Nr. 28/2009 vom 09.07.2009

Was das Überleben sichert

Evolution ist mehr als Gene und Zufall – sie ist ein komplexes Netzwerk. Auch epigenetische, kulturelle und symbolische Faktoren spielen eine Rolle, wie die Genetikerin und Evolutionsforscherin Eva Jablonka zeigt.

Von Florianne Koechlin

Das Denken in der Biologie ist seit sechzig Jahren geprägt von einer neodarwinistischen Sicht der Evolution: Die Gene, der Zufall und die natürliche Selektion – das sind die drei Hauptpfeiler heutiger Evolutionstheorien. Gemäss diesen Theorien werden die Gene grösstenteils unverändert von einer Generation zur nächsten weitergegeben. Manchmal aber kommt es zu zufälligen Genveränderungen, sogenannten Mutationen. So entstehen innerhalb einer Art Individuen mit unterschiedlichen Genen. Schliesslich führt die natürliche Selektion dazu, dass sich die Individuen mit den besten Genen durchsetzen. Arten können sich so an neue Umweltbedingungen anpassen. Manchmal entstehen sogar neue Arten.

Diese Sicht der Evolution greift zu kurz, wie jüngere Studien zeigen. Die beiden Evolutionsbiologinnen Eva Jablonka und Marion Lamb etwa warnen in ihrem Buch «Evolution in Four Dimensions» davor, ausschliesslich auf die Gene und den Zufall zu fokussieren – das Evolutionsgeschehen sei viel komplexer. «Wir versuchen aufzuzeigen, dass die Evolution durch natürliche Selektion zur Konstruktion von Prozessen geführt hat, die auf ganz verschiedenen Ebenen zu Veränderungen führen können, die weitervererbt werden», sagt Eva Jablonka. Evolution finde auf vier Ebenen statt: auf der genetischen, der epigenetischen, der kulturellen und der symbolischen.

Ein übergeordnetes System

Dass Gene für die Evolution zentral sind, bestreitet die Forscherin keineswegs. Doch selektioniert werden nicht einzelne Gene, sondern einzelne, besonders gut angepasste Individuen. Das ist ein grosser Unterschied. Die meisten Eigenschaften oder Verhaltensweisen, die einem Individuum eine flexible Anpassung an geänderte Umweltbedingungen ermöglichen, beruhen auf vielen – oft Hunderten – verschiedenen Genen, die wiederum in ständigem Austausch mit molekularen Netzwerken in Zellen und Organen sind.

Eine dürreresistente Pflanze zum Beispiel, die in trockenen Gebieten besser überlebt, verdankt diese Eigenschaft nicht einem einzigen Gen. Sie kann so verschiedene Merkmale aufweisen wie eine dicke Wachsschicht um den Stängel und die Blätter, ein dichteres Wurzelwerk, kleinere Blätter, spezielle Wasserspeichervorrichtungen oder kleinere Spaltöffnungen, die sich vor allem nachts öffnen und tagsüber geschlossen bleiben – kurz: Es sind Hunderte, ja Tausende verschiedene Gene daran beteiligt, dass die Pflanze in trockenem Gebiet überlebt. Selektioniert werden also einzelne Pflanzen – das sind ganze Gennetzwerke.

Hinzu kommt: Nicht alle Mutationen sind zufällig, es gibt auch «halbgerichtete» Mutationen. Sie werden ausgelöst durch Signale in einem internen Informationssystem, das den Genen übergeordnet – epigenetisch – ist. Mithilfe dieses Systems reguliert und kontrolliert eine Zelle die Aktivität ihrer Gene: Epigenetische Signale instruieren die Gene darüber, was sie in welcher Situation machen müssen.

Zur Verdeutlichung: Eine Leberzelle und eine Hautzelle sehen verschieden aus, sie verhalten sich anders und funktionieren anders – und dies, obwohl sie beide die gleichen Gene enthalten. Mit wenigen Ausnahmen sind ihre Unterschiede epigenetischen Ursprungs. Und wenn sich eine Leberzelle teilt, entstehen wiederum Leberzellen. Zellen geben also die epigenetische Information an ihre Nachkommen weiter.

«Du bist, was deine Mutter isst»

Neue Forschungen zeigen, dass auch Lebewesen solche Informationen an spätere Generationen weitervererben können – zum Beispiel dann, wenn das Erbgut von Samen- oder Eizellen epigenetisch beeinflusst wurde. Der Forscher Randy Jirtle von der Duke University in den USA mischte schwangeren Mäusen die Zusatzstoffe Vitamin B12 und Folsäure ins Futter. Die Mäuse hatten eine gelbliche Fellfarbe und waren ziemlich dick. Sie gebaren überraschenderweise schlanke, braune Jungen. Jirtle fand bei den Mäusejungen ein Gen, das durch die Zusatzstoffe der mütterlichen Nahrung stillgelegt worden war. Die mütterliche Nahrung hatte also direkten Einfluss auf die Gene der Embryonen. «Du bist, was deine Mutter isst», hiess es in einer Wissenschaftszeitschrift über diesen Versuch.

Inzwischen sind viele Beispiele einer solchen epigenetischen Vererbung bekannt – bei Pflanzen, Mäusen, Ratten und auch Menschen. In über hundert Fällen hat sich ausserdem gezeigt, dass epigenetische Veränderungen über viele Generationen hinweg weitervererbt werden. Damit, sagt Eva Jablonka, können sie Einfluss auf die Evolution haben. «Der Vorteil einer epigenetischen Vererbung ist, dass sie eine viel schnellere Anpassung an die Umwelt ermöglicht, als dies auf genetischer Ebene möglich wäre.» Damit scheint sich die lange als wissenschaftliche Irrlehre abgelehnte These von Jean-Baptiste Lamarck zumindest teilweise zu bestätigen (vgl. «Lamarcks Evolution» weiter unten).

Evolutionäre Veränderung kann neben der genetischen und epigenetischen auch auf einer kulturellen Ebene stattfinden, argumentieren Jablonka und Lamb. Dazu zählen sie Veränderungen von Verhaltensmustern, Vorlieben oder Fähigkeiten, die über einen längeren Zeitraum hinweg erlernt wurden – und die ohne eine genetische Veränderung erfolgt sind. Junge Kaninchen etwa, deren Mütter mit Wacholderbeeren gefüttert werden, «erben» eine Vorliebe für diese Beeren. Sie lernen im Uterus, und später durch die Muttermilch, dass Wacholderbeeren gut für sie sind. Und dies, obwohl sie nur drei Wochen lang jeweils fünf Minuten gesäugt werden. Die kurze Zeit reicht, um sie sozusagen auf den Geschmack von Wacholderbeeren zu bringen.

Die Forschergruppe, sagt Eva Jablonka, habe nur Wacholderbeeren untersucht, aber es sei anzunehmen, dass die jungen Kaninchen die ganze Palette der mütterlichen Nahrung bereits im Uterus und über die Muttermilch kennen lernten. Auf sich selbst gestellt, seien sie mit diesem Wissen gut ausgerüstet und müssten nicht jede Pflanze neu auf ihre Tauglichkeit hin testen. «Auch bei Menschen hat man nachweisen können, dass Kinder, deren Mütter während der Schwangerschaft und Stillzeit viel Rüeblisaft tranken, ebenfalls eine grosse Vorliebe für Rüebli entwickelten», sagt Eva Jablonka. «Es liegt viel evolutionäre Logik in der Existenz solcher Kanäle, durch die Informationen zur Nahrungsselektion transferiert werden kann.»

Was die Laktose-Intoleranz zeigt

Sie kennt weitere Beispiele für Evolution auf der kulturellen Ebene: In Israel entdeckte ein Forscherteam schwarze Ratten in einem Tannenwald – ein bis dato nicht bekanntes Habitat von Ratten. Offenbar hatten die Tiere gelernt, Tannenzapfen effizient zu entkernen und die Kerne zu fressen. Dank dieses neuen und reichlich vorhandenen Nahrungsangebots konnten sie fortan in den Tannen leben. Sie wurden zu perfekten Baumkletterern, lernten, für ihre Jungen nestartige Gebilde zu bauen und diese in den Bäumen aufzuziehen. Die Ratten entwickelten also einen ganz neuen Lebensstil, der weit über das Fressen von Tannenkernen hinausging. Die neuen Fähigkeiten vererbten sich von Generation zu Generation weiter – ohne dass dabei genetische Veränderungen im Spiel gewesen wären.

Die Beispiele zeigen, dass kulturelle Evolution nicht blind ist. Die Kaninchen erbten Informationen, die ihre Mütter erworben und ausprobiert hatten. Und bei den Ratten hat wohl ein neugieriges Individuum durch Versuch und Irrtum herausgefunden, dass Tannenkerne essbar sind. Es gab diese Information an andere Gruppenmitglieder weiter. So bildete sich eine Tradition. Was gelernt und was weitergegeben wird, hängt also von einzelnen Individuen ab und nicht vom Zufall.

Ob und wann sich solche veränderten Lebensgewohnheiten auch in den Genen niederschlagen, ist schwer zu eruieren. Doch es gibt zumindest ein berühmtes Beispiel für eine kulturelle Evolution, die sich nachträglich im Erbgut manifestiert hat: die Laktose-Intoleranz bei Menschen. Der Milchzucker Laktose ist ein Zweifachzucker, der im Darm durch das Enzym Laktase gespalten, resorbiert und verdaut wird. Fehlt dieses Enzym, kann Laktose nicht verdaut werden, was zu Bauchbeschwerden führt. Bei allen Säugern – auch bei den meisten Menschen – nimmt die Produktion des Enzyms nach dem Säugen ab; sie können als Erwachsene Milch nur noch schlecht verdauen.

Hirtenvölker bildeten hingegen eine Variante des Laktase-Gens aus, die aktiv bleibt: Menschen mit dieser Variante haben auch im Alter keine Schwierigkeiten mit Milchprodukten. Interessant ist, dass diese Genvariante evolutionsgeschichtlich der Domestizierung von Milchvieh folgte. Man findet sie vorab in ehemaligen Hirtenvölkern. In Europa, einigen Hirtenvölkern in Afrika, der Mittelmeerregion und dem Mittleren Osten können die meisten Menschen ohne Beschwerden Milch trinken. Doch weltweit besitzt die grosse Mehrheit aller Menschen diese Genvariante nicht.

MMMDCCXII : CXVI

In der Evolution des Menschen spielt noch eine weitere Ebene eine gewichtige Rolle: die auf Symbolen basierende Vererbung, vor allem die Sprache. Unsere Fähigkeit, mit Worten und anderen Symbolen zu kommunizieren, gibt uns eine grosse Freiheit, uns von Kontext zu Kontext zu bewegen. Wir erwerben Traditionen, die wir lernen und weitergeben, nicht nur durch die Muttermilch, Nachahmung oder Spiel, sondern auch durch unsere Fähigkeit zur Sprache und Kultur. Diese Kommunikationsfähigkeit entwickelte sich im Laufe der Evolution auf der symbolischen Ebene. Symbole sind kontextabhängig und stehen zueinander in Beziehungen. Sie können übersetzt und geändert werden. Eine bestimmte Botschaft kann mit einem Computercode, dem Alphabet, mit Morse, als Tanz oder Zeichnung vermittelt werden.

Ein Beispiel: Zu Zeiten des antiken Roms bedurfte es eines Spezialisten, um die Division MMMDCCXII : CXVI durchzuführen. Heute kann eine Zehnjährige in einigen Minuten – dank arabischen Zahlen und der Null – ausrechnen: 3712 : 116 = 32. Wenn wir nichts über die kulturelle Veränderung des Zahlensystems wüssten und nur nach der Fähigkeit des Rechnens urteilten, könnten wir die Schlussfolgerung ziehen, dass sich in unsern Genen in den letzten 2000 Jahren eine grosse Mutation für mathematische Fähigkeiten ereignet hatte, die sich dank natürlicher Selektion in der Bevölkerung durchsetzte. Eine solche Veränderung ist natürlich unmöglich.

«Der Punkt ist, dass die Geschwindigkeit, mit der die neuen Verhaltenspraktiken erworben werden, durch die kulturelle und symbolische Evolution stark beschleunigt werden kann», betont Jablonka. «Wie wir lernen und Dinge tun, wird im Wesentlichen durch diese zwei Ebenen strukturiert.» Die Forscherin weist darauf hin, dass für sie die kulturelle und symbolische Evolution am schwierigsten zu fassen war, weil sie den klassischen Evolutionslehren am wenigsten gleicht.

Doch auch diese beiden Vererbungssysteme ermöglichten eine grosse Vielfalt und Variation, auf der die natürliche Selektion agieren könne. Und auch hier gebe es eine Kontinuität, die sich als Baum oder als Netz von Beziehungen denken lasse: «Wie bei der genetischen Evolution gibt es Prozesse, die das Ganze stabilisieren, und es gibt Prozesse, die selektiv wirken.» Doch hier geht es längst nicht immer nur darum, dass der Fitteste obsiegt. «Das Bild ist sehr viel komplexer geworden», sagt Jablonka.

Ein Baum ist mehr als ein Baum

Kritiker ihres Buches beharren darauf, dass letztlich jede evolutionäre Veränderung auf die genetische Ebene zurückführt. Die andern Ebenen mögen zwar Anpassungsprozesse beschleunigen, doch am Schluss komme es einzig auf die Gene an. Jablonka erachtet diese Vorstellung als «viel zu simpel». Alle vier Ebenen – die genetische, die epigenetische, die kulturelle und die symbolische – hängen auf lange Sicht eng voneinander ab, ist die Forscherin überzeugt. «Sie interagieren miteinander, bilden ein komplexes Netz. Da gibt es manchmal keinen eindeutigen Anfang.»

Jablonka streicht vor allem die «nichtzufälligen» Veränderungen in der Evolution hervor: Sie bedeuten einen radikalen Bruch mit den bisherigen Evolutionstheorien. Denn diese gehen davon aus, dass Evolution keinen Plan hat, dass sie «blind» ist. Sie verweist in diesem Zusammenhang auf den Unterschied zwischen der Entwicklung eines Lebewesens und der Evolution einer ganzen Art über einen grossen Zeitraum hinweg. Im ersten Fall ist allgemein anerkannt, dass bei der Entwicklung von der Eizelle bis zum erwachsenen Individuum der Zufall keine grosse Rolle spielt. Die meisten Veränderungen sind gerichtet. Sie werden von epigenetischen Signalen gesteuert. Nur manchmal gibt es zufällige Veränderungen, zum Beispiel bei der Entwicklung des Immunsystems.

Bei der Evolution ist man bisher umgekehrt davon ausgegangen, dass alle Veränderungen zufällig sind. Eva Jablonka hingegen ist überzeugt, dass es hier ebenfalls Mechanismen gibt, die «halbgerichtet» und nicht zufällig sind. «Das ist doch eigentlich logisch. Entwicklung und Evolution gehören eng zusammen. Was uns die Entwicklung eines Lebewesens lehrt, ist, wie wir über Netzwerke als Einheit evolutionärer Variation denken sollten.»

Ein Baum im Tropenwald etwa sieht von weitem aus wie ein normaler Baum. Doch in Wirklichkeit besteht er aus einem eng verwobenen Konglomerat verschiedenster Pflanzen, Insekten, Vögel oder Frösche. «Da leben Hunderte Lebewesen in enger Kooperation zusammen, und oft ist es schwierig zu schätzen, wo eine Pflanze aufhört und eine andere beginnt», erklärt die Forscherin. Solche Gemeinschaften sind meist sehr alt, mit historischen Erinnerungen, die in epigenetischen und kulturellen Systemen gespeichert sind. Und oft sind es diese Prozesse, während der Evolution entstanden und weitergegeben, die zur Stabilität und Identität der Gemeinschaft führen – und nicht die genetischen Informationen. «Wird der Tropenwald zerstört, gehen diese Informationen für immer verloren. Das ist, wie wenn eine Kultur oder eine Sprache aussterben würde. Da ist es kein Trost, wenn einzig die Gene des Baumes in einer Samenbank aufbewahrt werden.»

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