Big Ideas. Das Ökologie-Buch E-Book

Julia Schroeder

• Herausgeber: Dorling Kindersley Verlag
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 542

Veröffentlichungsjahr: 2021

Beschreibung

Ökologie anschaulich & verständlich erklärt: Unsere Umwelt ist im Umbruch! Klimawandel & Umweltschutz bewegen die Menschheit wie nie zuvor. Dieses innovative Nachschlagewerk führt mit informativen Diagrammen & originellen Grafiken leicht verständlich in über 90 ökologische Theorien, Bewegungen und Vorgänge ein – von den frühen Evolutionstheorien des 18. Jahrhunderts bis zu den Ökologie-Themen des 21. Jahrhunderts – wie z.B. Was sind die Folgen des Klimawandels? Der neue Titel aus der DK Kultreihe! Das große Ökologie-Buch zum Nachschlagen – Zusammenhänge, Theorien & Biografien kurzweilig und einfach aufbereitet: • Über 90 wichtige ökologische Ideen: Dieses Buch erzählt die Geschichte der Ökologie – von den wichtigsten Theorien und Biografien wichtiger Wissenschaftler bis zu den biologischen Zusammenhängen und Begriffen wie z.B. Vererbungsregeln, Biodiversität und saurem Regen. • Wissen grafisch auf den Punkt gebracht: Interessante Diagramme sowie beeindruckende Illustrationen und Fotografien in einem jungen, frischen Layout erleichtern auf kreative Weise den Zugang zur facettenreichen Thematik der Ökologie. • Interessante Fragen rund um die Ökologie werden in diesem Buch verständlich und anschaulich beantwortet und regen zum Nachdenken an. • Die Geschichte der Ökologie in neun großen Kapiteln! • Mit einem Vorwort von Dr. Anke Valentin (Bundesfachausschuss Umweltbildung des NABU). Von Darwin bis zu den heutigen Anforderungen des Umwelt- und Klimaschutzes fundiert & zugänglich aufbereitet: Der perfekte Überblick zu einem der wichtigsten Themen unserer Zeit – Basiswissen zum Studieren, Informieren oder Nachschlagen!

Leseprobe

INHALT

EINLEITUNG

DIE GESCHICHTE DER EVOLUTION

Zeit ist unerheblich und niemals eine Schwierigkeit für die Natur

Frühe Theorien der Evolution

Eine Welt vor der unsrigen, zerstört durch eine Katastrophe

Aussterben und Veränderung

Keine Spur eines Anfangs – kein Anzeichen für ein Ende

Aktualismus

Der Kampf ums Dasein

Evolution durch natürliche Selektion

Wir Menschen geben Gene weiter

Die Vererbungsregeln

Wir haben das Geheimnis des Lebens entdeckt

Die Rolle der DNA

Gene sind egoistische Moleküle

Das egoistische Gen

ÖKOLOGISCHE VORGÄNGE

Lehren aus der mathematischen Theorie zum Kampf ums Überleben

Räuber-Beute-Gleichungen

Existenz wird von einigen wenigen Umständen bestimmt

Ökologische Nischen

Totale Konkurrenten können nicht koexistieren

Das Konkurrenzausschlussprinzip

Die Ergebnisse aus Forschung im Freien können mehr als nutzlos sein

Freilandexperimente

Mehr Nektar heißt mehr Ameisen und mehr Ameisen heißt mehr Nektar

Mutualismus

Wellhornschnecken sind wie kleine Wölfe in Zeitlupe

Schlüsselarten

Wie fit ein nach Futter suchendes Tier ist, hängt von seiner Effizienz ab

Optimaler Nahrungserwerb

Parasiten und Krankheitserreger regulieren Populationen wie die Räuber

Ökologische Epidemiologie

Warum Pinguine niemals kalte Füße haben

Ökophysiologie

Alles Leben ist chemisch

Ökologische Stöchiometrie

Angst an sich ist eine mächtige Kraft

Nicht konsumtive Effekte der Räuber auf ihre Beute

ORDNUNG IN DER NATÜRLICHEN WELT

In allen Dingen der Natur gibt es etwas Bewundernswertes

Klassifikation der Lebewesen

Mit dem Mikroskop entkommt nichts unserer Erforschung

Die mikrobiologische Umwelt

Wenn man die Namen der Dinge nicht kennt, geht das Wissen über sie verloren

Ein System zur Identifizierung aller Lebewesen

»Fortpflanzungsmäßig isoliert« sind die Schlüsselworte

Das biologische Artkonzept

Organismen gruppieren sich klar in mehrere primäre Reiche

Diversität aus moderner Sicht

Wer die Biosphäre rettet, könnte die Welt retten

Menschliche Aktivität und Biodiversität

Wir befinden uns in der Anfangsphase eines Massenaussterbens

Biodiversitäts-Hotspots

DIE VIELFALT DES LEBENS

Die Mikroben werden das letzte Wort haben

Mikrobiologie

Gewisse Baumarten stehen mit einem Pilzmycelium in Symbiose

Die allgegenwärtigen Mykorrhizae

Nahrung ist das zentrale Thema

Tierökologie

Vögel legen so viele Eier, dass die optimale Zahl an Nachkommen herauskommt

Regulierung der Gelegegröße

Der Bund mit einem treuen Hund ist so ewig, wie Bindungen zwischen Lebewesen überhaupt sein können

Tierverhalten

Definiere »Werkzeug« neu, definiere »Mensch« neu – oder akzeptiere Schimpansen als menschlich

Mit Tiermodellen das menschliche Verhalten verstehen

Alle körperliche Aktivität hängt von der Temperatur ab

Thermoregulation bei Insekten

ÖKOSYSTEME

Jedes Einzelteil des Werks der Natur ist notwendig, um alle anderen Teile zu unterstützen

Die Nahrungskette

Alle Lebewesen sind potenzielle Nahrungsquellen für andere Lebewesen

Das Ökosystem

Das Leben wird von einem gewaltigen Netzwerk aus Prozessen unterstützt

Energieflüsse in Ökosystemen

Die Welt ist grün

Trophische Kaskaden

Inseln sind ökologische Systeme

Inselbiogeografie

Die konstante Anzahl von Arten ist das, was zählt

Ökologische Resilienz

Populationen unterliegen unvorhersagbaren Kräften

Die neutrale Theorie der Biodiversität

Nur eine Gemeinschaft von Forschern hat die Chance, das große Ganze zu durchdringen

Langzeitstudien

Welche Strategie gut ist, hängt davon ab, was andere tun

Evolutionär stabiler Zustand

Arten erhalten die Funktionalität und die Stabilität von Ökosystemen

Biodiversität und Ökosystemfunktion

LEBEWESEN IN EINER SICH WANDELNDEN UMWELT

Die philosophische Naturkunde kann die Gegenwart nicht ohne die Vergangenheit fassen

Die Verteilung von Arten in Raum und Zeit

Das virtuelle Wachstum der Bevölkerung wird durch die Fruchtbarkeit des Landes begrenzt

Die logistische Gleichung

Die erste Voraussetzung ist die genaue Kenntnis der natürlichen Ordnung

Organismen und ihre Umwelt

Gewisse Arten schließen sich zu natürlichen Vereinen zusammen

Die Fundamente der Pflanzenökologie

Welche Faktoren sorgen für Unterschiede zwischen Pflanzen?

Klima und Vegetation

Ich habe einen starken Glauben an einen Samen

Ökologische Sukzession

Die Gesellschaft entsteht, wächst, reift und stirbt

Klimaxgesellschaft

Eine Assoziation ist kein Organismus, sondern ein Zufall

Offene Gemeinschaft

Eine Gruppe von Arten nutzt ihre Umwelt auf ähnliche Weise

Die ökologische Gilde

Das Bürgernetz beruht auf Freiwilligkeit

Citizen Science

Die Populationsdynamik wird unvorhersehbar, wenn die Reproduktionsrate sehr hoch ist

Chaotische Populationsänderungen

Um das große Ganze zu erkennen, betrachte es aus der Entfernung

Makroökologie

Eine Population von Populationen

Metapopulationen

Organismen verändern und gestalten die Welt, in der sie leben

Nischenkonstruktion

Lokale Gemeinschaften, die Kolonisten austauschen

Metagemeinschaften

DIE LEBENDE ERDE

Der Gletscher war Gottes großer Pflug

Eiszeiten

Auf der Karte gibt es nichts, was die Grenze markiert

Biogeografie

Die Erderwärmung ist keine Vorhersage, sie findet statt

Globale Erderwärmung

Lebende Materie ist die mächtigste geologische Kraft

Die Biosphäre

Das System der Natur

Biome

Wir halten die Dienstleistungen der Natur für selbstverständlich, weil wir nicht dafür bezahlen

Eine ganzheitliche Sicht der Erde

Plattentektonik ist nicht nur Chaos und Zerstörung

Kontinentaldrift und Evolution

Das Leben verändert die Erde für seine eigenen Zwecke

Die Gaia-Hypothese

Vor 65 Mio. Jahren tötete etwas die Hälfte des Lebens auf der Erde

Massenaussterben

Das Verbrennen aller Brennstoffressourcen wird einen galoppierenden Treibhauseffekt auslösen

Rückkopplungen in der Umwelt

DER FAKTOR MENSCH

Die Umweltverschmutzung ist eine unheilbare Krankheit

Umweltverschmutzung

Gott kann diese Bäume nicht vor Dummköpfen schützen

Gefährdete Lebensräume

Wir sehen den Beginn eines sich schnell wandelnden Planeten

Die Keeling-Kurve

Man hat eine Gemeinschaft von Lebewesen mit einem Hagel von Chemikalien überschüttet

Das Erbe der Pestizide

Ein langer Weg von der Entdeckung zum politischen Handeln

Saurer Regen

Eine endliche Welt kann nur eine endliche Bevölkerung ernähren

Überbevölkerung

Den dunklen Himmel gibt es nicht mehr

Lichtverschmutzung

Ich kämpfe für die Menschheit

Entwaldung

Das Loch in der Ozonschicht ist wie ein Himmelsschreiben

Ozonabbau

Können wir ohne Wasser leben?

Ressourcenverknappung

Fangschiffe erbeuten zu viel Fisch

Überfischung

Die Einführung von ein paar Kaninchen kann doch wohl nicht schaden

Invasive Arten

Wenn die Temperaturen steigen, gerät das fein ausbalancierte System durcheinander

Frühlingsverschiebung

Eine der größten Bedrohungen der Biodiversität sind Infektionen

Amphibienkrankheiten

Zunehmendes CO2 verändert die Grundbausteine des Meerwassers und nimmt vielen Organismen die Lebensgrundlage

Versauerung der Meere

Die Umweltschäden durch Flächenverbrauch lassen sich nicht ignorieren

Zersiedelung

Unsere Ozeane verwandeln sich in eine Plastiksuppe

Plastikmüll

Wasser ist ein öffentliches Gut und ein Menschenrecht

Die Wasserkrise

NATUR- UND UMWELTSCHUTZ

Die Überlegenheit des Menschen über die Natur beruht auf Wissen

Herrschaft der Menschheit über die Natur

Die Natur ist ein großartiger Ökonom

Die friedliche Koexistenz von Menschheit und Natur

In der Wildnis wird die Welt bewahrt

Romantik, Naturschutz und Ökologie

Der Mensch ist überall ein Störfaktor

Zerstörung der Erde durch den Menschen

Sonnenenergie ist unbegrenzt und kostet nichts

Erneuerbare Energien

Die Zeit ist für die Wissenschaft gekommen, sich mit der Erde selbst zu beschäftigen

Umweltethik

Global denken, lokal handeln

Die Umweltbewegung

Die Konsequenzen der Handlungen von heute auf die Welt von morgen

Programm »Der Mensch und die Biosphäre«

Vorhersagen zur Größe einer Population und zum Risiko ihres Aussterbens

Populationsgefährdungsanalyse

Klimawandel findet hier statt, er findet jetzt statt

Den Klimawandel aufhalten

Die Versorgung der Weltbevölkerung sollte sicher sein

Die »Sustainable Biosphere Initiative«

Wir spielen Würfel mit der natürlichen Umwelt

Die wirtschaftlichen Folgen des Klimawandels

Monokulturen und Monopole zerstören die Ernte

Saatgutdiversität

Natürliche Ökosysteme ermöglichen das menschliche Leben und bereichern es

Ökosystemdienstleistungen

Wir behandeln unseren Planeten so, als hätten wir einen zweiten, auf dem wir leben können

Müllentsorgung

ANHANG

WEITERE ÖKOLOGEN

GLOSSAR

ZITATNACHWEIS

DANK

VORWORT

Der Titel Das Ökologie-Buch wirft bereits vor dem Lesen der ersten Seite die Frage auf, wie man ein Thema, das ganze Bibliotheken füllt, auf 352 Seiten bringen soll. Das vorliegende Buch beweist: Es geht! Es geht sogar ganz hervorragend.

Ich freue mich, dass ich als Sprecherin des NABU-Bundesfachausschusses Umweltbildung und Kommunikation um ein Vorwort für dieses Buch gebeten wurde. Viele der im vorliegenden Buch präsentierten Konzepte und Themen finden sich in unserer Bildungsarbeit wieder. Umweltbildung gehört zum zentralen Engagement des NABU und ist ein verbindendes Element der inhaltlichen Arbeit aller Ebenen und Einrichtungen. Umweltbildung vereint Wissen, Werte und Handeln und ist dem Gedanken der Nachhaltigkeit verpflichtet. Im NABU steht Umweltbildung für die gesamte Breite der auf Naturschutz bezogenen Aktivitäten – vom Naturerleben bis hin zur Bearbeitung komplexer Phänomene wie dem Klimaschutz.

Das Ökologie-Buch hilft, diese komplexen Phänomene in ihren einzelnen Bausteinen zu verstehen, indem es wissenschaftliche Beobachtungen in alltagsnahe Zusammenhänge stellt. Diese Verbindung steigert nicht nur die Lesefreude, sondern eröffnet die Chance, wissenschaftliche Erkenntnisse zu politischen Fragestellungen zu machen. Dabei kommt Das Ökologie-Buch komplett ohne erhobenen Zeigefinger aus, sondern weckt als Sachbuch einfach die Faszination für natürliche Strukturen und Prozesse. Diese kommen erfrischend einfach und einleuchtend daher – auch dank wunderbarer Bilder und Grafiken, die jede Komplexität auf das Wesentliche reduzieren.

Das Ökologie-Buch traut sich an ein breites Wissensspektrum heran: von der Vererbungslehre über Verhaltenstheorien bis hin zu Ökosystemleistungen. Nach und nach fügen sich die einzelnen Kapitel wie die Teile eines Puzzles zu einem Gesamtbild zusammen. Natürlich kann hier nicht jedes Detail bis ins Kleinste erklärt werden, aber das ist auch nicht nötig. Vielmehr haben wir es mit einem Sachbuch zu tun, das viele Aha-Effekte hervorruft und Lust macht auf mehr.

Wer sich schon etwas länger in dem Themenfeld tummelt, wird einen Mix aus bekannten und neuen Fakten finden, ergänzt um Sachverhalte, die einem zwar mal bekannt waren, aber mit der Zeit wieder in Vergessenheit geraten sind. Es macht einfach Spaß, sich beim Schmökern zu erinnern, das eigene Wissen um neue Zusammenhänge zu erweitern und nachzuvollziehen, wie die unglaublichen natürlichen Systeme unserer Erde funktionieren. Vielen Forscherinnen und Forschern haben wir es zu verdanken, dass wir dieses Wissen heute haben und stetig erweitern können. So wird das Bild durch die begleitenden Kurzporträts großer Denker und eindrucksvolle Zitate erst vollständig.

Das Verstehen und die Faszination ökologischer Zusammenhänge ist Teil des lebenslangen Lernens, das Kinder, Jugendliche und Erwachsene einbezieht. Und so sehe ich Das Ökologie-Buch als Gewinn für alle Altersgruppen. Gerade die Stabilität und Anpassungsfähigkeit ökologischer Systeme werden es im Endeffekt sein, die über unsere Zukunft entscheiden. Deshalb sehen wir als NABU-Bundesfachausschuss die Umweltbildung als zentrales Element, um Chancen zur Übernahme ökologischer und sozialer Verantwortung zu eröffnen und Schlüssel für eine auch zukünftig lebenswerte Welt zu sein.

Ich wünsche allen eine spannende und aufschlussreiche Lektüre und natürlich viel Spaß beim Lesen!

Dr. Anke Valentin

Bundesfachausschuss Umweltbildung des NABU

EINLEITUNG

Das Wissen über Ökologie – die Beziehungen zwischen Lebewesen – entschied über Leben und Tod der ersten Menschen. Ohne ein grundlegendes Verständnis, warum an einem Ort Tiere grasten und an einem anderen Früchte wuchsen, hätten unsere Vorfahren nicht überleben und sich entwickeln können.

Welche Wechselwirkungen zwischen Tieren und Pflanzen sowie ihnen und der unbelebten Welt stattfanden, interessierte schon die Griechen in der Antike. Im 4. Jahrhundert vor Christus untersuchten Aristoteles und sein Schüler Theophrastos den Stoffwechsel und die Wärmeregulierung bei Tieren, sezierten Vogeleier, um ihre Entwicklung zu erforschen, und beschrieben eine Scala Naturae (Leiter der Natur) mit elf Stufen. Dies war der erste Versuch, alle Lebewesen zu klassifizieren. Aristoteles erklärte auch, dass einige Tiere andere konsumieren: die erste Beschreibung einer Nahrungskette.

Im Mittelalter (476–1500) behinderte die katholische Kirche neue wissenschaftliche Ideen; das Verständnis der Ökologie schritt kaum voran. Doch ab dem 16. Jahrhundert wurden bei Seefahrten und durch technische Fortschritte, etwa die Erfindung des Mikroskops, erstaunliche Lebensformen entdeckt, der Wissensdurst stieg. Der schwedische Botaniker Carl von Linné entwickelte eine Klassifikation, das Systema Naturae. Dies war der erste wissenschaftliche Versuch, Arten zu benennen und ihrer Verwandtschaft nach zu ordnen. Damals herrschte im westlichen Denken der Essenzialismus vor: die Annahme, dass jede Art unveränderliche »essenzielle« Merkmale hat.

Große Durchbrüche

Geologische Entdeckungen im späten 17. und frühen 18. Jahrhundert stellten den Essenzialismus infrage. Geologen erkannten, dass einige Arten plötzlich verschwanden und durch andere ersetzt wurden; Lebewesen konnten sich also offenbar mit der Zeit verändern oder sogar aussterben.

»Es gibt etwa 4 Mio. verschiedene Arten von Tieren und Pflanzen in der Welt. 4 Mio. verschiedene Lösungen für das Problem, am Leben zu bleiben.«

David AttenboroughLife on Earth (TV-Serie), 1979

Der Franzose Jean-Baptiste de Lamarck entwickelte 1809 die erste konsistente Evolutionstheorie: die »Transmutation« der Arten durch die Vererbung erworbener Eigenschaften. Etwa 50 Jahre später brachten Charles Darwin und Alfred Russel Wallace das Konzept der Evolution durch natürliche Selektion auf, nach der sich die Lebewesen über Generationen hinweg so verändern, dass sie besser an ihre Umgebung angepasst sind. Darwin und Wallace verstanden die zugrunde liegenden Mechanismen nicht. Doch die Experimente von Gregor Mendel mit Erbsen, die auf die Rolle von Erbfaktoren hindeuteten, die man heute als Gene kennt, stellten einen weiteren Riesenschritt der Evolutionstheorie dar.

Wechselbeziehungen

Die Beziehungen zwischen Arten und ihrer Umwelt sowie zwischen verschiedenen Arten dominierten die ökologische Forschung im frühen 20. Jahrhundert. Konzepte wie Nahrungsketten und Nahrungsnetze (wer in einem Lebensraum wen frisst) oder ökologische Nischen (die Rolle eines Lebewesens in seiner Umwelt) entstanden. 1935 führte Arthur Tansley das Konzept des Ökosystems ein: die Wechselbeziehungen zwischen Arten und der Umwelt, in der sie leben. Spätere Ökologen entwickelten mathematische Modelle der Populationsdynamik in Ökosystemen. Die Erkenntnis, dass die DNA eine bestimmte Struktur hat und Mutationen wie ein evolutionärer »Motor« wirken, brachte die Evolutionstheorie weiter voran.

Neue Grenzen

Die Technik eröffnet der Ökologie immer neue Möglichkeiten. Elektronenmikroskope liefern Bilder mit einer Auflösung eines halben Wasserstoffatoms. Computer analysieren Töne von Fledermäusen und Walen, die für das menschliche Ohr zu hoch bzw. zu tief sind. Kamerafallen und Infrarotdetektoren fotografieren und filmen nachtaktive Tiere, und winzige Satellitenempfänger werden an Vögeln befestigt,um deren Wanderungen zu verfolgen.

Im Labor zeigen DNA-Analysen von Exkrementen, Haaren oder Federn, zu welcher Art ein Tier gehört und welche Beziehungen zwischen Lebewesen bestehen. So ist es für Ökologen sehr einfach, Daten zu sammeln, oft mithilfe vieler interessierter Laien (»Citizen Science«).

Einfluss auf das Klima

Anfangs lag der Ökologie vor allem Wissensdrang zugrunde. Später ging es darum, die Natur besser für menschliche Zwecke zu nutzen. Doch mit der Zeit wurden die Folgen der Ausbeutung immer deutlicher. Entwaldung wurde bereits im 18. Jahrhundert als ein Problem benannt, die Folgen der Wasser- und Luftverschmutzung waren in den Industrieländern im 19. Jahrhundert offenkundig. 1962 warnte Rachel Carson mit Silent Spring (dt.: Der stumme Frühling, 1965) die Welt vor den Gefahren von Pestiziden, sechs Jahre später zeigte Gene Likens eine Verbindung zwischen Kraftwerksemissionen, saurem Regen und Fischsterben.

1985 stellten Wissenschaftler fest, dass die Ozonkonzentration in der Atmosphäre über der Antarktis drastisch abnahm. Ein Zusammenhang zwischen Treibhausgasen und der Erwärmung der unteren Atmosphäre sah G. Evelyn Hutchinson schon 1947, aber erst Jahrzehnte später wurde akzeptiert, dass der Mensch das Klima beeinflusst.

Die Zukunft

Die moderne Ökologie hat sich seit ihren Anfängen als Wissenschaft enorm entwickelt. Heute vereint sie viele Disziplinen. Neben Zoologie und Botanik mit ihren Teildisziplinen sind Geologie, Geomorphologie, Klimatologie, Chemie, Physik, Genetik, Soziologie und andere Teil von ihr. Ökologie beeinflusst politische Entscheidungen über Stadtentwicklung, Verkehr, Industrie und Wirtschaft. Herausforderungen wie der Klimawandel, der Anstieg des Meeresspiegels, die Zerstörung von Lebensräumen, die Verschmutzung durch Plastik und andere Stoffe sowie die drohende Wasserknappheit sind ernsthafte Risiken für die Menschheit. Sie erfordern radikales politisches Handeln auf solider wissenschaftlicher Basis. Die Ökologie liefert Antworten. Es ist Aufgabe der Regierungen, sie umzusetzen.

»Selbst in den ausgedehnten und mysteriösen Weiten des Meeres werden wir an die fundamentale Wahrheit erinnert, dass nichts alleine lebt.«

Rachel CarsonUnveröffentlichte Notizen

DIE GESCHICHTE DER EVOLUTION

1785

James Hutton veröffentlicht die Theorie, dass die Erde viel älter ist als zuvor angenommen und dass sich die Erdkruste kontinuierlich verändert.

1813

Im Essay on the Theory of the Earth schreibt Georges Cuvier, dass Fossilien die Überreste ausgestorbener Kreaturen seien, die von periodischen »katastrophalen« Ereignissen ausgerottet wurden.

1831

Die HMS Beagle bricht zu einer Weltumsegelung auf; Charles Darwin ist der Naturforscher an Bord. Die auf der Fahrt gesammelten Informationen inspirieren ihn zu seiner Theorie der Evolution durch natürliche Selektion.

1809

Jean-Baptiste de Lamarck argumentiert in Philosophie zoologique (dt.: Zoologische Philosophie, 1876), dass Tiere bestimmte Merkmale erwerben, weil sie Körperteile benutzen oder nicht, und entsprechende Mutationen vererben.

1823

Die Amateur-Fossilsammlerin Mary Anning entdeckt das erste intakte Skelett eines Plesiosaurus.

1866

Gregor Mendel fasst in dem Artikel Versuche über Pflanzen-Hybriden die Ergebnisse von Zuchtexperimenten mit Erbsen zusammen. Damit legt er die Grundlage für die Wissenschaft der Genetik.

1976

The Selfish Gene (dt.: Das egoistische Gen, 1978) des Evolutionsbiologen Richard Dawkins bietet eine neue Sichtweise der Evolution, bei der die Gene, nicht die Arten oder Gruppen, zentral sind.

1859

Darwin arbeitet seine Evolutionstheorie in dem Buch Über die Entstehung der Arten durch natürliche Züchtung aus. Es ist sofort ausverkauft.

1953

In einer Kneipe in Cambridge (Großbritannien) erklären Francis Crick und James Watson, sie hätten die Struktur der DNA entdeckt.

2003

Das Humangenomprojekt kartiert erstmals das gesamte Erbmaterial des Homo sapiens.

Mythen, Religionen und Philosophien belegen die ewige Faszination, die von der Frage nach der Entstehung der Welt und dem Platz des Menschen in ihr ausgeht. Im Westen betrachtete das Christentum alle Lebewesen als Ergebnis einer perfekten Schöpfung. Gemäß der Leiter der Natur (Scala Naturae) konnte keine Art von einer Stufe auf eine andere wechseln. Diese Idee der unveränderlichen Arten heißt Essenzialismus.

Die Aufklärung im 18. Jahrhundert stellte die christlichen Überzeugungen infrage. So wies der Franzose Jean-Baptiste de Lamarck die biblische Vorstellung zurück, dass die Erde nur einige Jahrtausende alt sei. Er meinte, dass sich Organismen über Jahrmillionen von einfachsten Formen zu komplexen entwickelt haben mussten; die »Transmutation« der Arten sei die Triebkraft des Wandels. Und dass Merkmale, die ein Tier in seiner Lebenszeit erwarb, an die nächsten Generationen weitergegeben würden: Giraffen hätten ihre Hälse gestreckt, um Blätter an höheren Ästen zu erreichen, und über viele Generationen immer wieder einen etwas längeren Hals vererbt.

Auch fossile Funde – von Pionieren der Geologie wie Georges Cuvier erforscht – mit ausgestorbenen Lebewesen, deren Merkmale denen heutiger ähneln, wiesen darauf hin, dass die Erde sehr alt sein müsse. Gleichzeitig beschrieben James Hutton und Charles Lyell, dass geologische Strukturen durch Vorgänge wie Erosion und Ablagerung erklärbar seien, die beständig auch heute noch wirken – diese Sicht heißt »Aktualismus« oder »Uniformitätsprinzip«. Da dies nur langsam geschieht, müsse es die Erde viel länger geben als vermutet.

Natürliche Selektion

1858 präsentierten Charles Darwin und Alfred Russel Wallace einen Text, der die Biologie für immer verändern sollte. Die Beobachtungen während seiner Reise auf der HMS Beagle (1831–1836), der Austausch mit anderen Forschern und die Schriften von Thomas Malthus führten Darwin zu der Einsicht, dass Evolution durch »natürliche Selektion« vor sich gehe. 20 Jahre lang sammelte er Daten, bis er erkannte, dass es an der Zeit war, diese Ideen zu veröffentlichen. Sein Buch On the Origin of Species by Means of Natural Selection (erste deutsche Ausgabe: Über die Entstehung der Arten durch natürliche Züchtung, 1860) löste Empörung aus.

Die Idee der Evolution war bald breit akzeptiert, doch wie die Selektion ablief, blieb unklar. 1866 lieferte der mährisch-österreichische Mönch Gregor Mendel wichtige Erkenntnisse hierzu, nachdem er seine Zuchtversuche mit Erbsen ausgewertet hatte. Er zeigte, wie dominante und rezessive Merkmale durch unsichtbare »Erbfaktoren«, die Gene, vererbt werden.

Als Mendels Ergebnisse im Jahr 1900 wiederentdeckt wurden, setzten rege Debatten ein. Man hatte angenommen, dass Evolution auf der Auswahl kleiner, sich vermischender Variationen beruht, doch bei Mendels Versuchen vermischte sich offenbar nichts. Drei Jahrzehnte später argumentierten der Genetiker Ronald Fisher und andere, dass die beiden Denkschulen sich ergänzen und nicht widersprechen würden. 1942 beschrieb Julian Huxley die Synthese zwischen Mendels Genetik und Darwins Evolution in seinem Buch Evolution: The Modern Synthesis.

Die Doppelhelix

Technische Fortschritte wie die Röntgenkristallografie führten in den 1940er- und 1950er-Jahren zu weiteren Erkenntnissen und zu einer neuen Disziplin, der Molekularbiologie. 1944 identifizierte der Chemiker Oswald Avery Desoxyribonukleinsäure (DNA) als Träger des Erbguts. Rosalind Franklin und Raymond Gosling fotografierten 1952 DNA-Stränge und im Folgejahr bestätigten James Watson und Francis Crick die Doppelhelixstruktur. Crick zeigte zudem, dass genetische Informationen in DNA-Molekülen codiert sind. Fehler, die beim Kopieren der DNA auftreten, sind Mutationen – das Rohmaterial der Evolution. Seit den 1980er-Jahren können Gene von Individuen und Arten kartiert und manipuliert werden. In den 1990er-Jahren bereitete die Kartierung des menschlichen Genoms den Weg für die medizinische Gentherapie.

Ökologen interessierte auch, ob Gene das Verhalten beeinflussen. 1964 erklärte William D. Hamilton altruistisches Verhalten mit genetischen Aspekten (»Verwandtenselektion«), in The Selfish Gene (dt.: Das egoistische Gen, 1978) ging Richard Dawkins 1976 sogar noch weiter. Ideen in der Evolutionsbiologie werden weiterhin Debatten auslösen, solange Ökologen Darwins Theorien fortentwickeln.

ZEIT IST UNERHEBLICH UND NIEMALS EINE SCHWIERIGKEIT FÜR DIE NATUR

FRÜHE THEORIEN DER EVOLUTION

IM KONTEXT

SCHLÜSSELFIGUREN

Comte de Buffon (1707–1788),

Jean-Baptiste de Lamarck (1744–1829)

FRÜHER

1735 Der Schwede Carl von Linné veröffentlicht Systema Naturae; die biologische Systematik hilft später, die Abstammung der Arten zu klären.

1751 In Système de la nature führt der französische Philosoph Pierre Louis Moreau de Maupertuis die Idee ein, dass Merkmale vererbbar sind.

SPÄTER

1831 Étienne Geoffroy Saint-Hilaire schreibt, dass plötzliche Umweltveränderungen neue Arten aus den existierenden entstehen lassen.

1844 In Vestiges of the Natural History of Creation meint der schottische Geologe Robert Chambers (anonym), dass sich einfache Lebewesen zu komplexeren entwickelt haben.

Vor dem 18. Jahrhundert herrschte die Vorstellung vor, dass Pflanzen- und Tierarten unveränderlich sind (»Essenzialismus«). Er wurde durch zwei Entwicklungen infrage gestellt: die Aufklärung, eine intellektuelle Bewegung von 1715 bis 1800, und die industrielle Revolution (1760–1840).

Die Aufklärung war vom wissenschaftlichen Fortschritt geprägt und davon, dass die religiösen Lehren verstärkt hinterfragt wurden, etwa die Schöpfung der Erde und aller Lebewesen in sieben Tagen. Im Zuge der industriellen Revolution wurden Kanäle, Bahngleise und Bergwerke gebaut, und so erreichte man Gesteinsschichten mit Tausenden von Fossilien, oft von Tier- und Pflanzenarten, die keiner jemals zuvor gesehen hatte. Demnach musste das Leben lange vor dem aus der Bibel berechneten Datum 4400 v. Chr. begonnen haben.

Anpassung bei Tieren

Im späten 18. Jahrhundert irritierte der Franzose George-Louis Leclerc, Comte de Buffon, kirchliche Autoritäten, indem er äußerte, die Erde sei viel älter, als die Bibel vermuten ließ. Sie sei aus geschmolzenem Material entstanden, das ein Komet aus der Sonne herausgeschlagen hatte und das 70 000 Jahre zum Abkühlen brauchte (was das Erdalter stark unterschätzte). Beim Abkühlen seien Arten entstanden und verschwunden und schließlich durch Vorfahren der heutigen Arten ersetzt worden. Er sah Ähnlichkeiten bei Löwen, Tigern und Katzen und schloss, dass 200 Arten von Vierbeinern aus nur 38 Vorfahren hervorgegangen seien. Zudem seien Änderungen der Körperform und -größe verwandter Arten eine Reaktion auf Umweltbedingungen.

Der Franzose Jean-Baptiste de Lamarck ging 1800 noch weiter.

»Die Natur ist das System von Gesetzen, das vom Schöpfer für die Existenz der Dinge und die Abfolge der Lebewesen eingerichtet wurde.«

Comte de BuffonHistoire naturelle, générale et particulière, 1764

In einem Vortrag am Museum für Naturgeschichte in Paris argumentierte er, dass Merkmale, die ein Lebewesen zu Lebzeiten erwarb, an die Nachkommen vererbt werden können – und solche Veränderungen über mehrere Generationen hinweg die Anatomie eines Tieres radikal ändern könnten.

Lamarck entwickelte sein Konzept der Transmutation in mehreren Büchern. So sollte der Gebrauch bzw. Nichtgebrauch von Körperteilen dazu führen, dass diese stärker, schwächer, größer oder kleiner würden. So hatten die Vorfahren der Maulwürfe wohl gute Augen, aber über Generationen hinweg wurden sie schlechter, weil sie beim Graben nicht gebraucht werden. Ähnlich hätten Giraffen langsam längere Hälse entwickelt, um Blätter an hohen Bäumen zu erreichen.

Triebkräfte der Evolution

Lamarcks Konzept vererbter erworbener Merkmale war Teil einer größeren frühen Evolutionstheorie. Auch meinte er, die frühen einfachsten Lebensformen seien direkt aus unbelebter Materie entstanden. So formulierte Lamarck zwei Hauptkräfte des evolutionären Wandels: Zum einen würden Lebewesen von einfachen zu komplexeren Formen auf einer »Leiter« des Fortschritts aufsteigen. Zum anderen würde die Vererbung erworbener Merkmale helfen, sich besser an die Umwelt anzupassen. Als Darwin die Theorie der natürlichen Selektion entwickelte, verwarf er viele Konzepte des Lamarckismus, aber beide Männer waren überzeugt, dass sich komplexe Lebewesen über enorme Zeiträume entwickeln.

»Bei jedem Tier … stärkt der häufigere und bleibende Gebrauch eines Organs dasselbe allmählich, entwickelt und vergrößert es.«

Jean-Baptiste de Lamarck»Erstes Gesetz«, Zoologische Philosophie, 1809 (dt.: 1876)

Fossilfunde veränderten die Vorstellungen vom Beginn des Lebens. Das erste gut erhaltene Plesiosaurierskelett (Plesiosaurus dolichodeirus) entdeckte 1823 Mary Anning in Dorset (England).

Jean-Baptiste de Lamarck

Der im Jahr 1744 geborene Jean-Baptiste de Lamarck besuchte ein Jesuitenkolleg, bevor er in die französische Armee eintrat. Als er nach einer Verletzung ausscheiden musste, studierte er Medizin und ging dann bei seiner Arbeit im Jardin du Roi seinem Interesse an Pflanzen nach. Mit Unterstützung des Comte de Buffon wurde er 1779 in die Akademie der Wissenschaften gewählt. Als das Hauptgebäude des Jardin zur Zeit der Französischen Revolution (1789–1799) zum Nationalmuseum für Naturgeschichte wurde, bekam Lamarck die Aufgabe, dort die Insekten, Würmer und Mikroorganismen zu erforschen. Er prägte den Begriff »Wirbellose« und nutzte einfache Arten oft, um eine »Leiter« des evolutionären Fortschritts zu illustrieren. Seine Arbeit war umstritten, 1829 starb er verarmt.

Hauptwerke

1802Recherches sur l’organisation des corps vivants

1809Philosophie zoologique

1815–1822Histoire naturelle des animaux sans vertèbres

EINE WELT VOR DER UNSRIGEN, ZERSTÖRT DURCH EINE KATASTROPHE

AUSSTERBEN UND VERÄNDERUNG

IM KONTEXT

SCHLÜSSELFIGUR

Georges Cuvier (1769–1832)

FRÜHER

Spätes 15. Jh. Leonardo da Vinci meint, dass Fossilien Überreste früher Lebewesen und nicht spontan in der Erde auftretende Formen sind.

1660er Der Engländer Robert Hooke hält Fossilien für ausgestorbene Arten, weil es aktuell auf der Erde keine ähnlichen Lebensformen gibt.

SPÄTER

1841 Der englische Anatom Richard Owen nennt riesige Reptilienfossilien »Dinosaurier«.

1859 Charles Darwins Buch Entstehung der Arten erklärt, wie Evolution durch »natürliche Selektion« abläuft.

1980 Die US-Wissenschaftler Luis und Walter Alvarez belegen, dass ein Asteroid zu der Zeit auf der Erde einschlug, als die Dinosaurier ausstarben.

Zu Beginn der Fossilforschung glaubten viele Menschen nicht, dass es sich bei den Objekten um ausgestorbene Arten handeln könnte. Warum hätte Gott Lebewesen erschaffen und zerstören sollen, bevor es Menschen gab? Irgendwo auf der Welt müsse es sie noch geben. Im späten 18. Jahrhundert erforschte der Franzose Georges Cuvier diese Frage anhand der Anatomie fossiler Elefanten. Er zeigte, dass sich fossile Formen wie Mammuts oder Mastodonten anatomisch von lebenden Elefanten unterscheiden und daher ausgestorben sein müssen. Es sei unwahrscheinlich, dass so große Tiere immer noch unbemerkt auf der Erde lebten.

Cuvier ging von abgegrenzten Erdzeitaltern aus, an deren Ende jeweils eine »Revolution« stand, die Flora und Fauna zerstörte. Er glaubte jedoch nicht, dass Fossilien die Evolutionstheorie bestätigten.

Heute sind Cuviers Hauptideen wieder aktuell: Moderne Forschungen belegen mindestens fünf katastrophale Aussterbeereignisse in der Erdgeschichte, darunter das, bei dem die Dinosaurier verschwanden. Anders als Cuvier wissen die Forscher heute aber, dass das Leben danach nicht aus dem Nichts neu entsteht. Zwar sterben viele Arten aus, doch die überlebenden breiten sich – oft sehr schnell – aus und entwickeln sich zu neuen, um die leeren ökologischen Nischen zu füllen – so wie die Säugetiere nach dem Ende der Dinosaurier.

Cuvier prägte den Namen »Mastodon« (griech. »Brustzähner«) wegen der brustähnlichen Höcker auf den Zähnen des Tieres, die bei den lebenden Elefanten anders aussahen.

KEINE SPUR EINES ANFANGS – KEIN ANZEICHEN FÜR EIN ENDE

AKTUALISMUS

IM KONTEXT

SCHLÜSSELFIGUR

James Hutton (1726–1797)

FRÜHER

1778 Comte de Buffon stellt fest, dass die Erde mindestens 75 000 Jahre alt sei – viel älter, als die meisten Menschen zu seiner Zeit annahmen.

1787 Der Deutsche Abraham Werner meint, die Gesteinsschichten seien in einem riesigen Ozean abgelagert worden, der einst den ganzen Planeten bedeckte. Die Anhänger dieser Idee nennt man Neptunisten.

SPÄTER

1802 James Huttons Theorie des Aktualismus kommt bei mehr Menschen an, als der Schotte John Playfair Illustrations of the Huttonian Theory of the Earth veröffentlicht.

1830–1833Principles of Geology des schottischen Geologen Charles Lyell baut auf dem Konzept des Aktualismus von James Hutton auf.

Aktualismus, auch Uniformitäts- oder Gleichförmigkeitsprinzip, ist die Theorie, dass geologische Prozesse wie Sedimentation, Erosion und Vulkanismus heute noch so ablaufen wie in der Erdgeschichte. Er entstand im späten 18. Jahrhundert, als durch den Bergbau und das leichtere Reisen immer mehr geologische Strukturen gefunden wurden, etwa ungewöhnliche Gesteinsschichten und unbekannte Fossilien, über die man eifrig diskutierte.

Die Vorstellung, dass die Erde nur wenige Jahrtausende alt sei, hatte Buffon infrage gestellt. 1785 fand der schottische Geologe James Hutton ebenfalls Argumente für ein höheres Erdalter. Huttons Ideen entstanden bei Expeditionen in Schottland, als er Gesteinsschichten untersuchte. Die Erdkruste, meinte er, ändere sich ständig, wenn auch extrem langsam, und er sah keine Hinweise darauf, dass die komplexen geologischen Vorgänge wie Sedimentation, Erosion und Tektonik (Hebungen und Senkungen) in der Vergangenheit schneller abgelaufen seien als zu seiner Zeit. Er erkannte auch, dass geologische Prozesse so langsam ablaufen, dass die vorhandenen Strukturen astronomisch alt sein mussten.

»… durch das, was tatsächlich vergangen ist, haben wir Daten, um zu schließen, was danach passieren wird.«

James HuttonTheory of the Earth, 1795

Der Aktualismus wurde nicht sofort allgemein akzeptiert, auch weil er der wörtlichen Interpretation der alttestamentlichen Schöpfung widersprach. Doch eine neue Generation von Geologen wie John Playfair und Charles Lyell stellten sich hinter Hutton, der auch den jungen Darwin inspirierte.

DER KAMPF UMS DASEIN

EVOLUTION DURCH NATÜRLICHE SELEKTION

IM KONTEXT

SCHLÜSSELFIGUR

Charles Darwin (1809–1882)

FRÜHER

1788 In Frankreich vollendet Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon, die 36-bändige Histoire naturelle, die frühe Evolutionsvorstellungen darstellt.

1809 Jean-Baptiste de Lamarck vertritt die Idee der Vererbung erworbener Merkmale.

SPÄTER

1869 Friedrich Miescher, ein Schweizer Mediziner, entdeckt die DNA, doch ihre Rolle in der Genetik ist noch unbekannt.

1900 Die Vererbungsregeln, die der Mönch Gregor Mendel 1866 nach seinen Experimenten mit Erbsen veröffentlicht hatte, werden wiederentdeckt.

1942 Der Brite Julian Huxley prägt den Begriff »moderne Synthese« für die Vereinigung von Evolution und Genetik.

Die natürliche Selektion ist ein Konzept, das der britische Naturforscher Charles Darwin entwickelte und in dem Buch On the Origin of Species by Means of Natural Selection (1859; erste deutsche Ausgabe Über die Entstehung der Arten durch natürliche Züchtung, 1860) ausführte. Sie ist der Hauptmechanismus der Evolution, der unterschiedliche Überlebens- und Fortpflanzungsraten bewirkt. Lebewesen, die einen höheren Fortpflanzungserfolg haben, geben ihre Gene öfter an folgende Generationen weiter, sodass Individuen mit den entsprechenden Merkmalen häufiger werden.

Zu den Galápagos-Inseln

Der junge Charles Darwin dachte erstmals während der Expedition auf der HMS Beagle (1831–1836) über die Evolution nach. Ursprünglich hatte er die orthodoxe biblische Sicht akzeptiert, dass die Erde nur einige Jahrtausende alt sei. Doch auf der Beagle las er die kurz zuvor veröffentlichten Principles of Geology des schottischen Geologen Charles Lyell, der in Gesteinsschichten Hinweise auf winzige, graduelle, aber sich summierende Veränderungen über enorme Zeiträume gefunden hatte – über Jahrmillionen statt Jahrtausende. Als Darwin Landschaften auf der ganzen Welt sah, die sich durch Vorgänge wie Sedimentation, Erosion und Vulkanismus geformt hatten, dachte er darüber nach, ob und warum sich auch Tierarten über solch lange Zeiträume verändern. Er untersuchte Fossilien, beobachtete lebende Tiere und fand Muster; so folgten auf ausgestorbene Arten oft ähnliche, aber doch veränderte moderne Arten.

»Man kann figürlich sagen, die natürliche Zuchtwahl sei täglich und stündlich und aller Orten beschäftigt, eine jede, auch die geringste, Abänderung zu prüfen.«

Charles DarwinDie Entstehung der Arten, 1859 (deutsche Ausgabe von 1884)

Darwins Feldstudien im Galápagos-Archipel vor der Küste Südamerikas im Herbst 1835 lieferten besonders starke Belege für die spätere Theorie der Evolution durch natürliche Selektion. Ihn faszinierte, dass sich die Form des Carapax (Rückenpanzers) der Riesenschildkröten von Insel zu Insel leicht unterschied. Und dass es vier ähnliche, aber doch deutlich unterschiedliche Spottdrosseln gab, wobei auf keiner Insel mehr als eine Art vorkam. Er sah gleich aussehende Singvögel, deren Schnäbel verschiedene Größen und Formen hatten. Darwin schloss, dass diese Gruppen einen gemeinsamen Vorfahren, aber in verschiedenen Umwelten verschiedene Merkmale entwickelt hatten.

Darwins Folgerungen

Zurück in England, dachte er über die Schnäbel der kleinen Vögel – meist »Finken« genannt, obwohl sie nicht zur Familie der Finken gehören – nach. Da der Schnabel das wichtigste Werkzeug bei der Nahrungsaufnahme ist, gibt seine Form Hinweise auf die Ernährung. Nach späteren Studien gibt es auf den Galápagos-Inseln 14 verschiedene Finkenarten mit deutlichen Unterschieden bei der Schnabelform. So haben Kaktusfinken lange, spitze Schnäbel, um Samen aus Kaktusfrüchten zu picken, während Grundfinken kurze, dicke Schnäbel haben, besser geeignet für große Samen am Boden. Die Waldsänger-Darwinfinken haben dünne, scharfe Schnäbel, die ideal sind, um Fluginsekten zu fangen.

Darwin spekulierte, dass die Finken von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen mussten, der die Inselgruppe aus Südamerika erreicht hatte. Die Vielfalt der Finkenpopulationen hatte sich, so Darwin, in verschiedenen Lebensräumen entwickelt. Dabei hatte sich jede Gruppe durch einen Vorgang, den er später »natürliche Selektion« nannte, an eine spezifische Nahrung angepasst. Im Lauf der Zeit seien die Populationen zu getrennten Arten geworden.

Vergleich der Schnabelform von Galápagos-Finken

Geospiza magnirostrisMit dem kurzen, scharfen Schnabel kann der Großgrundfink, der größte der Darwinfinken, Nüsse knacken.

Geospiza fortisDer Schnabel des Mittelgrundfinks ist variabel und passt sich evolutionär schnell an die verfügbaren Samen an.

Camarhynchus parvulusDer kurze, kräftige Schnabel des Zwergdarwinfinken ist an Samen, Früchte und Insekten angepasst.

Certhidea olivaceaMit dem dünnen Schnabel kann der Waldsänger-Darwinfink gut nach kleinen Insekten und Spinnen suchen.

Im 21. Jahrhundert entdeckten Forscher an der Harvard-Universität, wie dies auf genetischer Ebene abläuft. Ihre Ergebnisse von 2006 zeigen, dass das Molekül Calmodulin die Gene reguliert, die die Schnabelform bestimmen. Bei den langschnabeligen Kaktusfinken ist seine Konzentration höher als bei den kurzschnabeligen Grundfinken.

Verfeinerung der Theorie

Darwin wurde von Thomas Malthus’ Werk An Essay on the Principle of Population (1798; dt.: Eine Abhandlung über das Bevölkerungsgesetz, 1905) beeinflusst, in dem dieser schrieb, das Bevölkerungswachstum werde irgendwann die Lebensmittelproduktion übersteigen. Das passte zu Darwins Beobachtungen des ständigen Konkurrenzkampfs zwischen Individuen und Arten um Ressourcen. Dieser Wettbewerb bildet das Rückgrat von Darwins Theorie.

Um 1839 hatte Darwin die Idee der Evolution durch natürliche Selektion für sich formuliert. Er zögerte aber, sie zu veröffentlichen, da er einen Sturm der Entrüstung von denjenigen erwartete, die sie als Angriff auf Religion und Kirche sehen würden. Als er aber 1857 Briefe des britischen Naturforschers Alfred Russel Wallace erhielt, der unabhängig zu ähnlichen Schlüssen gekommen war, erkannte Darwin, dass er sie nun veröffentlichen musste. Manuskripte von Darwin und Wallace wurden im Juli 1858 unter dem Titel On the Tendency of Species to Form Varieties; and on the Perpetuation of Varieties and Species by Natural Means of Selection bei einer Versammlung der Linnean Society in London vorgelesen.

Im Jahr danach veröffentlichte Darwin die Theorie in dem Buch Über die Entstehung der Arten durch natürliche Züchtung. Einige Forscher reagierten verärgert, weil sie von Lamarcks Konzept der Transmutation abwich, andere beleidigt, weil sie die wörtliche Bibelinterpretation untergraben sahen. Wieder andere meinten, dass sie die große Vielfalt von Merkmalen im Artenreich ignoriere, und nannten sie »führungslos« und »nicht progressiv«.

Darwin war dennoch zuversichtlich. Er wusste, dass Individuen einer Art gewisse natürliche Variationen zeigen: Einige haben längere Haare, kürzere Beine oder hellere Farben. Sie alle konkurrieren um begrenzte Ressourcen und so folgerte Darwin, dass diejenigen, deren Merkmale am besten für die Umwelt geeignet waren, eher überlebten und Nachkommen hätten. Also würden die Merkmale, durch die Individuen länger leben und sich fortpflanzen, an mehr Nachkommen vererbt, während Merkmale, die weniger Erfolg versprechen, verloren gehen. Darwin nannte diesen Vorgang »natürliche Selektion« – durch sie wird eine Population einer Art im Lauf von Generationen immer besser an ihre Umgebung angepasst.

»Ich sehe keinen triftigen Grund, warum die in diesem Buche aufgestellten Ansichten gegen irgendjemandes religiöse Gefühle verstoßen sollten.«

Charles DarwinDie Entstehung der Arten, 1859 (deutsche Ausgabe von 1884)

Sexuelle Selektion

Darwin entwickelte zudem eine Theorie der sexuellen Selektion. Er stellte sie in Entstehung der Arten vor und entwickelte sie in The Descent of Man, and Selection in Relation to Sex (1871; dt.: Die Abstammung des Menschen und geschlechtliche Zuchtwahl, 1875) weiter. Die sexuelle Selektion unterscheidet sich von der natürlichen, denn Darwin erkannte, dass Tiere ihre Partner nach Merkmalen aussuchen, die das Überleben nicht immer fördern. So konnte er sich nicht vorstellen, dass die spektakulären, aber unpraktischen Schwanzschleppen der männlichen Pfauen beim Überleben halfen. Vielmehr erhöhen sie den individuellen Fortpflanzungserfolg. Hennen wählen den Hahn mit dem leuchtendsten Schwanz, sodass dessen Erbmaterial weitergegeben wird. Leuchtende Farben sind ein Zeichen für Gesundheit, sodass es für Hennen eine gute Strategie ist, danach zu schauen. Doch die Idee, dass die Weibchen den Partner wählen, löste Kritik aus: Gesellschaftlich konnte im 19. Jahrhundert zwar akzeptiert werden, dass Männer um die Fortpflanzung konkurrieren (intrasexuelle Selektion), aber über intersexuelle Selektion, bei der ein Geschlecht (meist das weibliche) die Wahl trifft, wurde gelacht.

Der Fortpflanzungserfolg ist für die Zukunft einer Art entscheidend. Natürliche Selektion wird oft als das »Überleben des Bestangepassten« bezeichnet, aber Langlebigkeit alleine ist nicht das Kriterium. Wenn Individuum A zehnmal so lange lebt wie B, aber B doppelt so viele Nachkommen hat, vererbt B mehr Gene als der langlebigere A.

Natürliche Selektion

Pfauen mit prächtigen Schwänzen ziehen die meisten Hennen an. Der leuchtende Schwanz wird als Merkmal an die männlichen Nachfahren vererbt, die ebenfalls leicht Partnerinnen finden.

Erweiterung der Theorie

Viele der Ideen von Darwin und Wallace erwiesen sich als erstaunlich genau, obwohl man die Genetik damals noch nicht verstand. Zwar hatte Darwin selbst mit dem Adjektiv »genetisch« die noch unbekannten Mechanismen der Vererbung bezeichnet, doch erst im frühen 20. Jahrhundert verwendete der britische Biologe William Bateson den Begriff »Genetik« in einer Beschreibung des wissenschaftlichen Vorgangs. 1930 schrieb der Brite Ronald Fisher The Genetical Theory of Natural Selection, das Darwins Theorie der natürlichen Selektion mit den Vererbungsregeln vereinte, die Gregor Mendel im 19. Jahrhundert entwickelt hatte. Im Jahr 1937 meinte der ukrainisch-US-amerikanische Genetiker Theodosius Dobzhansky, dass ständig auftretende genetische Mutationen genügten, um die genetische Diversität – und damit verschiedene Merkmalsausprägungen – hervorzubringen, die natürliche Selektion ermöglichten. Evolution sei die Änderung der Häufigkeit eines »Allels« im Genpool. Der Begriff »Allel« beschreibt eine der alternativen Formen eines Gens, die durch Mutationen auftreten.

»Warum sterben einige und leben andere? … Die Antwort war klar, dass insgesamt die besser angepassten überleben.«

Alfred Russel WallaceAutobiography, 1905

Albinismus wie bei diesem Leopardgecko ist eine Mutation, durch die Pigmente fehlen. Sie verringert die Überlebenschancen dieses Geckos, da er lichtempfindlicher ist.

Eine Mutation ist eine permanente Änderung der Sequenz in der Desoxyribonukleinsäure (DNA), dem Molekül, auf dem Gene codiert sind. Demnach unterscheidet sich die Sequenz des betroffenen Individuums von der der Artgenossen. Mutationen können durch Kopierfehler bei der Zellteilung auftreten, ebenso durch Umweltfaktoren wie Schädigungen durch die ultraviolette Strahlung der Sonne. Manche Mutationen wirken sich nur auf den Organismus selbst aus, andere auf seine Nachkommen und zukünftige Generationen.

Vererbte Mutationen können, müssen aber nicht den Phänotyp des Individuums – seine Körper- und Verhaltensmerkmale – ändern. Beeinflussen sie den Phänotyp, können sie vorteilhaft oder unvorteilhaft sein, also die Überlebens- und Reproduktionschancen verbessern oder verschlechtern. Unvorteilhafte Mutationen verschwinden aus der Population eher wieder; wenn sich durch sie der Organismus besser an die Umwelt anpasst, kommen sie im Lauf von Generationen häufiger vor. Mit der Zeit kann die Abweichung von der Elternpopulation so groß sein, dass eine neue Art entsteht; dies nennt man Artbildung oder Speziation.

»Die überwiegende Mehrheit großer Mutationen ist schädlich; kleine Mutationen sind sowohl häufiger als auch mit größerer Wahrscheinlichkeit nützlich.«

Ronald FisherThe Genetical Theory of Natural Selection, 1930

Die Mutationsraten sind in der Regel sehr gering, Mutationen treten aber ständig auf und können vorteilhaft, neutral oder nachteilig sein. Sie ergeben sich nicht aus den Bedürfnissen des Organismus und sind in diesem Sinne zufällig. Doch einige Typen gibt es häufiger als andere. Heute wissen wir etwa, dass die Evolution bei Bakterien sehr schnell ablaufen kann, da bei ihnen Mutationen oft vorkommen.

Evolutionsraten

Die Vorfahren aller Lebewesen waren sehr einfache Organismen. Nach aktuellen Forschungen sind die ältesten biogenen (auf Lebewesen zurückgehenden) Gesteine fast 4 Mrd. Jahre alt, seither sind hochkomplexe Lebewesen entstanden. Spätere Fossilien, die heutigen Arten ähnlicher sind, zeigen, wie das abgelaufen ist. So reicht die Fossilüberlieferung zu den Vorfahren des Pferdes 60 Mio. Jahre zurück, die frühesten Funde lassen auf hundegroße, waldbewohnende Tiere mit mehreren Zehen an jedem Fuß schließen. Die Evolution machte daraus viel größere Pferde mit einem einzigen Huf an jedem Fuß, die gut an die offenen Grasländer angepasst waren, wo sie oft vor Räubern fliehen mussten.

»Im Licht der Evolution betrachtet, ist die Biologie vielleicht die intellektuell befriedigendste und inspirierendste Wissenschaft.«

Theodosius Dobzhansky»Nichts in der Biologie macht Sinn außer im Licht der Evolution«, in: The American Biology Teacher, März 1973

Der Birkenspanner (Biston betularia) zeigt dagegen radikale Veränderungen in kurzer Zeit. Diese Motte ist gewöhnlich hell, sodass sie auf der Rinde von Birken gut getarnt ist, doch eine Mutation brachte auch einzelne schwarze Exemplare hervor. Vor dem 19. Jahrhundert waren die meisten Birkenspanner hell. Während der Industrialisierung hinterließ der Kohlerauch Rußablagerungen auf Bäumen und Gebäuden und die schwarze Form trat häufiger auf. 1895 waren 95% dieser Motten in britischen Städten schwarz, weil die hellen leicht zu sehen waren und die Vögel sie fraßen. Diese Beobachtung gilt heute noch als Beispiel für Darwins Theorie, denn die hellen Motten wurden wieder mehr, nachdem die Verschmutzung abgenommen hatte.

Zwei Birkenspanner zeigen beispielhaft Evolution. Der untere ist ein Beispiel für industriellen Melanismus. Diese dunkle Varietät erschien in britischen Städten im frühen 19. Jh.

Charles Darwin

Der 1809 in Shropshire (England) geborene Darwin begeisterte sich von klein auf für Naturgeschichte. An der Universität in Cambridge freundete er sich mit einflussreichen Forschern an, darunter John Stevens Henslow. So wurde Darwin eingeladen, an einer Weltreise teilzunehmen. Henslow half ihm auch, seine Ergebnisse zu katalogisieren und zu veröffentlichen.

Darwins Forschungen machten ihn berühmt und brachten Anerkennung: 1853 die Royal Medal der Royal Society, 1854 die Mitgliedschaft in der Linnean Society. 1859 war Die Entstehung der Arten sofort ausverkauft. Trotz schwacher Gesundheit hatte Darwin zehn Kinder und hörte nie auf, zu arbeiten und neue Theorien zu entwickeln. Er starb 1882.

Hauptwerke

1839Zoology of the Voyage of HMS Beagle.

1859Über die Entstehung der Arten durch natürliche Züchtung

1868The Variation of Animals and Plants under Domestication

1872The Expression of Emotions in Man and Animals

Verwandtenselektion

Der Begriff »Verwandtenselektion« wurde 1964 von dem britischen Biologen John Maynard Smith eingeführt. Er beschreibt eine Evolutionsstrategie, bei der ein Organismus den Fortpflanzungserfolg seiner Verwandten über das eigene Überleben und die eigene Fortpflanzung stellt. Darwin diskutierte als Erster dieses Konzept, als er sich mit dem scheinbaren Paradoxon des altruistischen Verhaltens bei sozialen Insekten wie den Arbeiterinnen der Honigbienen befasste, die sich selbst nicht fortpflanzen, sondern dies ihrer Mutter überlassen. Der britische Evolutionsbiologe William Donald Hamilton meinte, dass sich beispielsweise Bienen altruistisch verhalten (indem sie anderen bei der Fortpflanzung helfen), wenn sich die beiden Bienen genetisch sehr nahestehen und der Vorteil für den Empfänger den Nachteil für den Geber überwiegt. Dies nennt man Hamiltons Regel.

Bei den Honigbienen versorgen weibliche Arbeitsbienen die Königin, bauen Wachswaben, sammeln Nektar und Pollen und füttern Larven, ohne sich selbst fortzupflanzen.

Evolution in Echtzeit

Richard Lenski, Professor an der Michigan State University, begann 1988 das Projekt Longterm Experimental Evolution. Über 25 Jahre lang studierte er 59 000 Generationen des Bakteriums E. coli. In diesem Zeitraum beobachtete er, dass die Art, die die Zuckerlösung, in der sie lebte, effizienter nutzte, größer wurde und schneller wuchs. Zudem war eine neue Art entstanden, die auch Citrat (Salz der Zitronensäure) in der Lösung – anders als die Elternbakterien – verarbeiten konnte.

Sich verändernde Bakterien stellen eine große Gefahr für Menschen dar. Beim Einsatz von Antibiotika werden zwar viele krankheitserregende Bakterien vernichtet, aber nicht diejenigen mit Mutationen, die resistent werden. Während die nicht resistenten Bakterien getötet werden, vermehren sich die resistenten Stämme, sodass Antibiotika wirkungslos werden. Das ist natürliche Selektion in der Praxis.

Escherichia (E.) coli sind Bakterien, die Krankheiten wie Darminfektionen verursachen. Sie sind immer schwerer zu behandeln, da sich resistente Stämme ausbreiten.

WIR MENSCHEN GEBEN GENE WEITER

DIE VERERBUNGSREGELN

IM KONTEXT

SCHLÜSSELFIGUR

Gregor Mendel (1822–1884)

FRÜHER

1802 Der Franzose Jean-Baptiste de Lamarck meint, dass die während des Lebens erworbenen Merkmale an die Nachkommen vererbt werden.

1859 Charles Darwin veröffentlicht die Theorie der Evolution durch natürliche Selektion in Die Entstehung der Arten.

SPÄTER

1869 Der Schweizer Physiologe Friedrich Miescher entdeckt die DNA, die er »Nuclein« nennt.

1953 Molekularbiologen, darunter der Brite Francis Crick und der US-Amerikaner James Watson, identifizieren die Struktur der DNA.

2000er Forscher im Bereich der Epigenetik beschreiben die Vererbung durch andere Mechanismen als Gensequenzen auf der DNA.

Lange bevor der genetische Code geknackt wurde, zeigte 1866 der mährisch-österreichische Mönch Gregor Mendel als Erster, wie Merkmale von Generation zu Generation weitergegeben werden. Durch viele mühsame Versuche erkannte er korrekt die Grundregeln der Vererbung.

Als Mendel seine ersten Versuche startete, glaubten Wissenschaftler, dass die verschiedenen Merkmale von Tieren und Pflanzen durch eine Art »Mischung« vererbt würden. Doch Mendel fand in seinem Klostergarten heraus, dass das nicht der Fall war. Wenn er eine Pflanze, die stets grüne Erbsen trug, mit einer Pflanze kreuzte, die stets gelbe Erbsen trug, kamen keine gelbgrünen Erbsen heraus, sondern alle Erbsen waren gelb.

Mendels harte Arbeit

Im Lauf seiner Forschungen (1856–1863) züchtete Mendel fast 30 000 Erbsenpflanzen über mehrere Generationen und zeichnete die Ergebnisse sorgfältig auf. Er konzentrierte sich auf Pflanzen mit nur zwei klaren Phänotypen (Erscheinungsbildern), etwa solche mit nur weißen und violetten Blüten. Bei Erbsen nahm er Pflanzen mit grünen Erbsen und bestäubte sie mit den Pollen von Pflanzen mit gelben Erbsen. Die direkten Nachkommen – Mendel nannte sie F1-Generation – trugen alle gelbe Erbsen. Dann bestäubte er Pflanzen der F1-Generation untereinander und erhielt so die F2-Generation. In dieser Generation waren einige Erbsen gelb und andere grün. Die F1-Generation zeigte allein die Ausprägung (gelb) des Merkmals, das Mendel »dominant« nannte. In der F2-Generation zeigten 75 % die dominante gelbe Form und 25 % die nicht dominante oder »rezessive« grüne Form.

Mendels Erbsenversuche

Mendels Versuche zur Züchtung von Erbsenpflanzen zeigten: Das Gen für die gelbe Färbung ist dominant, das für die grüne Färbung rezessiv.

»Vererbung sorgt für die Modifikation ihrer eigenen Maschinerie.«

James Mark BaldwinUS-amerikanischer Psychologe A new Factor in Evolution, American Naturalist, 1896

Vererbungsregeln

Mendel entwickelte die Theorie, dass zwei Faktoren ein Merkmal kontrollieren. Bei der Bestäubung wird von jeder Elternpflanze je ein Faktor übertragen. Faktoren können dominant oder rezessiv sein. Sind beide geerbten Faktoren dominant, zeigen die Nachkommen die dominante Ausprägung. Mit zwei rezessiven Faktoren hat das Merkmal die rezessive Form. Wenn ein dominanter und ein rezessiver Faktor vorliegen, setzt sich die dominante Merkmalsausprägung durch.

Pionier der Genetik

Mendel veröffentlichte seine Ergebnisse 1866. Sie wurden aber kaum beachtet, bis 1900 die Botaniker Hugo de Vries, Carl Erich Correns und Erich Tschermak von Seysenegg sie wiederentdeckten. Forscher bestätigten von da an Mendels Theorien vielfach.

Etwa zehn Jahre später nannte man die Faktoren »Gene« und wies nach, dass sie mit Chromosomen verbunden sind. Heute weiß man, dass Vererbung viel komplexer ist, doch Mendels akribische Forschungen bilden immer noch die Grundlage für moderne Studien.

Erbsenpflanzen lieferten die Rohdaten, auf deren Basis Mendel seine Theorien zur Vererbung von Merkmalen auf Folgegenerationen entwickelte.

Gregor Johann Mendel

Der als Johann Mendel 1822 auf einem Kleinbauernhof in Schlesien (damals Teil des Kaisertums Österreich, heute Tschechische Republik) geborene Mendel studierte von 1840 bis 1843 Philosophie und Physik an der Universität Olmütz (Olomouc). Schon damals interessierten ihn die Arbeiten von Johann Karl Nestler, der erbliche Merkmale bei Pflanzen und Tieren erforschte. 1847 trat er in ein Kloster in Brünn (Brno) ein und erhielt den Ordensnamen Gregor. Später studierte er in Wien weiter (1851–1853).

Als Mendel 1853 ins Kloster zurückkehrte, erlaubte ihm der Abt Cyrill Franz Napp, die Gärten für Versuche zur Hybridisierung zu nutzen. Als Mendel 1868 selbst Abt wurde, hatte er für seine Versuche keine Zeit mehr. Zu Lebzeiten wurde Mendel für seine Entdeckungen nicht geehrt, doch heute gilt er allgemein als Begründer der modernen Genetik.

Hauptwerke

1866Versuche über Pflanzen-Hybriden, in: Verhandlungen des Naturforschenden Vereines in Brünn

WIR HABEN DAS GEHEIMNIS DES LEBENS ENTDECKT

DIE ROLLE DER DNA

IM KONTEXT

SCHLÜSSELFIGUREN

Francis Crick (1916–2004),

Rosalind Franklin (1920–1958),

James Watson (*1928),

Maurice Wilkins (1916–2004)

FRÜHER

1910–1929 Der US-Amerikaner Phoebus Levene beschreibt die chemischen Komponenten der DNA.

1944 Die US-Forscher Oswald Avery, Colin Macleod und Maclyn McCarty zeigen, dass DNA die Vererbung bestimmt.

SPÄTER

1990 Britische Forscher um den Embryologen Ian Wilmut klonen erfolgreich ein erwachsenes Tier: das Schaf Dolly.

2003 Die Kartierung des menschlichen Genoms liegt vollständig vor.

Die Entdeckung der DNA-Struktur im Jahr 1953 ist einer der wichtigsten wissenschaftlichen Durchbrüche. Dieses Wissen war der Schlüssel zum Verständnis der Bausteine des Lebens und erklärte, wie Erbinformationen gespeichert und weitergegeben werden. Der Engländer Francis Crick und der US-Amerikaner James Watson sind berühmt dafür, dass sie ihre gemeinsame Entdeckung in einer Kneipe in Cambridge feierten, es folgt ein Artikel in der Fachzeitschrift Nature. Ihre Erkenntnisse bargen großes Potenzial und hatten starken Einfluss auf viele Forschungsfelder: von Medizin über Forensik und Taxonomie bis hin zur Landwirtschaft. Noch immer wirkt ihre Arbeit nach, während neue Einsatzmöglickeiten entwickelt werden und wir mehr darüber lernen, wie Gene funktionieren.

Die Molekularbiologen James Watson (links) und Francis Crick (rechts) 1953 mit einem Modell der DNA-Doppelhelix. Watson nannte die DNA »das interessanteste Molekül der Natur«.

Der Durchbruch von Crick und Watson war der Höhepunkt jahrzehntelanger Forschung vieler Wissenschaftler, darunter Rosalind Franklin und Maurice Wilkins. Während Crick und Watson anhand von 3-D-Modellen überlegten, wie die Komponenten der DNA zusammenpassten, entwickelten Franklin und Wilkins am King’s College (London) Methoden, um die Struktur der DNA mit Röntgenstrahlen zu erkunden. Kurz bevor Watson und Crick ihren Durchbruch verkündeten, hatte Watson Ergebnisse von Franklin gesehen, die auf eine Spiralstruktur der DNA hindeuteten.

Im Jahr 1962 erhielten Crick, Watson und Wilkins den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Franklin, die 1958 gestorben war, bekam für ihre Leistung zu Lebzeiten nie Anerkennung, obwohl Crick und Watson offen erklärten, dass ihre Arbeit für den Erfolg entscheidend war.

Doppelhelixstruktur

Die DNA ist ein Molekül aus zwei langen, dünnen Strängen, die sich ähnlich einer verdrehten Leiter umeinanderwinden; diese Form nennt man Doppelhelix. Die beiden »Holme« der »Leiter« bestehen aus Desoxyribose (einem Zucker) und Phosphat, während die »Leitersprossen« aus Paaren von Nukleinbasen gebildet werden: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). A ist stets mit T zu dem Basenpaar AT gepaart, G immer mit C zum Paar GC.

»… wir denken, dass wir den grundlegenden Kopiermechanismus gefunden haben, mit dem Leben aus Leben entsteht.«

Francis CrickIn einem Brief an seinen Sohn, 19.03.1953

Die DNA beinhaltet den Bauplan des Lebens. Die Sequenz (Abfolge) der Basen entlang des DNA-Strangs liefert die Informationen, die die Form und Physiologie des Organismus bestimmen; Gene sind Abschnitte dieser Basensequenz. Tripletts (Dreiergruppen) von Basen nennt man Codons; jedes Codon codiert eine von 20 Aminosäuren. Ihre Abfolge bestimmt, welches Protein sich bildet, wenn sich die Aminosäuren zu einer Kette verbinden. Es gibt 64 mögliche Dreierkombinationen von vier Basen, 61 davon legen jeweils eine Aminosäure fest. Die anderen drei sind Signale wie Start und Stopp, die steuern, wie die Information von der Zellmaschinerie gelesen wird. Die DNA ist zudem in Form von Chromosomen organisiert. Bei menschlichen Zellen gibt es 23 Chromosomenpaare.

Kopieren des Codes

Bei der Zellteilung muss die DNA kopiert werden. Dazu werden die Basenpaare getrennt, sodass sich die »Leiter« in der Mitte in zwei Einzelstränge teilt. Die beiden Einzelstränge dienen jeweils als Vorlage für einen zweiten komplementären DNA-Strang, der entsteht, indem jede seiner Basen wieder mit der jeweils komplementären Base gepaart wird. Insgesamt entstehen bei diesem Vorgang zwei Doppelstränge der gesamten DNA, die genau dem Original entsprechen.

Die Struktur der DNA

Ein DNA-Molekül ist eine Doppelhelix mit zwei Strängen aus Zuckern und Phosphaten. Sie sind durch Nukleotidbasenpaare verbunden: Adenin und Thymin oder Guanin und Cytosin.

Da die DNA stets im Zellkern bleibt, kopiert ein ähnliches Molekül, die Boten-RNA (mRNA, engl.: messenger RNA), einzelne DNA-Abschnitte und bringt sie zu den Zellorganellen, in denen neue Proteine hergestellt werden. RNA ist chemisch verwandt mit DNA, enthält aber statt der Base Thymin (T) die Base Uracil (U). Diese ist weniger stabil, dafür wird weniger Energie für ihre Produktion benötigt. Für langlebige Lebewesen ist die stabile DNA sinnvoll, RNA bildet daher das Erbgut einiger Viren, bei denen die Stabilität weniger Vorteile mit sich bringt.

DNA findet sich in allen Organismen, von Amöben über Insekten bis hin zu Bäumen, Tieren und Menschen. Die Sequenz der Basenpaare variiert und aus den Unterschieden können Genetiker die Verwandtschaft von Arten erkennen.

Gute und schlechte Fehler

DNA ist ein stabiles Molekül, doch manchmal kommt es zu Fehlern, die man Mutationen nennt. Dabei kann in der Basensequenz eine der Nukleinbasen A, C, G und T falsch oder doppelt vorkommen oder fehlen. Mutationen können spontan durch Kopierfehler auftreten oder durch äußere Faktoren wie Radioaktivität oder krebserregende Chemikalien hervorgerufen werden. Einige Mutationen haben keine Auswirkungen; andere können hingegen beeinflussen, welche Proteine das Gen produziert, oder die Funktion des Gens behindern. Dies kann Probleme für den ganzen Organismus verursachen. Beispiele für solche Störungen sind Mukoviszidose und Sichelzellenanämie.

Mutierte Blutkörperchen sind Zeichen der Erbkrankheit Sichelzellenanämie. Sie tritt auf, wenn beide Eltern das defekte Gen tragen, verursacht Schmerzen und erhöht das Infektionsrisiko.

Zwar sorgen viele Mutationen für Nachteile, doch gelegentlich kann ein Individuum von ihnen profitieren und dadurch in seiner Umwelt besser überleben als seine Artgenossen. Solche Veränderungen können dann durch natürliche Selektion weitervererbt werden. Über viele Generationen hinweg sind Mutationen ein Mechanismus, der Vielfalt und damit Selektion und Evolution ermöglicht.

Das Humangenom

Am 14.4.2003 vollendeten Forscher die große Aufgabe der Kartierung (Sequenzierung) des menschlichen Genoms. Sie hatten es geschafft, die Position aller Nukleinbasen in der Kette aus etwa 3 Mio. Basenpaaren, die circa 30 000 Gene enthält, zu bestimmen. Damit können Genetiker neue Gene und ihre Rolle im Körper identifizieren. Mit diesem Wissen lässt sich auch feststellen, ob ein Individuum ein defektes Gen geerbt hat. So kann man durch künstliche Befruchtung entstandene Embryos vor der Implantation in die Gebärmutter auf bekannte Erbkrankheiten untersuchen. Im März 2018 war bereits das Genom von etwa 15 000 Organismen kartiert. Diese Daten helfen, die evolutionäre Verwandtschaft von Arten zu klären.

Die Entdeckung, wie sich die DNA zusammensetzt und wie sie strukturiert ist, hat die Genetik revolutioniert. Interessant ist, dass nur etwa 2 % des gesamten Humangenoms Abschnitte ausmachen, die Proteine codieren. Die Funktionen der übrigen 98 % sind noch nicht gut erforscht, aber man nimmt an, dass zumindest einige dieser Abschnitte eine Rolle bei der Genexpression (der Art, wie Geninformationen sichtbar werden) und bei der Genaktivierung spielen. Auf zukünftige Genetiker warten noch viele Entdeckungen.

»Durch Gentechnik wird es uns möglich sein, … die menschliche Rasse zu verbessern.«

Stephen HawkingThe Telegraph, 18.10.2001

Gentechnik

Ihr Wissen über die Struktur der DNA hat es Wissenschaftlern ermöglicht, das Erbmaterial in den Zellen zu modifizieren. So kann man ein Gen aus einem Organismus (dem »Spender«) ausschneiden und in die DNA eines anderen einsetzen. Als das in den 1970er-Jahren erstmals versucht wurde, erwies es sich als schwierig und zeitaufwendig. Doch technische Fortschritte, vor allem Methoden, die auf dem zelleigenen DNA-Editiermechanismus beruhen, dem sogenannten CRISPR/Cas-System, haben vieles sehr vereinfacht und schneller gemacht. Mit dieser »Gen-Schere« lässt sich theoretisch jedes Gen beliebig in DNA einsetzen. Dazu wurden einige Versuche unternommen, etwa das Einfügen des Gens für Spinnenseide bei Ziegen, sodass deren Milch reich an Seidenproteinen ist. Auch Hormone oder Impfstoffe können so einfach hergestellt werden.

Bei der Gentherapie setzt ein modifizierter »Vektor« (Transportvehikel, oft ein Virus) das Gen in die DNA ein, um defekte oder unerwünschte Gene zu ersetzen.

Ein Forscher analysiert DNA-Proben. Gentechnische Methoden sind in der Medizin Standard, in der Forensik ist DNA-Profiling essenziell.

Genetisch veränderte Lebensmittel

Landwirtschaftliche Pflanzen werden genetisch verändert, um bestimmte Eigenschaften zu erzielen; man nennt sie dann genetisch modifizierte Organismen (GMOs). Dabei wird die DNA modifiziert, etwa damit eine Pflanze mehr Nährstoffe oder einen Giftstoff als Schutz vor bestimmten Insekten produziert. Ebenso kann erreicht werden, dass Pflanzen gegen bestimmte Herbizide unempfindlich werden, sodass eine Chemikalie auf dem Feld nur das Unkraut, aber nicht die Nutzpflanze tötet.

Einige Ökologen sehen Risiken darin, dass unmodifizierte Pflanzen durch GMOs beeinflusst werden könnten. Zudem seien die langfristigen Auswirkungen solcher Lebensmittel nicht genau bekannt. Eine weitere Sorge: Große agrochemische Konzerne könnten die Lebensmittelversorgung der Welt zum Nachteil ärmerer Nationen kontrollieren, indem sie GMOs patentieren.

Neue Reissorten werden durch genetische Modifikationen entwickelt. So lässt sich zum Beispiel der Nährwert oder die Resistenz gegen Krankheiten erhöhen.

DNA-Barcoding

Die Idee des DNA-Barcoding kam erstmals 2003 auf, als ein Team an der Universität Guelph (Kanada) überlegte, dass eine Artenbestimmung durch die Analyse gemeinsamer DNA-Abschnitte möglich sein müsste. Die Forscher um Dr. Paul Hebert wählten einen Bereich mit 648 Basenpaaren im Gen der Untereinheit 1 des Enzyms Cytochrom-c-Oxidase (»CO1« oder »cox1«). Diese Region lässt sich schnell analysieren, ist aber lang genug für Variationen zwischen und innerhalb von Tierarten. Für andere Lebensformen werden andere Abschnitte genutzt.

Für das Barcoding katalogisiert man zunächst Proben bekannter Arten. Ihre DNA wird sequenziert, das heißt die Reihenfolge (Sequenz) der Basenpaare bestimmt. Diese Sequenzen werden in Datenbanken gespeichert. Wird eine unbekannte Art sequenziert, kann der Computer sie mit bekannten Sequenzen vergleichen und so den Verwandtschaftsgrad ermitteln. Die Methode hilft bei der Taxonomie, also bei der Klassifikation von Tieren und Pflanzen.

GENE SIND EGOISTISCHE MOLEKÜLE

DAS EGOISTISCHE GEN

IM KONTEXT

SCHLÜSSELFIGUR

Richard Dawkins (*1941)

FRÜHER

1963 Der britische Biologe William Donald Hamilton schreibt in The Evolution of Altruistic Behaviour über »egoistische Interessen« von Genen.

1966 Der US-amerikanische Biologe George C. Williams sieht in dem Buch Adaptation and Natural Selection den Altruismus als eine Folge der Selektion auf Ebene der Gene.

SPÄTER

1982 Richard Dawkins schreibt in Der erweiterte Phänotyp, dass beim Studium eines Lebewesens auch die Auswirkungen seiner Gene auf die Umwelt zu analysieren sind.

2002 Stephen Jay Gould kritisiert Dawkins Theorie in The Structure of Evolutionary Theory. Dazu greift er die Konzepte des klassischen Darwinismus auf und verfeinert sie.

Das Konzept des »egoistischen Gens« wurde von dem britischen Evolutionsbiologen Richard Dawkins in dem Buch The Selfish Gene (1976; dt.: Das egoistische Gen, 1978) bekannt gemacht. Demnach beruht die Evolution grundsätzlich auf dem Überleben bestimmter Formen eines Gens auf Kosten anderer Formen. Dabei überleben diejenigen, die einen Phänotyp (also Körpermerkmale und Verhalten) hervorbringen, der bei der Verbreitung des Gens erfolgreich ist. Da Erbinformationen durch Gene auf der DNA vererbt werden, muss man, so die Befürworter der Theorie, natürliche Selektion und Evolution aus der Perspektive der Gene betrachten. Dawkins wurde stark von William Donald Hamiltons Arbeit über Altruismus beeinflusst und untersuchte Egoismus und Altruismus in der Biologie in Das egoistische Gen genauer. Demnach sind Organismen nur Vehikel, um Gene – die »Replikatoren« – voranzubringen. Gene, die dem Organismus beim Überleben und bei der Fortpflanzung helfen, erhöhen ihre eigene Chance, weitergegeben zu werden.

Eine männliche Schwarze Witwe nähert sich dem riesigen Weibchen. Er gibt beim Akt genetisch bestimmt seine Gene weiter, stirbt aber nachher.

Erfolgreiche Gene sind oft auch für den Wirtsorganismus vorteilhaft. Schützt etwa ein Gen ein Lebewesen vor Krankheiten, fördert das auch dessen Verbreitung. Jedoch widersprechen sich die Interessen von Replikator und Vehikel offenbar manchmal. Das Männchen der Schwarzen Witwe paart sich mit dem Weibchen, obwohl es vielleicht von ihm gefressen wird. Doch das Opfer des Männchens nährt das Weibchen und erhöht die Chance, seine eigenen Gene zu vererben.

Egoismus und Altruismus

Der Egoismus der Gene führt meist zu egoistischem Verhalten des Organismus, manchmal erreicht das Gen die eigenen egoistischen Ziele aber auch, indem es scheinbar altruistisches Verhalten des Organismus fördert. So ist die Verwandtenselektion eine Evolutionsstrategie, bei der ein Individuum den Fortpflanzungserfolg seiner Verwandten auf Kosten des eigenen Überlebens oder der Fortpflanzung fördert.

Ein Extrembeispiel ist die Eusozialität. Honigbienen zum Beispiel sind eusoziale Insekten. In ihren Kolonien leben Individuen, die sich fortpflanzen, und solche, die sich nicht fortpflanzen. Indem sie das Überleben der Kolonie sichern, sorgen die Tausenden sich nicht fortpflanzenden Arbeiterinnen dafür, dass sich die Gene verbreiten, die sie mit der Königin teilen. Sie hat als Einzige Nachkommen.

Dawkins Kritiker wenden ein, dass Gene nicht das Verhalten steuern und deshalb nicht egoistisch handeln können. Dawkins erklärt dagegen, er habe Genen niemals einen bewussten Willen zugeschrieben. Später schrieb er, dass »das unsterbliche Gen« wohl ein besserer Name für das Konzept und das Buch gewesen wäre.

»Heute kann man die Evolutionstheorie ungefähr ebenso anzweifeln wie die Lehre, dass sich die Erde um die Sonne dreht.«

Richard DawkinsDas egoistische Gen, 1976

Richard Dawkins

Richard Dawkins wurde in Kenia geboren; seine Eltern waren Briten. Nach der Rückkehr der Familie nach Großbritannien entwickelte er ein starkes Interesse an der Natur und studierte Zoologie in Oxford. Dort wurde er von dem Nobelpreisträger Nikolaas Tinbergen betreut, der ein Pionier der Verhaltensforschung an Tieren war. Nach einem kurzen Aufenthalt an der University of California in Berkeley kehrte Dawkins nach Oxford zurück.

Richard Dawkins ist am bekanntesten für sein Buch The Selfish Gene (Das egoistische Gen), in dem er argumentiert, dass das Gen die grundlegende Einheit ist, auf die die Selektion der Evolution wirkt. Seine Theorie führte später zu heftigen Debatten mit Stephen Jay Gould und anderen Evolutionsbiologen. Er ist zudem ein bekannter Religionskritiker und Verfechter des Atheismus.

Hauptwerke

1976Das egoistische Gen

1982