Darwin auf neuen Wegen

Was heißt das aber für die Evolution, zum Beispiel die der Schmetterlinge? Sean B. Carroll, heute Professor an der University of Maryland, ist der Meinung, dass sie viel stärker von der Mutation der kleinen Genschalter angetrieben wird als von den seltenen Mutationen in klassischen Genen – die den Bauplan für Proteine liefern – oder gar von den hoch konservierten Entwicklungskontroll-Genen. Ein Laborversuch an der Universität Heidelberg hat das 2020 an einem künstlich mutierten Schalter namens E3N beispielhaft gezeigt: Die Mutationen veränderten innerhalb nur einer Generation die Behaarung von Fliegen auf drastische Weise.

Klassische Evolutionsbiologen bezweifeln allerdings, dass die Schalter im Labor der Natur genauso wichtig sind. Der Streit um die Rolle der Schalter, auch unter dem Namen cis-Elemente bekannt, teilte von 2007 an die Riege der Evolutionsbiologen in zwei Lager. Entschieden ist er noch nicht. Doch Carroll hat mit seinen Studien an Fliegen und Schmetterlingen eine fruchtbare neue Richtung in der Evolutionsforschung eingeschlagen, Evo-Devo genannt. Sie untersucht den Zusammenhang zwischen „evolution“ (Evolution) und „development“ (Individualentwicklung).

Außer mit der Rolle der Genschalter beschäftigen sich Evo-Devo-Forscher mit folgenden Fragen: Wie lassen sich schnelle Evolutionsschritte erklären, etwa die Anpassung der Schnabelformen der auf Galapagos heimischen Darwinfinken, die oft innerhalb weniger Generationen entstehen? Genügt dafür das Prinzip aus Zufall und Notwendigkeit, wie es die Moderne Synthese nach Darwin vorgibt? Oder erleichtern bereits evolvierte Entwicklungswege die weitere Evolution? Und wie lässt es sich erklären, dass Stichlinge in geografisch getrennten Seen Afrikas die gleichen auffälligen Lippen- und Kopfformen entwickelt haben? Ist das nur zufällige Konvergenz, wie es die traditionelle Evolutionslehre sieht? Oder sind es von der Individualentwicklung gebahnte Wege, die den nächsten Evolutionsschritt geradezu berechenbar machen?

Auch die große Frage nach dem Auftauchen völlig neuer Lebensformen im Lauf der Erdgeschichte, der sogenannten Makroevolution, harrt noch einer Antwort. Folgt sie anderen Gesetzen, als wir sie bisher kennen? „Der Beweis dafür steht auch nach rund 30 Jahren intensiver Evo-Devo-Forschung aus“, befindet der Max-Planck-Forscher Diethard Tautz aus Plön, ein klassischer Evolutionsbiologe.

Epigenetische Vererbung

Für noch mehr Aufruhr unter Neodarwinisten sorgt die israelische Evolutionstheoretikerin Eva Jablonka. „DNA ist nicht das Einzige, was wir von unseren Eltern erben“, schreibt die Professorin vom Cohn Institut für Geschichte und Philosophie der Wissenschaft an der Tel Aviv University in dem provokanten Buch „Evolution in vier Dimensionen“, das sie zusammen mit Marion J. Lamb von der University of London verfasst hat. „Wir erben die anderen Stoffe, die in der Eizelle enthalten sind, aber auch Nahrungspräferenzen unserer Eltern, ihre Ideen und ihren Grundbesitz.“ All diese Vererbungssysteme hätten Einfluss auf die Evolution – zumindest bei uns Menschen. Aber auch bei Tieren gibt es Ansätze dazu, immerhin für zwei der drei zusätzlichen Dimensionen, die Jablonka neben der DNA am Werk sieht: Epigenetik und Verhalten. Nur die vierte Dimension, kulturelle Evolution durch Symbolgebrauch, scheint unserer eigenen Spezies vorbehalten zu sein.

Bereits seit Ende der 1980er-Jahre interessiert sich die Philosophin für das Themengebiet der Epigenetik. Es beschreibt, wie biochemische Modifikationen an der DNA unserer Körperzellen dafür sorgen, dass sich Zellen und Gewebe spezialisieren: Aus embryonalen Stammzellen entstehen so beispielsweise Nieren-, Muskel-, Haut- oder Nervenzellen. Der DNA-Code ändert sich dabei nicht. Die Epigenetik bestimmt vielmehr, welche Gene abgelesen werden. Auch Umweltfaktoren modifizieren unsere DNA: Was wir gegessen haben, wie viel Sport wir getrieben haben und wie groß unser Stresspegel war, all das zeigt sich im Epigenom.

Das Gebiet der Epigenetik hat in den letzten Jahrzehnten einen Boom erlebt. Welche Rolle sie für die menschliche Gesundheit spielt, hat der Wissenschaftsautor Peter Spork 2017 in seinem Buch: „Gesundheit ist kein Zufall. Wie das Leben die Gene prägt“ zusammengefasst. Doch prägen unsere Erfahrungen auch das Leben unserer Kinder und Enkel? Werden epigenetische Veränderungen zusammen mit der DNA vererbt? Gelegentlich schon, befindet Spork und beruft sich dabei unter anderem auf Jablonka: In einer Übersichtsarbeit hat sie bereits 2009 mehr als 100 vererbbare Merkmale zusammengestellt, die nicht genetischen, sondern epigenetischen Ursprungs sind: bei Einzellern, Pilzen, Pflanzen, aber auch bei Tieren.

Inzwischen gibt es auch Hinweise für den Menschen. So wurde gezeigt, dass krankhaft übergewichtige Männer in ihren Spermien epigenetische Veränderungen weitergeben. Betroffen sind dabei auch Gene, die den Appetit regulieren. Bernhard Horsthemke, Direktor des Instituts für Humangenetik an der Universität Duisburg-Essen, entdeckte 2003, dass manche Patienten mit schweren Entwicklungsstörungen wie Prader-Willi- oder Angelman-Syndrom nur deshalb erkranken, weil sie eine bestimmte epigenetische Markierung geerbt haben. „Diese Markierung hätte für eine gesunde Entwicklung des Kindes während der Reprogrammierung der Keimzellen des Vaters überschrieben werden müssen“, schreibt Spork.

Die Reprogrammierung der Keimzellen ist ein für die Vererbung wichtiger Schritt. Sie sorgt normalerweise dafür, dass im Lauf des Lebens erworbene, meist negative Veränderungen nicht an die Nachkommen weitergereicht werden und dass das neue Leben mit einem frischen Satz von Genen starten kann. Schon 1883 postulierte der Mediziner August Weismann, dass Körper- und Keimbahnzellen eine getrennte Entwicklung durchlaufen, sodass erworbene Eigenschaften, auch wenn sie Anpassungen sein sollten, auf diesem Wege nicht vererbt werden können. Die sogenannte Weismann-Barriere wurde zum festen Bestandteil des Neodarwinismus, somit auch der Modernen Synthese. Diese grenzt sich damit strikt von den Vorstellungen Jean-Baptiste Lamarcks (1744 bis 1829) ab, der in der Vererbung erworbener Anpassungen die Antriebskraft der Evolution sah.

Doch offensichtlich funktionieren weder die Weismann-Barriere noch die später entdeckte Reprogrammierung der Keimzellen perfekt. „Tatsächlich glauben mittlerweile nur noch wenige Epigenetiker daran, dass wirklich die gesamten Epigenome von Ei- und Samenzellen in einen ursprünglichen, immer gleichen Ausgangszustand zurückversetzt werden“, schreibt Spork. Dass Jablonka sich stolz als „Neolamarckistin“ bezeichnet und eine zielgerichtete Evolution zumindest teilweise für möglich hält, finden Spork und seine Gewährsleute aus der Epigenetik aber doch übertrieben. Ihr Hauptargument: Epigenetische Veränderungen werden in der Regel nur über wenige Generationen hinweg vererbt und gehen dann wieder verloren.

Andererseits: Epigenetische Anpassungen, etwa an große Hitze, können auf Dauer erhalten bleiben, indem sie nachträglich durch eine Genveränderung fixiert werden. Der britische Evolutionsbiologe Conrad Hal Waddington, der den Begriff Epigenetik eingeführt hat, demonstrierte das 1953 in einem Laborversuch an Fliegen. Zwei US-Forscher, Yuichihiro Suzuki und Fred Nijhout, haben einen ähnlichen Versuch 2006 an Raupen des Tabakschwärmer-Schmetterlings wiederholt.

Ihr Erfolg ist von grundsätzlicher Bedeutung. „Bei diesem Beispiel haben wir eine gegenüber der Modernen Synthese veränderte kausale Reihenfolge“, kommentiert Axel Lange, Biologe und Autor des Buches „Evolutionstheorie im Wandel“, das Experiment. „Ein Umweltstressor führt zu epigenetischer Variation und Vererbung dieses Phänotyps. Dieser führt bei geeigneter Mutation und mit deren Vererbung zur genetischen Assimilation.“ Wie häufig dies in der Natur vorkommt, ist jedoch schwer zu belegen – und entsprechend umstritten.

Meister der Nischenkonstruktion

Evolutionstheorie entfernt sich noch weiter von der Vorherrschaft der DNA, wenn außer Genen auch Mikroben oder ganze Behausungen an den Nachwuchs vererbt werden. Man denke an Vogelnester, aber auch an die landschaftsverändernden Dammbauten von Bibern. Für solche Eingriffe in die Natur, bei denen Organismen sich nicht an ihre Umwelt anpassen, sondern ihre Umwelt aktiv verändern, hat sich seit 1988 der Begriff „Nischenkonstruktion“ eingebürgert. Etliche Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Nischenkonstruktion ein eigenständiger evolutionärer Mechanismus oder Kernprozess ist – neben Darwins natürlicher Selektion. Menschen mit ihrer global wirksamen Kultur seien „die Champions unter den Nischenkonstrukteuren“, schreibt Axel Lange. Darüber sind sich die meisten Evolutionsbiologen einig.

Doch Nischenkonstruktion lässt sich auch im Labor untersuchen, beispielsweise an Stierkopf-Dungkäfern (Onthophagus taurus). Sie sind das „Haustier“ von Armin Moczek, einem der interessantesten Neuerer der Evolutionstheorie. Der Deutsche erforscht sie an der Indiana University in Bloomington, USA. Zur Ablage ihrer Eier graben die Weibchen abhängig von der Temperatur 10 bis 40 Zentimeter tiefe Löcher in den Boden. Darin legen sie eine Kugel aus Kuh- oder Schafsmist ab, die ein Käfer-Ei enthält. Auch ein wenig eigenen Kot geben sie dem Nachwuchs als Beigabe mit.

Bei diesem System zeigen sich verblüffende evolutionäre Effekte: Je tiefer und kühler die Löcher, desto größer werden die Larven, die aus den Eiern schlüpfen. Auch die erwachsenen Käfer werden größer und legen mehr Eier. Und die kleineren Käfer, die näher an der Oberfläche geschlüpft sind, graben selbst weniger tief als ihre Mütter und bekommen kleinere Kinder – so vererbt sich ein Umwelteffekt auf die Enkel und nachfolgende Generationen.

Doch auch der mütterliche Kot in der Mistkugel – genauer: die enthaltenen Mikroben – hat einen gestaltenden Effekt. Entfernen die Wissenschaftler die Mikroben, sodass die Larven sich ohne das mütterliche Mikrobiom entwickeln müssen, verschwinden bei zwei Arten die äußeren Geschlechtsunterschiede, etwa in Form und Größe der Beine.

Am Beispiel der Nischenkonstrukteure zeigt sich nicht nur, welch skurrile Wege der Vererbung und Entwicklung die Natur einschlagen kann. Eine um das Prinzip Nischenkonstruktion Erweiterte Synthese der Evolutionstheorie käme auch zu anderen Voraussagen als die Moderne Synthese klassischen Zuschnitts, argumentiert Axel Lange. Die Klassiker prophezeien: „Von Organismen veränderte Umweltzustände unterscheiden sich nicht prinzipiell von Umgebungen, die sich durch nicht biologische Prozesse ver- ändern.“ Neuerer postulieren dagegen: „Nischenkonstruktionen verändern die Umwelt so, dass sie dem Phänotyp des Konstrukteurs oder dessen Nachkommen angepasst sind und deren Fitness verbessern.“

Aber hat der Mensch, dieser „Champion der Nischenkonstruktion“, seine Umwelt und die seiner Kinder und Kindeskinder nur verbessert? Er hat es vermutlich gewollt. Doch angesichts des Klimawandels und anderer menschgemachter Umweltkatastrophen ist die Versuchung groß, der alten Garde recht zu geben.