann auf, wenn ein bestimmtes Gen aktiv ist. Es ist dasselbe, das auch in Fliegen die Grenzen zwischen den Körpersegmenten festlegt.

Man sagt der Natur nach, erfinderisch zu sein. Tatsächlich ist sie ziemlich konservativ.

Dieser Konservatismus ist bei der Analyse der Evolution von Entwicklungswegen äußerst hilfreich. So finden sich dieselben Kontrollgene nicht nur bei Fliege, Maus und Mensch. Es werden auch bei der Entwicklung eines Individuums oft dieselben Gene aktiv, wenn es gilt, dieselben Entscheidungen zu treffen, wie etwa die Unterscheidung vorn/hinten. In den Augen der Entwicklungsbiologen könnte sich die Evolution von Extremitäten so abgespielt haben: Schrumpfe, drehe und vereinfache die Befehlskette für die Ausbildung der Körperachse – schon bilden sich einfache Extremitäten, primitive Stummel zunächst, aber immerhin eine Basis für weitere Entwicklungsschritte. Dabei kann das gleiche Gen, das im frühen Embryo vorn und hinten definierte, nun vorn und hinten beim Bein festlegen.

Warum haben Fliegen nur sechs Beine, andere Gliederfüßer (Arthropoden) aber mehr? Die Lösung: Der Grundbauplan der Arthropoden sah offensichtlich ein Beinpaar je Körpersegment vor. Bei den Insekten hat eine Mutation in einem Gen (namens Ultrabithorax) ein anderes Gen (Distal-less) unterdrückt, das eine wichtige Rolle bei der Bildung der Extremitäten spielt. Ultrabithorax verhindert so die Ausbildung von Beinen an den hinteren Körpersegmenten der Fliege. Dieser Eingriff in die Genhierarchie sorgt dafür, dass die Fliege sechs Beine hat, nicht acht wie die Spinne, zehn wie ein Krebs oder Dutzende, wie etwa die Hundertfüßler.

»Darwin war klüger als die Darwinisten«, sagt der Schriftsteller Tom Wolfe im Interview(ZEIT Nr. 39/05). Denn der Schöpfer der Evolutionstheorie gebe offen zu, nicht zu wissen, »woher der erste Impuls kommt für eine Zelle, die sich teilt«. Doch auch dieses Manko wollen die Biologen beheben. Sie dringen heute tiefer denn je in die Entscheidungshierarchien der Embryonalentwicklung vor: Manche erforschen die Evolution von Proteinen, andere fragen, wie aus Einzellern Vielzeller wurden, oder fahnden nach verschollenen Geschlechtschromosomen von Schnabeltieren.

Sie alle arbeiten an einem vollständigeren Bild der Evolution – mit wachsendem Erfolg. Vielleicht auch deswegen, weil eine ideologische Hürde gefallen ist. »Früher durfte man in der Biologie nur Wie? fragen«, sagt Christiane Nüsslein-Volhard. Das Warum? war verboten – schließlich steuert die Evolution nicht auf ein Ziel hin, da sind sich die Biologen einig. »Neuerdings ist das Warum? wieder erlaubt«, freut sich die Nobelpreisträgerin. Die Evolution hat zwar noch immer kein Ziel, aber mancher Evolutionsbiologe einen freieren Kopf.

Wer mehr über die Biologie der Evolution wissen möchte, liest den Aufsatz von David Penny . Die Entwicklungsbiologie hat ihre eigene Website , auf der man auch eine Rede von Scott Gilbert findet. Etwas weiterführend: Betrachtungen von Daniel C. Dennett über intelligentes Design, auf der Website der Edge Foundation Inc. - einem Zusammenschluss von Denkern und Wissenschaftlern, der sich der intellektuellen Entwicklung unserer Gesellschaft verschrieben hat. Dort finden sich auch Essays von Jerry Coyne und Lisa Randall zum selben Thema.