Das geheime Leben im Menschen: Ein faszinierender Blick auf die Gesellschaft unserer Gene
Author: Itai Yanai
Date: 2016-09-09T15:13:41.378000+00:00
Keywords: Biology; Medical; Biochemistry; Science; Life Sciences; Microbiology; Evolution
Description: Ist die Zwiebel die Krone der Schöpfung? Immerhin hat sie wesentlich mehr Gene als der Mensch. Wie hat es die Menschheit dennoch geschafft, alle anderen Arten zu übertreffen? Martin Lercher und Itai Yanai, ”zwei der klügsten Köpfe ihres Forschungsbereichs“ (Eric Lander, MIT), zeigen, wie sich das aktive Zusammenspiel der Gene und der Evolution tief in uns abspielt - und was uns zum Menschen macht. Ein bahnbrechendes Buch. Pointiert, gedankenreich und fesselnd geschrieben.
Publisher: Bastei Lübbe
Rights: © 2016 Bastei Lübbe AG, Köln. All rights reserved.

BASTEI ENTERTAINMENT

Vollständige E-Book-Ausgabe
des in der Bastei Lübbe AG erschienenen Werkes

Bastei Entertainment in der Bastei Lübbe AG

Titel der amerikanischen Originalausgabe:

»The Society of Genes«

Für die Originalausgabe:

Copyright © 2016 by Itai Yanai and Martin Lercher

Originalverlag: Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts/London, England

Für die deutschsprachige Ausgabe:

Copyright © 2016 by Quadriga in der Bastei Lübbe AG, Köln

Illustrationen: Steven Lee

Textredaktion: Steffen Geier, Frankfurt

Umschlaggestaltung: fuxbux, Berlin
nach einem Originalentwurf von Jill Breitbarth

Umschlagabbildung: © getty images/Science Picture Co

E-Book-Produktion: le-tex publishing services GmbH, Leipzig

ISBN 978-3-7325-3164-6
www.bastei-entertainment.de
www.lesejury.de

Für Michal und Vero
und für unsere Kinder

Inhalt

Vorwort

Prolog

1 In acht einfachen Schritten zum Krebs

1. Eine Erkrankung des Genoms

2. Der Wunschzettel einer zukünftigen Krebszelle

3. Ein abtrünniges Genom

4. Ein Schritt vorwärts, ein Schritt zurück

2 Wie unsere Feinde uns formen

1. Die Gengesellschaft
2. Ein Bakterium vergisst nie
3. Ein Fahndungsfoto-Zufallsgenerator
4. Was würde Darwin tun?
5. Doppelagenten und Babygiraffen
6. Lamarcks Milch

3 Sex – wer will denn so was?

1. Die Vorteile von Sex (jenseits des Offensichtlichen)

2. Sex macht gleich
3. Hoher Einsatz – große Versuchung
4. Es geht hier nicht um uns

5. Der Kampf der Geschlechter:
Embryonen als Schlachtfelder

4 Das Clinton-Paradoxon

1. Diesseits und jenseits von Afrika
2. Evolution – in Farbe und mit Geschmack
3. Gene im Glück
4. Afrikas genomisches Füllhorn
5. Tückische Gene

5 Promiskuitive Gene in komplexer Gesellschaft

1. Ein genialer Erbsenzähler
2. Mitgefangen – mitgehangen
3. Der modernde Kahn des Theseus
4. Promiskuitive Teams bei Bakterien
5. Perfekte Arzneien

6 Von Menschenaffen und Affenmenschen

1. Genome im Fluss
2. Schlüssel, die in Schlössern klemmen
3. Eine berührende Familienzusammenführung
4. Besser als Sex
5. Make Love, Not War

7 Es kommt drauf an,
was man damit macht

1. Sprich dich aus
2. Big Brain Theory
3. Gen-Logik
4. Chefetagen und hoffnungsfrohe Monster

8 Nachahmung, Diebstahl und
der Ursprung aller Erfindung

1. Auge um Auge
2. Das bleibt in der Familie
3. Die Legosteine der Gengesellschaft
4. Das Import/Export-Gewerbe

9 Eine Schattenexistenz

1. Die Geburt eines Reiches

2. Wenn du sie nicht besiegen kannst,
schließ dich ihnen an

3. Lang leben die Prokaryoten!

10 Die Trittbrettfahrer des Lebens

1. Erfolg auf ganzer Linie
2. Die Zwickel von San Marco
3. Der Erzfeind des Lebens
4. Biologie für Anfänger

Epilog
Literaturhinweise
Dank
Register

VORWORT

»Es ist nicht die Wohltätigkeit eines Metzgers, Brauers oder Bäckers, von der unser tägliches Essen abhängt, sondern einzig deren Rücksichtnahme auf ihre eigenen Interessen.«

Adam Smith

Parallel zu unserer menschlichen Gesellschaft, tief im Verborgenen, existiert eine noch viel ältere Gesellschaft: die Gesellschaft der Gene. Die Mitglieder dieser Gengesellschaft gestalten unseren Körper und Geist, unsere Instinkte und Sehnsüchte. Die Instruktionen der Gengesellschaft haben die Menschheit bis an den Anfang des dritten Jahrtausends geführt; in welchem Ausmaß wir sie auch über unsere Zukunft bestimmen lassen werden, ist noch ungewiss. Wie kontrollieren uns die Gene, wie können wir uns über ihre Herrschaft erheben? Um diese entscheidenden Fragen zu beantworten, müssen wir uns ein Gen nach dem anderen vorknöpfen und herausfinden, was es tut.

Das klingt zwar logisch, aber so funktioniert das nicht. Wir alle sind viel mehr als die Summe der Gene in unserem Genom. Wenn die Mitglieder der Gengesellschaft einen menschlichen Körper formen und betreiben wollen, der sie ein paar Jahrzehnte trägt und in die nächste Generation katapultiert, dann müssen sie zusammenarbeiten, in einem engen Geflecht aus Rivalitäten und Partnerschaften.

Adam Smith erkannte vor fast 250 Jahren, dass Märkte ihre Effizienz den eigennützigen Handlungen der einzelnen Individuen verdanken. In ganz ähnlicher Weise verdanken wir das Fortbestehen der Gengesellschaft (und damit der Menschheit) der Zusammenarbeit und Konkurrenz von Genen, die nur nach ihrem eigenen Überleben trachten.

Mithilfe moderner Technologien sammeln wir Kenntnisse über unsere Gene in bislang ungeahntem Ausmaß an. Spannende Details über die Struktur der Gengesellschaft treten dabei zutage. In ihr gibt es betriebsame Arbeiter, so wie Hämoglobin, das Sauerstoff zu den Öfen der Zellen schleppt, oder die Polymerase, ein Eiweiß, das originalgetreue Kopien von anderen Genen anfertigt. Da gibt es Boten wie FGFR3, das Wachstumssignale erkennt und weiterleitet und dessen Fehler eine Fülle genetischer Krankheiten verursachen können. Da gibt es Manager wie FOXP2, das die für Spracherzeugung zuständigen Arbeiter beaufsichtigt, und SOX9, dessen Versagen einen Jungen in einem Mädchenkörper aufwachsen lässt. Da gibt es ganze Armeen von Schmarotzern, so wie die halbe Million LINE1-Elemente, die unser Genom regelrecht zupflastern und sich von der übrigen Gengesellschaft von Generation zu Generation mitschleppen lassen. Und es gibt Gestalten, die dem Rest der Gengesellschaft ausgesprochen gefährlich werden können, so wie manche Versionen des BRCA1-Gens, die einen weiblichen Körper einen Schritt näher in Richtung Brustkrebs bringen.

Der Schlüssel zum Verständnis unseres Genoms liegt in den Strategien unserer Gene. Dieses Buch zeigt, dass wir unser Genom am besten als eine Zweckgemeinschaft egoistischer Gene betrachten. Es ist die Geschichte der Gengesellschaft und ihrer Mitglieder – ihrer Triumphe und Niederlagen, ihrer ewigen Konflikte und Partnerschaften.

PROLOG

Vor fast zwanzig Jahren, lange bevor wir – die beiden Autoren dieses Buches – uns am Europäischen Molekularbiologielabor (EMBL) in Heidelberg kennenlernten, las jeder von uns Das egoistische Gen, ein Buch des Biologen Richard Dawkins aus dem Jahr 1976. Das sollte unser Leben verändern: Als wir das Buch zum ersten Mal in die Hand nahmen, waren wir ein Informatiker und ein Physiker – doch nach der Lektüre war uns klar: Unsere (berufliche) Zukunft liegt in der Evolutionsbiologie.

Dawkins’ Buch beschreibt in überzeugenden und klaren Worten, was alle Lebewesen in ihrem Kern sind: Überlebensmaschinen – »Roboter, blind programmiert zur Erhaltung der selbstsüchtigen Moleküle, die wir Gene nennen«. Diese frappierende Wahrheit ist auch Jahrzehnte nach dem Erscheinen von Das egoistische Gen noch verblüffend. Sie verbirgt sich vor unseren Blicken durch die unvorstellbare Langsamkeit, mit der Evolution in der Natur gewöhnlich voranschleicht. An diese ernüchternde Erkenntnis gewöhnt man sich ähnlich schwer wie an die absurde, statistische Welt der Quantenmechanik, die sich vor uns in der Winzigkeit ihres Wirkungsbereichs versteckt.

Als Dawkins Das egoistische Gen schrieb, hatte die Menschheit noch kein einziges Genom analysiert. Dawkins baute seine Überlegungen auf logischen Argumenten und auf den Erkenntnissen anderer Wissenschaftler auf, deren Arbeiten ihrerseits auf logischen und mathematischen Überlegungen beruhten. Die immer schneller fortschreitende Untersuchung von Tausenden Genomen, die »genomische Revolution«, hat bisher nichts zutage gefördert, was den fundamentalen Erkenntnissen in Dawkins’ Bestseller widersprechen würde.

Die ersten Genome zeigten, welche Gene beim Bau einer Überlebensmaschine zum Einsatz kommen. Die nach und nach hinzukommenden Genome enthüllten verblüffende Ähnlichkeiten, aber auch bemerkenswerte Unterschiede zwischen den Arten. Diese Unterschiede waren der Schlüssel zum Verständnis der Evolution der Gene. Inzwischen kennen wir neben den Genomen von Tausenden verschiedener Tiere, Pflanzen, Pilze und vor allem Bakterien auch die individuellen Genome von Hunderten Menschen.

Wir können biologische Systeme und ihre Evolution nur durch eine ganzheitliche Sichtweise wirklich verstehen – je mehr Genome wir erforscht haben, umso klarer wird diese Erkenntnis. Gene verhalten sich tatsächlich so, als ob sie egoistisch wären, genau wie von Dawkins beschrieben. Aber genau wie wir leben auch Gene nicht für sich allein: Ganz auf sich gestellt hätte kein Gen je überleben können. Um im Spiel des Lebens zu bleiben, mussten Gene eine Überlebensmaschine nach der anderen bauen und betreiben; und das ging nur durch die Zusammenarbeit mit anderen Mitgliedern der Gengesellschaft.

Jedes menschliche Genom enthält einen vollständigen Satz der gleichen Gene. Aber die Versionen eines Gens in verschiedenen Menschen unterscheiden sich durch Mutationen voneinander. Zwischen diesen verschiedenen Repräsentanten desselben Gens tobt ein heftiger Wettbewerb: der Kampf um Marktanteile und die Vorherrschaft in den Genomen zukünftiger Generationen.

Gene sind über ein kompliziertes Geflecht aus Kooperation und Wettbewerb miteinander verbunden. Deshalb verstehen wir unsere Gene am besten, wenn wir sie als Mitglieder einer Gesellschaft betrachten – das ist der Leitgedanke dieses Buches. Das Konzept des egoistischen Gens hat uns den Weg in die Biologie des dritten Jahrtausends geebnet; ab hier kommen wir am besten weiter, indem wir unseren Blick heben und Gengesellschaften als Ganzes ins Auge nehmen. Dawkins war die Bedeutung dieser erweiterten Sichtweise völlig klar, als er Das egoistische Gen schrieb. Ein Kapitel über dieses Thema in Matt Ridleys wunderbarem Buch Die Biologie der Tugend aus dem Jahr 1997 trägt sogar die Überschrift »Die Gesellschaft der Gene«. Aber als diese Bücher erschienen, waren die Beziehungen zwischen Genen noch kaum untersucht, und ein schlüssiges Verständnis der Gengesellschaft war noch nicht greifbar.

Während dieses Buch in erster Linie die Gengesellschaft betrachtet, gibt es nebenher gleichzeitig einen umfassenden Überblick über weite Bereiche der modernen Biologie. Ausgehend von der Evolution einzelner Zellen in unserem Körper zoomen wir schrittweise in Raum und Zeit heraus: über den menschlichen Körper und die gesamte Menschheit zu immer weiter entfernten Verwandten des Menschen, bis wir im letzten Kapitel schließlich beim Ursprung des Lebens ankommen.

Wir haben dieses Buch für ein allgemeines Publikum geschrieben. Es erwartet von seinen Leserinnen und Lesern keine Vorkenntnisse in Biologie oder Genetik – alles Wichtige wird unterwegs erklärt. Das geheime Leben im Menschen betrachtet die Biologie im Licht der Gengesellschaft. Dieser ungewohnte Blickwinkel macht es vielleicht auch für den einen oder anderen wissenschaftlichen Kollegen interessant. Am meisten würde uns freuen, wenn dieses Buch junge Menschen dazu inspirieren könnte, ihre berufliche Neugier auf die Untersuchung von Genomen zu richten, so wie wir beide selbst vor zwanzig Jahren von Das egoistische Gen inspiriert wurden.

Einer unserer Freunde liest bei Romanen immer zuerst das Ende. Wenigstens kennt er dann den Ausgang der Geschichte, falls er sterben sollte, ehe das Buch zu Ende ist. Diese spezielle Begründung erscheint vielleicht überzogen, aber trotzdem möchten wir den Leser über den Verlauf des Buchs nicht unnötig im Dunkeln lassen. Die folgenden Seiten beschreiben deshalb in groben Zügen den Inhalt des Buches und fassen zusammen, wie die Analogie einer Gengesellschaft unserem Nachdenken über das Leben auf die Sprünge helfen kann. Wer die Spannung bis zum Schluss aufrechterhalten möchte, kann natürlich auch gleich zu Kapitel 1 springen!

Wir beginnen mit einem katastrophalen Zusammenbruch der Kooperation zwischen den Mitgliedern der Gengesellschaft. Krebs ist eine Krankheit des Genoms – der sechs Milliarden Buchstaben langen »Enzyklopädie« aus DNA, die die Informationen zum Bau und Betrieb eines Menschen speichert. Gleichzeitig mit der Beschreibung der Krebsentstehung stellt Kapitel 1 die Hauptakteure des Buches vor: die Zellen, deren Vermehrung unseren Körper aufbaut; die Gene, die die Zellen kontrollieren und dabei in vielfältiger Weise zusammenarbeiten; und die Mutationen, die die Buchstabenfolge der Gene verändern und dadurch den Stoff schaffen, aus dem Evolution gemacht wird.

Bevor Krebszellen lebensbedrohlich werden, müssen sich in ihnen mehrere sehr spezielle Mutationen ereignen, die gemeinsam das Zellwachstum weit über das normalerweise zulässige Maß ankurbeln. Unser Körper besitzt eine Reihe von Sicherungsmechanismen gegen unkontrolliertes Zellwachstum, und jeder davon wird bei Krebsbefall von einer oder mehreren Mutationen durchbrochen. Es ist extrem unwahrscheinlich, dass all diese Mutationen gleichzeitig in einer einzigen Zelle passieren. Warum ist Krebs dann trotzdem so weitverbreitet? Der Schlüssel zur Lösung dieses quälenden Rätsels liegt in der Logik der natürlichen Auslese, dem »Motor« der Evolution, den Charles Darwin als Erster vollständig beschrieben hat. Sobald sich eine Zelle auch nur eine der benötigten Mutationen eingehandelt hat, fängt sie an, sich schneller zu teilen als ihre Nachbarzellen. Nach kurzer Zeit ist die Schar ihrer Nachkommen so groß, dass es nicht mehr unwahrscheinlich ist, dass wenigstens eine der Tochterzellen die nächste Mutation erwischt. Auf diese Art fallen die Verteidigungsmechanismen des Körpers wie Dominosteine, einer nach dem anderen. Die Dynamik der Krebsentstehung macht deutlich, dass unser Genom nichts absolut Verlässliches ist – es verändert sich im Laufe unseres Lebens, von Zelle zu Zelle.

Kapitel 2 führt die Idee der Gengesellschaft ein: die Gemeinschaft der vielen verschiedenen Varianten aller Gene, die in menschlichen Genomen leben. Jede Gesellschaft muss ihre Grenzen festlegen und verteidigen, und in der Gengesellschaft übernimmt das Immunsystem diese Aufgabe. Das Immunsystem unterscheidet zwischen den Mitgliedern der Gesellschaft und den Genen von Eindringlingen, die ihr gefährlich werden können. Die Gengesellschaften von Menschen und Bakterien benutzen zwei grundsätzlich verschiedene Strategien für diese Grenzziehung. Beide Immunsysteme beruhen auf dem Vergleich von verdächtigen Genen, die von Eindringlingen stammen könnten, mit im Genom gespeicherten »Fahndungsfotos«. Unser eigenes Immunsystem benutzt dafür das Prinzip der natürlichen Auslese. Bakterien kopieren stattdessen erkennungsdienstliche Informationen direkt vom Eindringling ins eigene Genom – einer der äußerst seltenen Fälle, in denen Information aus der Umgebung direkt ihren Weg ins Genom findet.

Für einen Platz in der nächsten Generation würden Gene töten. Genau das tun manche von ihnen auch: sogenannte Gift/Gegengift-Paare, die beispielsweise in Spermien dafür sorgen, dass alle konkurrierenden Zellen vergiftet werden. In Kapitel 3 sehen wir, wie die Gengesellschaft derlei Betrug so weit wie möglich unterdrückt: Jedes Gen soll die gleiche Chance haben, in die nächste Generation katapultiert zu werden. Diese durch und durch auf Gleichheit angelegte Gesellschaftsstruktur ist nötig, um Sex zu einer erfolgversprechenden Fortpflanzungsstrategie zu machen. Auf den ersten Blick sieht Sex nämlich wie eine ziemlich blöde Idee aus: Anstatt sich selbst einfach zu klonen, geben Mütter ihrem Nachwuchs nur die Hälfte ihrer Gene mit; die andere Hälfte stammt von einem Vater, der häufig kaum etwas anderes beiträgt. Aber auf der in Jahrmillionen gemessenen Zeitskala, auf der sich die Geschichte der Gengesellschaft entfaltet, entpuppt sich Sex als eine brillante Idee: In einer sich ständig wandelnden Welt ist es überlebenswichtig, ständig neue Kombinationen von Genvarianten auszuprobieren. Den Löwenanteil genomischer Neuerungen tragen übrigens Väter bei – dabei handelt es sich um Kopierfehler während der Spermaproduktion, meist mit schädlichen und nur sehr selten mit vorteilhaften Konsequenzen.

Das Schicksal von Genen wird aber nicht nur von der natürlichen Auslese bestimmt, sondern hängt in hohem Maß vom Zufall ab. Das ist das Thema von Kapitel 4. Wir beginnen mit einem Paradoxon: Die Genome zweier beliebiger Menschen sind zu 99,9 Prozent identisch, und trotzdem behandeln Menschen ihr Gegenüber oft beinahe so, als würde es zu einer anderen Tierart gehören. Anhand der winzigen Unterschiede zwischen Menschen aus verschiedenen Regionen können wir nachverfolgen, wie die Menschheit in den vergangenen hunderttausend Jahren von Afrika aus den Rest der Erde besiedelt hat. Einige wenige dieser Unterschiede erzählen auch von der Anpassung an neue Umgebungen oder veränderte Gewohnheiten. Ein Beispiel für den Einfluss von Gewohnheiten auf unser Genom ist die Laktosetoleranz – eine Anpassung an die Haltung von Tieren, die Milch geben. Ein Beispiel für die Anpassung an neue Umgebungen ist unsere Hautfarbe, die ein Gleichgewicht zwischen dem Schutz vor ultravioletter Strahlung einerseits und der Nutzung von Sonnenlicht zur Herstellung von Vitamin D andererseits herstellt. Die meisten Genomunterschiede haben aber keinerlei praktische Konsequenzen; die unterschiedlichen Genversionen sind hier nur passive Mitläufer, oft Trittbrettfahrer von evolutionär erfolgreichen Nachbargenen im Genom. Menschen werden häufig diskriminiert, weil sie als (genetisch) »anders« wahrgenommen werden – die Grundidee des Rassismus. Auch wenn noch niemand ein menschliches Rassismusgen ausgemacht hat, wissen wir von anderen Tieren, dass solche Gene sich dank der natürlichen Auslese leicht ausbreiten können. Aber das darf man nicht falsch verstehen: Diese Gene verfolgen ihre eigenen egoistischen Interessen, selbst wenn das den Interessen ihres Trägers und der Menschheit insgesamt zuwiderläuft.

Die Gengesellschaft besteht aus einem komplizierten Netz von Beziehungen. Die meisten Aufgaben erfordern die Zusammenarbeit mehrerer Gene; gleichzeitig haben die meisten Gene mehr als eine Zuständigkeit. Kapitel 5 beschreibt das Organigramm, das unsere Gene mit ihren Aufgaben verknüpft. Die eine oder andere Krankheit kann auf die Fehlfunktion eines einzelnen Gens zurückgeführt werden; aber typischerweise entstehen Krankheiten durch Reibereien zwischen mehreren Mitgliedern der Gengesellschaft. Auf der anderen Seite führen die parallelen Zuständigkeiten oft dazu, dass verschiedene Mutationen desselben Gens völlig unterschiedliche Symptome verursachen. Diese können so verschieden sein wie eine Geschlechtsumwandlung und eine Fehlbildung des Gesichts. Die komplexen Beziehungen zwischen Genen erstrecken sich weit über die Entstehung von Krankheiten hinaus, und sie beherrschen die Gengesellschaften aller Lebewesen.

Gengesellschaften kennen keinen Stillstand. Wenn eine Barriere – etwa ein neu entstandener Fluss – zwei Teile einer Gesellschaft lange genug daran hindert, sich wieder miteinander zu vermischen, dann entwickeln die Teilgesellschaften sich zwangsläufig auseinander. Irgendwann können die Mitglieder der beiden Gengesellschaften überhaupt nicht mehr zusammenarbeiten: Dann ist eine neue Art entstanden. In Kapitel 6 betrachten wir die Entstehung von Mensch und Schimpanse als eine solche Aufspaltung einer uralten Gesellschaft. An welchem Punkt konnten sich die Gengesellschaften nicht mehr vermischen? Spekulationen über Affenmenschen – Kreuzungen zwischen Mensch und Schimpanse – sind heute nur noch ein Thema für die Boulevardpresse, aber ein genauer Vergleich unserer Genome mit denen von Schimpansen enthüllt tatsächlich solche urzeitlichen Skandale. Ähnlich Skandalöses passierte auch in jüngerer Zeit: Millionen Jahre nach dem letzten echten Affenmenschen begegneten anatomisch moderne Menschen, die sich aus Afrika herausgewagt hatten, den in Asien und Europa heimischen Neandertalern. Obwohl heutige Darstellungen die Neandertaler meist als affenartige Rohlinge porträtieren, muss es eine nicht unbeträchtliche erotische Anziehung zwischen ihnen und den Neuankömmlingen gegeben haben. Intime Begegnungen hinterließen ihre Spuren in unseren Genomen – das Ergebnis hilft uns noch heute, mit den Krankheitserregern Europas und Asiens fertigzuwerden.

Man kann die Gengesellschaft grob in Manager und Arbeiter einteilen. Viele Innovationen entstehen allein durch ein verändertes Management derselben Arbeiter. Kapitel 7 zeigt, dass sich verschiedene Arten tatsächlich oft mehr durch ihr Management als durch ihre Arbeitsgene unterscheiden. Änderungen im Management des Gehirnbaus haben zum Beispiel unser ungewöhnlich großes Gehirn ermöglicht; auch die menschliche Sprache ist eine Folge von verändertem Hirnmanagement. Die obersten Bauleiter unseres Körpers sind die Hox-Gene. Nicht nur in unserem Körper: Die Cousins unserer Hox-Gene beaufsichtigen auch den Bau fast aller anderen Tiere. Ein defektes Hox-Gen kann zum Beispiel einer Fliege Beine auf dem Kopf wachsen lassen. Bakterien haben zwar keine Beine oder Köpfe, aber einige von ihnen können sich in fast unzerstörbare Zeitkapseln umbauen, um schlummernd harte Zeiten zu überstehen. Das Manager-Gen, das diese Verwandlung beaufsichtigt, ist niemand anders als ein weiterer entfernter Cousin unserer Hox-Gene.

Kapitel 8 beschreibt, wie die Gengesellschaft neue Gene rekrutiert: durch die Verdopplung von Genen, deren Kopien neue Funktionen übernehmen können. Diese Strategie ist seit Jahrmilliarden ausgesprochen erfolgreich, sodass unser Genom inzwischen zu einem großen Teil aus abgewandelten Kopien von Kopien von Kopien besteht. Beeindruckende Beispiele für den Erfolg dieser Verdopplungsstrategie liefern unsere Sinnesorgane. Unsere Fähigkeit, Farben zu unterscheiden, beruht auf drei Kopien desselben Gens (jetzt spezialisiert auf rotes, grünes und blaues Licht). Um zahllose verschiedene Gerüche zu unterscheiden, wären drei Kopien viel zu wenig: Unser Geruchssinn beruht auf Hunderten Kopien eines Ursprungsgens. Um ihre Gengesellschaften zu erweitern, können Bakterien auf eine verwandte Strategie zurückgreifen. Sie kopieren Gene aus den Genomen anderer Bakterien – eine Form von intellektuellem Diebstahl. Auf diese Art lernen Bakterien, neue Nahrungsquellen anzuzapfen oder – schneller, als uns lieb ist – sich gegen Antibiotika zu wehren.

Gengesellschaften können sich aufspalten, um neue Arten zu bilden. Aber sie können sich auch vereinigen, mit spektakulären Konsequenzen. In Kapitel 9 sehen wir, dass jede unserer Zellen das Produkt einer Milliarden Jahre alten Verschmelzung zwischen zwei sehr verschiedenen Bakterien ist. Die vereinigte Gengesellschaft dieser symbiotischen Beziehung konnte sich in Richtungen entwickeln, die ihren beiden Elterngesellschaften verwehrt waren. Genau wie bei gelungenen Unternehmenszusammenschlüssen war die Gemeinschaft weit erfolgreicher als jedes Teilunternehmen für sich. Jede unserer Zellen ist also im Prinzip nichts anderes als ein aufgeblähtes Bakterium des einen Typs (ein Archaebakterium), das in seinem Innern etliche Bakterien des anderen Typs (Eubakterien) als Energielieferanten beherbergt. Die meisten Gene dieser Energielieferanten sind inzwischen in das Genom ihres Herbergsvaters umgezogen und arbeiten jetzt von dort aus weiter.

Schmarotzer sind ein unvermeidlicher Teil jeder Gesellschaft. Kapitel 10 zeigt, wie eine unvorstellbare Vielfalt von Trittbrettfahrern seit mehr als vier Milliarden Jahren überlebt, indem sie die übrigen Mitglieder der Gengesellschaften, die fleißig eine Überlebensmaschine nach der anderen bauen, ausnutzen. Eine Konsequenz dieses Schmarotzertums ist die maßlos übertriebene Größe unseres Genoms. Das menschliche Genom ist zugepflastert mit Genen, die nichts anderes können, als Kopien von sich selbst zu machen und diese wieder ins Genom einzufügen. Diese Art von genomischen Parasiten ist nicht auf den Menschen beschränkt: Das Genom der bescheidenen Zwiebel ist dadurch sogar noch fünfmal größer als unseres! Die Vorväter der Viren – die Könige der Schmarotzer – mischten sich vermutlich schon unter die allerersten einfachen organischen Moleküle, die sich vor vier Milliarden Jahren in Felsbläschen rund um heiße Quellen auf dem Grund des Meeres versammelten.

So weit die Kurzfassung für ganz Eilige – viel spannender wird es, wenn wir in die Details eintauchen.

IN ACHT EINFACHEN SCHRITTEN ZUM KREBS

»Mit großer Macht geht
große Verantwortung einher.«

Voltaire

Bob Marleys Reggae inspirierte Millionen. Doch seine Karriere fand ein tragisches, vorzeitiges Ende, als er mit sechsunddreißig an den Folgen einer Hautkrebserkrankung starb. Der Krebs hatte vier Jahre zuvor begonnen, scheinbar harmlos – als kleiner Fleck unter einem Zehennagel, den Marley einer Fußballverletzung zuschrieb. Als seine Ärzte auf einer Amputation des Zehs bestanden, stellte Marley sich quer: Seine Rastafari-Auslegung eines Verses aus dem 3. Buch Mose (»Ihr dürft euch nicht … Einschnitte an eurem Leibe machen«) verbiete einen solchen Eingriff. Der Tumor breitete sich ungebremst in seinem Körper aus, angetrieben von der zwingenden Logik der natürlichen Auslese. Marley hätte den Tumor vielleicht rechtzeitig entfernen lassen, wenn er verstanden hätte, wie Evolution in unserem Körper Krebszellen entstehen lässt. Womöglich hätte er sogar seinen Einzug in die Rock and Roll Hall of Fame im Jahr 1994 noch persönlich erlebt.

Krebs ist die vielleicht schrecklichste aller Volkskrankheiten; ganz sicher ist es die am schwersten zu vermeidende und zu behandelnde. Während moderne Medikamente viele andere Krankheiten überwinden können, tut sich die Pharmaindustrie im Umgang mit Krebs enorm schwer. Warum ist der Verursacher von Krebs so schwer zu packen?

Krebs ist kein Angriff auf den Körper von außen. Krebs ist auch kein schrecklicher Unfall im Körper des Betroffenen. Krebs ist eine Machtdemonstration der Evolution. Die Krebsentstehung folgt einer unausweichlichen Logik – sie beruht auf denselben Prinzipien, die die Evolution von Tieren und Pflanzen vorantreiben. Als Auftakt zur Geschichte der Gengesellschaft machen wir Bekanntschaft mit Zellen, mit Genen und mit der Evolution, immer aus dem Blickwinkel der Krebsentstehung.

Krebsgeschwüre sind ein Teil von uns, sie sind ein natürlicher (wenn auch zum Glück nicht normaler) Bestandteil unseres Körpers. Genau das macht ihre Verhütung und Behandlung so schwierig. Wir können den menschlichen Körper als ein Gebäude betrachten, das aus Billionen (das heißt aus Millionen Millionen) Bausteinen, den Zellen, besteht. Zellen tauschen Nährstoffe und chemische Signale aus. Jede Zelle arbeitet wie eine kleine Fabrik. Verschiedene Zellen sind auf unterschiedliche Aufgaben spezialisiert, die zum Gelingen des Gesamtprojekts – dem Bau und Betrieb der Überlebensmaschine Körper – beitragen. In Krebspatienten verweigert sich eine Gruppe von Zellen der Zusammenarbeit mit dem Rest des Körpers und beginnt stattdessen, sich auf Kosten der anderen unkontrolliert zu vermehren.

Neue Zellen entstehen ausschließlich durch die Teilung einer bestehenden Zelle, der Mutterzelle, in zwei Tochterzellen. Deshalb können wir alle Zellen unseres Körpers auf einem gigantischen Stammbaum anordnen, der Mutterzellen mit Tochterzellen verbindet. Die Wurzel dieses Stammbaums ist die einsame befruchtete Eizelle, die den Anfang unseres Lebens markiert. Ein Stammbaum mit Billionen Ästen passt auf kein Blatt Papier; deshalb illustriert Abbildung 1.1 das Stammbaumprinzip für Zellen am Beispiel eines viel einfacheren Tieres, als wir es sind: eines Fadenwurms.

Abb. 1.1: Der Zellstammbaum des winzigen Fadenwurms Caenorhabditis elegans. In nur dreizehn Stunden entwickelt sich aus einer einzigen befruchteten Eizelle (oben) ein einfaches Tierchen mit genau 558 Zellen (unten). Die Mitte zeigt den sich entwickelnden Embryo; Kreise stellen einzelne Zellen dar. Jede senkrechte Linie entspricht einer sich entwickelnden Zelle, jede waagerechte Linie markiert eine Zellteilung. Gruppen von Zellen spezialisieren sich auf die Konstruktion einzelner Organe, wie den Rachen oder Nerven. Menschliche Zellstammbäume sehen prinzipiell genauso aus – nur sehr, sehr viel größer.

Aus einer befruchteten Eizelle entwickelt sich ein kompletter Mensch, ohne dass es dazu einen Bauleiter oder Architekten braucht. Die nach und nach entstehenden Zellen teilen sich die Verantwortung für die nötige Koordination. Das ist, als würden jeder Stein, jedes Kabel und jedes Rohr eines Wolkenkratzers über die Pläne für das komplette Gebäude verfügen und jeweils mit ihren Nachbarn beraten, wo sie sich am besten hinplatzieren.

Auch Krebs ist ein Ast im Zellstammbaum eines Patienten, eine wuchernde Masse seiner eigenen Zellen. Jedes Krebsgeschwür beginnt als die Spitze eines winzigen Zweiges, als eine einzige Zelle. Die Zelle und ihre Nachkommen teilen sich immer weiter, weit über den Punkt hinaus, an dem sie längst hätten aufhören sollen. Die Krebszellen überwuchern so den Körper. Sie werden schließlich so zahlreich und verbrauchen so viel Nährstoffe, dass andere Organe ausgehungert zusammenbrechen – das katastrophale Ende der Arbeitsteilung zwischen den Zellen.

Woher wissen unsere Zellen, wann sie sich teilen sollen und wann nicht? Zellteilung ist ein komplizierter Prozess, der genau orchestriert werden muss. Wenn auch nur die Hälfte der Zellen in unserem Gesicht oder unserer Hand sich einmal zu viel geteilt hätte, dann hätten wir entfernte Ähnlichkeit mit Joseph Merrick, der im 19. Jahrhundert sein Brot damit verdiente, dass er sich selbst als den »Elefantenmenschen« zur Schau stellte.

Solche unerwünschten Zellteilungen werden normalerweise durch eine Art Demokratie im Zaum gehalten: Zellen wachsen und teilen sich nur dann, wenn ihre Nachbarzellen sie dazu auffordern. Dazu kommunizieren die Zellen durch Wachstumsfaktoren, spezielle Botenstoffe, die im Zellinneren produziert und dann von der Zelle abgesondert werden. Eine Zelle teilt sich nur dann, wenn sie entsprechende Signale von genügend Nachbarn gleichzeitig erhält. Diese Aufsummierung von Signalen ist ein Sicherheitsmechanismus, um den Körper vor den Fehlentscheidungen einzelner Zellen zu schützen.

Eine Erkrankung des Genoms

Krebszellen sind anders als andere Zellen. Sie vervielfältigen sich ohne Rücksicht auf das, was ihre Nachbarn sagen. Was macht sie so anders? Im Herzen einer jeden Zelle, egal bei welchem Lebewesen, sitzt das Genom. Man kann jedes menschliche Genom als einen Text aus sechs Milliarden Buchstaben betrachten, etwa dreihundertmal so viele wie in Goethes gesammelten Werken. Diese Buchstaben verteilen sich auf sechsundvierzig Bände, die Chromosomen. Dabei bringt unser Genom seine eigene Sicherungskopie mit: Je zwei der sechsundvierzig Bände sind – bis auf ein paar »Druckfehler« – miteinander identisch. Dabei gibt es nur eine einzige Ausnahme: die ungepaarten Geschlechtschromosomen von Männern, X und Y (Frauen haben auch hier ein Paar, zweimal X).

Der Genomtext ist in einem Alphabet aus nur vier Buchstaben geschrieben: A, T, C und G – die Abkürzungen für vier als Nukleobasen (oder schlicht Basen) bezeichnete Moleküle: Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin. Zur Bildung eines Chromosoms werden Millionen solcher Basen zu einer Kette verknüpft. Dadurch entsteht ein riesiges Molekül namens Desoxyribonukleinsäure – nach der englischen Schreibweise (deoxyribonucleic acid) üblicherweise abgekürzt als DNA.

Abb. 1.2: Ein Chromosom ist ein gigantisches Molekül aus Millionen Basen (die vier »Buchstaben« A, T, C und G), die zu zwei komplementären Ketten (oder »Strängen«) verbunden sind. Chromosomen verändern im Lebenszyklus einer Zelle ihre Form. Der oberste Teil der Abbildung zeigt ein Chromosom in seiner kompaktesten Form, in der die Doppelketten eng zusammengeknäult sind. Darunter ist ein kleiner Abschnitt des Chromosoms in zunehmender Vergrößerung dargestellt. Der unterste Teil zeigt die beiden sich ergänzenden Ketten: Dabei paart A sich immer mit T, C immer mit G.

Chromosomen bestehen aus zwei parallelen, eng miteinander verknüpften DNA-Ketten (Abb. 1.2). Die Ketten sind »komplementäre Spiegelbilder«: Sie ergänzen sich gegenseitig, jedes A in der einen Kette ist mit einem T in der anderen Kette verbunden, und jedes C ist mit einem G gepaart. Wenn wir die im Genom gespeicherte Information als eine Abfolge von Buchstaben beschreiben, genügt es deshalb, nur eine der beiden Ketten zu betrachten. Die andere Kette können wir anhand der Regeln für die komplementären Spiegelbilder einfach dazukonstruieren.

Um eine Vorstellung von unserem Genomtext zu bekommen, betrachten wir einmal dieses winzige Bruchstück von Chromosom 9:

…ACCAGTTCTCCATGATGTGAATTTTCCATGTATGACTGAACCACAATATCTCAGGG ACCCCATAAATAT…

Dieser Abschnitt ist für sich genommen nicht sehr informativ. Wir sind noch sehr weit davon entfernt, jeden einzelnen Buchstaben in diesem viele Millionen Jahre alten Text deuten zu können. Kein Genom wurde jemals vollständig entschlüsselt: Wir mögen alle Buchstaben gelesen haben, aber wir haben häufig schlicht keine Ahnung, was sie bedeuten.

Texte in einer beliebigen Sprache können in Absätze unterteilt werden, die mehr oder weniger zusammenhängende Gedanken verkörpern. Auf ganz ähnliche Weise können wir ein beliebiges Genom in separate Abschnitte aufteilen, die sogenannten Gene. Die bedeutendsten Gene sind präzise, bauplanartige Beschreibungen für die Konstruktion von Eiweißen (Proteinen); davon hat jeder von uns etwa 20 000. Eiweiße führen die meisten Arbeiten in einer Zelle aus, und ihre Gene sind die Protagonisten dieses Buches.

Die Buchstabenfolge jedes dieser Gene besteht aus zwei Teilen (Abb. 1.3): einem Bauplan, der den Aufbau des Eiweißes beschreibt, und einem Abschnitt mit molekularen Schaltern. Diese Schalter regeln die Aktivität eines Gens: Sie kontrollieren, ob und mit welchem Tempo der Bauplan in Vorlagen für die Eiweißproduktion kopiert wird. Die meisten Gene haben mehrere solcher Schalter. Ein Gen enthält also nicht nur einen Bauplan für ein Eiweiß, sondern auch die nötigen Schalter, um bei Bedarf seine Produktion zu steigern oder zu drosseln – auf diese wichtige Tatsache werden wir noch mehrmals zurückkommen.

Abb. 1.3: Ein eiweißkodierendes Gen besteht aus dem Bauplan, der in Vorlagen für die Eiweißproduktion kopiert wird, sowie aus molekularen Schaltern, mit denen die Produktion des Eiweißes gesteigert oder gedrosselt werden kann.

Die wichtigste Aufgabe beim Vermehren von Zellen ist das Kopieren der Chromosomen. Dafür ist eine winzige Maschine zuständig, die DNA-Polymerase. Sie wird aus Dutzenden von Eiweißen zusammengesetzt, aber ihre Funktion ist einfach: Sie zieht die beiden DNA-Ketten des Chromosoms auseinander und ergänzt jede Hälfte wieder mit den fehlenden Buchstaben.

Ein Chromosom kann beschädigt werden oder sogar komplett auseinanderbrechen. Ein Chromosomenschaden ist eine chemische Veränderung des DNA-Moleküls, so wie Rost eine chemische Veränderung von Eisenatomen ist. Rost kann man leicht von normalem Eisen unterscheiden; es gibt sogar Rostumwandler, die Rost in einen Schutzfilm umwandeln. Viele Arten von Chromosomenschäden sind ähnlich leicht zu finden und zu reparieren wie Rost. Aber es gibt andere Beschädigungen, die nicht so leicht zu entdecken sind, etwa, wenn einer der DNA-Buchstaben durch einen der anderen drei Buchstaben ersetzt wird. Entsprechend häufig übersehen die für die Fehlerkontrolle verantwortlichen Eiweiße solche Schäden. Nicht korrigierte Fehler können sich im Genom als Mutationen festsetzen.

Hier ist ein Beispiel für eine Mutation der Buchstabenfolge von oben:

Vor der Mutation: | …ACCAGTTCTCCATGATGTGAATTTT…
Nach der Mutation: | …ACCAGCTCTCCATGATGTGAATTTT…

An der sechsten Position wurde ein T durch ein C ausgetauscht. Eine so kleine Änderung sieht unbedeutend aus, aber ein einziger Druckfehler kann die Bedeutung eines Textes drastisch verändern, wie dieses Beispiel zeigt:

Vor der Mutation: | …EIGENER HERD IST GOLDES WERT…
Nach der Mutation: | …EIGENER HELD IST GOLDES WERT…

Ein geschlagenes Prozent unserer Gene ist mit dem Korrekturlesen und der Reparatur von Chromosomen beschäftigt. Trotz dieses beträchtlichen Aufwands bei der Fehlerkorrektur ist das Kopieren von DNA nicht perfekt. Bei einer Zellteilung muss jeder einzelne Buchstabe im Genom kopiert, geprüft und – falls nötig – berichtigt werden. Dass dabei versehentlich ein bestimmtes Buchstabenpaar verändert wird, ist extrem unwahrscheinlich: Die Chancen dafür stehen etwa eins zu zehn Milliarden. Aber unser Genom hat ja sechs Milliarden Buchstabenpaare! Die Wahrscheinlichkeit, dass wenigstens eines davon in einer Kopierrunde versehentlich ausgetauscht wird, liegt also bei 60 Prozent. Und 60 Prozent sind noch optimistisch: Sie gelten nur, wenn wir ein gesundes Leben führen. Giftige Chemikalien, wie sie in Zigarettenrauch oder verbranntem Fleisch vorkommen, und UV-Strahlung von Sonne oder Solarien können zu weit höheren Mutationsraten führen.

Nicht alle Mutationen bestehen aus dem Ersetzen eines einzelnen Buchstabens durch einen anderen. Komplette Abschnitte von Buchstaben können entweder verloren gehen oder aber an eine andere Stelle des Genoms kopiert werden. Weil bei fast jeder Zellteilung neue Mutationen dazukommen, hat jeder von uns nicht nur ein Genom. Wir haben viele Milliarden davon: Jede einzelne unserer Zellen hat ihr eigenes.

Die Mutationen addieren sich von Zellteilung zu Zellteilung weiter auf. Eine ähnliche allmähliche Anhäufung von Veränderungen gab es in der handschriftlichen Buchherstellung im Mittelalter. Jedes Mal, wenn ein Buch abgeschrieben wurde, schlichen sich ein paar neue Fehler ein; mit der Zeit nahmen manche Passagen dadurch eine komplett neue Bedeutung an. Genauso haben Genome, die häufiger kopiert wurden, zwangsläufig mehr Fehler angesammelt. Das Problem wird noch dadurch verschlimmert, dass Mutationen manchmal auch Gene kaputt machen, die selbst bei der Fehlerkorrektur mithelfen. Dann werden später auftretende Fehler nicht mehr richtig repariert, und die Ansammlung von Mutationen beschleunigt sich massiv.

Die meisten Mutationen haben keine merklichen Konsequenzen, genauso wie die meisten Leser die Bedeutung des Beispielsatzes oben auch dann noch problemlos verstehen würden, wenn es »AIGENER HERD …« lauten würde. Aber manchmal bewirkt die Mutation eines unserer Gene eine sichtbare Veränderung. Ein besonders auffälliges Beispiel bieten Menschen mit zwei verschiedenfarbigen Augen, verursacht durch eine Mutation, die die Pigmente in einer Iris verändert. Ein anderes, häufig auftretendes Beispiel sind Muttermale, verursacht durch Mutationen in Hautzellen.

Wenn eine Mutation das Genom einer bestimmten Zelle verändert, wie kann dann die komplette Iris eines Auges oder ein ganzer Hautfleck gleichzeitig betroffen sein – beide bestehen doch aus Millionen von Zellen, jede mit ihrem eigenen Genom? Wenn uns ein Mädchen mit einem braunen und einem blauen Auge über den Weg läuft, ist dann die gleiche Mutation zufällig in jeder einzelnen Zelle der einen Iris passiert? Natürlich nicht. Die Erklärung liegt im Stammbaum der Zellen: Wenn die Mutation in der ersten Zelle der sich entwickelnden Iris aufgetreten ist, dann erben alle Tochterzellen in dieser Iris die entsprechende Veränderung (Abb. 1.4).

Abb. 1.4: Der Stammbaum der Zellen einer sich entwickelnden Iris. Eine Mutation in der mit dem Pfeil gekennzeichneten Zelle zerstört das Gen für das braune Pigment, sodass alle Tochterzellen heller sind – ein Sektor der Iris (oder, wenn die Mutation noch früher passiert, die ganze Iris) erscheint deshalb blau.

Alle Zellen in einem Fleck, der sich durch Mutationen von seiner Umgebung unterscheidet, können ihren Stammbaum bis zu derselben mutierten Zelle zurückverfolgen. Jede Zelle des Flecks hat dieselbe farbverändernde Mutation von dieser Vorfahrin geerbt. Deshalb nehmen alle gemeinsam eine neue Farbe an, die sie von den nicht-mutierten Nachbarn (oder ihren nichtmutierten Gegenstücken im anderen Auge) unterscheidet. Ein weiteres Beispiel für diesen Vorgang sind Feuermale: Wenn während der Entwicklung eines Blutgefäßes eine bestimmte Mutation in einer Zelle passiert, werden alle aus dieser Zelle und ihren Nachkommen entstehenden Blutgefäße dicker und färben die umgebende Haut dunkelrot.

Ein Großteil unserer Genomkopien wurde schon im Mutterleib angefertigt. Aber viele Zellen werden im Laufe unseres Lebens ständig erneuert: Hautzellen zum Beispiel werden monatlich durch frische ersetzt. Mutationen, die das Gleichgewicht der Hautpigmente durcheinanderbringen, werden deshalb mit zunehmendem Alter (also nach mehr und mehr Kopierrunden) wahrscheinlicher. So entstehen Altersflecken.

Die Genome von Krebszellen enthalten Mutationen mit weit schwerwiegenderen Konsequenzen als Muttermale oder verschiedenfarbige Augen. In einem Experiment an Mäusezellen wurde zum ersten Mal eine für Krebs besonders wichtige Mutation entdeckt. Unter bestimmten Umständen können Zellen so verändert werden, dass sie außerhalb des Körpers in einer Nährflüssigkeit überleben. Damit die Zellen sich teilen können, müssen der Nährflüssigkeit Wachstumsfaktoren zugesetzt werden – die Botenstoffe für das Zellwachstum, die normalerweise von den Nachbarzellen abgesondert werden. Solche isoliert wachsenden Zellhaufen, an denen man untersuchen kann, wie unsere Zellen im Detail funktionieren, nennt man Zelllinien. Zelllinien unterscheiden sich von Krebsgeschwüren durch ihre Abhängigkeit von Wachstumsfaktoren. Aber eine einzige Mutation kann genügen, um diesen Unterschied zu beseitigen: ein G anstelle eines T an einer ganz bestimmten Position in einem Gen namens H-Ras. Diese Entdeckung war ein entscheidender Durchbruch. Sie zeigte, dass die fehlgeleiteten Anweisungen eines einzigen mutierten Gens ausreichen, um aus einer normalen Zelle eine Krebszelle zu machen.

H-Ras ist Teil eines Antwortsystems, das auf die Wachstumsfaktoren reagiert, die von benachbarten Zellen ausgeschieden werden. Das von H-Ras beschriebene Eiweiß arbeitet als Bote. Wenn es durch eine gezielte chemische Veränderung in seinen aktiven Zustand versetzt wird, aktiviert es seinerseits andere Eiweiße, die dann den Rest der Zelle informieren, dass die Zeit zum Wachsen gekommen ist. Das H-Ras-Eiweiß ist normalerweise nur dann aktiv, wenn die Zelle die entsprechenden Wachstumsfaktoren bekommt. Aber die Mutation versetzt das Eiweiß in einen Zustand unablässiger Aktivität. Als Folge teilt sich die Zelle immer weiter, ganz egal, ob die benachbarten Zellen sie dazu auffordern oder nicht. H-Ras ist ein ganz normaler Bürger der Gengesellschaft, der eine sehr wichtige Aufgabe erfüllt – doch eine einzige Mutation macht aus ihm ein Onkogen, also ein Krebsgen.

Um schlimme Konsequenzen solcher Mutationen zu verhindern, ist in unser Genom eine Grenze für die maximale Anzahl von aufeinanderfolgenden Zellteilungen eingeschrieben; aber diese Grenze kann durchbrochen werden. Zelllinien umgehen diese Grenze, und das ist einer der Gründe, warum eine einzige Mutation von H-Ras ausreicht, um eine Zelllinie in ein Krebsgeschwür zu verwandeln. Wie genau funktioniert dieses Sicherungssystem, und wie kann es umgangen werden?

An beiden Enden unserer Chromosomen sind Verdoppelungszähler angebracht, sodass die Zelle jederzeit einen groben Überblick darüber hat, wie oft sie sich schon geteilt hat. Die Chromosomenenden heißen Telomere (griechisch für Endstücke). Sie bestehen aus einer festen Abfolge von Buchstaben, TTAGGG, tausendfach wiederholt:

…TTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGG…

Bei jedem Kopiervorgang werden die Telomere um etliche Wiederholungen verkürzt. Das ist eine simple Folge der Kopiertechnik: Ein Stück am Ende des Chromosoms wird nicht mitkopiert. Es ist so, als hätte jedes Chromosom der befruchteten Eizelle ein Fahrscheinheft mitbekommen, von dem bei jeder Zellteilung ein Abschnitt abgerissen wird. Nach ein paar Dutzend Runden ist das Heft leer, und die Zelle kann das Chromosom nicht weiter kopieren.

Menschliche Zellen sind darauf programmiert, sich das Leben zu nehmen, wenn ihre Telomere abgenutzt sind. Und das ist gut so: Abgewetzte Telomere sind ein Zeichen ungebremsten Wachstums. Der Selbstmord der Zelle schützt den Rest des Körpers vor den Gefahren eines Krebsgeschwürs. Eine Krebszelle muss dieses Selbstmordprogramm umgehen, indem sie abgenutzte Telomere wieder aufbaut. Die Lösung hierfür ist erschreckend einfach. Krebszellen bedienen sich der Hilfe einer molekularen Maschine namens Telomerase, einem Gebilde aus etlichen Eiweißen. Die entsprechenden Gene verteilen sich über mehrere Chromosomen und sind auf eine einzige Aufgabe spezialisiert: den Wiederaufbau von Telomeren (Abb. 1.5).

Abb. 1.5: Ein Ausschnitt aus dem Stammbaum von Körperzellen. Die Telomere (die schwarzen Enden der Chromosomen) werden bei jeder Zellteilung verkürzt, bis sie schließlich komplett abgenutzt sind. An diesem Punkt begeht eine normale Zelle Selbstmord (links). Wenn aber eine Mutation das Telomerase-Gen anschaltet, werden die Telomere wieder vervollständigt, und die Tochterzellen können sich unbegrenzt weiter teilen (rechts).

Aber wenn die Verkürzung der Telomere ein Sicherungsmechanismus gegen unkontrolliertes Zellwachstum ist, warum enthält dann das Genom ein Gen zur Überwindung dieser Sicherung? Nach kurzem Nachdenken merkt man: Das muss so sein. Die Telomerase muss die bei der Produktion von Eizellen und Spermien verloren gegangenen Telomerstücke nachproduzieren, damit die nächste Generation mit vollständigen Telomeren startet. Die Telomerase wird unter Verschluss gehalten: Nur eine privilegierte Gruppe von »unsterblichen« Zellen darf sie benutzen; für andere Zellen bleibt die Telomerase tabu.

Aber jede Zelle besitzt das komplette Genom, inklusive der Telomerase-Gene, auch wenn diese in den meisten Zellen ausgeschaltet sind. Alles, was eine Zelle auf dem Weg zum Krebs braucht, um an ein Fahrscheinheft mit unbegrenzten Freifahrten zu kommen, ist eine Mutation an der richtigen Stelle am Anfang des TERT-Gens – jenes Gens, das die wichtigste Untereinheit der Telomerase beschreibt. Die Mutation verändert natürlich nicht den Bauplan des TERT-Eiweißes. Stattdessen ändert sie einen Buchstaben in einem der molekularen Schalter, die die Aktivität des Gens regulieren. Dieser Schalter wird normalerweise nur in den dazu befugten Zellen angeschaltet, indem spezielle Eiweiße sich daran heften, die nur dort vorkommen. Die Mutation bewirkt, dass sich das Gen immer so verhält, als klebten diese Eiweiße am Schalter – egal, ob sie nun wirklich da sind oder nicht. Etwa 90 Prozent aller Krebsarten aktivieren Telomerase auf diese Weise; andere Krebsarten benutzen alternative Wege, um ihre Telomere zu stabilisieren.

Telomere werden nicht nur für die Zellteilung gebraucht, sondern sie schützen auch die Enden der Chromosomen, die ohne sie miteinander verkleben würden. Bis eine Zelle auf dem Weg zum Krebs die Telomeraseproduktion angeschaltet hat, sind viele Telomere bereits abgenutzt und die entsprechenden Chromosomen verklumpen. Das ist einer der Gründe, warum die Chromosomen in Krebszellen unter dem Mikroskop so ganz anders aussehen als in normalen Zellen (Abb. 1.6).

Abb. 1.6: Ein Vergleich zwischen den Chromosomen einer normalen Zelle (links) und einer Krebszelle (rechts). Für das Durcheinander der Chromosomen in der Krebszelle sind hauptsächlich die klebrigen Chromosomenenden verantwortlich, die von den abgenutzten Telomeren nicht mehr geschützt werden; die Telomerase wird meist erst angeschaltet, nachdem schon viele Chromosomen miteinander verklebt sind und dann bei der Zellteilung auseinandergerissen wurden.

Der Wunschzettel einer zukünftigen Krebszelle

Mutationen des H-Ras- oder des TERT-Gens tragen zur Krebsentstehung bei. Aber das sind nur zwei Beispiele von vielen. Unterschiedliche Arten von Krebs – und oft sogar dieselbe Krebsart bei verschiedenen Patienten – können durch sehr verschiedene Mutationen verursacht werden. Die Auswirkungen dieser Mutationen sind aber weit weniger unterschiedlich als die Mutationen selbst: Sie gehören stets zu denselben acht Kategorien. Die Krebsforscher Douglas Hanahan und Bob Weinberg betrachten diese acht Kategorien als die »Markenzeichen« von Krebs. Jedes Markenzeichen beschreibt einen der Wege, auf dem die Sicherungsmechanismen des Körpers gegen unkontrolliertes Wachstum durchbrochen werden müssen, damit Krebs entstehen kann:

1. Selbstversorgung mit Wachstumssignalen: Eine Zelle im erwachsenen Körper teilt sich nur, wenn ihre Nachbarzellen sie durch Wachstumsfaktoren dazu auffordern – eine Art von Gruppenzwang. Eine Zelle, die ungebremst wachsen will, muss sich stattdessen selbst zum Wachsen auffordern. Die H-Ras-Mutation gehört in diese Kategorie.

2. Ignoranz gegenüber Antiwachstumssignalen: Nachbarzellen fordern eine Zelle auch dazu auf, mit dem Wachsen aufzuhören. Krebszellen müssen sich diesen Signalen gegenüber taub stellen.

3. Unsterblichkeit: Durch die sich verkürzenden Telomere beschränkt das Genom die Anzahl aufeinanderfolgender Zellteilungen. Krebszellen müssen diesen Mechanismus außer Kraft setzen. Die meisten Mutationen in dieser Kategorie verändern einen Schalter im TERT-Gen.

4. Vermeidung von Selbstmord: Zellen sind dazu programmiert, zu merken, wenn etwas entsetzlich schiefgegangen ist; an diesem Punkt setzen sie eine Kette von Ereignissen in Gang, an deren Ende ihre eigene Vernichtung steht. Krebszellen müssen diesen Mechanismus ausschalten, um ihren eigenen Selbstmord zu verhindern.

5. Umgehung des Immunsystems: Zu den Aufgaben unseres Immunsystems gehört die Entdeckung und Vernichtung von Krebszellen (oder solchen, die es werden wollen), bevor sie sich ausbreiten können. Eine Krebszelle muss deshalb lernen, sich vor dem Immunsystem zu verstecken.

6. Energieverschwendung: Unkontrolliertes Wachstum kostet Kraft. Um die notwendigen Energiemengen aufzubringen, schalten Krebszellen in einen Turbomodus, der Energie aus Zucker schneller, aber auch sehr viel verschwenderischer bereitstellt. Diese Rücksichtslosigkeit erhöht die Belastung des übrigen Körpers.

7. Anziehung neuer Blutgefäße: Zellen würden ohne Sauerstoff ersticken. Sauerstoff wird im Blut transportiert. Deshalb müssen die Zellen eines wachsenden Krebsgeschwürs die in der Nähe liegenden Blutgefäße dazu anregen, in ihre Richtung zu wachsen.

8. Invasion neuer Lebensräume: Ein Krebs wird sehr viel gefährlicher, wenn er herausfindet, wie er sich von seinem Ursprungsort lösen und in entfernte Regionen des Körpers reisen kann, um dort Kolonien zu bilden.

Eine Zelle erwirbt diese Markenzeichen nach und nach; nur ein ausgewachsener Krebs hat sie alle. Krebs ist deshalb vor allem auch eine Krankheit des Alters. Mit siebzig hat man eine mehr als zehnmal höhere Chance, an Krebs zu erkranken, als mit siebzehn. Wie viel Zeit ein Krebs für seine Entstehung braucht, sieht man etwa an der Verbindung von Lungenkrebs mit Zigarettenrauch. In den 1920er-Jahren kam das Zigarettenrauchen in den USA schwer in Mode. Die Anzahl der Raucher verdoppelte sich von Jahr zu Jahr. Das Auftreten von Lungenkrebs stieg parallel dazu genauso rapide an – aber mit einer Zeitverzögerung von fast dreißig Jahren.

Die Langsamkeit der Krebsentstehung zeigt sich auch darin, dass menschliche Krebsgeschwüre sich durch verschiedene Stadien entwickeln, die typischerweise Jahre in Anspruch nehmen. Diese Zeit benötigt der Tumor zum Ansammeln der acht verschiedenen Markenzeichen. Aber Moment – war nicht bereits eine einzige Mutation genug, um eine Maus-Zelllinie in ein Krebsgeschwür zu verwandeln?

Die Antwort zu diesem Rätsel liegt in der Natur der Zelllinie, in der die Wirkung der H-Ras-Mutation zuerst beobachtet wurde. Sie bestand nämlich nicht aus normalen Zellen. Zellen, an denen geforscht wird, sind selten normal. Man muss verschiedene Tricks anwenden, um die Zellen zum Weiterwachsen in einer Glasschale zu bewegen – um sie »unsterblich« zu machen. Zu diesen Tricks gehören immer auch Veränderungen des Genoms. Zum Beispiel muss man die Verkürzung der Telomere durch das Anschalten der Telomerase aufhalten. Erst später wurde Krebsforschern klar, dass die ursprüngliche Zelllinie schon am Abgrund zur Krebsentstehung stand: Es fehlte lediglich noch eine letzte Mutation – die von H-Ras –, um ihre Zellen in einen ausgewachsenen Krebs zu verwandeln. Eine normale Körperzelle ist davon noch weit entfernt; ihr fehlen noch die Mutationen für alle acht Markenzeichen.

Ein abtrünniges Genom

Die Wurzel von Krebserkrankungen liegt also darin, dass jede einzelne Zelle zu viel »weiß« – viel mehr, als sie zur Erfüllung ihrer Aufgaben brauchte. Die Macht, die dieses Wissen verleiht, kann auf katastrophale Weise missbraucht werden. Wenn das im Genom gespeicherte Wissen durch eine Handvoll kritischer Mutationen verfälscht wird, dann teilt die Zelle sich, obwohl sie es im Interesse des ganzen Körpers lieber lassen sollte. Und wenn ihre Töchter und Enkel dieses Muster ungebremst fortführen, dann gerät der ganze Körper aus dem Gleichgewicht.

Jede Krebserkrankung fängt klein an, mit einer einzigen fehlgeleiteten Zelle – »One Renegade Cell«, um einen Buchtitel von Bob Weinberg zu zitieren. Aber der wahre Abtrünnige hier ist das Genom, nicht die Zelle. Eine einzelne Zelle hat nur eine kurze Lebensspanne. Ihre Moleküle werden irgendwann auseinanderbrechen. Was weiterlebt, ist die in der Zelle gespeicherte Erbinformation: ihre Gene, die von Zellgeneration zu Zellgeneration immer wieder kopiert werden. Aber kopiert wird nicht das einzelne Gen. In unseren Körperzellen sind die Schicksale aller Gene im Genom untrennbar miteinander verknüpft. Aufstieg und Fall betreffen immer die komplette Schicksalsgemeinschaft. Ihr Erfolg oder Misserfolg beruht auf der Zusammenarbeit der Gene. In einem Krebsgenom bringt eine kleine Gruppe von Mutanten die übrigen Gene vom Pfad der Tugend ab, um sich über das Gesetz des kontrollierten Wachstums zu erheben und sich selbst damit einen unfairen (und kurzlebigen) Vorteil zu verschaffen.

Wie fast jeder Prozess in unserem Körper erfordert auch Krebsentstehung Teamarbeit. Jedes der acht Markenzeichen überwindet einen der Schutzmechanismen des Körpers. Aber wie wahrscheinlich ist es, dass ein einzelnes Genom alle acht Mutationen ansammelt? Wie hoch ist zum Beispiel die Wahrscheinlichkeit einer Mutation, die die Telomerase in Zellen anschaltet, die eigentlich nicht dazu befugt sind? Molekulare Schalter von Genen sind ziemlich klein; es gibt deshalb insgesamt nur etwa zehn verschiedene Mutationen, die die Telomerase aktivieren können. Jede der zehn tritt mit der normalen Häufigkeit von Mutationen auf, also mit einer Wahrscheinlichkeit von eins zu zehn Milliarden pro Zellteilung. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine davon passiert und dadurch versehentlich die Telomerase anschaltet, liegt also bei etwa eins zu einer Milliarde.

Ähnlich verhält sich das bei den anderen Markenzeichen. Dass bei derselben Zellteilung alle acht Schutzvorrichtungen gleichzeitig durchbrochen werden, hat also eine Wahrscheinlichkeit von eins zu einer Milliarde, achtmal mit sich selbst multipliziert: eins zu einer Milliarde Milliarden Milliarden Milliarden Milliarden Milliarden Milliarden Milliarden. Das ist eine Zahl, die so absurd groß ist, dass sie einem praktisch nie begegnet: eine Dodezillion (eine 1 gefolgt von 72 Nullen). Dass eine normale Zelle bei einer Zellteilung zu einer Krebszelle mutiert, ist genauso wahrscheinlich wie zehnmal in Folge mit derselben Zahlenkombination ein Sechser im Lotto – etwas, das uns mit ziemlicher Sicherheit nie passieren wird.

Trotzdem bekommen Menschen Krebs. Warum? Es ist zwar ausgesprochen unwahrscheinlich, dass alle für die Krebsentwicklung nötigen Mutationen in einer einzigen Zellteilung passieren. Aber es ist nicht schwer, sich vorzustellen, dass ein einzelnes Genom irgendwo in unserem Körper eine Mutation hat, die ein einziges der Markenzeichen von Krebs etabliert. Im Durchschnitt wird bei jeder zweiten Zellteilung eine zusätzliche Mutation in das neu entstandene Genom eingebaut. Bei der Anzahl von Zellteilungen, die nötig sind, um die Billionen Zellen in unserem Körper herzustellen, muss zwangsläufig irgendwann eine Mutation in einem einzelnen Genom an der falschen Stelle passieren. Das Entscheidende: Jede dieser Mutationen ändert die Spielregeln.

Das Genom muss zwar alle acht Mutationen in sich vereinen, um einen ausgewachsenen Krebs zu verursachen, aber eine einzelne Mutation macht auch schon einen wichtigen Unterschied. Eine Zelle mit einem abtrünnigen Genom, das nur eine dieser Mutationen hat, teilt sich oft schon schneller als ihre gesunden Nachbarzellen – etwa, weil sie nicht mehr auf Wachstumssignale der Nachbarn wartet, sondern sich selbst damit versorgt. Nach einiger Zeit hat diese schnell wachsende Zelle Millionen von identischen Klonen produziert. Die Wahrscheinlichkeit, dass wenigstens eine davon den nächsten Schritt in Richtung Krebs macht, wächst mit der Anzahl der Nachkommen (Abb. 1.7). Das Millionenheer von abtrünnigen Genomen bringt irgendwann ein neues Genom mit einer weiteren krebsverursachenden Mutation hervor, das damit dann bereits zwei der acht Markenzeichen in sich vereint – ein zweiter Schutzmechanismus ist durchbrochen.

Abb. 1.7: Wie Krebs Schritt für Schritt entsteht. Die Zeit läuft von oben (die erste Zelle des Zellstammbaums) nach unten (alle lebenden Nachkommen). Jeder Pfeil markiert eine Mutation, die das Zellwachstum beschleunigt – deshalb beschleunigt sich die Abfolge von Zellgenerationen in den Ästen darunter. Mit der Zeit werden die Nachkommen dieser Linie so zahlreich, dass die nächste Mutation in einer der Tochterzellen wahrscheinlich wird. Die neue Mutation beschleunigt das Zellwachstum weiter. Dieser Kreislauf wiederholt sich, bis alle für einen ausgewachsenen Krebs nötigen Mutationen angesammelt sind.

Das Genom mit den zwei Markenzeichen-Mutationen kann sich daraufhin noch besser vervielfältigen. Die Zellen mit diesem Genom werden sich noch schneller teilen als ihre Ein-Markenzeichen-Cousinen. Wenn die Nachkommen der Doppelmutanten wieder ein Millionenheer darstellen, wird die dritte Mutation wahrscheinlich. Dieser Prozess geht so lange weiter, bis das komplette Repertoire an Schutzmechanismen überwunden ist.

Diese aufeinander aufbauenden Schritte sind der Grund, warum Krebs so lange für seine Entstehung braucht. Deshalb könnten wir viele Krebserkrankungen verhindern, wenn wir nur in der Lage wären, rechtzeitig die Vorstufen zu bemerken – die Doppel-, Dreifach- oder Vierfachmutanten. Viele abtrünnige Genome vervielfältigen sich tief im Körper und bleiben unbemerkt, bis es zu spät ist. Aber manchmal kann man die veränderten Zellen von außen sehen, so wie unter Bob Marleys Zehennagel. Hätte Marley die Bedeutung dieses Flecks verstanden, hätte ihn das womöglich vor einem vorzeitigen Tod bewahrt. Die Krebszellen zu entfernen wäre der einzige Weg gewesen, die weitere Ausbreitung des Krebsgeschwürs zu verhindern. So ist das auch bei manchen Muttermalen. Normalerweise sind sie harmlos. Aber die Hälfte aller Melanome entsteht aus existierenden Muttermalen. Wenn ein Muttermal sich plötzlich vergrößert, kann das bedeuten, dass es bereits eine oder mehrere der Markenzeichen-Mutationen gesammelt hat. Wenn das passiert, empfehlen Ärzte häufig einen Präventivschlag: Sie entfernen das Muttermal, ehe die Genome seiner Zellen sich weiter in Richtung Krebs bewegen können.

Das Fortschreiten von Krebs in kleinen Schritten ist nichts anderes als Evolution im Inneren unseres Körpers. Die Krebsentstehung folgt der natürlichen Auslese, demselben Gesetz, das auch für die Anpassung aller Lebensformen an ihre Umgebung sorgt.

Die natürliche Auslese verändert Blumen, um sie attraktiver für Bienen oder für Kolibris zu machen, die ihre Pollen von Blume zu Blume tragen. Sie ist dafür verantwortlich, dass Bakterien resistent gegen Antibiotika werden. Natürliche Auslese bringt Motten und Mäuse dazu, ihre Farbe zu ändern, damit sie besser mit ihrer Umgebung verschmelzen. Charles Darwin war der Erste, der vollständig erkannte, wie das Leben sich von Generation zu Generation nach diesem Prinzip wandelt. Seine Erfahrungen als Naturforscher brachten ihn zu der Einsicht, dass alle Lebewesen miteinander verwandt sind – wie die Blätter an den verschlungenen Ästen eines großen (Stamm-)Baumes. Darwins größtes Verdienst ist seine klare Beschreibung der wunderbar simplen Logik der natürlichen Auslese. Ohne Übertreibung kann man sagen, dass dieser Prozess alle Wunder der lebendigen Welt hervorgebracht hat.

Darwin entwickelte die Theorie der natürlichen Auslese, indem er Pflanzen und Tiere beobachtete. Heute können wir dieselbe Theorie in Aktion sehen, wenn wir Zellen und ihre Genome betrachten. Hätte Darwin Krebszellen durch ein Mikroskop beobachten können, dann hätte er genauso viele Belege für seine Theorie gefunden wie bei der Betrachtung kompletter Lebewesen. Natürliche Auslese ist ein allgemeines Gesetz, das immer dann gilt, wenn die Mitglieder einer Gruppe erbliche Unterschiede haben und wenn diese Unterschiede ihre Chancen beeinflussen, Nachkommen zu hinterlassen. Die Individuen müssen zu einer Gruppe gehören, die gemeinsam evolviert; eine solche Gruppe nennen wir eine Population. Eine Population kann eine Tierart sein (solche Populationen hat Darwin untersucht) oder alle Zellen eines menschlichen Körpers oder sogar einfache Moleküle in einem Reagenzglas, die in der Lage sind, Kopien von sich selbst herzustellen.

Darwin fand drei Bedingungen, die erfüllt sein müssen, damit natürliche Auslese ein bestimmtes Merkmal beeinflusst. Das Merkmal muss (1.) sich zwischen einzelnen Mitgliedern der Population unterscheiden; (2.) erblich sein; und (3.) die Fitness beeinflussen. In der Evolution bedeutet Fitness etwas anderes, als wir uns gewöhnlich darunter vorstellen. Die Fitness einer Person oder einer Zelle ist ihr Reproduktionserfolg – die Rate, mit der sie Nachkommen produziert, die ihrerseits lange genug leben, um wieder Nachkommen zu haben. Wenn man ein bisschen darüber nachdenkt, merkt man, dass natürliche Auslese eine logische Notwendigkeit ist, sobald Darwins drei Bedingungen erfüllt sind. Zellen mit höherer Fitness produzieren mehr Nachkommen als andere, weshalb in der nächsten Generation ihre Nachkommen einen etwas höheren Prozentsatz ausmachen als in der Generation davor. Die Nachkommen haben die höhere Fitness geerbt, und deshalb erhöht sich der Prozentsatz der fitten Zellen von Generation zu Generation immer weiter. Irgendwann werden ihre Nachkommen zwangsläufig die Population beherrschen.

In einer Zellpopulation wartet die Mehrheit der Zellen mit dem Teilen, bis sie von den Nachbarn dazu aufgefordert werden. Aber eine Minderheit ist womöglich nicht so rücksichtsvoll. Ein solcher Unterschied hat oft genetische Ursachen, zum Beispiel aufgrund von Mutationen des H-Ras-Gens. Weil diese rücksichtslosen Zellen mehr Nachkommen als andere Zellen produzieren, bilden sie in ihrer Ecke des Körpers bald die Mehrheit. Krebs schreitet nach dem Gesetz der natürlichen Auslese unaufhaltsam fort, es sei denn, die Zellen mit den rücksichtsvolleren Genomen finden einen Weg, um die Abtrünnigen am Weiterwachsen zu hindern – etwa indem sie den Körper zu einem Arzt schleppen, um die zu schnell wachsenden Zellen entfernen zu lassen.

Krebs könnte sich nicht ausbreiten, wenn nicht alle drei Bedingungen für die natürliche Auslese erfüllt wären. Wenn alle Zellen identische Genome hätten, dann hätte natürliche Selektion nichts zu tun. Wenn Zellen sich unterschiedlich schnell teilen würden, dieser Unterschied aber nicht erblich wäre, dann würden die schneller wachsenden Zellen ihren Anteil nicht von Generation zu Generation vergrößern. Auch wenn Zellen zwar erbliche Unterschiede voneinander hätten, diese aber nichts mit Fitness zu tun hätten, würde sich die Zusammensetzung der Population nicht systematisch verändern.

Die aus der Logik der natürlichen Auslese zwangsläufig entstehende Konkurrenz zwischen unseren Zellen ist natürlich nicht vorteilhaft für uns oder für die Mehrheit der Genome in unseren Zellen – sie ist auf lange Sicht gesehen noch nicht einmal vorteilhaft für die abtrünnigen Zellen selbst.

Wenn der Körper stirbt, dann stirbt auch der Krebs. Für ein Gen mit einer krebsverursachenden Mutation gibt es keinen Weg, auf dem sie in die nächste menschliche Generation springen kann. Das Krebsgen ist in seiner Krebszelle gefangen und kann nicht in die Spermien oder Eizellen auswandern, die einzigen Zellen, die eine Aussicht auf Fortpflanzung haben. Es gibt zwar Hodenkrebs, aber die vielen für das Entstehen von Krebs nötigen Genomveränderungen lassen keine funktionierenden Spermien mehr zu.

Bei Menschen gibt es vom kurzlebigen Schicksal der Krebsgenome keine Ausnahme. Bei Tieren sind dagegen sehr seltene Fälle bekannt, in denen Krebsgenome den Körper überdauern. Ein beeindruckendes Beispiel ist ein Krebsgeschwür, das vor Tausenden von Jahren in einem der ersten domestizierten Hunde entstand. Es weilt immer noch unter uns (unter den Hunden, genauer gesagt). Die Nachkommen der ursprünglichen Krebszellen leben auf der Haut anderer Hunde weiter und werden von Hund zu Hund über Hautkontakte übertragen. Das Krebsgeschwür ist zu einem eigenständigen Parasiten geworden – zu einer neuen Art Krankheitserreger, dessen Vorfahren selbst Hunde waren.

Biologischer Erfolg ist nichts anderes als das langfristige Überleben: Erfolgreiche Gene sind solche, die noch immer im Spiel sind, die weiterhin Kopien von sich produzieren. Deshalb ist krebsartiges Wachstum nie im langfristigen Interesse eines Gens, das ja mit dem Körper zugrunde geht (wenn wir die äußerst seltenen übertragbaren Krebsgeschwüre mal außer Acht lassen). Aber die Logik der natürlichen Auslese ist kurzsichtig. Die Zellen des Körpers, als Population betrachtet, erfüllen die Bedingungen für die natürliche Auslese, und deshalb nimmt diese unweigerlich ihren Lauf – die Evolution von Krebs ist unvermeidbar. So erschreckend es auch ist: Jeder menschliche Körper wird Krebs entwickeln, wenn er nur lange genug lebt.

Natürliche Auslese ist nicht die einzige Parallele zwischen der Evolution von Krebs und der Evolution der Arten. Der Biologe Jerry Coyne hat die Evolution des Lebens so zusammengefasst: »Das Leben auf der Erde evolvierte schrittweise, angefangen mit einer primitiven Art – vielleicht ein sich selbst kopierendes Molekül –, die vor mehr als dreieinhalb Milliarden Jahren lebte; das Leben verzweigte sich über die Zeit, indem es viele unterschiedliche Arten hervorbrachte; und der Mechanismus für die meisten (aber nicht alle) evolutionären Veränderungen ist die natürliche Auslese.« Dieser Satz gibt kurz und knapp die fünf Prinzipien der Evolution wieder: (1.) Arten verändern sich, (2.) Arten sind miteinander verwandt, (3.) evolutionäre Änderungen passieren schrittweise, (4.) für viele Veränderungen ist natürliche Auslese verantwortlich, und (5.) nicht alle Veränderungen sind von der natürlichen Auslese verursacht.

Diese Prinzipien können genauso gut auf die Evolution von Krebs angewandt werden. Unsere Körperzellen häufen von Zellteilung zu Zellteilung neue Mutationen an (Prinzip 1: Veränderung passiert). Jeder von uns ist eine Kolonie von Zellen, die alle von derselben befruchteten Eizelle abstammen. Beim Krebs entwickelt eine Minderheit von Genen ihre eigene Agenda und kündigt die Zusammenarbeit mit dem Rest des Körpers auf. Man kann diesen Teil des Stammbaums im Vergleich zu den übrigen Zellen als eine neue »Art« betrachten (Prinzip 2: Gemeinsame Abstammung). Aber keine einzelne Mutation kann eine gesunde Zelle in eine Krebszelle verwandeln. Stattdessen sammeln die abtrünnigen Genome ihre Veränderungen eine nach der anderen an (Prinzip 3: Evolution passiert schrittweise). Der Anteil des Körpers, der aus den Nachkommen einer Zelle besteht, kann sich durch erbliche Mutationen verändern – Zellen in Vorstadien von Krebs, die sich schneller teilen, schlagen ihre braven Nachbarzellen aus dem Feld (Prinzip 4: Natürliche Auslese). Nicht alle Genomveränderungen beeinflussen die Funktion oder das Wachstum der Zelle, sodass sich manche Veränderungen rein zufällig ausbreiten können, zum Beispiel als Trittbrettfahrer von erfolgreichen Markenzeichen-Mutationen (Prinzip 5: Es gibt auch zufällige Änderungen).

In diesem Buch reden wir häufig über Gene, als hätten sie Absichten oder ein Bewusstsein. Haben sie natürlich nicht. Gene sind nichts als DNA-Abschnitte, kleine Teilstücke eines komplizierten Moleküls, des Chromosoms. Aber wenn wir die Eigenschaften von Genen und deren Konsequenzen betrachten, dann sieht es oft so aus, als würden die Gene handeln, um ihr eigenes Überleben zu sichern. Das liegt daran, dass die Evolution der Gene von der logischen Notwendigkeit angetrieben wird, die wir natürliche Auslese nennen. Wenn wir also zum Beispiel schreiben: »Eine Krebszelle versucht, sich einen unfairen Vorteil zu verschaffen«, dann ist das nur eine Abkürzung für den sehr viel umständlicheren Satz »Mutationen eines Gens, die zu einer erhöhten Wachstumsrate der Zellen mit dieser Mutation führen, führen zum Anwachsen des Prozentsatzes der Zellen mit dieser Mutation«. So wie in diesem Buch reden wir beide (die Autoren) auch mit unseren wissenschaftlichen Kollegen: Die Vermenschlichung bietet eine bequeme Abkürzung für die Diskussion komplizierter Sachverhalte. Diese bildhafte Sprache hilft uns einerseits, ein Gefühl für die Folgen der natürlichen Selektion zu entwickeln. Andererseits dürfen wir dabei aber nie vergessen, wie die vollständige und sachliche Beschreibung hinter diesen Analogien aussieht.

Ein Schritt vorwärts, ein Schritt zurück

Krebs wird nicht von Eltern auf Kinder übertragen, weil Krebs nicht in funktionsfähigen Spermien oder Eizellen evolviert. Aber Mutationen, die einzelne Schritte in Richtung Krebs in bestimmten Typen von Zellen etablieren, können vererbt werden.

Ein Beispiel dafür ist Brustkrebs, an dessen Entstehung häufig Mutationen in zwei bestimmten Genen beteiligt sind: BRCA1 und BRCA2 (Abkürzungen für BReast CAncer Gen 1 und 2). Frauen, die solch eine Mutation von einem ihrer beiden Eltern erben, haben ein achtzigprozentiges Risiko, im Laufe ihres Lebens Brust- oder Eierstockkrebs zu bekommen. Gesunde Exemplare von BRCA1 und BRCA2 arbeiten gemeinsam an der Reparatur beschädigter Chromosomen. Wenn sie einen Totalschaden diagnostizieren, dann setzen sie das Selbstmordprogramm der Zelle in Gang. Mutationen in diesen Genen führen anscheinend dazu, dass die entsprechenden Zellen Selbstmorde vermeiden können, womit sie eines der Markenzeichen von Krebs etablieren. Niemand versteht, warum Mutationen in diesen beiden Genen nur zur Krebsentstehung in der weiblichen Brust und den Eierstöcken beitragen; aber wir wissen, dass jede Frau, die diese Mutationen erbt, bei ihrer Geburt bereits einen Schritt in Richtung Krebs gegangen ist.

Warum eigentlich braucht ein Krebsgenom genau acht Markenzeichen? Und warum hat unser Körper anscheinend genau so viele Sicherungsmechanismen, dass die meisten Krebserkrankungen erst auftreten, wenn wir die Vierziger hinter uns haben? Das ist so, als ob das Genom genau die richtige Anzahl von Sicherungen eingebaut hätte, um die Evolution von Krebs zu vermeiden, bis wenigstens die Kinder aus dem Haus sind. Genau das ist wahrscheinlich auch passiert. Die acht Sicherungsmechanismen, die von Krebszellen überwunden werden müssen, sind in unseren Vorfahren durch natürliche Auslese evolviert. Wenn unser Anti-Krebs-System auch nur ein bisschen weniger wirkungsvoll wäre, dann würden viel mehr Menschen bereits in ihren Zwanzigern oder Dreißigern an Krebs erkranken – in dem Alter, in dem Menschen seit jeher die meisten ihrer Nachkommen bekommen.

Stellen wir uns vor, dass die ersten Säugetiere tatsächlich einen Sicherungsmechanismus weniger hatten, aber dass ein einziges Tier eine Mutation besaß, die es besser vor Krebs schützte. Es hätte damit den Krebs bis nach seinen reproduktivsten Jahren in Schach halten können und hätte als Folge mehr Nachkommen hinterlassen. Die drei Bedingungen für natürliche Auslese – Variabilität, Erblichkeit, Fitnesseffekte – wären erfüllt gewesen, und mit der Zeit hätte sich dieses bessere Anti-Krebs-System über seine ganze Art verbreitet.

Tiere in der freien Wildbahn werden selten alt. Und vor der Industrialisierung, als es noch keine Antibiotika gab, galt das auch für Menschen. Die wenigsten Individuen wurden alt genug, um von einer noch besseren Krebsabwehr zu profitieren. Aus der Sicht der natürlichen Auslese gab es deshalb gar keinen Grund, ein besseres System zu entwickeln als das, was wir jetzt haben. Anders gesagt: Natürliche Auslese hätte kein Interesse an einer möglichen neunten Verteidigungslinie gegen Krebs gehabt.

Überraschenderweise gibt es eine Ausnahme in der Tierwelt: den Nacktmull. Kleine Säugetiere leben normalerweise nicht länger als einige Jahre, aber dieses ostafrikanische Nagetier hat eine Lebenserwartung von 30 Jahren – mehr als zehnmal so viel wie seine ähnlich große Cousine, die Maus. Das ist so, als würde man eine Affenart mit einer Lebenserwartung von 600 Jahren entdecken. Noch nie hat man auch nur eine einzige Krebserkrankung bei Nacktmullen entdeckt. Im Gegensatz dazu wird ein Großteil der Krebsforschung an Mäusen durchgeführt, denn Mäuse haben dieselben acht Schutzmechanismen gegen Krebs wie wir. Dass Nacktmulle solch ein biblisches Alter erreichen, ohne Krebs zu bekommen, bedeutet, dass sie entweder einen der existierenden Schutzmechanismen verstärkt oder einen ganz neuen gefunden haben. Das weckt Hoffnungen: Wenn wir im Detail verstanden haben, wie Nacktmulle das Krebsproblem lösen, können wir dieses Wissen womöglich für die Entwicklung neuer Krebstherapien nutzen.

Evolution ist nicht auf die Vergangenheit beschränkt. Evolution läuft immer und überall ab, auch im Inneren unseres Körpers, auch in diesem Moment. Deshalb mag es unausweichlich sein, dass wir irgendwann Krebs bekommen (außer, und das ist nicht unwahrscheinlich, uns rafft vorher etwas anderes dahin). Aber es ist nicht unausweichlich, dass wir am Krebs sterben! Die Krebsforschung ist eines der aktivsten und deshalb auch eines der am weitesten fortgeschrittenen Forschungsfelder in den Biowissenschaften. Immer wieder werden neue Therapien für bestimmte Krebsarten entdeckt. Eine jüngere Entwicklung, die Immuntherapie, könnte gar ein allgemeiner Durchbruch im Kampf gegen den Krebs sein. Hierbei wird das körpereigene Verteidigungssystem genutzt, um gezielt genau diejenigen Krebszellen zu bekämpfen, die im Patienten selbst evolviert sind. Es ist denkbar, dass wir in nicht allzu ferner Zeit Krebs als eine chronische Krankheit betrachten – ähnlich wie heute HIV, das für Menschen mit Zugang zu moderner Gesundheitsversorgung viel von seinem Schrecken verloren hat.

Das Immunsystem, das vielleicht den Schlüssel zu leistungsstarken Krebstherapien in sich birgt, ist Thema des nächsten Kapitels. Dort führen wir auch die Analogie der Gengesellschaft ein – ein überaus nützliches Werkzeug zum Verständnis der Evolution.

WIE UNSERE FEINDE UNS FORMEN

»Nur oberflächliche Menschen urteilen nicht nach dem Äußeren.«

Oscar Wilde

Wir schreiben das Jahr 1993. Sechs Doktoranden der Eliteuniversität MIT betreten ein Casino in Las Vegas – mit einem Plan, der die Spielbanken der Stadt um Millionen erleichtern wird. Zum Betrug beim Blackjack verfolgen sie eine simple Strategie aus dem 18. Jahrhundert: Sie zählen Karten. Um ihre Gewinnchancen zu erhöhen, müssen sie nur wissen, ob ein Blackjack-Tisch »heiß« ist, das heißt, ob noch ungewöhnlich viele Bildkarten (Bube, Dame, König) im Spiel sind; damit verschieben sich die Gewinnchancen zugunsten der Spieler. Fünf der Studenten spielen an verschiedenen Spieltischen um kleine Einsätze und zählen dabei die ausgespielten Bildkarten. Der sechste wartet im Hintergrund. Wenn einer der anderen fünf ihm unauffällig signalisiert, dass sein Tisch heiß ist, setzt er sich dazu und platziert hohe Einsätze. Die Gewinne aus mehreren Spielcasinos teilen die Studenten unter sich auf: insgesamt drei Millionen Dollar.

Das Mitzählen der Karten verschafft den Betrügern einen unfairen Vorteil gegenüber anderen Spielern und gegenüber der Bank. Deshalb verbieten Casinos diese Strategie. Um kartenzählende Spieler zu entdecken und auf Schwarze Listen zu setzen, haben Spielbanken im Laufe der Zeit immer ausgefeiltere Gegenstrategien entwickelt. Wenn ein Spieler beim Zählen erwischt wird, ist die einfachste Lösung, ihm für die Zukunft Hausverbot zu erteilen, getreu der amerikanischen Redensart »Wenn du mich einmal zum Narren hältst, solltest du dich schämen. Wenn du mich zweimal zum Narren hältst, dann sollte ich mich schämen!«. Früher waren es Türsteher, die Betrüger auf der Schwarzen Liste am Casinoeingang identifizierten und am Eintritt hinderten, heute benutzen die großen Casinos dafür Überwachungskameras und Gesichtserkennungssoftware.

Man kann ein Casino und seine ehrlichen Kunden als eine lose definierte Gesellschaft betrachten. Falschspieler versuchen, diese Gesellschaft auszunutzen. Die Betrüger draußen zu halten ist dann letzten Endes eine Frage der Grenzziehung: Um sich davor zu schützen, übervorteilt zu werden, muss eine Gesellschaft ihre Mitglieder von Außenstehenden unterscheiden können. Eine ganz ähnliche Unterscheidung zwischen Freund und Feind muss auch unser Immunsystem vornehmen, um unseren Körper vor Krankheitserregern zu schützen. Angetrieben von der Kraft der natürlichen Auslese hat die Gengesellschaft vor Urzeiten Strategien dafür entwickelt – Strategien, deren Arbeitsweise auf demselben Prozess beruht, der für die Entstehung neuer Arten und für die Ausbreitung von Krebs verantwortlich ist.

Die Gengesellschaft

Evolution verstehen wir am besten, indem wir unsere Gene als die Mitglieder einer Gesellschaft betrachten. Wenn unsere 20 000 Gene vervielfältigt werden wollen, müssen sie zusammen einen Körper bauen und betreiben, der dazu in der Lage ist. Das geht nur mit einer präzise abgestimmten Arbeitsteilung und einer entsprechend aufwendigen Organisationsstruktur. Der Zwang zur Zusammenarbeit bedeutet aber keineswegs, dass die Gengesellschaft von Harmonie geprägt wäre.

Jedes menschliche Genom enthält genau denselben Satz (oder dieselben »Typen«) von Genen, die stets gleich auf die Chromosomen verteilt sind. Aber die Gene sind von Mensch zu Mensch nicht absolut identisch: Aufgrund von Mutationen kommt jedes Gen in vielen verschiedenen Versionen vor. Die unterschiedlichen Versionen eines Gens nennen wir Allele. Zum Beispiel hat 1 Prozent aller Menschen ein T an der zwanzigsten Position des Hämoglobin-Beta-Gens auf Chromosom 11, während an dieser Stelle bei den meisten anderen ein A steht. Die beiden Allele, die sich durch diesen Buchstaben unterscheiden, funktionieren leicht unterschiedlich. Außer in Gegenden mit vielen Malaria-Infektionen ergeht es den Trägern des A-Allels besser (mehr dazu in Kapitel 4); im Laufe vieler Generationen könnte das T-Allel deshalb noch weiter an den Rand gedrängt werden und irgendwann ganz verloren gehen.

Man kann sich Gene als spezialisierte Branchen in einer menschlichen Gesellschaft vorstellen: Bäckereien, Apotheken, Baumärkte und so weiter. So wie verschiedene Branchen einander ergänzen, um eine funktionsfähige Gesellschaft zu bilden, so ergänzen sich auch verschiedene Gene. Aber innerhalb einer Branche herrscht ein unbarmherziger Konkurrenzkampf: Wenn die Filialkette »Betty’s Bakery« die leckersten Croissants der Stadt bäckt, könnten weniger beliebte Bäckereien pleitegehen und durch eine Filiale von »Betty’s Bakery« ersetzt werden. Genauso konkurrieren auch die unterschiedlichen Allele desselben Gens miteinander (Abb. 2.1).

Abb. 2.1: Die Analogie der Gengesellschaft. Links die Branchen einer menschlichen Gesellschaft, repräsentiert durch drei Ladenzeilen an verschiedenen Orten. Jede Spalte entspricht einer Art von Geschäften: Brillen, Bücher, Schuhe und Bäckereien. Einige Ketten, so wie »Bob’s Boots«, sind erfolgreicher als andere: Sie sind in mehr Städten vertreten. Die linke Tortengrafik zeigt den landesweiten Marktanteil der verschiedenen Bäckereien. Rechts die Gengesellschaft, repräsentiert durch drei Reihen von Allelen in verschiedenen menschlichen Genomen (dargestellt als Kästchen; um sie unterscheiden zu können, sind sie jeweils mit einer charakteristischen Mutation markiert). Jede Spalte von Allelen repräsentiert ein Gen – einen bestimmten Platz im Genom. Einige Allele, so wie das A-Allel im Gen ganz rechts, sind erfolgreicher als andere: Sie sind in mehr Genomen vertreten. Die dazugehörige Tortengrafik zeigt die Häufigkeit (den »Marktanteil«) der drei Allele des Gens ganz links, aufsummiert über alle menschlichen Genome.

Die Gengesellschaft ist nichts anderes als die Gesamtheit aller Allele von allen Genen, die irgendwo in den Genomen einer Population vorkommen. Jedes menschliche Genom stellt eine von vielen Möglichkeiten dar, wie man aus den vorhandenen Allelen der Gengesellschaft einen vollständigen Satz von Anweisungen zum Bau und Betrieb eines menschlichen Körpers zusammenstellen kann. Sätze von Allelen können menschliche Körper auf unzählige andere Arten bauen – deshalb unterscheiden wir alle uns in sehr, sehr vielen Details (mehr dazu in Kapitel 4). Der Status eines Allels bemisst sich nach seiner Popularität in der Gengesellschaft: Die erfolgreichsten Allele sind die, die (fast) jeder hat.

Genau wie Buchläden oder Cafés auf die Zuverlässigkeit ihrer Zulieferer angewiesen sind, hängt das Überleben jedes Allels vom Funktionieren seiner Kollegen, den Allelen der anderen Gene, ab. Allele desselben Gens konkurrieren dabei untereinander um die Vorherrschaft. Betrachten wir zwei Gene, die gemeinsam eine molekulare Maschine bauen: Zwei Allele dieser Gene sind vielleicht als Team besonders erfolgreich, sie arbeiten ungewöhnlich gut zusammen, und Menschen, in deren Genomen die beiden gemeinsam vorkommen, hinterlassen deshalb mehr Nachkommen als andere. Das erinnert an einträgliche Partnerschaften zwischen Unternehmen, etwa zwischen einer Kette von Buchhandlungen und einer Kette von Cafés. Und genau dieses Bild ist es, das uns das zentrale Motiv dieses Buches liefert: Die vielschichtigen Beziehungen zwischen den Mitgliedern der Gengesellschaft – die Zusammenarbeit zwischen Allelen verschiedener Gene und die Konkurrenz zwischen Allelen desselben Gens.

Evolution im Inneren unseres Körpers – wie im Beispiel von Krebs (Kapitel 1) oder der Anpassung unseres Körpers an Krankheitserreger (dieses Kapitel) – ist ein kurzlebiger Prozess. Aus der Betrachtung solcher Vorgänge können wir Wichtiges über die Arbeitsbeziehungen zwischen unseren Genen lernen, aber ihre Evolution als Gesellschaft können wir so nicht verstehen. Das liegt daran, dass neue Zellen in unserem Körper immer als Klone bestehender Zellen entstehen: Ihr Genom ist eine identische Kopie des Genoms ihrer Mutterzelle, allenfalls abgewandelt durch eine Handvoll neue Mutationen. Zwei Allele verschiedener Gene, die in unterschiedlichen Zellen sitzen, werden einander nie begegnen. Wenn wir die Arbeitsweise und die Evolution der Gengesellschaft verstehen wollen, müssen wir sehr viel größere Zeiträume ins Auge nehmen.

Menschen und ihre individuellen Genome kommen und gehen. Die Evolution des Menschen findet in der Gengesellschaft statt, wo oft Jahrtausende vergehen, ehe über Erfolg und Misserfolg eines neuen Allels entschieden ist. Eine entscheidende Frage ist deshalb: Welche Regeln beherrschen die Gengesellschaft? Allele sind keine selbstlosen Idealisten. Ein Allel, das die Fitness seiner Träger erhöht, wird von der natürlichen Auslese mit der Erhöhung seiner Popularität (seines »Marktanteiles«) belohnt. Deshalb verfolgt jedes Allel seine eigenen Interessen, wenn es mit Kollegen kooperiert – ein bestechendes Beispiel für Adam Smiths Vermutung, dass Eigeninteressen das Gemeinwohl fördern, wenn man sie nur entsprechend kanalisiert.

Ein Bakterium vergisst nie

Wenn unser Immunsystem zusammenbricht, sind wir unseren Feinden hilflos ausgeliefert. Diese Katastrophe ist der Kern von AIDS, »Acquired Immunodeficiency Syndrome« (oder auf Deutsch: »erworbenes Abwehrschwäche-Syndrom«). HIV, das AIDS-verursachende Virus (»Human Immunodeficiency Virus« oder »menschliches Abwehrschwäche-Virus«), wählt sich als Lebensraum ausgerechnet diejenigen Zellen, die für den Schutz unseres Körpers vor Krankheitserregern zuständig sind. HIV manipuliert diese Immunzellen zu seinem eigenen Vorteil. Damit schwächt es das Immunsystem des Opfers so stark, dass es nicht nur gegenüber HIV hilflos wird, sondern auch viele andere Bedrohungen nicht mehr abwehren kann – Bedrohungen, mit denen gesunde Menschen in der Regel mühelos fertig werden, von Bakterien- und Pilzinfektionen bis hin zu Krebs.

Alle Viren, von den Verursachern einer gewöhnlichen Erkältung bis hin zu HIV, sind versierte Betrüger beim wichtigsten Spiel des Lebens: bei der eigenen Vervielfältigung. Um sich zu reproduzieren, durchläuft jede Zelle einen umständlichen und komplizierten Prozess. Viren nehmen stattdessen eine Abkürzung – sie überleben als Trittbrettfahrer anderer Gengesellschaften. Sie könnten auch gar nicht anders, denn ihnen fehlen die notwendigen Gene für die eigene Vervielfältigung. Ein Virus betritt unseren Körper durch verunreinigtes Essen (Magen-Darm-Entzündungen verursachende Rotaviren), über von anderen Menschen ausgenieste Tröpfchen (Erkältungen hervorrufende Rhinoviren) oder über den intimen Austausch von Körperflüssigkeiten (AIDS verursachende HIV). Einmal im Körper, heftet sich das Virus von außen an eine unserer Zellen und verschafft seinem Genom Zutritt zum Inneren. Dort angekommen, lassen sich die Gene des Virus von unseren Eiweißen ablesen. Sie beginnen, die Zelle nach ihren eigenen Bedürfnissen umzuprogrammieren: Die gekidnappte Zelle beginnt, Kopien des Virus herzustellen. Sobald diese Kopiertätigkeit die zellulären Rohstoffe erschöpft hat, macht sich die Horde neu geschaffener Viren von dannen. Dabei sind sie ihrem entführten Mutterschiff gegenüber nicht übertrieben sentimental. Viele Viren töten die von ihnen infizierte Zelle, indem sie sie zum Platzen bringen. Einige der freigesetzten Viren finden neue Zellen zum Infizieren, und der Kreislauf der Fortpflanzung durch Zerstörung setzt sich fort (Abb. 2.2).

Abb. 2.2: Der Lebenslauf eines Virus. Das Virus heftet sich an die Zelle und spritzt sein Genom ins Innere. Das Virengenom zwingt die zelluläre Maschinerie zum Herstellen von Viruskopien. Sobald die größtmögliche Menge von Viren produziert ist, platzt die Zelle auf und setzt die Viren frei.

Auch Bakterien werden von Viren heimgesucht. Bakterien bestehen selbst aus nur einer einzigen winzigen Zelle, die ähnlich aufgebaut ist wie unsere Zellen, nur sehr viel kleiner und weniger stark unterteilt. Wenn wir uns jede unserer eigenen Zellen als eine Wohnung vorstellen, mit Räumen für verschiedene Funktionen (Küche, Schlafzimmer, Wohnzimmer …), dann entspricht das Bakterium einer Hundehütte. Ein Bakteriengenom enthält typischerweise weniger als 4000 Gene, also gerade einmal ein Fünftel der Zahl in unserem eigenen Genom.

1995 wurde zum ersten Mal die komplette Buchstabenfolge eines bakteriellen Genoms von Menschen gelesen; seither wurden Tausende weiterer Bakteriengenome untersucht. Dabei fiel eine merkwürdige Struktur auf, die in vielen Bakteriengenomen enthalten ist: eine Abfolge von ungefähr dreißig DNA-Buchstaben, die sich bis zu hundertmal im Genom wiederholt. Jede Wiederholung ist annähernd ein Palindrom: Sie liest sich vorwärts und rückwärts fast gleich. Dabei sitzen die Wiederholungen im Genom nicht auf Tuchfühlung. Sie sind voneinander durch Bereiche getrennt, die ihre Entdecker abschätzig »Abstandshalter« nannten. Die Abstandshalter sind zwischen fünfundzwanzig und vierzig Buchstaben lang, und anders als die Wiederholungen ist jeder von ihnen einzigartig.

Viele Jahre lang wusste niemand, wozu diese Abschnitte aus Wiederholung-Abstandshalter-Wiederholung-Abstandshalter-Wiederholung-Abstandshalter-Wiederholung… da sein sollten. Aber einen Grund für ihre Existenz musste es geben – Bakteriengenome neigen dazu, überflüssige Teilstücke zu verlieren. Die geheimnisvollen DNA-Abschnitte wurden CRISPR genannt, eine Abkürzung für ihre nüchterne Beschreibung: »Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats« (»gruppierte, regelmäßig angeordnete, kurze, palindromische Wiederholungen«). Der Durchbruch zum Verständnis der CRISPR-Funktion gelang nicht durch das eingehende Studium der Wiederholungen, sondern durch einen genaueren Blick auf die scheinbar nutzlosen Abstandshalter. Die Buchstabenfolgen der Abstandshalter waren in vielen Fällen identisch mit Teilen von Virengenomen. Aber warum sollte ein bakterielles Genom Stückchen von viraler Information enthalten, sorgfältig eingepackt zwischen den merkwürdigen Wiederholungen?

Die viralen Genomstücke sind so etwas wie Fahndungsfotos von früheren Angreifern des Bakteriums, ausgehängt im Inneren des Bakteriums wie die Fotos von Betrügern auf der Schwarzen Liste am Eingang einer Spielbank (Abb. 2.3). Das Bakterium benutzt diese Information, um Eindringlinge aufzuspüren und auszuschalten, die früheren Angreifern ähneln. Damit immunisiert sich das Bakterium gegen zukünftige Attacken von nahen Verwandten der Viren, mit denen es in der Vergangenheit schon zu tun hatte. Diese Art der bakteriellen Immunität illustriert, wie eine Gengesellschaft ihre Grenzen definieren kann: Das Bakterium führt eine Liste darüber, wer nicht dazugehört, und fügt ein neues Fahndungsfoto ein, wenn es einen bisher unbekannten Feind entdeckt.

Abb. 2.3: So wie ein Wachmann verdächtige Gestalten mit einer Sammlung von Fahndungsfotos vergleicht, so vergleichen Bakterien die Genome möglicher Eindringlinge mit den Profilen früherer Angreifer, die sie in ihren CRISPR-Abstandshaltern gespeichert haben.

Wenn ein Forscher eine Kolonie unglücklicher Bakterien mit einem Virus infiziert, sind die meisten Bakterien dem Untergang geweiht (Abb. 2.4). Wenn wir dann die Genome der toten Bakterien mit den Genomen der wenigen Überlebenden vergleichen, finden wir typischerweise nur einen einzigen Unterschied: einen zusätzlichen Abstandshalter in der CRISPR-Region der Überlebenden, flankiert von einer zusätzlichen Wiederholung. Der neue Abstandshalter ist ein perfektes komplementäres Spiegelbild eines Abschnittes des Virusgenoms. Der Abstandshalter wurde von einem Eiweiß eingefügt, das auf den Einbau viraler DNA-Stückchen in die CRISPR-Struktur spezialisiert ist. Nur wenige Bakterien schaffen das rechtzeitig – das ist der Grund, warum die meisten den Angriff der rapide wachsenden Virenarmee nicht überstehen.

Abb. 2.4: Die CRISPR-Region eines Bakteriums vor und nach einem Virenangriff. Ein Virus attackiert die bakterielle Population und tötet alle Bakterien – bis auf eines. Die überlebende Zelle hat es rechtzeitig geschafft, ein komplementäres Spiegelbild eines Teils des Virengenoms in ihre CRISPR-Region einzubauen. Dadurch kann sie die Viren-DNA identifizieren und zerstören – sie ist immun gegen das Virus. Die Nachkommen des überlebenden Bakteriums erben die Immunität und gedeihen deshalb auch in Gegenwart der Viren prächtig.

Die Art, wie Bakterien Fahndungsfotos mit möglichen Bedrohungen vergleichen, benutzt dieselben Kräfte, die die beiden DNA-Ketten eines Chromosoms zusammenhalten. DNA-Ketten bestehen ja aus Millionen miteinander verbundenen Buchstaben (den Basen A, T, C und G), die wie passende Puzzleteile geformt sind. Zur Erinnerung: Adenin (A) wird durch chemische Kräfte von Thymin (T) angezogen, und Cytosin (C) wird von Guanin (G) angezogen. Dieselben Paarungsregeln gelten für eine sehr ähnliche Art von Molekülen: die Ribonukleinsäuren (oder RNA, für »Ribonucleic Acid«). Der einzige für uns relevante Unterschied ist, dass in RNA anstatt Thymin (T) das chemisch ähnliche Uracil (U) verwendet wird. RNA wird von Zellen genutzt, um Informationen nur vorübergehend zu speichern. Aus RNA werden zum Beispiel die kurzlebigen Vorlagen für die Produktion von Eiweißen gemacht, die sogenannten Boten-RNAs. Einige virale Genome sind jedoch ganz aus RNA anstatt aus DNA gemacht. Wenn man nun passende Einzelketten von DNA und/oder RNA in ein Reagenzglas spritzt und in ausreichender Vergrößerung betrachtet, sieht man, dass die sich ergänzenden Spiegelbilder einander anziehen: Sie bilden DNA- oder RNA-Doppelketten.

Das CRISPR-System nutzt für seine Jagd auf Eindringlinge dieses Prinzip der Spiegelbild-Anziehung. Das Bakterium kopiert (oder »transkribiert«) jeden Abstandshalter mit den angrenzenden Wiederholungen in eine RNA-Einzelkette, die dann in der Zelle zur Schau gestellt wird. Sobald sich passende Genomstücke von Viren im Inneren der Zelle befinden, bleibt die RNA-Kette daran kleben (Abb. 2.5). Spezielle Eiweiße hacken jede so entstehende Doppelkette in Stücke.

Abb. 2.5: Das bakterielle Immunsystem kopiert die Fahndungsfotos, die als CRISPR-Abstandshalter gespeichert sind, in RNA-Ketten. Diese werden von exakt passenden viralen Genomabschnitten angezogen – angetrieben von denselben chemischen Kräften, die die Doppelketten unserer Chromosomen zusammenhalten.

Wenn das CRISPR-System sich einen neuen Krankheitserreger merkt, dann fügt es eine bestimmte DNA-Buchstabenfolge an einer genau festgelegten Stelle des Genoms ein – eine extrem knifflige Aufgabe. Diese Fähigkeit haben Biologen vor Kurzem zu einem enorm nützlichen Forschungswerkzeug umarbeiten können, mit dem man Genomtexte in lebenden Zellen bearbeiten, also »Genome Editing« betreiben kann: der Genschere CRISPR-Cas9.

Wenn CRISPR als Immunsystem perfekt funktioniert hätte, dann wären die Viren ausgestorben: Das System hätte sich selbst überflüssig gemacht. Stattdessen geht die Schlacht zwischen Bakterien und Viren weiter. Verteidigungsschläge der einen Seite führen zu Gegenmaßnahmen der anderen – ein evolutionäres Wettrüsten. Ein Virus kann dem bakteriellen Immunsystem auf verschiedene Arten entgehen. Bakterien müssen ihren Überwachungsaufwand überschaubar halten, indem sie die ältesten Abstandshalter verlieren, wenn Platz für neue gebraucht wird. Viren, die lange genug weg waren, um so in Vergessenheit zu geraten, werden dadurch wieder »unsichtbar« für das Bakterium. Eine andere Taktik der Viren besteht darin, ihr Aussehen so zu ändern, dass sie nicht mehr dem Fahndungsfoto entsprechen. Alles, was es dafür braucht, ist die Mutation eines einzigen Buchstabens im Virengenom, dessen Spiegelbild auf dem Abstandshalter der Bakterien gespeichert ist. Das Bakterium reagiert, indem es eine aktualisierte Version des viralen Fahndungsfotos in sein Genom einbaut.

Manchmal benutzt ein Bakterium versehentlich ein Selfie als Fahndungsfoto: Es baut irrtümlich ein Bruchstück des eigenen Genoms als Abstandshalter ein. Dann entsteht eine tödliche Autoimmunkrankheit, denn das Bakterium hält seine eigene DNA für die eines Angreifers und beginnt, sie zu zerstören.

Kann eine bakterielle Gengesellschaft mehr Feinde haben, als sie sich merken kann? Es sieht ganz danach aus: Für Bakterien, die beispielsweise im offenen Meer leben, scheinen CRISPR-Systeme nutzlos zu werden. Sie brauchten zu viel Platz im Genom, um alle möglichen Bedrohungen lückenlos zu speichern.

Ein Fahndungsfoto-Zufallsgenerator

Wenn unser Körper sich gegen Eindringlinge mit einem CRISPR-artigen Einsatzkommando verteidigen würde, dann könnten zwar einzelne Körperzellen immun werden, aber sie könnten die in ihrem Genom gespeicherten Fahndungsfotos nicht an die Nachbarzellen weitergeben. Und da nur die Genome von Spermien beziehungsweise Eizellen an die nächste Generation weitergegeben werden, könnten wir Informationen über frühere Angreifer auch nicht an unsere Kinder übertragen.

Ebenso problematisch: Eine Fahndungsfoto-Datenbank kann uns zwar über mögliche Wiederholungstäter informieren, aber sie ist keine Hilfe für den Unglücklichen, der das erste Mal mit einem neuen Krankheitserreger konfrontiert wird. Das ist zwar auch bei Bakterien so, aber es ist erheblich aufwendiger, einen menschlichen Körper zusammenzusetzen, als eine Bakterienzelle zu bauen – wir Menschen hätten es nie so weit gebracht, wenn unser Körper beim ersten Anblick einer bisher unbekannten Gefahr sofort umfallen würde. Wir verfügen stattdessen über ein System, das einen prompten Gegenangriff auch gegen bisher unbekannte Angreifer starten kann und das diesen Gegenangriff dann auf den ganzen Körper ausbreitet. Wie funktioniert das?

Genau wie bei allen anderen Tieren mit einer Wirbelsäule teilt unser Immunsystem diese Aufgabe auf eine ganze Reihe verschiedener Zellen auf. Wie bei Bakterien liegt auch bei Wirbeltieren die entscheidende Aufgabe darin, Eindringlinge erst einmal auszumachen. Die Strategie dafür unterscheidet sich nicht wesentlich von der, die in Spielcasinos und Bakterien angewendet wird: Wir stellen für jede Bedrohung spezifische Fahndungsfotos her. Es wäre unmöglich, für jeden möglichen Eindringling eine passende DNA-Sequenz zu speichern – die Anzahl der dafür nötigen Gene wäre größer als die Zahl der Buchstaben in unserem Genom. Stattdessen besitzen wir einen Zufallsgenerator für Fahndungsfotos. Bakterien merzen ihre Viren aus, indem sie die Anziehung von sich ergänzenden DNA-Spiegelbildern ausnutzen. Unser Immunsystem benutzt eine ähnliche Strategie, wobei unsere Fahndungsfotos – die Antikörper – nicht aus DNA, sondern aus Eiweißmolekülen bestehen. Um zu verstehen, wie zufällige Antikörper erzeugt werden, müssen wir uns also zunächst Eiweiße und ihre Herstellung genauer ansehen.

Wie die Gene kann man auch die Eiweiße als lange Wörter betrachten. Allerdings verwenden diese ein anderes Alphabet als die DNA. Wie DNA reihen auch Eiweiße Moleküle als Kette aneinander, nur dass sie dazu zwanzig verschiedene Aminosäuren anstelle der vier Basen A, T, G und C benutzen. Um ein Eiweiß herzustellen, müssen die Aminosäuren zunächst in der richtigen Reihenfolge zu einer langen Kette verbunden werden. Durch die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Aminosäuren (unter anderem Größe, elektrische Ladung, Abstoßung von Wasser) faltet sich die entstehende Kette spontan in eine festgelegte dreidimensionale Struktur. Jede Eiweißform ist durch natürliche Auslese für die Ausführung einer bestimmten Funktion optimiert worden (Abb. 2.6). Mit zwanzig anstatt nur vier Bausteinen können Eiweiße wesentlich mehr unterschiedliche Formen annehmen und vielseitiger eingesetzt werden als Ketten aus DNA und RNA.

Abb. 2.6: Eiweiße (Proteine) haben vielfältige Funktionen. Ein Eiweiß kann zum Beispiel eine chemische Reaktion katalysieren: Zwei bestimmte Molekülarten bleiben an dafür vorgesehenen Nischen des Eiweißes hängen und werden dadurch dazu ermuntert, sich miteinander zu verbinden (oben). Ein anderes Eiweiß überträgt Informationen, indem es ein energiereiches Molekül an andere Eiweiße weitergibt (Mitte). Ein drittes Eiweiß hilft, der Zelle eine Form zu geben: Es schließt sich einer Gruppe gleichartiger Eiweiße an, um gemeinsam einen winzigen Stützbalken zu bauen (unten).

Um ein Eiweiß herzustellen, wird zunächst der Bauplanabschnitt eines Gens in eine Boten-RNA kopiert. Dann muss die Zelle diese Boten-RNA aus ihrem 4-Buchstaben-Alphabet in eine Eiweiß-Buchstabenfolge im 20-Buchstaben-Alphabet übersetzen. Die Übersetzungstabelle dafür ist – mit winzigen Abweichungen – für alles Leben auf der Erde die gleiche. Das ist übrigens einer der Gründe, warum wir sicher sind, dass das Leben auf der Erde nur einmal entstanden ist. Wollten wir selbst eine solche Übersetzungstabelle von DNA-Wörtern in einzelne Aminosäuren entwerfen, würden wir feststellen, dass die DNA-Wörter länger als zwei Buchstaben sein müssen: Mit 2-Buchstaben-Wörtern in einem 4-Buchstaben-Alphabet kann man höchstens 4 × 4 = 16 verschiedene Aminosäuren festlegen, es gibt aber zwanzig. Tatsächlich benutzen Zellen 3-Buchstaben-Wörter, sogenannte Codons: AAA, AAC, AAG, AAT und so weiter. Insgesamt gibt es 4 × 4 × 4 = 64 verschiedene 3-Buchstaben-Wörter. Der Code zur Beschreibung der zwanzig Aminosäuren hat also überzählige Wörter, weshalb die meisten Aminosäuren durch mehrere verschiedene Codons beschrieben werden. TGT und TGC beschreiben beispielsweise beide die Aminosäure Cystein. Die Verteilung der überschüssigen Codons auf die Aminosäuren ist allerdings keineswegs zufällig: Die Übersetzungstabelle ist durch natürliche Selektion so evolviert, dass »Tippfehler« beim Kopieren der DNA in Boten-RNA möglichst wenig Schaden anrichten.

Um Eiweiße zu bilden, folgt die Zelle einer Abfolge von Schritten, die als das »zentrale Dogma« der Biologie bezeichnet wird: die Weitergabe der Information von DNA zu RNA und dann von RNA zu Eiweißen. (Die Bezeichnung »Dogma« ist übrigens irreführend, weil es in der Wissenschaft keine absoluten Wahrheiten geben kann – Francis Crick, der Schöpfer dieser Bezeichnung, hätte später selbst »zentrale Hypothese« passender gefunden.) Die DNA-Buchstabenfolge eines Eiweißbauplans ist typischerweise um die tausend Buchstaben lang. Für das Kopieren der DNA in eine Boten-RNA ist die Polymerase aus Kapitel 1 verantwortlich. Die Boten-RNA wird dann in das Ribosom eingefädelt, eine weitere zelluläre Maschine, die aus vielen Eiweißen zusammengebaut ist. Während das Ribosom die Buchstabenfolge der RNA entlangläuft, hängt es für jedes 3-Buchstaben-Codon die passende Aminosäure an das Ende der wachsenden Eiweißkette an (Abb. 2.7). Damit eine Zelle überhaupt mit der Herstellung von Eiweißen beginnen kann, muss sie zumindest die Eiweiße für eine Polymerase und ein Ribosom schon haben. Neue Zellen bekommen deshalb einige Exemplare der dafür nötigen Eiweiße von ihren Mutterzellen mitgegeben.

Abb. 2.7: Das »zentrale Dogma« der Biologie: DNA wird durch die Polymerase in Boten-RNA kopiert, die dann durch das Ribosom in ein Eiweiß übersetzt wird. Die trompetenartigen Strukturen bringen die dabei benötigten Aminosäuren herbei.

Die Antikörper-Eiweiße, die für die Entdeckung von Krankheitserregern zuständig sind, haben die Form eines Y. Die beiden Spitzen des Y sind die Fahndungsfotos: Jeder Antikörper bleibt damit nur an ganz bestimmten Bruchstücken von Eiweißen kleben. Aber wenn jedes Eiweiß (und damit auch jeder Antikörper) in allen Details von der Buchstabenfolge seines Gens beschrieben wird, wie kann unser Immunsystem dann zufällige Antikörper herstellen?

Vielleicht kennen Sie das Spiel Mix-Max, in dem das Bild eines Menschen aus vier Karten – je eine für Beine, Rumpf, Kopf und Hut – zusammengesetzt wird. Für jedes der vier »Körperteile« gibt es 15 Karten; insgesamt ergibt das 15 × 15 × 15 × 15 = 50 625 mögliche Bilder! Genau so erzeugt unser Immunsystem Antikörper: Anstatt vorgeformte Fahndungsfotos zu speichern, setzt es eine immense Vielfalt von Phantombildern immer wieder neu aus einer überschaubaren Menge von Einzelteilen zusammen.

Abb. 2.8: Das V(D)J-System als Kartenspiel. Am unteren Bildrand sind fünf Kartenstapel; jeder davon enthält verschiedene Versionen für einen Abschnitt des Antikörpers. Um einen neuen Antikörper zufällig zusammenzusetzen, wird von jedem Stapel eine Karte genommen und an die richtige Position auf dem doppelten Y in der oberen Tischhälfte gelegt.

In den meisten Zellen des Körpers ist das Antikörpergen nicht im Genom aufgeführt, jedenfalls nicht in seiner fertigen Form. Stattdessen wird es jedes Mal neu zusammengewürfelt, wenn der Körper eine B-Zelle herstellt – diejenige Zellart des Immunsystems, die auf ihren Streifengängen durch den Körper Eindringlinge mithilfe der Antikörper aufspürt. Auf mehreren Chromosomen gibt es jeweils benachbarte Regionen mit den Namen »Variable«, »Diverse« und »Joining« – das V(D)J-System. Wie die Stapel von Hut-, Kopf-, Rumpf- und Beinkarten beim Mix-Max enthält jede Region eine Sammlung verschiedener Versionen für einen bestimmten Abschnitt des Antikörpers. Wenn unser Körper eine B-Zelle produziert, bearbeiten spezielle Eiweiße in der neuen Zelle das Genom. Sie wählen zufällig je eine »Karte« pro Region aus und kleben die Karten aneinander, sodass ein neu gemischtes Antikörpergen entsteht (Abb. 2.8). Das ist so, als würden die Genome unserer anderen Zellen die kompletten Mix-Max-Stapel enthalten, während die B-Zellen eine bestimmte Figur zusammensetzen und die übrigen Karten beiseitelegen. Das ist ein ausgesprochen ungewöhnliches Verhalten, denn die wenigsten Zellen dürfen ihr Genom selbst bearbeiten.

Bevor die B-Zellen nach ihrer Herstellung in den Rest des Körpers dürfen, müssen sie beweisen, dass sie dort keinen Unsinn anstellen werden. Ein Wachmann einer Spielbank, dem man einen Stapel von computergenerierten Fahndungsfotos in die Hand drückt, müsste zuerst alle Bilder, die ehrlichen Kunden ähneln, aussortieren. Analog dazu muss unser Immunsystem diejenigen Antikörper herausfiltern, die an unsere eigenen Eiweiße binden könnten. Anderenfalls würden B-Zellen regelmäßig Angriffe auf unseren eigenen Körper auslösen – dieselbe Art von Autoimmunreaktion, die manchmal im bakteriellen CRISPR-System auftritt. Während ihrer Reifung im Knochenmark begeht jede B-Zelle mit einem Antikörper, der sich an unsere eigenen Eiweiße heftet, Selbstmord. Die übrigen B-Zellen werden in den Körper entlassen und jagen Eindringlinge. Wenn sie dann Feinde entdecken, rufen sie Fresszellen zu Hilfe, um die unerwünschten Eindringlinge töten zu lassen.

Was würde Darwin tun?

Die B-Zellen gehen ihrem Jagdgeschäft nach, indem sie durch den Körper patrouillieren und von der Oberfläche anderer Zellen Lageberichte aus deren Innerem ablesen. Am Ende ihres Lebenszyklus brechen Eiweiße in Stücke, die dann in der Zelle umhertreiben. Eine spezialisierte Truppe von anderen Eiweißen sammelt die Bruchstücke auf und bringt sie zur Oberfläche der Zelle, wo sie der Außenwelt präsentiert werden. Diese zur Schau gestellten Bruchstücke geben einen Überblick darüber, was für Eiweiße sich im Inneren der Zelle befinden. Die meisten Bruchstücke stammen von unseren eigenen Eiweißen, und ihr Lagebericht lautet: »Alles in Ordnung«. Wenn allerdings ein Eindringling in der Zelle ist, dann werden sich zwischen den auf der Zelloberfläche präsentierten Bruchstücken auch welche von seinen Eiweißen befinden – auf diese Art ruft die Zelle: »Hilfe, ich bin überfallen worden!« Dadurch, dass sich die B-Zelle an die hilfesuchende Zelle heftet, signalisiert sie die Entdeckung eines möglicherweise gefährlichen Fremden.

Doch das ist noch nicht das Ende vom Lied. Die Anzahl von B-Zellen in unserem Körper ist begrenzt. Selbst wenn unser V(D)J-System im Prinzip eine Billion verschiedene Antikörper produzieren kann, können wir nicht für jedes mögliche fremde Eiweißbruchstück eine eigene B-Zelle zur Verfügung stellen. Stattdessen bleibt der Antikörper jeder B-Zelle an einer Reihe leicht unterschiedlicher Bruchstücke kleben. Bei manchen Bruchstücken ist diese Bindung zunächst nur schwach. Aber unser Immunsystem kann sie verstärken und dadurch eine vollwertige und lang anhaltende Verteidigung entwickeln. Das gelingt durch zwei brillante Maßnahmen, die die Leistungsfähigkeit der natürlichen Auslese ausnutzen.

Als Erstes werden diejenigen B-Zellen, deren Antikörper auf Angreifer-Bruchstücke passen, belohnt: Sie dürfen sich vervielfältigen. Damit vervielfacht sich die Anzahl der B-Zellen, die die erfolgreiche Buchstabenfolge für das Antikörpergen enthalten, und infizierte Zellen werden folglich leichter entdeckt und vernichtet.

Die zweite Maßnahme hängt mit dieser Vervielfältigung der erfolgreichen B-Zellen zusammen: Sie sorgt dafür, dass die Antikörper der Nachkommen dieser Zelle die Eiweißbruchstücke der Eindringlinge immer besser binden. Wie wird die anfangs nur schwache Bindung optimiert? Eine Population passt sich durch natürliche Auslese an, wenn ihre Mitglieder sich auf eine erbliche Art unterscheiden, die ihre Fähigkeit beeinflusst, Nachkommen hervorzubringen – egal, ob es sich bei der Population um eine Tierart oder um einen Zellhaufen handelt. Um die Logik der natürlichen Auslese auszunutzen, muss das Immunsystem erbliche Unterschiede zwischen B-Zellen erzeugen und dann sicherstellen, dass diejenigen B-Zellen, die am besten an die Eiweiße der Eindringlinge binden, sich am schnellsten vervielfältigen (Abb. 2.9). Wenn das gelingt, dann reichern sich die besseren B-Zellen zwangsläufig im Immunsystem an.

Abb. 2.9: Evolution bei B-Zellen. B-Zellen jagen mit ihren Y-förmigen Antikörpern Eindringlinge. Die B-Zellen, die am besten an Eiweißbruchstücke der Eindringlinge binden, dürfen sich vervielfältigen.

Wenn eine halbwegs erfolgreiche B-Zelle das Signal erhält, sich zu vervielfältigen, tritt ein einzigartiges Programm in Aktion. Dieses Programm erzeugt absichtlich zufällige Mutationen in dem Teil des Gens, das die Spitzen des Y-förmigen Antikörpers beschreibt. Diese »Hypermutationen« sind so gesteuert, dass sie genau das richtige Maß an Variation erzeugen: etwa eine neue Mutation alle tausend Zellteilungen. Hypermutation erzeugt eine enorme Vielfalt von B-Zellen, die alle die Eiweißbruchstücke der Eindringlinge mit unterschiedlicher Stärke binden. Bemerkenswerterweise wird nicht das komplette Genom der B-Zellen von Mutationen getroffen, sondern nur der Abschnitt, der für die Festlegung der Bindung an Eiweißbruchstücke verantwortlich ist. Auch das ist ausgesprochen ungewöhnlich: Keine andere Region unseres Genoms wird jemals absichtlich mutiert.

Die B-Zellen probieren dabei zufällige Mutationen aus, von denen vorher nicht klar ist, ob sie die Bindung an die Fremdeiweiße verbessern oder verschlechtern. Rein zufällig werden jedoch einige der Mutanten die Eiweißbruchstücke der Eindringlinge noch stärker binden als ihr Vorfahr. Die Zellen, die das Immunsystem beaufsichtigen, ermuntern diese verbesserten B-Zellen dazu, sich weiter zu vervielfältigen. Nach ein paar Runden dieses Kreislaufs aus Hypermutation und Vervielfältigung der erfolgreichsten B-Zellen wimmelt unser Immunsystem von B-Zellen mit perfekt bindenden Antikörpern. Dauerhafter Ruhm winkt den Gewinnern des B-Zell-Wettbewerbs. Einige ihrer Vertreter werden zu Gedächtniszellen umgebaut, die in unserem Körper verbleiben, um uns vor künftigen Angriffen derselben Krankheitserreger zu schützen. Das ist gemeint, wenn Ärzte sagen, wir hätten Antikörper gegen eine bestimmte Krankheit.

Unser anpassungsfähiges Immunsystem erfüllt Darwins drei Bedingungen für natürliche Auslese. B-Zellen unterscheiden sich durch ihre Antikörper, sowohl wegen des Mix-Max-artigen Zusammenpuzzelns als auch wegen der gezielten Hypermutationen. Unterschiede existieren: erste Bedingung abgehakt. Wenn eine B-Zelle sich vervielfältigen darf, gibt sie ihre spezielle Version des Antikörpergens an ihre Nachkommen weiter. Unterschiede sind erblich: zweite Bedingung abgehakt. Die Erlaubnis zum Sichvervielfältigen machen die Manager-Zellen des Immunsystems davon abhängig, wie gut die Antikörper einer B-Zelle an die Eiweißbruchstücke der Eindringlinge binden. Unterschiede beeinflussen die Fitness (die Fähigkeit, Nachkommen hervorzubringen): dritte Bedingung abgehakt. Mit der Erfüllung der drei Bedingungen für natürliche Auslese wird die Anpassung der B-Zellen an unsere Krankheitserreger zur logischen Notwendigkeit.

Genau gesehen gehören die Antikörpergene gar nicht zur Gengesellschaft, weil sie erst in der B-Zelle zusammengesetzt werden. Sie sind vergängliche Anordnungen, die sich von B-Zelle zu B-Zelle unterscheiden und nicht an Kinder weitergegeben werden können. Die eigentlichen Mitglieder der Gengesellschaft – die Allele – sind die kompletten Mix-Max-Stapel der variablen, diversen und Verbindungsregionen. Diese V(D)J-Regionen sind für sich genommen nutzlos, schließlich können sie den Körper nur verteidigen, wenn sie von der dafür vorgesehenen Maschinerie zu Antikörpergenen zurechtgestutzt werden. Die entsprechende Maschinerie wird selbst wiederum anhand der Anweisungen in mehreren anderen Genen zusammengebaut, und darüber hinaus sind noch viele weitere Gene am Funktionieren unseres Immunsystems beteiligt. Diese hochorganisierte Arbeitsteilung erlaubt der Gengesellschaft, selbst in der Gegenwart von vielfältigen Krankheitserregern noch zu florieren.

Doppelagenten und Babygiraffen

Es gibt Menschen, die Evolution für Unsinn halten und glauben, dass die Welt vor wenigen Tausend Jahren mehr oder weniger »fertig« erschaffen wurde. Sie stützen diesen Irrglauben zum Beispiel auf die Behauptung, dass etwas so Kompliziertes wie der Mensch nicht durch Zufall entstanden sein könne. Tatsächlich sind Mutationen etwas rein Zufälliges: Es sind Tippfehler, die uns häufig keineswegs fitter machen, sondern eher Probleme bereiten, genau wie auch Tippfehler einen Text nur in seltenen Glücksfällen verbessern. Zufall ist aber nur die eine Hälfte der Evolution. Die andere Hälfte, der Prozess der natürlichen Auslese, ist das genaue Gegenteil von Zufall. Wie wir in Kapitel 1 gesehen haben, hat Krebsentstehung eine Zufallskomponente, weil ihr Fortschritt vom Auftreten von Mutationen abhängt. Aber Krebsentstehung folgt der Logik der natürlichen Auslese, angetrieben vom schnelleren Wachstum der Zellen mit einzelnen krebsfördernden Mutationen. In ähnlicher Weise beruht die Anpassung unseres Antikörper-Arsenals auf der Erzeugung zufälliger Varianten – aber, und das ist entscheidend, die Vervielfältigung der B-Zellen nach einer Infektion ist alles andere als zufällig.

Darwins Theorie der Evolution ist aus zwei Gründen bemerkenswert: wegen ihrer schlichten und zwingenden Logik und wegen ihrer Fähigkeit, eine breite Palette biologischer Beobachtungen zu erklären. Darwin war nicht der Erste, der sich Gedanken über den Mechanismus der Evolution machte. Der französische Naturforscher Jean-Baptiste de Monet, Chevalier de Lamarck, wurde fünfundsechzig Jahre vor Darwin geboren. Er hing ebenfalls der Idee an, dass Arten über die Zeit evolvieren und sich neuen Umgebungen anpassen. Aber seine Ideen über die zugrunde liegenden Prozesse waren von denen Darwins grundverschieden.

Lamarcks Vorstellung, die von vielen seiner Zeitgenossen geteilt wurde, war folgende: Wenn ein Lebewesen sich im Laufe seines Lebens ändert, dann vererbt es diese Veränderungen an seine Kinder. Diese Idee wird manchmal mit einer Geschichte über eine Giraffe veranschaulicht. Stellen wir uns also eine Giraffe auf Nahrungssuche in der Savanne vor. Wenn alle tief hängenden Blätter der spärlich stehenden Bäume aufgefressen sind, reckt die Giraffe ihren Hals, um die höheren Blätter zu erreichen. Nach vielen Jahren des Reckens und Streckens ist ihr Hals ein paar Zentimeter länger geworden. Nach Lamarcks Vorstellungen hätten die Kinder dieser Giraffe von Geburt an entsprechend verlängerte Hälse (Abb. 2.10).

Abb. 2.10: Nach Darwin erfolgt Evolution durch zufällige Unterschiede und natürliche Auslese. Hochgewachsene Giraffen finden mehr Essen als »Stummelgiraffen« – sie hinterlassen deshalb mehr Nachkommen, und wenn Unterschiede in der Halslänge erblich sind, haben diese ähnlich lange Hälse wie ihre Eltern. In Lamarcks Theorie verlängern sich die Hälse der einzelnen Giraffen allmählich durch das ständige Recken nach den höher hängenden Blättern; die Kinder erben die so verlängerten Hälse.

Wenn Lamarcks Vorstellungen korrekt wären, dann könnten wir jede Fähigkeit, die wir im Laufe unseres Lebens erwerben, an unsere Kinder weitergeben. Wenn wir gelernt hätten, Geige zu spielen wie Paganini, dann würden unsere Kinder mit derselben Fähigkeit zur Welt kommen – teurer Musikunterricht oder mühsames Üben wären überflüssig. Diese Idee widerspricht natürlich unserer Erfahrung. Folgerichtig wurden Lamarcks Ideen schnell zu den Akten gelegt, als deutlich wurde, wie viel einleuchtender Darwins Erklärungen waren.

Inzwischen wissen wir eine ganze Menge darüber, wie Informationen von einer Generation zur nächsten über das Genom weitergegeben werden. Jedes eigenständige Stück Information – jedes Exemplar eines Allels – ist zunächst in einer einzelnen Zelle eingeschlossen. In Giraffen oder Menschen, die jeweils aus vielen Zellen bestehen, kann eine Veränderung des Halses (oder eines anderen Körperteils) nur die Informationen in den Zellen dieses Teils des Körpers beeinflussen. Es gibt keinen plausiblen Weg, auf dem diese Information in die Genome im Hoden oder den Eierstöcken gelangen könnte; deshalb kann ein durch Strecken verlängerter Hals auch nicht vererbt werden.

Nach Lamarck passieren Veränderungen nicht zufällig, sondern sie ergeben sich – wie in der Giraffengeschichte – aus dem Zusammenspiel des Einzelnen mit der Umgebung. Im Gegensatz dazu geht die moderne Evolutionswissenschaft davon aus, dass es eine Barriere zwischen dem Genom und der Umgebung gibt, dass der Weg von den Genen zur Umgebung eine Einbahnstraße ist. Die Gene müssen sich in der Umgebung bewähren, aber es gibt keinen direkten Weg, auf dem die Lehren der Umgebung zurück ins Genom finden könnten. Wenn die Umgebung einen längeren Giraffenhals verlangt, dann verkündet sie das nicht direkt den Genen, und die Gene können auf das Verlangen der Umgebung auch nicht antworten, indem sie sich prompt auf längere Hälse umstellen. Stattdessen unterscheiden sich einzelne Giraffen durch Mutationen voneinander. Die Giraffen mit längeren Hälsen haben einen besseren Zugang zum Essen, und wenn ihre längeren Hälse das Resultat von bestimmten Mutationen sind, dann wird es ihren Nachkommen ähnlich gut ergehen. Es ist dieselbe Darwin’sche Logik, der auch die Entstehung von Krebs und die Anpassung des menschlichen Immunsystems an Krankheitserreger folgen.

Wie passt das bakterielle Immunsystem in dieses Bild? Im CRISPR-System entstehen genomische Unterschiede nicht zufällig, sondern DNA wird direkt aus der Umgebung ins Genom kopiert. Wenn Viren in die Bakterienzelle einfallen, dann hinterlassen sie ihre Spuren im Bakteriengenom, und die so erhaltene Information wird direkt an zukünftige Bakteriengenerationen weitergegeben. Sobald die Buchstabenfolge eines Virengens in das Bakteriengenom eingebaut wurde, wechselt das Gen die Seiten. Von nun an lebt dieselbe Buchstabenfolge in der Gengesellschaft der Bakterien und hilft, ihre viralen Cousins abzuwehren. Die Arbeitsprinzipien des bakteriellen Immunsystems folgen eindeutig Lamarcks Ideen: Sie funktionieren nicht durch zufällige Mutationen, die dann an der Umgebung ausgetestet werden, sondern werden durch eine direkte »Leitung« von der Umgebung (dem Virus) in das Genom übertragen.

Bedeutet das, dass die Logik der natürlichen Auslese bei Bakterien durch eine andere Art von Evolution verdrängt wurde? Obwohl das bakterielle Immunsystem eine klare Lamarck’sche Komponente hat, war natürliche Auslese für seine Entstehung ebenso zentral wie für alle anderen Anpassungen in der lebendigen Welt. Lamarcks Ideen beschreiben zwar die Funktionsweise des bakteriellen Immunsystems, aber sie können nicht erklären, wie dieses System in der Evolution entstanden ist.

Obwohl wir keine klare Vorstellung davon haben, welche evolutionären Etappen das bakterielle Immunsystem hervorgebracht haben, gibt es keinen Grund zu der Annahme, dass dabei irgendetwas anderes als natürliche Auslese im Spiel war. Wir können uns vorstellen, dass sich vor langer Zeit die Immunsysteme der Zellen einer Bakterienpopulation leicht voneinander unterschieden, etwa aufgrund von zufälligen Mutationen in den für die Organisation des urtümlichen CRISPR-Systems zuständigen Genen. Bei einer Virusinfektion überlebten vor allem diejenigen Bakterien, die das wirkungsvollere Immunsystem hatten. Im Laufe der Zeit stachen sie dann die Bakterien mit primitiveren Systemen aus. So hat das bakterielle Immunsystem einen Weg gefunden, um wichtige Erinnerungen im Genom zu speichern. Dieser einzigartige Verbindungsweg von der Umgebung ins Genom entstand durch natürliche Auslese. Auch hier gilt: Die von Darwin erstmals umfassend beschriebene natürliche Auslese ist so mächtig, dass sie jeder einzelnen Anpassung, die wir in der lebendigen Welt sehen, zugrunde liegt.

Lamarcks Milch

Genau wie das Immunsystem von Bakterien behält auch unser Immunsystem Erinnerungen an frühere Infektionen. Die Genome unserer B-Zellen spiegeln die Schlachten wider, die wir im Laufe unseres Lebens geschlagen haben. Je mehr Anschläge von Krankheitserregern wir überlebt haben, umso reicher ist unser Repertoire an Gedächtniszellen. Wenn ein Kind das erste Mal dem Masernvirus begegnet, muss sein Immunsystem den kompletten V(D)J/Hypermutation/Auslese-Kreis durchlaufen, um zu lernen, mit dieser Bedrohung fertigzuwerden. Der kindliche Körper behält Gedächtniszellen als Erinnerung an dieses Ereignis und ist damit gegen Masern auf Dauer immun. Deshalb sind Masern eine Kinderkrankheit: Sie begegnen uns immer wieder, aber krank machen sie uns nur beim ersten Zusammentreffen.

Es ist ausgesprochen bedauerlich, dass wir die im Genom der Gedächtniszellen gespeicherten Erinnerungen an frühere Infektionen nicht an unsere Kinder weitergeben können. Es gibt aber dennoch einen quasi-Lamarck’schen Weg, über den Kinder von den Infektionserfahrungen der Eltern profitieren. Der hat allerdings nichts mit dem Genom zu tun. Muttermilch liefert nicht nur Nahrung, deren Zusammensetzung durch natürliche Auslese für die Ernährung von Babys perfektioniert wurde, sie enthält daneben auch viele Moleküle, die mit dem Immunsystem zusammenhängen, etwa spezielle Zucker, die es fiesen Bakterien erschweren, sich an die Darmwand zu heften. Wenn eine Mutter vor Kurzem einem gefährlichen Virus oder Bakterium ausgesetzt war, machen die als Reaktion produzierten Antikörper einen großen Teil der Milcheiweiße aus. Damit sie ihre Wirkung im Baby auch entfalten können, sind diese Antikörper in der Milch in einer Form enthalten, die besonders widerstandsfähig gegen Verdauung ist. Außerdem hängen sie nach dem Trinken im Mund und in der Nase des Babys herum, von wo aus sie Angriffe aus der Luft abwehren.

Muttermilch kurbelt das Immunsystem des Babys an und verringert damit das Auftreten von Erkältungen, Grippeerkrankungen und anderen Infektionen. Das ist einer der Gründe, warum die Weltgesundheitsorganisation WHO empfiehlt, in den ersten sechs Monaten ausschließlich zu stillen. Das Stillen, die bestimmende Eigenschaft der Säugetiere, ist eine großartige Strategie im ewigen Kampf gegen Krankheitserreger.

In diesem Kapitel haben wir gesehen, dass der Angriff eines Wesens auf ein anderes – egal, ob ein Virus ein Bakterium angreift oder ein Bakterium uns – im Kern ein Zusammenprall von zwei Gesellschaften ist, ausgefochten von spezialisierten und hocheffizienten Sondereinheiten. Das menschliche Immunsystem spannt das Prinzip der natürlichen Auslese ein, um Feinde zu bekämpfen. Auf der evolutionären Zeitskala der Genome aber sind unsere Körper von lächerlich kurzer Dauer. Die Gengesellschaft evolviert von Generation zu Generation, weshalb der Übergang zwischen den Generationen jedes Mal einen entscheidenden Moment darstellt. Die Kontrollmechanismen, mit denen dieser Übergang geregelt wird, sind Thema des folgenden Kapitels.

SEX – WER WILL DENN SO WAS?

»Wenn du kämpfst, sei gerecht und großzügig.
Wenn du regierst, versuche nicht zu kontrollieren.«

LaoTse

Im Jahr 2013 kündigte die Bank von England an, das Design ihrer 10-Pfund-Noten zu ändern: Der Kopf Charles Darwins solle durch ein Porträt der Schriftstellerin Jane Austen ersetzt werden. Abgesehen davon, dass sie bedeutende Briten sind, haben die beiden auf den ersten Blick wenig gemein. Tatsächlich vereint sie aber ein großes Thema: Beide haben Bücher über Sex geschrieben.

Jane Austens Heldinnen sind auf der Suche nach dem passenden Mann. Aus evolutionsbiologischer Perspektive könnte man sagen: Sie suchen einen Partner, der für ihre zukünftigen Kinder genetisch und sozial möglichst vorteilhaft ist. Auch Darwin hat dieser »sexuellen Auslese« ein ganzes Buch gewidmet. Er wusste nichts von Genen, aber die Bedeutung der sexuellen Fortpflanzung war ihm völlig bewusst. Fortpflanzung durch Sex ist eine entscheidende Antriebskraft für die Evolution der Gengesellschaft. Die Vorstellung ist reizvoll, dass Darwin – hätte er noch gelebt – seinen Platz deshalb mit Freuden an seine »Kollegin« Austen weitergegeben hätte.

Die Vorteile von Sex
(jenseits des Offensichtlichen)

Bei der Krebsentstehung und bei der Anpassung unseres Immunsystems läuft die Evolution der Gengesellschaft im Inneren eines einzelnen Körpers ab. Unsere Zellen bilden dabei eine gigantische Population, deren Dynamik dem Prinzip der natürlichen Auslese folgt, wie wir gesehen haben. Aber trotz aller Evolution im Körper wird diese Population nach bestenfalls ein paar Dutzend Jahren unweigerlich aussterben. Um zu überdauern, gibt es für unsere Gene nur einen einzigen Weg: Sie müssen Kopien von sich anfertigen und in die nächste Generation schicken – sie müssen Babys machen. Für die Gene ist es dabei völlig egal, ob diese Babys nach alter Säugetiertradition gezeugt werden oder mithilfe der Reproduktionsmedizin, deren Möglichkeiten immer vielfältiger werden. Wir schließen uns dieser unvoreingenommenen Haltung an und reden von »Sex« immer dann, wenn die vollständigen Gensätze von zwei Individuen gemischt werden, um ein neues Genom zu erzeugen.

Haben Sie je darüber nachgedacht, ob Sex eigentlich eine gute Strategie zum Kindermachen ist? Schauen wir uns doch einmal an, was Mütter und Väter dazu beitragen. Ihr Vater musste akzeptieren, dass er nur die Hälfte seines Genoms in das Ihre kopieren durfte – er konnte sich ja nicht klonen, schon allein deshalb, weil er keine Gebärmutter hatte. Dieser genomische Beitrag des Vaters von 50 Prozent wird in jeder neuen Generation weiter halbiert: Seine Enkel werden jeder nur ein Viertel seines Genoms erben, seine Urenkel nur noch ein Achtel. Nach gerade einmal fünfzehn Generationen werden die 20 000 Gene Ihres Vaters so stark »verdünnt« sein, dass jeder seiner weiteren Nachkommen im Durchschnitt nur noch ein einziges seiner Allele erbt.

Aber was wäre, wenn Mütter das Reproduktionsgeschäft stattdessen ganz alleine betrieben? Das mag abwegig klingen, aber manche Tiere (bestimmte Arten von Haien etwa) tun das tatsächlich. Anstatt die DNA eines »Kooperationspartners« zu suchen, kopiert die Mutter ihr komplettes Genom in die Eizelle und bringt Klone von sich zur Welt. Die geklonten Töchter produzieren geklonte Enkeltöchter. Auch nach fünfzehn Generationen erben alle Nachkommen der Klon-Mutter immer noch praktisch exakt dieselben Chromosomen. Ohne Sex gibt es auch keine genetische Verwässerung.

Um dieselbe Anzahl von Allelen in die nächste Generation zu übertragen, müssen die Sex-Anhänger also doppelt so viele Kinder produzieren wie diejenigen, die das Klonen vorziehen. Anders gesagt: Mit Sex ist Fortpflanzung doppelt so teuer wie ohne Sex. Damit sich diese enormen Kosten rentieren, muss Sex auf der anderen Seite einen mindestens genauso großen Vorteil mit sich bringen. Während menschliche Väter oft auch an der Versorgung und Erziehung der Kinder beteiligt sind, tragen die männlichen Mitglieder vieler anderer Arten wenig mehr zu dem Kind bei als ihre Genomhälfte. Deshalb müssen wir genau an dieser Stelle suchen, wenn wir die hypothetischen Vorteile von Sex finden wollen: im Genom.

Eine Anekdote, die immer wieder unterschiedlichen Promis zugeschrieben wird, geht in etwa so: Ein Dressman trifft auf einer Party eine Atomphysikerin. »Sollen wir heiraten?«, fragt er. »Unsere Kinder werden so klug sein wie du und so schön wie ich!« Sie: »Und was, wenn es genau umgekehrt ist?« Wenn Aussehen und Intelligenz jeweils durch ein einziges Allel bestimmt würden, dann wären beide Ausgänge tatsächlich genau gleich wahrscheinlich. Sex führt nicht zum Verschmelzen zweier kompletter Genome – wenn das so wäre, würde sich die Genomgröße in jeder Generation verdoppeln. Stattdessen erhält jedes Kindergenom nur die Hälfte der Genome von Mama und Papa. Für die Intelligenz und das Aussehen des Kindes kommt es also darauf an, welche Hälfte von jedem übernommen wurde – und das entscheidet der Zufall. Die Leistungsfähigkeit von Sex für die Gengesellschaft beruht auf diesem zufälligen Mischen von Allelen.

Nicht alle Lebewesen benutzen Sex, um sich fortzupflanzen. Bakterien haben keinen Sex (obwohl sie etwas Vergleichbares haben, mehr dazu später). Um Nachkommen zu produzieren, machen Bakterien eine Kopie von ihrem Genom – sie klonen sich. Die Genome von Mutter- und Tochterzelle sind, abgesehen von gelegentlichen Mutationen, exakt gleich. Bakterien sparen sich so die kostspielige Genomverwässerung.

Die Evolution von Bakterien kann man in Experimenten beobachten. Wir können zum Beispiel eine große rechteckige Schale nehmen und darin die Begrenzungslinien eines verkleinerten American-Football-Feldes aufmalen (Abb. 3.1 zeigt eine Hälfte davon). Den Boden bedecken wir mit einer Zuckerlösung, wie Bakterien sie lieben. Ausgehend von den beiden Torlinien würzen wir die Zuckerlösung mit steigenden Konzentrationen eines Antibiotikums, das Gift für die Bakterien ist: 1 × zwischen den Torlinien und den 10-Yard-Linien, 10 × zwischen den 10-Yard-Linien und den 20-Yard-Linien, 100 × zwischen den 20-Yard-Linien und den 30-Yard-Linien, 1000 × zwischen den 30-Yard-Linien und den 40-Yard-Linien sowie 10 000 × zwischen den 40-Yard-Linien und der Mittellinie. Dann sprenkeln wir Bakterien gleichmäßig auf das Feld und beobachten, was passiert. Als Erstes wachsen die Bakterien nur in den antibiotikafreien Endzonen; bald gibt es Billionen von Zellen hinter den Torlinien.

Abb. 3.1: Ein Experiment von Roy Kishony und seinen Kollegen aus Harvard. Eine große rechteckige Schale wird mit einer Zuckerlösung gefüllt und in Regionen eingeteilt, die an ein American-Football-Feld erinnern. Die Abbildung zeigt eine Hälfte davon, beginnend bei der Endzone oben bis zur Mittellinie am unteren Ende. In der Endzone bis zur Torlinie gibt es kein Antibiotikum. Zwischen der Torlinie und der 10-Yard-Linie ist die Antibiotikakonzentration gering. Hinter der 10-, 20-, 30- und 40-Yard-Linie (von oben nach unten) steigt die Konzentration jeweils um das Zehnfache. Wenn man Bakterien dünn über das Feld sprenkelt, wachsen sie in Wellen: zuerst nur bis zur Torlinie, dann bis zur 10-Yard-Linie und so weiter. Die Übergänge über jede Linie erfordern zusätzliche Mutationen, die erst dann ausreichend wahrscheinlich werden, wenn es im Abschnitt davor genug Bakterien mit den vorhergehenden Mutationen gibt.

Irgendwann schaffen es kleine Grüppchen von Bakterien, die Torlinien zu überqueren und in die Region mit dem Antibiotikum hineinzuwachsen. Wie bei der Evolution von Krebs wird bei jeder Zellteilung mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit eine neue Mutation in das entstehende Genom eingebaut. Nach Billionen von Zellteilungen gibt es so viele verschiedene Genome auf dem Feld, dass einige der neuen Mutationen zufällig dabei helfen, eine geringe Menge des Antibiotikums zu überleben. Ebenfalls wie bei der Krebsentstehung verleiht die Masse Macht.

Die Fleckchen der glücklichen Mutanten wachsen über die Torlinie hinaus, bis sie die komplette Region bis zur 10-Yard-Linie erobert haben. Aber weil dahinter die Antibiotikumkonzentration zehnmal höher ist, kommen die Bakterien zunächst nicht weiter. Für diesen Sprung werden ausgefeiltere Verteidigungsmechanismen gegen das Antibiotikum gebraucht, und dafür sind weitere Mutationen nötig. Aber wieder gewinnen die Bakterien an der 10-Yard-Linie Macht durch Masse, und irgendwann kommen einzelne Bakterien durch Mutationen auf die richtige »Idee« und schaffen den Schritt in die nächste Region. Diese Abfolge von Ausbreitung-Mutation-Macht durch Masse wiederholt sich, bis die beiden Bakterienpopulationen, die von den entgegengesetzten Enden des Feldes gestartet sind, sich an der Mittellinie um die letzten Zuckerreste streiten.

Analog zu den acht Markenzeichen beim Krebs (Kapitel 1) haben die Bakterien mehrere Mutationen angehäuft, von denen jede das Überschreiten einer »Verteidigungslinie« erlaubt, und dieser Prozess wird durch die Vervielfachung nach jeder Mutation enorm beschleunigt. Der schrittweise Weg zur Antibiotikaresistenz ist so beängstigend wie der schrittweise Weg zum Krebs: Infektionen durch antibiotikaresistente Bakterien wachsen schneller, als Pharmafirmen neue Antibiotika entwickeln können.

Die Fortpflanzung von Bakterien, bei denen jede Tochterzelle bis auf wenige Mutationen genetisch komplett mit der Mutterzelle übereinstimmt, hat für die Bakterien einen entscheidenden Nachteil. Es ist sehr wahrscheinlich, dass mehrere Bakterien unabhängig voneinander verschiedene Mutationen bekommen, die jede zum Widerstand gegen das Antibiotikum beitragen. Aber letztlich werden sich nur die Nachkommen einer dieser Zellen durchsetzen. Nur diese Mutation wird sich in der bakteriellen Gengesellschaft etablieren, während alle konkurrierenden Mutationen aus dem Rennen geworfen werden (Abb. 3.2).

Abb. 3.2: Ungefähr so läuft Evolution in einer bakteriellen Gengesellschaft ab. Wir betrachten zwei Gene, die in jeweils zwei verschiedenen Versionen (Allelen) auftreten können: a und A für das erste Gen, b und B für das zweite. Die Zeit läuft von links nach rechts, eine senkrechte Linie durch das Diagramm zeigt die Anteile der Bakterien mit den verschiedenen Allelkombinationen (ab, Ab, aB, AB). Anfangs haben alle Bakterien die beiden schlechteren Allele a und b. Die beiden besseren Allele A und B entstehen unabhängig voneinander in verschiedenen Bakterien durch Mutationen. Sie existieren eine Zeit lang nebeneinander, in Ab- und aB-Bakterien. Ohne Sex können die beiden Allele nicht zueinanderfinden, und aB wird in der Folge von Ab verdrängt. Nach einer sehr langen Zeit entsteht die B-Mutation erneut in einem Ab-Bakterium; jetzt endlich gibt es auch AB-Bakterien, die sich schnell ausbreiten.

Hätten Bakterien Sex, dann würden sie noch schneller resistent gegen Antibiotika. Hilfreiche Mutationen, die in verschiedenen Bakterien entstanden sind, könnten sich dann miteinander verbünden. Die Tochterzelle einer Vereinigung zwischen zwei Bakterien mit sich ergänzenden Mutationen würde mit dem Antibiotikum noch besser fertig als jede der Elternzellen. Die vereinigte Zelle könnte womöglich ohne Weiteres die nächste Linie des American-Football-Feldes überqueren. Ohne Sex kann sich aber nur eine der Mutationen durchsetzen, die konkurrierenden Mutationen gehen verloren. Vielleicht entstehen sie später erneut – vielleicht aber auch nicht.

Dafür, dass sie die Verdopplung der Fortpflanzungskosten beim Sex scheuen, zahlen die Bakterien also einen hohen Preis: Sie können vorteilhafte Mutationen, die in verschiedenen Genomen entstehen, nicht miteinander verbinden. Bakterien leisten bei der Anpassung an ihre Umgebung trotzdem seit vier Milliarden Jahren sehr ordentliche Arbeit – einfach weil sie diese Anpassungsleistung auf Billionen Schultern verteilen. Den Luxus solch großer Populationen haben Tiere nicht. Für uns wäre zu wenig Sex auf Dauer eine Katastrophe gewesen: Wir wären jedes Mal ausgestorben, sobald eine rasche Anpassung an Umgebungsänderungen eine Angelegenheit von Leben oder Tod bedeutete.

Alle Säugetiere bezahlen den mit Sex verbundenen Preis der Genomverwässerung, aber dafür können sie auch die vorteilhaften Allele zweier Eltern in einem Kind vereinen. Auch wenn das jetzt unromantisch klingt: Sex ist nicht nur eine geniale Art, gute Allele zusammenzubringen, sondern er bietet auch eine wirkungsvolle Möglichkeit, die Gengesellschaft von schädlichen Mutationen zu säubern. Stellen wir uns ein Pärchen vor, dessen Genome beide viele schädliche Mutationen enthalten, allerdings in unterschiedlichen Genen. Würden die beiden sich durch Klonen fortpflanzen, dann hätten auch die guten Allele in ihren Genomen auf Dauer schlechte Karten: Sie würden von den schlechten Allelen mit in den Abgrund gezogen. Die Schicksalsgemeinschaft der Gene im Genom der Klone müsste auf ewig die Last der schädlichen Mutationen mit sich herumschleppen, und irgendwann würde die ganze Gemeinschaft auf der Strecke bleiben. Ganz anders beim Sex: Hier können sich die gesunden Allele der Eltern vereinen, ohne die schädlichen Nachbarn mitzunehmen, und so ihren Hals retten.

Durch Sex können Allele gewissermaßen den amerikanischen Traum verwirklichen. Sex entkoppelt sie voneinander, sodass eine vielversprechende neue Mutation auch dann Erfolg haben kann, wenn sie in eine miese Gegend geboren wurde. Das Allel kann in ein besseres Genom umziehen und mit der Zeit populär werden – sozusagen vom Tellerwäscher zum Millionär –, während die unfitten früheren Nachbarn langsam verschwinden. Sex ist evolviert, damit die Mitglieder der Gengesellschaft sich zu immer neuen Partnerschaften zusammenschließen können und so auf Dauer gemeinsam leistungsfähiger werden.

Man kann dieses Prinzip auch folgendermaßen veranschaulichen. Bei manchen Kartenspielen, etwa beim Bridge, bilden jeweils zwei Spieler eine Mannschaft. Wenn die Mannschaften über ein ganzes Turnier hinweg zusammenbleiben, dann hängt der Erfolg einer Spielerin entscheidend von den Fähigkeiten ihres Partners ab: Selbst eine brillante Bridgespielerin wäre gepaart mit einem Anfänger vermutlich nicht sehr erfolgreich. Wenn allerdings die Mannschaften in jeder Runde neu zusammengewürfelt werden, dann hängt der Punktestand der Spielerin am Ende des Turniers hauptsächlich von ihren eigenen Fähigkeiten ab. So ähnlich wirkt Sex in der Gengesellschaft: Allel-Teams werden in jeder Generation neu zusammengewürfelt, sodass die natürliche Auslese auf Dauer die besten Allele fördern kann.

Sex macht gleich

Wir haben von unseren Eltern passende Sätze von Chromosomen geerbt. Deshalb besitzen wir für jedes Gen zwei Allele: eines von unserer Mutter, eines vom Vater. An jedes unserer Kinder können wir nur eines dieser beiden Allele weitergeben, das andere bleibt zurück. Damit diese Auswahl fair (das heißt: unvoreingenommen) abläuft, wird zur Vorbereitung von Sex eine besondere Methode der Zellteilung benutzt: die Meiose. Sie ist das Herzstück der sexuellen Fortpflanzung.

Wenn Chromosomen in einem Stück von Generation zu Generation weitergegeben würden, dann wäre das Durchmischen der Gene ziemlich beschränkt. Zum Beispiel wären die Schicksale aller 4000 Gene auf unserem Chromosom 1 auf ewig miteinander verwoben. Stellen wir uns etwa vor, dass die Physikerin aus der obigen Anekdote ihre Fähigkeit zum abstrakten Denken einem besonderen Allel auf dem Chromosom 1 verdankt, das sie von ihrer Mutter geerbt hat, während ihre Kreativität dem Allel eines anderen Gens auf dem väterlichen Exemplar von Chromosom 1 zuzuschreiben ist. Könnte sie nur eines ihrer beiden Chromosomen 1 an ein Kind weitergeben, dann würde sie diese Fähigkeiten nie gemeinsam vererben.

Wie werden die beiden Chromosomen 1 fair gemischt? Die zelluläre Maschinerie beginnt damit, dass sie eine zweite Kopie von jedem Chromosom herstellt. Jeweils ein Exemplar des Chromosoms 1 von Mutter und Vater werden aneinander ausgerichtet und an exakt denselben Stellen in zwei oder mehr Stücke geschnitten. Aus den Stücken werden dann neue Chromosomen 1 zusammengepuzzelt (Abb. 3.3). Ob an einer bestimmten Stelle das vom Vater oder von der Mutter geerbte Stück eingefügt wird, ist vorher nicht festgelegt. Ein zufälliger Tanz der Moleküle bestimmt die Zusammensetzung der Chromosomenstücke zu einem neuen Ganzen. Dieses entscheidende genomische Vorspiel für die Produktion von Eizellen und Spermien in der Meiose heißt Rekombination.

Der Sinn von Sex ist es, die Allele in neue genomische Kombinationen zu mischen, und dieses Ziel wird durch Rekombination erreicht. Richard Dawkins hat dafür in Das egoistische Gen eine passende Analogie eingeführt. Stellen wir uns vor, dass die Mutter einer Frau einen vollständigen roten Satz von zweiundfünfzig Spielkarten in ihrer Eizelle hatte. Der dazugehörige Vater packte einen vollständigen blauen Satz in das Spermium, das diese Eizelle befruchtete. Wenn die Tochter, die aus der befruchteten Eizelle entstand, nun selbst Eizellen herstellt, dann werden durch Rekombination neue Kartensätze erzeugt. Jeder davon hat den kompletten Satz von zweiundfünfzig Karten, aber mit roten und blauen Karten gemischt.

Abb. 3.3: Die Chromosomen einer Frau (je eines von ihrer Mutter und eines von ihrem Vater) liegen nach ihrer Verdopplung zur Vorbereitung der Meiose in je zwei miteinander verbundenen Kopien vor. Diese rekombinieren miteinander: Sie tauschen passende Stücke aus.

Alle Chromosomen werden immer wieder neu rekombiniert. Mit einer Ausnahme: dem Y-Chromosom. Auf dem Y-Chromosom sitzt ein Gen namens SRY, das das Geschlecht des Embryos festlegt. Wenn SRY Teil des Genoms ist, entsteht ein Junge; wenn SRY fehlt, entsteht ein Mädchen. Ein Embryo mit einem XY-Chromosomensatz kann ein Mädchen werden, wenn das SRY-Gen kaputt ist oder wenn es von seinen Kollegen – den Eiweißen, mit denen es zusammenarbeiten soll – nicht erkannt wird. Von solchen Ausnahmen abgesehen, haben Männer ein Exemplar des Y-Chromosoms, Frauen gar keines. Deshalb trifft das Y-Chromosom nie auf eine andere Version von sich selbst und kann nie seine Allele mit denen eines Geschwisterchromosoms mischen. Nur eine kleine Region des Y-Chromosoms, in der etwa zwanzig Gene liegen, bildet eine Ausnahme: Dieser Abschnitt entspricht genau einer gleich großen Region auf dem X-Chromosom, und die beiden Regionen werden bei der Produktion von Samenzellen miteinander rekombiniert. Aber die Allele auf dem kompletten Rest des Y-Chromosoms sind zu ewiger Gemeinschaft verdammt. In der Spielkarten-Analogie ist das so, als ob nur eine Handvoll Karten oben auf dem blauen Y-Stapel jemals mit roten Karten vom X-Stapel gemischt würde, während die darunter liegenden Karten in jeder Fortpflanzungsrunde liegen blieben.

Wenn im nicht-rekombinierenden Teil eines Y-Chromosoms auch nur eine einzige schwerwiegende schädliche Mutation passiert, dann sind alle Allele auf diesem Chromosom rettungslos verloren: Es gibt keine Möglichkeit, sich von der Mutation zu lösen. Wenn die Mutation dagegen nur ein kleines bisschen schädlich ist, dann hält das Chromosom vielleicht noch viele Generationen lang durch. Allen Y-Chromosomen geht das auf Dauer so: Ohne Rekombination haben sie keine Möglichkeit, einzelne schädliche Mutationen wieder loszuwerden. Deshalb verfallen Y-Chromosomen langsam, aber unaufhaltsam.

Vor etwa 150 Millionen Jahren waren unser X- und Y-Chromosom ein passendes Pärchen, genau wie die anderen zweiundzwanzig Chromosomenpaare in unserem Genom auch. Nachdem sie begonnen hatten, sich auseinanderzuentwickeln, entstand ganz allmählich eine Asymmetrie zwischen den beiden. Heute ist das X-Chromosom immer noch die Heimat von etwa 2000 Genen, während das Y-Chromosom nur noch weniger als zweihundert Gene beherbergt. Im Laufe der vielen Millionen Jahre ohne einen Rekombinationspartner ging ein Gen auf dem Y-Chromosom nach dem anderen durch Mutationen kaputt und verschwand. Durch Rekombination zwischen den beiden X-Chromosomen bei Frauen wurden ähnlich schwerwiegende Mutationen auf dem X-Chromosom gleichzeitig wirkungsvoll ausgemerzt. Es entbehrt nicht einer gewissen Ironie, dass ausgerechnet das geschlechtsbestimmende Chromosom darunter leidet, selbst überhaupt keinen Sex abzubekommen.

Wenn die Menschheit lange genug überlebt, dann ist vielleicht in vielen Millionen Jahren unser Y-Chromosom komplett verschwunden. Das Geschlecht würde dann einfach nur über die Anzahl von X-Chromosomen bestimmt: Menschen mit nur einem X wären Männer, Menschen mit zwei X-Chromosomen wären Frauen. Genau das ist bei den Stachelratten auf den japanischen Ryūkyū-Inseln schon passiert: Deren Männchen erfreuen sich auch ohne Y-Chromosomen bester Gesundheit.

Kommen wir zum Mischvorgang beim genomischen Vorspiel zurück: Nach der Rekombination liegen im Vorläufer der Eizelle jetzt vier frisch gemischte Exemplare von jedem Chromosom. In der Eizelle soll davon nur jeweils ein Chromosom ankommen. Für die Allele auf den Chromosomen einer Frau ist der Eintritt in die Eizelle die einzige Chance, die nächste Generation zu erreichen. Ein Allel, das diese Chance regelmäßig verpasst, stirbt aus. Bei der Verteilung auf die Eizellen geht es für jedes Allel deshalb um nichts Geringeres als ums Überleben. Bei diesem hohen Einsatz ist es erstaunlich, dass Meiose fair abläuft – aber sie tut es. Wenn es bei der Zuweisung der Eizellenplätze irgendwelche Schlupflöcher gäbe, dann wäre die Gengesellschaft nicht voller Gene, wie sie für die Gesellschaft insgesamt am nützlichsten sind, sondern sie wäre angefüllt mit den erfolgreichsten Moglern.

In der Meiose bekommt jedes Allel eine 50:50-Chance, ein bestimmtes Gefährt in die nächste Generation zu besteigen. Genau wie Mutationen zufällig sind, ist auch das Zusammenpuzzeln von neuen Chromosomen durch Rekombination zufällig – das Nichtzufällige kommt später durch die natürliche Auslese. Meiose ist wie ein Münzwurf, blind gegenüber den Vorzügen der Allele.

Ginge das nicht besser? Sollten die Zellen der Mutter nicht eher anhand der Leistungsfähigkeit der Allele entscheiden, welches Allel in die Eizelle darf? Wenn eine Frau etwa für ein bestimmtes Gen ein intaktes Allel von ihrer Mutter mitbekommen hätte und ein defektes von ihrem Vater, dann wäre doch die einzig vernünftige Entscheidung, in alle Eizellen immer das gute Allel zu packen. Stattdessen gibt die Meiose beiden Allelen die gleiche Chance fürs Weiterkommen. Das klingt nicht nach einem effizienten System.

Aber wie genau sollte die Alternative aussehen? Wer würde entscheiden, welches Allel das bessere ist? Die Wirkung eines Gens – und damit seine »Qualität« – hängt stark davon ab, mit welchen anderen Allelen im Genom es zusammenarbeiten muss (mehr dazu in Kapitel 5). Selbst wenn eine alternative Meiose-Maschinerie entscheiden könnte, welches Allel seine Arbeit im gegenwärtigen Genom besser macht, könnte sie kaum vorhersagen, wie das in der nächsten Generation aussähe. Diese Frage ist ganz ähnlich der, wer in einer Demokratie das Wahlrecht haben sollte. Wäre es nicht besser, wenn nur bestimmte Bürger wählen dürften, etwa diejenigen von besonders hoher Moral oder Weitsicht? Aber wer sollte die Moral oder Weitsicht der anderen beurteilen?

Diese Unsicherheiten sind ein generelles Problem von Gesellschaften, deren Struktur auf Leistung beruht. Möglicherweise noch problematischer ist aber ein anderer Aspekt: Leistungsgesellschaften können betrogen werden. Wenn irgendwer oder irgendetwas entscheidet, wer eines bestimmten Amtes würdig ist, dann kann diese Entscheidung auch beeinflusst werden. Unsere Geschichte legt nahe, dass gleichmacherische Demokratien allen anderen Regierungsformen überlegen sind, wenn es um das dauerhafte Wohlergehen der Gesellschaft als Ganzes geht. Entsprechend gibt die Gengesellschaft allen ihren Mitgliedern gleiche Rechte, anstatt nur den vermeintlich besten Zutritt zu den Transportern in die Zukunft zu gewähren.

Sex macht aus einer bescheidenen Zahl von Unterschieden eine unfassbare Anzahl von Möglichkeiten. Stellen wir uns eine Population von einfachen Organismen vor, deren Genome nur tausend Gene enthalten, von denen jedes in zwei verschiedenen Allelen vorkommt (nennen wir sie A und a). Eine bestimmte Genomhälfte enthält zum Beispiel die A-Allele des ersten und zweiten Gens, das a-Allel des dritten Gens und so fort. Wie viele verschiedene Genomhälften kann es in diesem System geben? Das lässt sich leicht ausrechnen. Zuerst sortieren wir die möglichen Genome in zwei Gruppen: die, die für das erste Gen das A-Allel haben, und die, bei denen dort das a-Allel sitzt. In jeder dieser beiden Gruppen gibt es zwei Untergruppen, die sich durch das Allel beim zweiten Gen unterscheiden. Insgesamt gibt es also 2 × 2 Gruppen, die sich durch die ersten beiden Gene unterscheiden. Wenn wir diese Logik weiterführen, enden wir bei 2 × 2 × 2 … × 2 Möglichkeiten: zwei, tausendmal mit sich selbst multipliziert (oder 2^1000). Das sind weit mehr verschiedene Genome, als es Atome im bekannten Universum gibt. Und dabei war tausend noch eine sehr kleine Anzahl von Genen (wir selbst haben ja 20 000), und zwei Allele pro Gen entsprechen einer viel geringeren Vielfalt, als wir sie in echten Genomen antreffen. Über die komplette Menschheit betrachtet, existiert jedes unserer Gene in Dutzenden, wenn nicht Hunderten verschiedener Varianten.

Das Mischen bereits vorhandener Genome kann also eine verblüffende Vielfalt hervorbringen, selbst wenn wir neue Mutationen außer Acht lassen. Durch Rekombination erproben menschliche Populationen ein Ausmaß an Variation, das für Arten ohne Sex unerreichbar wäre. Manche neu zusammengewürfelten Genome enthalten schlecht passende Kombinationen und sind nicht erfolgreich. Andere Kombinationen dagegen funktionieren ausgesprochen gut, so wie das hypothetische schöne und kluge Kind des Dressmans mit der Physikerin.

Die Ordnung der Gengesellschaft ähnelt dem mittelalterlichen Zunftsystem, das die verschiedenen Handwerke organisierte. Jede Zunft hatte strikte Regeln darüber, welche Produkte ihre Mitglieder herstellen durften und welche Werkzeuge dabei zu benutzen waren. Diese Regeln erzwangen klare Grenzen zwischen den einzelnen Zünften. Genauso können wir unser Genom als eine Versammlung von Handwerkern betrachten, mit je einem Mitglied aus jeder Zunft. Ein bestimmter Platz im Genom wird immer von Allelen desselben Gens bewohnt – von Handwerkern derselben Zunft. Das Überkreuzen der Chromosomenarme während der Rekombination wird sorgfältig orchestriert: Es muss sichergestellt werden, dass die entfernten Teile des mütterlichen Chromosoms durch genau passende Teile des väterlichen Chromosoms ersetzt werden. Die Organisation des Genoms in »Zünfte« sorgt so dafür, dass die Anordnung und die Position der Gene erhalten bleiben.

Vielleicht finden Sie die Idee, sich selbst zu klonen, attraktiv, obwohl Sie die erheblichen Vorteile von Sex kennengelernt haben. Eine bestimmte Mutation in einem der Gene, die die Meiose organisieren, könnte ihre Trägerinnen vielleicht dazu bringen, sich als Klone fortzupflanzen. Auf kurze Sicht wäre ein solches Klonierungsallel enorm erfolgreich. Ihr Genom hat einen Menschen mit der nötigen Intelligenz und dem guten Geschmack gebaut, um dieses Buch zu lesen. Ihre geklonten Nachkommen kämen also alle mit einem hervorragenden Satz von Genen auf die Welt. Die Probleme würden erst auf lange Sicht auftreten. Die einzigen Unterschiede zwischen Ihren Nachkommen würden nur noch durch Mutationen entstehen, durch gelegentliche Fehler beim Klonierungsprozess – Ihre Klone wären alle mehr oder weniger gleich. Aber ohne nennenswerte Variation wären Ihre zukünftigen Klone in Krisenzeiten stark benachteiligt. Sie könnten sich zum Beispiel nur sehr langsam anpassen, wenn sich plötzlich das Klima ändern würde. Die nötigen Mutationen müssten eine nach der anderen in einer Linie Ihrer Nachkommen auftreten, es gäbe keine Möglichkeit, vorteilhafte Mutationen, die in verschiedenen Enkeln oder Urenkeln auftreten, miteinander zu kombinieren. Außerdem könnten die Genome Ihrer Klone schlechte Mutationen nicht mehr loswerden, so wie die Y-Chromosomen beim Rest der Menschheit. Getrennt von der Vielfalt der menschlichen Gengesellschaft würden Ihre Klon-Nachkommen bald in eine evolutionäre Sackgasse geraten und aussterben.

Das ist kein völlig hypothetisches Szenario. Vielen Tieren ist es tatsächlich so ergangen. Eine ganze Reihe von Tierarten kommt auch heute ohne Sex aus, unter ihnen bestimmte Arten von Haien, Schlangen und Insekten. Aber keine dieser Arten scheint es lange auszuhalten: Spätestens nach ein paar Millionen Jahren sterben sie aus. Alle gegenwärtig existierenden Tierarten, deren Mitglieder sich durch Klonen fortpflanzen, sind recht junge Experimente der Natur: Sie probieren aus, was passiert, wenn man die erheblichen Kosten von Sex vermeidet. Die Klone sind zunächst erfolgreich, aber sie bekommen schwerwiegende Probleme, sobald sich ihre Umgebung zu schnell ändert oder ihre Genome zu viele schädliche Mutationen gesammelt haben. Säugetiere wurden noch nie bei der sexlosen Produktion von Nachkommen beobachtet. Offensichtlich haben wir unser Fortpflanzungssystem gegen die Versuchungen eines billigen, aber letztlich hoffnungslosen Lebens ohne Sex abgesichert.

Warum sind die sexscheuen Bakterien dann nicht schon längst ausgestorben? Bakterien haben zwar keinen Sex wie wir, aber ihre schiere Masse spielt darüber hinweg, so wie in dem Experiment auf dem American-Football-Feld. Und während Bakterien zwar keinen Sex im engeren Sinn kennen, haben sie andere Wege gefunden, um Gene miteinander auszutauschen – sie tun das nur nicht auf die enorm strukturierte Art, die sexuelle Fortpflanzung ausmacht. Damit werden wir uns in Kapitel 6 und 7 noch beschäftigen.

Es gibt eine einzige Tierart, von der man bis vor Kurzem geglaubt hat, dass sie seit vielen Jahrmillionen einem vollkommen sexlosen, rein weiblichen Lebensstil frönt: die sogenannten bdelloiden Rädertierchen, weniger als einen halben Millimeter groß und in vielen Gewässern zu Hause. Aber auch bei ihnen hat man schließlich einen heimlichen Ersatz für Sex entdeckt. Auch die Gengesellschaften der bdelloiden Rädertierchen mischen ihre Allele immer wieder neu, allerdings benutzen sie dazu eine unstrukturierte Mischstrategie, die der von Bakterien ähnelt. Es scheint im Tierreich also tatsächlich keine Ausnahme zu geben. Völlige Isolation wirkt auf eine Gengesellschaft wie ein schleichendes Gift.

Hoher Einsatz – große Versuchung

Meiose ist gewöhnlich ein bemerkenswert fairer Vorgang, aber wie überall in der Biologie gibt es auch hier interessante Ausnahmen. Wenn ein Allel beständig in mehr als die Hälfte der Spermien oder Eizellen seiner Träger gelangt, dann kann es damit seine Aufstiegschancen in der Gengesellschaft massiv verbessern. Diese Art von systematischem Betrug gelingt selten, kann dann aber enorm erfolgreich sein.

Ein Beispiel liefert die Krankheit Achondroplasie, die etwa eines von 20 000 Babys trifft. Die Körper von Menschen mit Achondroplasie haben Schwierigkeiten mit der Umwandlung von Knorpel in Knochen. Ihre Arme und Beine werden weniger lang als bei anderen Menschen, als Erwachsene sind sie daher nur etwa 1,30 Meter groß. Ursache ist in den meisten Fällen ein Kopierfehler bei der väterlichen Spermienproduktion, genauer: der Austausch eines bestimmten Buchstabens im FGFR3-Gen, zuständig für den Bau eines Sensors für Wachstumssignale.

Achondroplasie müsste eigentlich viel seltener sein, könnte man meinen. Pro Kopiervorgang liegt die Wahrscheinlichkeit, dass ein bestimmter Buchstabe mutiert, ja nur bei etwa eins zu zehn Milliarden. Selbst wenn man berücksichtigt, dass die Spermien in ihrer Produktion viele Zellteilungen durchlaufen, sollte dieser eine Buchstabe des FGFR3-Gens bei weniger als einem von einer Million Neugeborenen mutiert sein – nicht bei einem von 20 000. Warum also ist Achondroplasie so häufig? Ist der verantwortliche Buchstabe besonders instabil, sodass er viel öfter mutiert als andere Buchstaben?

Die Erklärung liegt ganz woanders. Diese Mutation beeinflusst nicht nur den Bau von Knochen, sie verändert auch die Geschwindigkeit, mit der sich Zellen während der Spermienproduktion teilen (Abb. 3.4). Aufgrund ihrer schnelleren Vervielfältigung tragen Zellen mit dieser Mutation bis zu tausendmal (!) mehr zu den fertigen Spermien bei als ihre nicht-mutierten Cousins. Die Häufigkeit der Achondroplasie ist damit ein weiteres Beispiel für natürliche Auslese im Inneren unseres Körpers. Für die Zellen im Hoden gilt das Gleiche wie für die Lebewesen draußen im Dschungel: Am fittesten ist der, der die meisten Nachkommen hat. Indem sie ihre Konkurrenten »auswächst«, erhöht eine neue Achondroplasie-verursachende Mutation ihre Chance auf einen Platz in der nächsten Generation weit über das übliche Maß hinaus. Das ist übrigens ein sehr spezieller Fall natürlicher Selektion: Die neu entstandene Mutation kann ihre Überlebenschancen beim Übergang in die nächste Generation verbessern, nicht aber darüber hinaus. Bei einem Mann, der mit Achondroplasie geboren wird, teilen sich alle Vorläuferzellen der Spermien gleich schnell – die Mutation hat keinen Vorteil mehr gegenüber ihrem nicht-mutierten Allel.

Abb. 3.4: Ein Beispiel für natürliche Auslese bei der Spermienproduktion. Eine neue Mutation (der graue Kreis) führt dazu, dass die Vorläuferzellen der Spermien sich schneller vervielfachen. Das führt nach der unumstößlichen Logik der natürlichen Auslese dazu, dass diese Zellen mehr als ihren fairen Anteil an Nachkommen zu den fertigen Spermien beitragen.

Es gibt auch noch viel heimtückischere Wege, die sexuelle Gleichmacherei der Meiose auszuhebeln. Beispiele dafür sind im Detail bei Fruchtfliegen untersucht worden, aber es gibt keinen Grund anzunehmen, dass solch rücksichtsloser Egoismus nicht auch in der menschlichen Gengesellschaft vorkommt. Ein solches genetisches Verbrechen wird stets von zwei Komplizen ausgeführt, die nebeneinander auf einem der Chromosomen sitzen. Während der Spermienproduktion instruiert das eine Gen die Zelle, ein Gift herzustellen, während das zweite Gen das Gegengift liefert. Das Gift wird von der Zelle in die Umgebung versprüht, wo sich die konkurrierenden Spermazellen auf ihren Einsatz vorbereiten. Das Gegengift behält die Zelle natürlich für sich. Auf diese Art entledigt sich das Verbrecherpaar aller lästigen Konkurrenten: Nur die Spermien, die ebenfalls das Genpaar in sich tragen und deshalb das Gegengift herstellen können, überleben (Abb. 3.5).

Abb. 3.5: Ein Gift/Gegengift-Paar egoistischer Gene. Die Spermien, in deren Genom das Genpaar sitzt, produzieren das giftige Eiweiß und das Gegengift. Das Gift wird in die Umgebung abgegeben, wo es alle Zellen tötet, die nicht selbst das Gegengift herstellen können.

Das mörderische Genpaar trägt nichts zum Überleben oder zur Fruchtbarkeit seiner Träger bei. Es hilft nicht bei der Herstellung von Blutgefäßen, verbessert nicht die Gehirnleistung und unterstützt auch nicht die Abwehr von Bakterien. Eine männliche Fliege, die das Genpaar erbt, hat davon keinerlei Vorteile. Im Gegenteil: Sie zahlt einen hohen Preis, indem sie die Hälfte ihrer eigenen Spermien zerstört. Damit verringert das Verbrecherpaar die Chancen aller anderen Allele in dieser Fliege auf einen Platz in der nächsten Generation. Im Gegensatz zu den übrigen Allelen gewinnt das Paar jedoch dabei. Indem sie sicherstellen, dass sie in weit mehr als 50 Prozent der Spermien dabei sind, können die beiden sich in der Gengesellschaft ausbreiten.

Bei Bakterien, die nur aus einer einzigen Zelle bestehen, wird jede Mutation zwangsläufig an die nächste Generation weitergegeben. Bei uns dagegen kommen nur diejenigen Mutationen weiter, die in denjenigen Ästen des Zellstammbaums entstanden sind, die zu den Eizellen beziehungsweise Spermien führen – der sogenannten Keimbahn. Wenn wir unser Leben mit irgendetwas fundamental Neuem beginnen – mit einem Allel, das keiner unserer Eltern hatte –, dann muss diese Mutation in der Keimbahn von Vater oder Mutter entstanden sein. Jeder von uns bekommt etwa sechzig solcher neuen Mutationen mit auf den Weg.

Überraschenderweise sind die Eltern dabei unterschiedlich großzügig: Ihr Vater hat Ihnen weit mehr Neuheiten vererbt als Ihre Mutter. Das liegt an einem grundsätzlichen Unterschied zwischen den Keimbahnen von Männern und Frauen. Zellen in der männlichen Keimbahn vervielfachen sich außerordentlich schnell. Im Laufe seines Lebens produziert ein Mann Hunderte Milliarden Spermien – eine Frau dagegen stellt nur ein paar Hundert Eizellen her. Als Ihr Vater einundzwanzig war, hatte jedes seiner Spermien schon etwa dreihundert Zellteilungen hinter sich. Im selben Alter hatten die Eizellen Ihrer Mutter erst zweiundzwanzig Zellteilungen durchgemacht. Mehr noch: Alle Eizellen der Mutter wurden schon vorproduziert, als sie noch ein Embryo war; weitere Zellteilungen kamen nicht mehr dazu. Weil mehr Zellteilungen zwangsläufig auch mehr Kopierfehler bedeuten, sind die meisten neuen Mutationen seit Urzeiten in Männern entstanden.

Alle produzierten Spermien gehen auf eine feste Gruppe von ursprünglichen Vorläuferzellen zurück. Die Spermaproduktion beginnt in der Pubertät und hört erst auf, wenn ein Mann stirbt. Jahr für Jahr kommen mit jeder neuen Zellteilung weitere Mutationen zu den schon existierenden dazu. Viele genetische Krankheiten werden deshalb mit zunehmendem Alter des Vaters immer häufiger. Ein Beispiel dafür ist das Marfan-Syndrom, mit dem etwa eines von 5000 Babys geboren wird. Das Marfan-Syndrom entsteht durch einen Defekt im Fibrillin-1-Gen, welches für die Herstellung eines faserartigen Zellbausteins verantwortlich ist. Dieser Baustein spielt eine wichtige Rolle beim Zusammenbau von Bindegewebe und wird deshalb für die Konstruktion von zahlreichen Körperteilen benötigt, angefangen von Knochen bis hin zu Herzklappen. Menschen mit Marfan-Syndrom sind ungewöhnlich groß und haben lange, schmale Finger. Sie haben oft Probleme an Lungen, Augen und den großen Blutgefäßen. Ein beträchtlicher Anteil von Marfan-Erkrankungen wird von neuen Mutationen verursacht, die während der Spermaproduktion des Vaters entstanden sind. Kinder, deren Väter bei der Zeugung die fünfzig überschritten hatten, erkranken deshalb fast zehnmal häufiger am Marfan-Syndrom als Kinder deutlich jüngerer Väter.

Wie fast alle anderen Arten von Lebewesen sind auch wir Menschen recht gut an unsere Umgebung angepasst. Die meisten neuen Mutationen tun uns deshalb nicht gut, genau wie das zufällige Hinzufügen oder Entfernen einer Schraube ein Uhrwerk selten genauer macht. Mutationen sind also eher eine Last als ein Geschenk. Wenn Männer die Last ihrer Kinder verringern möchten, sollten sie diese also möglichst früh zeugen, wenn ihre Spermien noch nicht so viele neue Mutationen angesammelt haben.

Es geht hier nicht um uns

Um Sex zu verstehen, haben wir ihn aus der Perspektive der Gengesellschaft betrachtet, nicht aus der Perspektive der Männer und Frauen, in deren Genomen die Gene vorkommen. Wie Richard Dawkins in Das egoistische Gen schrieb, ist jeder Einzelne von uns nur ein flüchtiges Gebilde aus Molekülen, während Gene und ihre Allele über Zeiträume von vielen Jahrmillionen existieren. Die Allele der Gene springen von Generation zu Generation, indem sie »Überlebensmaschinen« bauen und manipulieren – uns. Damit ist keineswegs gemeint, dass unsere Allele ein Interesse an unserem Überleben hätten. Im Gegenteil, sie haben uns mit Verfallsdatum konstruiert. Unsere Körper halten nicht viel länger als nötig, um Kinder zu produzieren, die die Allele in die nächste Generation tragen.

Sex organisiert das Mischen der »Kartenstapel« unserer Allele von Generation zu Generation. Die dafür nötigen Mechanismen werden durch eine Vielzahl von Eiweißen bereitgestellt. Die Gene, die für die Herstellung dieser Eiweiße zuständig sind, verdienen sich ihren Platz in der Gengesellschaft durch das Anbieten einer wichtigen Dienstleistung: Sex macht unsere Gene unabhängig voneinander, sodass jede Generation neue Kombinationen von Allelen an der Umgebung ausprobieren kann. Jedes unserer Allele kann für sich sein Glück suchen, jede Generation aufs Neue.

Vielleicht finden Sie, dass Sie selbst im Zentrum stehen sollten. Schließlich sind Sie es doch, der lebt oder stirbt, der Gene weitergibt oder nicht. Sollte die natürliche Auslese dann nicht auf der Ebene des Individuums stattfinden anstatt auf der Ebene von Allelen? Nicht unbedingt. Angenommen, Sie besitzen ein Allel, das auch tausend andere Menschen auf einem ihrer Chromosomen tragen. Die Hälfte der Kinder dieser Menschen wird dieses Allel erben. Der Erfolg des Allels hängt ausschließlich davon ab, wie viele Kinder diese Menschen insgesamt bekommen. Wenn Menschen mit dem Allel im Schnitt mehr Kinder haben als Menschen ohne das Allel, dann ist das Allel fitter als seine Konkurrenten und wird sich ausbreiten. Aus der Sicht des Allels spielt es dabei überhaupt keine Rolle, welche seiner Träger die Kinder bekommen. Jede Person ist nur ein kleines Scharmützel in einem größeren Kampf, dessen Ausgang den Erfolg des Gens bestimmt. Ein Allel, das die Hälfte seiner Träger in der Kindheit jämmerlich zugrunde gehen ließe, während es die andere Hälfte so stark machte, dass jeder davon viermal mehr Kinder hätte als der Durchschnitt der Menschheit, wäre sehr erfolgreich: Es würde doppelt so viele Kopien von sich in der nächsten Generation unterbringen wie seine Konkurrenten.

Der Kampf der Geschlechter: Embryonen als Schlachtfelder

Unterschiede in den Geschlechtschromosomen sind nur der Anfang, wenn man die Verschiedenheit von Frauen und Männern verstehen möchte. Abgesehen von den zweihundert Genen auf dem Y-Chromosom haben beide zwar dieselben Gene, aber viele dieser Gene werden nur in einem der Geschlechter aktiv.

Die Wurzel vieler Unterschiede zwischen den Geschlechtern liegt in der Tatsache, dass Frauen weit mehr in ihre Kinder investieren als Männer, zumindest am Beginn des Lebens. Die Mutter produziert die Eizelle, ein mit Nährstoffen vollgestopftes erstes Heim für den Embryo. Die Spermien des Vaters dagegen sind nur für eine einzige Aufgabe optimiert: für die schnelle Lieferung der DNA in die Eizelle. Dieses anfängliche Ungleichgewicht des elterlichen Einsatzes setzt sich fort mit den neun Monaten, während denen der Embryo im Bauch der Mutter versorgt wird, und traditionell gipfelt es darin, dass die Mutter das Kind für viele weitere Monate stillt. Ausgehend von diesem Ungleichgewicht hat die Evolution bei Männern und Frauen unterschiedliche Strategien entwickelt. Weil die Mutter weit mehr in das Baby investiert, hat sie zum Beispiel gute Gründe, bei der Partnerwahl instinktiv wählerischer zu sein: Das Korrigieren einer Fehlentscheidung kann für sie enorm aufwendig werden.

Interessenkonflikte zwischen den in Mutter und Vater jeweils versammelten Genen können zu schwerwiegenden genomischen Konflikten führen, die über den Embryo ausgetragen werden. Schwangerschaft und Geburt waren bis ins letzte Jahrhundert voller Risiken, in vielen Regionen der Welt sind sie das noch heute. Babys, die bei der Geburt groß und wohlgenährt waren, überlebten besser. Auf der anderen Seite sparten Mütter, die ein bisschen kleinere und schwächere Babys produzierten, einen Teil ihrer eigenen Körpervorräte und hatten bessere Chancen, die Geburt zu überleben und später weitere Kinder zu bekommen. Das Investment der Mutter in den Embryo ist deshalb ein Kompromiss, festgeschrieben in ihren Genen: nicht zu viel, aber auch nicht zu wenig.

Wie sah dieselbe Situation aus der Sicht des Vatergenoms aus? Der Vater musste grundsätzlich damit rechnen, dass die Mutter irgendwann später Kinder mit einem anderen Mann haben würde. Nicht alle gesparten Körpervorräte der Mutter kämen also den Kindern des Vaters zugute. Unter diesen Voraussetzungen würde der Vater davon profitieren, wenn das Kind jetzt mehr Vorräte der Mutter verbrauchen würde. Auf diese Art würden die Erfolgsaussichten des Kindes (und damit die Erfolgsaussichten der Allele des Vaters) steigen, wenn auch auf Kosten der Mutter. Es wäre deshalb im Interesse des Vaters, die Mutter dazu zu bringen, etwas mehr in den Embryo zu investieren, als sie eigentlich wollte. Der Vater versucht die Mutter nicht dazu zu überreden. Er gibt die entsprechende Botschaft der DNA in seinen Spermien mit.

Diese Strategie scheint paradox. Wenn der Vater ein Allel hätte, das den Embryo dazu bringt, mehr Vorräte aus der Mutter herauszuziehen, dann wäre sein Problem zunächst gelöst. Aber dasselbe Allel würde auch dafür sorgen, dass die Kinder seiner Töchter mehr Vorräte aus ihrer Mutter ziehen. Die Hälfte der Zeit würde ein solches Allel über den Vater vererbt und wäre im Vorteil. Die andere Hälfte der Zeit aber würde das Allel über die Mutter vererbt und wäre im Nachteil: Es würde sich auf Kosten seiner zukünftigen Geschwister übertrieben satt essen. Insgesamt wäre so ein Allel wohl kaum auf der Gewinnerseite.

Ein Allel kann also nicht einfach dadurch erfolgreich werden, dass es seinen Trägern einflüstert: »Saugt weiter, auch wenn Mama sagt, es reicht!« Das Allel darf dieses Kommando nur geben, wenn es von der väterlichen Seite geerbt wurde. So ein System, bei dem die Benutzung eines Gens davon abhängt, ob es vom Vater oder von der Mutter stammt, nennt man genetische Prägung. Normalerweise können unsere Zellen nicht unterscheiden, ob ein Allel von Mutter oder Vater stammt. Die genetisch geprägten Regionen aber werden vor der Befruchtung mit einem chemischen Signal versehen, das eine Unterscheidung ermöglicht. Einige der von Spermien zur Eizelle transportierten Gene sind so geprägt, dass sie das Wachstum des Embryos über das Normalmaß hinaus fördern. Um dem etwas entgegenzusetzen, prägt die Mutter einige andere Gene in der Eizelle in die umgekehrte Richtung: Sie reduzieren das Embryowachstum. Deshalb spiegelt unser Genom nicht nur das Wettrüsten zwischen unserem Immunsystem und Krankheitserregern wider, sondern auch das Wettrüsten zwischen Müttern und Vätern.

Haben Sie sich je gewundert, warum es bei allen Tierarten etwa die gleiche Anzahl an Männchen und Weibchen gibt? Das müsste keineswegs so sein: Auf jeder Rinderfarm kann man sich vergewissern, dass ein einziger Bulle problemlos das Erbmaterial für sehr viele Kälber zur Verfügung stellen kann. Auch die Menschheit hätte in ihrer Geschichte sehr viel mehr Kinder produzieren können, wenn sie stets aus wenigen Männern und entsprechend mehr Frauen bestanden hätte. Man könnte denken, dass die Ausgewogenheit zwischen Jungen und Mädchen ihren Grund in der Mechanik der Meiose hat: X- und Y-Chromosomen bilden ein Paar, sodass die Hälfte der Spermien ein Y-Chromosom enthält. Aber das allein kann nicht der Grund sein. Schließlich gibt es auch bei Alligatoren gleich viele Männchen und Weibchen, obwohl das Geschlecht von Alligatoren über einen ganz anderen Mechanismus bestimmt wird: über die Temperatur, bei der das Alligatorenei ausgebrütet wird. Wenn die Alligatorenmutter einen Ort für ihr Nest aussucht, bestimmt sie damit auch das Geschlecht ihrer Kinder. Nester auf Sandbänken sind wärmer und produzieren hauptsächlich Männchen, während kühlere Nester in Feuchtgebieten überwiegend Weibchen produzieren.

Der Grund für die ausgeglichene Zahl von Jungen und Mädchen liegt wieder in der natürlichen Auslese. Jedes Kind erbt sein Genom je zur Hälfte von Vater und Mutter. Deshalb müssen alle Väter einer Generation zusammengenommen genauso viele Kinder haben wie alle Mütter. Auf einer Rinderfarm mit einem Bullen und hundert Kühen, von denen jede ein Kalb hat, hat der Bulle hundert Kälber – das unterrepräsentierte Geschlecht ist aus evolutionärer Sicht klar im Vorteil. Anders betrachtet: Wenn eine Gesellschaft mehr Männer als Frauen hat, dann findet jede zusätzliche Frau garantiert einen Mann, während jeder zusätzliche Mann nur mit Glück eine Frau findet. Deshalb begünstigt die natürliche Auslese Mutationen, die die Geburtenrate des selteneren Geschlechts erhöhen und damit zur Wiederherstellung des 50:50-Verhältnisses der Geschlechter beitragen.

Soweit wir wissen, machen Alligatorenmütter keine Volkszählung, ehe sie sich für einen Nestplatz entscheiden. Aber wenn das Geschlechterverhältnis in einer Population von Alligatoren gestört würde – zum Beispiel weil der Klimawandel zur Geburt von mehr Männchen geführt hat –, dann wäre jede Mutation von Vorteil, die das Verhalten der Mütter in Richtung kühlere Nester (und damit in Richtung mehr Töchter) ändert. Die Töchter würden leichter Partner finden als die Söhne der Nachbarn, und die drei Bedingungen der natürlichen Auslese – Variation, Erblichkeit, Fitness-Effekte – wären erfüllt. Mit der Zeit würde diese Kühlere-Nester-Mutation sich in der Population ausbreiten. Sobald das Geschlechterverhältnis sich wieder den 50:50 nähert, würde der Fitnessvorteil verschwinden – Mutationen, die zu mehr Töchtern führen, hätten keinen Vorteil mehr.

Das Verhältnis zwischen neugeborenen Mädchen und Jungen liegt immer nahe bei 50:50, aber es unterscheidet sich dennoch ein wenig zwischen verschiedenen menschlichen Populationen. Das weist darauf hin, dass es auch bei uns erbliche Unterschiede im Geschlechterverhältnis der Kinder gibt. Sobald in einer Population der Anteil eines Geschlechts zu klein wird, steuert die natürliche Auslese dagegen, um wieder nahe an die 50:50 zu kommen.

Aus kulturellen Gründen bewerten einige Gesellschaften die Geburt eines Sohnes höher als die Geburt einer Tochter. Wenn als Folge davon weibliche Embryos häufiger abgetrieben werden, dann wird dadurch das Geschlechterverhältnis in der Gesellschaft verschoben. Durch solche geschlechtsspezifischen Abtreibungen werden derzeit in China 120 Jungen auf 100 Mädchen geboren. Sehr bald wird es in China deshalb vierzig Millionen junge Männer geben, die zumindest dauerhaft keine Frau finden können. Wenn man ihr ausreichend Zeit ließe, würde die natürliche Auslese das natürlich richten. Aber es gäbe eine attraktivere Lösung. Losgelöst von moralischen Erwägungen sollten sich zukünftige Eltern, die über eine Abtreibung nachdenken, fragen, was ihnen wichtiger ist: im Alter versorgt zu werden (was nach chinesischer Tradition einen Jungen nahelegt) oder Enkelkinder zu haben (was entschieden für ein Mädchen spricht)?

Sex entstand als ein Mechanismus zur Durchsetzung von »Demokratie« in der Evolution der Gengesellschaft. Allele können dadurch in immer neuen Kombinationen erprobt werden. Das macht die natürliche Auslese effizienter und hilft damit der Gengesellschaft, sich an Umgebungsveränderungen anzupassen und schädliche Mutationen loszuwerden. Werden alle Veränderungen in der Gengesellschaft von natürlicher Auslese vorangetrieben? Oder gibt es auch Allele, die ihren Erfolg einzig und allein dem Glück verdanken? Diesen und weiteren Fragen gehen wir im nächsten Kapitel nach.

DAS CLINTON-PARADOXON

»Unsere wahre Nationalität
ist die Menschheit.«

H. G. Wells

Während seiner US-Präsidentschaft war Bill Clinton ein leidenschaftlicher Unterstützer der Jagd nach der exakten Buchstabenfolge des menschlichen Genoms – des sogenannten Humangenom-Projekts. Das Projekt begann 1990, dauerte dreizehn Jahre und war eine Achterbahnfahrt technologischer Fortschritte. Kurz vor der Zielgerade tauchte überraschend auch noch eine Privatfirma auf, die dem staatlichen Projekt Konkurrenz machte. Clinton gönnte dem Projekt zusätzliche Gelder und wurde nicht enttäuscht: In Reden nach seiner Amtszeit beschrieb er oft die großartige Erkenntnis, die er durch das Humangenom-Projekt gewonnen hatte – zum Schnäppchenpreis von schlappen 2,6 Milliarden Dollar.

In einem der »Millenium-Vorträge« im Weißen Haus erklärte Eric Lander, einer der Köpfe hinter dem Humangenom-Projekt, dass die Genome zweier beliebiger Menschen auf diesem Planeten zu 99,9 Prozent identisch sind. Das war für Bill Clinton eine bahnbrechende Erkenntnis. All die zerstörerischen Rivalitäten, all die Kriege – all das wegen lächerlichen 0,1 Prozent Unterschied? Clintons Argument ist verführerisch: Sollten wir nicht unsere Meinungsverschiedenheiten begraben, die 0,1 Prozent vergessen und im Namen der gemeinsamen 99,9 Prozent zusammenarbeiten?

Aber Eric Lander betonte auch die andere Seite dieser Medaille. Unser Genom ist sechs Milliarden Buchstaben lang. Da mag 0,1 Prozent nicht nach viel klingen, aber am Ende sind das immer noch sechs Millionen Buchstaben, die sich zwischen unserem Genom und dem unseres Nachbarn unterscheiden. Und wie ist das mit sechs Millionen Unterschieden – könnten die unsere Rivalitäten vielleicht erklären?

Wir müssen noch nicht einmal auf unsern Nachbarn schielen, um dieses Ausmaß an Unterschieden zu finden. Wir besitzen ja alle zwei Exemplare von jedem Chromosom. Wir könnten genauso gut das Chromosom, das uns unsere Mutter mitgegeben hat, mit dem vom Vater geerbten vergleichen. Wie alle Menschen waren unsere Eltern zu etwa 99,9 Prozent identisch, also unterscheiden sich auch unsere Chromosomenexemplare um 0,1 Prozent. Wenn genomische Unterschiede Rivalitäten rechtfertigen – sollten wir dann auch mit uns selbst im Streit liegen?

Was genau unterscheidet Menschen denn eigentlich? Um das zu verstehen, müssen wir uns die 0,1 Prozent genauer ansehen. Wir haben wiederholt gesehen, dass Mutationen nichts anderes sind als verschiedene Arten von »Tippfehlern« beim Abschreiben des Genomtextes. Der häufigste Fehler dabei ist der Austausch eines einzelnen Buchstabens (einer Base) im Genom. Die erste Schätzung der Genomunterschiede, die Clinton präsentiert wurde – die 0,1 Prozent –, beruhte auf diesen 1-Buchstaben-Fehlern.

Eine andere Art von Tippfehlern ist die Einfügung oder die Löschung von Buchstaben, der ein ganzer Abschnitt von Basen gleichzeitig zum Opfer fallen kann. Mit fortschreitender Arbeit am Humangenom stellte man fest, dass diese Art von Fehler weit häufiger auftrat als ursprünglich angenommen. Die Anzahl von Kopien kompletter Genomregionen kann sich von Mensch zu Mensch unterscheiden, sodass wir von manchen Genen mehr oder weniger Kopien haben können als andere. Zum Beispiel könnte Ihr Nachbar zwei Allele des CCL3L1-Gens haben (eines auf jedem seiner beiden Chromosomen 17), während Sie womöglich fünf besitzen (zwei auf dem mütterlichen Exemplar von Chromosom 17, drei auf dem väterlichen Exemplar). In diesem Fall könnten Sie sich übrigens glücklich schätzen. Das CCL3L1-Gen ist dafür verantwortlich, die Eintrittspforten für HIV in die Immunzellen zu blockieren. Je mehr Kopien man davon hat, desto weniger leicht steckt man sich mit HIV an.

Die Entdeckung dieser unterschiedlichen Häufigkeit von Kopien ganzer Genomabschnitte korrigierte die Unterschiede zwischen Genomen drastisch nach oben, von 0,1 Prozent auf 0,5 Prozent. Also unterscheiden sich menschliche Genome nicht durch sechs, sondern durch dreißig Millionen Buchstaben. Würde Bill Clinton immer noch argumentieren, dass dreißig Millionen Unterschiede zu unbedeutend sind, um zwischenmenschliche Aggressionen zu erklären? Wir nennen dies das »Clinton-Paradoxon«: Auf der einen Seite sind unsere Genome zu 99,5 Prozent identisch, aber auf der anderen Seite sind dreißig Millionen Unterschiede womöglich doch nicht ganz so unerheblich. Wir sollten sie uns auf jeden Fall genauer ansehen.

Diese Genomunterschiede sind zum Beispiel für unsere Körpergröße, Hautfarbe und Gesichtszüge verantwortlich. Auch viele weniger augenfällige menschliche Merkmale haben eine genomische Komponente. Einige dieser Besonderheiten machen uns etwa für bestimmte Krankheiten unterschiedlich anfällig. Ein Beispiel dafür liefert eines der Hämoglobin-Gene. Hämoglobine sind die für den Transport von Sauerstoff durch den Körper verantwortlichen Eiweiße. Die falsche Variante eines einzelnen Buchstabens in einem der Hämoglobin-Gene verursacht Sichelzellanämie, wenn sie von beiden Eltern gleichzeitig geerbt wird. Nicht gut. Interessanterweise sind aber Menschen mit einer gesunden und einer defekten Kopie dieses Hämoglobin-Gens nicht nur weitgehend frei von Anämie, sondern darüber hinaus auch deutlich weniger anfällig für Malaria. In Gegenden, in denen Malaria häufig auftritt, verleiht solch eine »halbe Sichelzellanämie« einen bedeutsamen Fitnessvorteil, und entsprechend häufig kommt das mutierte Allel in solchen Regionen vor. Einzelne Mutationen sind oft weder vollständig gut noch vollständig schlecht. Ihre Folgen hängen von den Umständen ab – etwa davon, ob dasselbe Allel von beiden Eltern geerbt wurde oder welche Krankheiten in der Gegend häufig sind.

Unter unseren 20 000 Genen gibt es vermutlich wenige, die keine merklichen Auswirkungen auf unseren Körper oder Geist haben. Deshalb können Mutationen, die die Funktionsfähigkeit eines Gens beeinflussen, Krankheiten verursachen. Über 6500 mutierte Allele wurden bereits mit bestimmten Krankheiten in Verbindung gebracht. Bei den meisten dieser Allele ist das Auftreten der Krankheit aber nicht garantiert – sonst hätte die natürliche Auslese sie nämlich ziemlich schnell aus der Gengesellschaft entfernt. In der Regel stellt eine Mutation nur eine leichte Neigung zu einer Krankheit dar, und Wechselwirkungen mit der Umgebung und mit den Allelen anderer Gene bestimmen, ob die Krankheit tatsächlich ausbricht. Das werden wir uns in Kapitel 5 noch genauer ansehen.

Diesseits und jenseits von Afrika

Technologien zum Auslesen von Genomen werden in atemberaubendem Tempo immer weiter verbessert. Wir können unser Genom inzwischen für kaum mehr als 1000 Euro komplett ablesen lassen. Einen Überblick über unsere wichtigsten Allele bieten Firmen sogar schon für ein Zehntel dieses Preises an. Zur Erinnerung: Das erste menschliche Genom hat 2003 noch 2,6 Milliarden Dollar gekostet!

Aber unser Genom von Anfang bis Ende durchzulesen ist leider nicht sehr erhellend. Zu viel dieses Textes ist noch gänzlich unverstanden. Es ist sehr viel aufschlussreicher, unsere Genomsequenz mit der einer anderen Person zu vergleichen und nach Unterschieden zu suchen. Wir können vielleicht nicht die Bedeutung jedes einzelnen Unterschieds einschätzen, aber die reine Zahl der Unterschiede kann schon wertvolle Informationen liefern. Vom Clinton-Paradoxon wissen wir, dass uns etwa dreißig Millionen Unterschiede erwarten. Wenn wir unser Genom zuerst mit dem Genom einer Schwester vergleichen, dann mit dem einer Cousine und schließlich mit dem eines Fremden, dann wird die Anzahl der Unterschiede in jedem Schritt größer. Das überrascht kaum, schließlich sind wir nahen Verwandten in der Regel ähnlicher als Fremden. Aus Sicht der Gengesellschaft formuliert: Je ähnlicher sich zwei Genome sind, desto kürzer ist es her, dass die Besitzer der Genome einen gemeinsamen Vorfahren hatten – desto näher sind sie miteinander verwandt.

Sie haben jeweils die Hälfte Ihres Genoms von Ihren beiden Eltern geerbt. Die Eltern wiederum haben ihre Genome je zur Hälfte von deren Eltern. Ihr eigenes Genom stammt also zu je einem Viertel von jedem Ihrer vier Großeltern, zu einem Achtel von jedem Ihrer Urgroßeltern und zu einem Sechzehntel von jedem Ihrer Ururgroßeltern. Ein Viertel Ihres Genoms ist identisch mit dem entsprechenden Viertel Ihres Großvaters mütterlicherseits (mal abgesehen von der sehr kleinen Anzahl neu entstandener Mutationen). Die übrigen drei Viertel Ihres Genoms haben mit dem von Ihrem Großvater nichts zu tun – sie unterscheiden sich in 0,5 Prozent ihrer Buchstaben, genau wie bei nichtverwandten Menschen. Insgesamt unterscheidet sich Ihr Genom von dem Ihres Großvaters also in 0,375 Prozent der Buchstaben – ein Viertel weniger als die üblichen 0,5 Prozent. Genauso kann man sich überlegen, dass Sie sich von Ihren Eltern um die Hälfte weniger unterscheiden als von Fremden (also in 0,25 Prozent der Buchstaben), von Ihren Urgroßeltern um ein Achtel weniger (0,4375 Prozent) und von Ihren Ururgroßeltern um ein Sechzehntel weniger (0,46875 Prozent).

Aus diesen Genomähnlichkeiten können wir Stammbäume konstruieren. Legen Sie dazu für jedes Familienmitglied ein Foto auf den Tisch. Verbinden Sie mit einem Faden die beiden Personen mit den ähnlichsten Genomen. Dann verbinden Sie die beiden Personen mit den zweitähnlichsten Genomen. Das setzen Sie so lange fort, bis alle miteinander verbunden sind, direkt oder über Zwischenstationen. Sie haben jetzt jeden mit seinen beiden Eltern verbunden und damit einen molekularen Stammbaum aufgebaut – einen Familienstammbaum, der nicht auf den manchmal unzuverlässigen Erinnerungen der vorherigen Generationen beruht, sondern ausschließlich auf Genomähnlichkeiten.

Etwas genauer hinschauen muss man bei Geschwistern. Jedes Kind erhält eine zufällige Hälfte der Genome von Vater und Mutter. Die Wahrscheinlichkeit, für ein Gen ein bestimmtes Allel der Eltern geerbt zu haben, ist also jeweils ½. Die Mutter etwa hat für jedes Gen zwei Allele: eines von ihrer eigenen Mutter (der Großmutter mütterlicherseits) und eines von ihrem Vater (dem Großvater mütterlicherseits). Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Geschwister von ihrer Mutter beide das Allel der Großmutter erben, ist dann ½ × ½ = ¼; die Wahrscheinlichkeit, dass beide das Allel des Großvaters mütterlicherseits erben, ist ebenfalls ¼. Für jedes Gen auf den von der Mutter erhaltenen Chromosomen ist damit die Wahrscheinlichkeit, dass beide Geschwister dasselbe Allel haben, gleich ¼ + ¼ = ½. Bei den vom Vater geerbten Chromosomen ist es genauso: Die Wahrscheinlichkeit, dass beide Geschwister dasselbe Allel haben, ist ebenfalls ½. Deshalb wird das Aufstellen eines Stammbaums ein wenig komplizierter, wenn man Geschwister mit einschließt: Geschwister haben genauso viel ihres Genoms gemeinsam wie Eltern und Kinder. Um das aufzulösen, muss man Eltern und Kinder gleichzeitig betrachten.

Die Berechnung der Genomähnlichkeit für andere Verwandte folgt derselben Logik (Abb. 4.1). Für Cousinen etwa kann der gemeinsam geerbte Anteil folgendermaßen berechnet werden: ½ (nehmen wir an, die Mütter der beiden sind Schwestern) × ½ (das Kind der älteren Schwester teilt die Hälfte ihres Genoms mit der Mutter) × ½ (das Kind der jüngeren Schwester teilt ebenfalls die Hälfte mit ihrer Mutter). Deshalb teilen Cousinen ersten Grades aufgrund ihrer Verwandtschaft ½ × ½ × ½ = ⅛ ihres Genoms miteinander. Sie unterscheiden sich also nicht bei 0,5 Prozent ihrer Buchstaben, so wie Fremde, sondern um ⅛ weniger, bei 0,4375 Prozent, genau wie Urenkel und Urgroßeltern. Die Genomähnlichkeiten zwischen weiter entfernten Familienmitgliedern werden immer geringer. Aber egal, wie weitläufig die Verwandtschaft ist: Als Mitglieder der Menschheitsfamilie bleiben wir immer mindestens zu 99,5 Prozent gleich.

Abb. 4.1: Ein Familienstammbaum, der nur auf Genomähnlichkeiten beruht. Die Prozentzahlen zeigen, wie viel des Genoms Verwandte miteinander gemeinsam haben – welchen Anteil man also von den 0,5 Prozent, die wir als Genomunterschied zwischen Fremden erwarten, abziehen kann.

Wie würde ein Familienstammbaum der kompletten Menschheit aussehen? Beim Weg zurück in der Zeit würden wir nähere und entferntere Verwandte entdecken. Vor einer Generation hatte jeder von uns zwei Eltern; vor zwei Generationen vier Großeltern; dann acht Urgroßeltern, sechzehn Ururgroßeltern, zweiunddreißig Urururgroßeltern und so weiter. Wenn wir dieser Logik weiter folgen, dann kommen wir vor vierzig Generationen (oder etwa tausend Jahren) auf über eine Billion Ururur-…urgroßeltern. Das sind fast zweihundertmal mehr Menschen, als derzeit auf der Erde leben, eine absurd große Zahl. Was ist bei dieser Berechnung schiefgelaufen? Nun, wenn wir mehr als ein paar Generationen zurückgehen, dann tauchen dieselben Vorfahren häufig an verschiedenen Stellen im Stammbaum auf. Wenn etwa die Großväter Cousins waren, dann sollten wir deren gemeinsame Großeltern (zwei unserer eigenen Ururgroßeltern) nur einmal zählen. Die Familiengeschichte der Menschheit ist ein Geflecht von Beziehungen, deren Linien sich immer wieder trennen und vereinigen.

Dieser Wirrwarr erzählt faszinierende Geschichten über unsere Herkunft. Aufgrund von Genomähnlichkeiten lassen sich Stammbäume zeichnen, die Menschen auf der ganzen Welt miteinander verbinden. Für unsere Zwecke vernachlässigen wir jetzt die Details der einzelnen Personen und schauen uns nur die stärksten Signale der Verwandtschaft zwischen ganzen Populationen an (Abb. 4.2). Viele Beziehungen im Stammbaum sind genau so, wie wir das erwarten würden. Zum Beispiel sind »deutsche Genome« im Durchschnitt sehr ähnlich den Genomen unserer Nachbarn aus Polen, Holland oder Frankreich und kaum weniger ähnlich den Genomen aus anderen europäischen Ländern. Vereinfacht ausgedrückt lässt sich also sagen: Genome vom selben Kontinent sind in der Regel auch ziemlich nah miteinander verwandt.

Abb. 4.2: Der Familienstammbaum der Genome der Welt. Die Verwandtschaftsbeziehungen folgen den Wanderungsbewegungen der Menschheit, aus Afrika heraus in die übrigen Kontinente. Die Zahlen geben an, vor wie langer Zeit die wichtigsten Wanderungen in etwa stattfanden. Die ersten »modernen« Menschen wagten sich vor circa 100 000 Jahren aus Afrika hinaus; erst vor 13 000 Jahren erreichten sie schließlich Südamerika.

Die Beziehungen zwischen den Populationen in diesem Stammbaum spiegeln nicht nur ihre heutige Verteilung über die Erde wider. Immer wenn Menschen eine neue Gegend besiedeln, nehmen sie ihre Gene mit. Die Genome behalten ihre Ähnlichkeit zu den Genomen des Herkunftsortes, und erst langsam wird diese Ähnlichkeit durch Mutationen und durch Vermischung mit den neuen Nachbarn verwässert. Deshalb können wir mit unseren Genomen die Geschichte von Völkerwanderungen rekonstruieren.

Von der allgemeinen Regel, dass Menschen vom selben Kontinent nahe miteinander verwandt sind, gibt es eine dramatische Ausnahme: Afrika. Die Genome von zwei Afrikanern aus verschiedenen Volksgruppen unterscheiden sich oft stärker als die Genome von Menschen aus zwei verschiedenen Kontinenten jenseits von Afrika. Eine Dinka aus dem Südsudan und ein Tutsi von den großen afrikanischen Seen sind weniger nah miteinander verwandt als eine Han-Chinesin und ein Deutscher oder eine Tamilin und ein Palästinenser.

Um das zu verstehen, müssen wir weit zurück in die Vergangenheit gehen. Aus den Ähnlichkeiten in unseren Genomen können wir herauslesen, dass wir modernen Menschen vor etwa 400 000 Jahren in Afrika entstanden sind. Verschiedene Gruppen von Menschen in Afrika lebten so isoliert voneinander, dass sie über die Jahrtausende in verschiedene Populationen auseinanderdrifteten. Dann, vor rund 100 000 Jahren, wanderte eine kleine Schar über die Sahara nach Norden, in den Mittleren Osten. Verglichen mit den Menschen in Afrika war die Wandergesellschaft eine recht einheitliche Gruppe; vermutlich waren es einige Großfamilien, die sich gemeinsam auf den Weg machten. Das wissen wir daher, dass die Allele, die sie mitnahmen, nur einen kleinen Bruchteil der Gengesellschaft ausmachen, die in Afrika zurückblieb und die man auch heute noch dort vorfindet. Die Reisegesellschaft und ihre Nachfolger waren außerordentlich erfolgreich: Ihre Nachkommen verbreiteten sich in kaum mehr als 80 000 Jahren über alle übrigen Kontinente, mit Ausnahme der Antarktis.

Die Aufzeichnungen in unseren Genomen geben die Schritte wieder, in denen die Menschheit ihren Lebensbereich ausdehnte. Von allen Genomen außerhalb Afrikas sind diejenigen im Mittleren Osten, der ersten Zwischenstation der Wanderbewegung, am ähnlichsten denen südlich der Sahara. Vom Mittleren Osten wanderten einige unserer Vorfahren die Küste entlang weiter nach Osten und besiedelten Ostasien und Australien. Wenig später machten sich andere Gruppen vom Mittleren Osten auf nach Norden und endeten in Europa. Erst vor 20 000 Jahren querten Menschen von Asien über Alaska nach Nordamerika, von wo aus sie noch einmal fast 10 000 Jahre bis nach Südamerika brauchten. Und vor etwa 4000 Jahren wurde schließlich Ozeanien, die Inselwelt des Pazifiks nördlich und östlich von Australien, als letzte Region der Welt von Menschen besiedelt.

Aufgrund dieser Wanderungsbewegungen ist jeder Mensch außerhalb von Afrika ein Nachfahre von einigen wenigen kleinen Gruppen von Sammlern und Jägern, die vor vielen Tausend Jahren Afrika verließen. Eine Ausnahme bilden nur die Nachfahren jener Afrikaner, die Afrika in den letzten paar Hundert Jahren – oft nicht freiwillig! – verließen. Die Genome von den in Afrika verbliebenen Menschen behielten ihre in Jahrhunderttausenden angesammelten Verschiedenheiten. Deshalb finden wir die größten genomischen Unterschiede innerhalb von Afrika. Wie auch anderswo unterscheidet in Afrika aber nur ein kleiner Teil der genomischen Eigenheiten verschiedene Populationen voneinander – die meisten Unterschiede finden sich auch zwischen Angehörigen derselben Population wieder. Und erinnern wir uns: Alle menschlichen Genome sind fast identisch, auch die größten Unterschiede sind immer noch deutlich kleiner als 1 Prozent.

Als die ersten Menschen Afrika verließen, um die Welt zu besiedeln, waren sie nicht allein. Sie trugen eine Vielzahl von blinden Passagieren mit sich. Einer davon reiste bequem in menschlichen Mägen: Helicobacter pylori. Mindestens die Hälfte aller Menschen tragen dieses Bakterium in sich, was Helicobacter zu dem am weitesten verbreiteten Krankheitserreger überhaupt macht. Helicobacter bleibt in der Regel in der Familie: Kinder bekommen ihre Bakterien von den Menschen in ihrer Umgebung, sodass Verwandte auch ähnliche Helicobacter-Bakterien haben. Für die meisten Träger von Helicobacter bleibt seine Gegenwart folgenlos, aber in manchen Menschen kann sich daraus eine Magenschleimhautentzündung (Gastritis) entwickeln. Auch die meisten Magengeschwüre werden von Helicobacter verursacht, und Menschen mit Helicobacter haben ein mehr als fünfmal höheres Risiko, bestimmte Arten von Magenkrebs zu entwickeln.

Wenn man Helicobacter-Genome aus den Mägen von Menschen aus verschiedenen Weltregionen vergleicht, kann man daraus die »Völkerwanderungen« dieses Bakteriums ablesen. Wie zu erwarten, ähnelt die Geschichte von Helicobacter sehr stark der menschlichen Geschichte. Genau wie bei Menschen nimmt die genetische Vielfalt von Helicobacter ab, je weiter man sich von Afrika entfernt: Alle Helicobacter-Genome jenseits von Afrika sind einander ähnlicher als Helicobacter-Genome aus verschiedenen Gegenden in Afrika. Entsprechend den menschlichen Wanderungen überquerte Helicobacter zuerst die Sahara in den Mittleren Osten und bewegte sich dann nach Asien und Europa; von Asien aus wanderte Helicobacter weiter nach Australien und Amerika und schließlich nach Ozeanien.

In jüngerer Zeit verbreiteten sich die für Bantu-Populationen typischen Helicobacter-Varianten in einer gigantischen Wanderungsbewegung über Afrika, ausgehend vor 4000 Jahren vom Stammgebiet der Bantu im nördlichen Afrika, bis sie 2700 Jahre später schließlich Südafrika erreichten. Wir können der kolonialen Ausbreitung von Helicobacter folgen, das vom 16. Jahrhundert an die Welt in europäischen Mägen eroberte, sichtbar als typisch europäische Helicobacter in den Mägen von Indianern, Afrikanern und Australiern. Spuren westafrikanischer Helicobacter wurden in den Mägen mancher Indianer gefunden, eine Folge des Sklavenhandels, der im 17. Jahrhundert begann und erst in der Mitte des 19. Jahrhunderts endete.

Evolution – in Farbe und mit Geschmack

Die meisten der vielen Millionen Buchstaben, die sich zwischen zwei menschlichen Genomen unterscheiden, taugen nicht zum Studium unserer Geschichte. Bei 85 Prozent der variablen Buchstaben in unserem Genom ist es unerheblich, ob wir unser Chromosom mit dem einer Nachbarin vergleichen oder mit einem Chromosom vom anderen Ende der Welt – die Wahrscheinlichkeit, einen Unterschied zu finden, ist dieselbe. Wir könnten genauso gut die beiden Chromosomensätze in unseren eigenen Zellen miteinander vergleichen: Die Chromosomen, die wir von Vater und Mutter geerbt haben, sind ja ebenfalls verschieden.

Der Hauptanteil genetischer Unterschiede findet sich deshalb nicht zwischen ethnischen Gruppen, sondern innerhalb von Nachbarschaften und sogar innerhalb von Individuen. Clinton hatte also doch nicht ganz unrecht mit seiner Vision einer großen Menschheitsfamilie: Nur rund 15 Prozent der Unterschiede in unseren Genomen können überhaupt dazu dienen, Menschen aus verschiedenen Populationen zu unterscheiden. Noch sehr viel seltener sind Fälle, in denen alle Mitglieder einer Population dasselbe Allel besitzen, während alle anderen Menschen an derselben Stelle ein anderes Allel haben. Diese winzige Minderheit von Allelen, die für eine bestimmte Population typisch sind, ist aber andererseits auch besonders interessant: Weshalb hat die Evolution sie hervorgebracht?

Die meisten dieser populationsspezifischen Allele haben etwas mit der Umgebung zu tun. Ein Paradebeispiel ist die Hautfarbe. Hautfarbe ist eine wichtige Anpassung an unsere Umwelt. Dunkle Haut schützt vor UV-Strahlung: Wenn zu viel davon die Haut durchdringt, kann sie unsere DNA beschädigen und damit die Evolution von Hautkrebs beschleunigen. Deshalb haben Menschen in der Nähe des Äquators, wo die UV-Strahlung am stärksten ist, häufig dunkle Haut, und deshalb sollten Menschen mit heller Haut Sonnenschutz benutzen, wenn sie sich intensiver Sonne aussetzen.

Zu wenig UV-Strahlung ist aber auch nicht gesund. Unser Körper nutzt diese Strahlung, um Vitamin D herzustellen – ein Molekül, das wir brauchen, um über den Darm lebenswichtiges Calcium und Phosphor aufzunehmen. Wenn zu wenig UV-Strahlung die äußeren Schichten der Haut durchdringt, produziert unser Körper zu wenig Vitamin D. Kinder entwickeln als Folge von Vitamin-D-Mangel zum Beispiel Rachitis – ihre Knochen werden weich.

Als Kompromiss zwischen dem größtmöglichen Schutz vor Hautkrebs einerseits und der Produktion von genug Vitamin D andererseits wurde die Haut jeweils auf eine Farbe eingestellt, die gerade genug UV-Strahlung durchlässt, um die benötigte Menge Vitamin D herzustellen, aber nicht mehr. Auch diese »Einstellung« hat die natürliche Auslese vorgenommen. Entsprechend der örtlichen Sonneneinstrahlung wurden Allele, die eine zu dunkle oder eine zu helle Hautfarbe bewirkten, von Allelen verdrängt, die besser dem optimalen Kompromiss entsprachen. In der Nähe des Äquators favorisiert die natürliche Auslese einen starken Schutz vor UV-Strahlung und eine entsprechend dunkle Haut. Aber in Breiten von mehr als 30° durchqueren die Sonnenstrahlen die Atmosphäre in einem viel flacheren Winkel und werden dadurch stark abgeschwächt. Damit genügend Vitamin D produziert werden kann, muss die Hautfarbe dort viel heller sein. Die optimale Hautfarbe kann mit einer einfachen Formel berechnet werden. Und genau passend zu diesen Vorhersagen findet man die jeweils optimalen Allele der für die Hautfarbe zuständigen Gene in den Gengesellschaften verschiedener Regionen (Abb. 4.3).

Abb. 4.3: Intensität der UV-Strahlung und Hautfarbe von Ureinwohnern in verschiedenen Regionen. Die Allele für einen in der jeweiligen Gegend optimalen Hautton dominieren die örtlichen Gengesellschaften fast überall auf der Welt. Ausnahmen sind Zentral- und Südamerika: Diese Regionen wurden erst vor weniger als 20 000 Jahren durch Menschen mit heller Haut besiedelt – zu wenig Zeit für die Gengesellschaft, um die optimale Hautfarbe durch natürliche Auslese zu entwickeln.

Natürliche Auslese ist ein langsamer Prozess. Deshalb spiegelt unser Hautton nicht unbedingt die Intensität der UV-Strahlung an dem Ort wider, an dem wir gegenwärtig leben. Stattdessen zeigt unsere Hautfarbe, welcher UV-Strahlung unsere Vorfahren über viele Generationen ausgesetzt waren. Das ist der Grund, warum viele Ureinwohner Zentral- und Südamerikas eine für ihre Umgebung zu helle Hautfarbe haben. Es ist auch der Grund, warum in unserer heutigen globalisierten Welt viele hellhäutige Menschen Sonnenschutz brauchen. Dabei verschärft der Anstieg der UV-Strahlung durch die Klimaveränderungen der jüngsten Zeit den Bedarf an Schutz noch weiter. Umgekehrt profitieren Menschen mit dunkler Haut, die in höheren Breiten leben, oft von zusätzlichen Vitamin-D-Gaben.

Unsere Hautfarbe kann sich natürlich auch ändern. Wenn wir uns bräunen, dann passen wir uns der UV-Strahlung in Echtzeit an. Die Hautfarbe wird durch die Aktivität des Farbstoffes Melanin bestimmt, welcher in speziellen Zellen in unseren unteren Hautschichten produziert wird. Melanin absorbiert Licht und schützt dadurch die darunterliegenden Zellen. Wenn wir so viel UV-Licht abbekommen, dass die DNA der Hautzellen beschädigt wird, wird dadurch die Melanin-Produktion angekurbelt. Leider ist diese Fähigkeit zur bedarfsabhängigen Melanin-Produktion begrenzt – deshalb hat die Evolution dafür gesorgt, dass wir schon mit einem angemessenen Grundton geboren werden.

Ein weiteres Beispiel für Genomunterschiede zwischen Bevölkerungsgruppen ist die Fähigkeit, Milch zu verdauen. Wir sind Säugetiere, Muttermilch ist unsere natürliche erste Nahrung. Deshalb enthalten unsere Genome selbstverständlich auch einen Mechanismus, um Milchzucker (Laktose) zu verdauen. Eines unsere Gene beschreibt das Eiweiß Laktase, eine molekulare Maschine, die Laktose in zwei kleinere, leicht verdauliche Zucker zerschneidet: Traubenzucker (Glukose) und Galaktose. Genau wie bei anderen Säugetieren auch war für den allergrößten Teil der menschlichen Geschichte die frühe Kindheit die einzige Zeit, in der Milch getrunken wurde. Dementsprechend war das Laktase-Gen dazu programmiert, sich abzuschalten, sobald das »Milchalter« deutlich überschritten war. Über Jahrhunderttausende war es für Erwachsene sinnvoll, keine Energie in die Produktion eines Eiweißes zu stecken, das sie nicht brauchten.

Ein dramatischer Wechsel der Ernährungsgewohnheiten in vielen menschlichen Gesellschaften bahnte sich vor etwa 10 000 Jahren an, als Menschen im Mittleren Osten begannen, zahme Tiere zu melken. Heute sind 90 Prozent der Menschen in westlichen Ländern laktosetolerant, das heißt, sie können auch als Erwachsene noch Milch verdauen. Sie produzieren Laktase auch als Erwachsene weiter. Aber in vielen asiatischen und afrikanischen Populationen ohne traditionelle Milchwirtschaft fand eine solche Evolution nicht statt, mit der Folge, dass nur etwa 10 Prozent dieser Menschen Laktase bis ins Erwachsenenalter produzieren. Den höchsten Grad von Laktoseintoleranz findet man bei Ureinwohnern Amerikas, die erst in den letzten Jahrhunderten mit Milchwirtschaft in Berührung kamen.

Um den Schalter kaputtzumachen, der das Laktasegen nach dem Säuglingsalter ausschaltet, muss nur ein einziger Buchstabe im entsprechenden Kontrollelement ausgetauscht werden. Laktoseintoleranz bemerkt man selten vor dem sechsten Lebensjahr, etwas später, als traditionelle Kulturen von Jägern und Sammlern ihre Kinder abstillen. Stellen wir uns eine frühe, natürlicherweise laktoseintolerante Population vor, deren Mitglieder zahme Kühe halten. Ein Mädchen erbt eine neue Mutation, die in der Keimbahn ihres Vaters entstand und die das Ausschalten der Laktase verhindert. Dieses Mädchen hätte auch nach dem sechsten Lebensjahr noch Zugang zu einer wertvollen Nahrungsquelle und würde deshalb weniger leicht ein Opfer von Mangelernährung als ihre Altersgenossen. Aufgrund dieser Vorteile könnte sie im Laufe ihres Lebens mehr Kinder haben als andere Frauen. Die neue Mutation läge auf einem ihrer beiden Exemplare von Chromosom 2. Die Hälfte ihrer Kinder würde somit diese Mutation erben und aufgrund derselben Vorteile mehr Enkelkinder in die Welt setzen. Die drei Bedingungen der natürlichen Auslese wären erfüllt, und langsam, aber stetig würde ihre Mutation das laktoseintolerante Allel der frühen Kuhhirten ersetzen.

Aus evolutionärer Sicht ist die Zähmung von wilden Rindern vor 10 000 Jahren ein brandneues Ereignis. Noch vor wenigen Jahrtausenden war Laktosetoleranz extrem selten: Die Genome von 3800 bis 6000 Jahre alten europäischen Skeletten ebenso wie die 5250 Jahre alte Eismumie des Ötzi aus den Tiroler Alpen tragen alle noch das ursprüngliche, laktoseintolerante Allel. Die Fähigkeit von Erwachsenen, Milch zu verdauen, hat sich also scheinbar erst in den letzten 3000 bis 4000 Jahren über Europa verbreitet.

Es hat eine gewisse Ironie, dass Laktoseintoleranz heutzutage oft als eine Krankheit betrachtet wird. Ohne Milchwirtschaft hätte stattdessen Laktosetoleranz etwas Krankhaftes, und über die meiste Zeit der menschlichen Evolution war Laktoseintoleranz der gesunde Normalzustand von Erwachsenen. Wenn wir laktoseintolerant sind, dann haben wir lediglich ein Allel, das in der Gengesellschaft langsam aus der Mode kommt. Es hätte auch anders kommen können: Die Dinka im südlichen Sudan melken seit Menschengedenken Kühe, sind aber überwiegend laktoseintolerant geblieben. Sie verarbeiten die Milch zu Joghurt, wodurch der Milchzucker Laktose zu einem großen Teil in seine leicht verdaulichen Bestandteile zerlegt wird. Mit ihrer Verarbeitung der Milch haben die Dinka eine genetische Anpassung durch eine kulturelle Anpassung ersetzt.

Gene im Glück

Die für Hautfarbe oder Laktosetoleranz verantwortlichen genetischen Varianten sind die Art von Genomunterschieden, um die es Bill Clinton ging: Sie unterscheiden Populationen auf eine äußerlich erkennbare Art. Die Entstehung dieser Eigenschaften demonstriert die Leistungsfähigkeit der natürlichen Auslese. Aber solch bedeutungsvolle Unterschiede sind die Ausnahme, nicht die Regel. Die übergroße Mehrheit der dreißig Millionen Unterschiede zwischen Ihnen und einem anderen Menschen sind nicht das Ergebnis von Anpassungen an verschiedene Umgebungen. Woher kommen sie dann?

Die meisten dieser Unterschiede haben keinerlei Konsequenzen. Die Gene, die beim Bau und der Kontrolle unseres Körpers zusammenarbeiten, liegen verteilt auf den Chromosomen. Zwischen ihnen aber liegen lange DNA-Abschnitte, die nichts zu diesem Unterfangen beitragen. Viele der besagten dreißig Millionen liegen in diesen Zwischenräumen.

Selbst Genomunterschiede innerhalb von Genen sind selten von Bedeutung. Wie wir in Kapitel 2 gesehen haben, sind die Baupläne für Eiweiße in einem recht nachsichtigen Code geschrieben. Viele Mutationen verändern deshalb den Informationsgehalt eines Gens überhaupt nicht. Die menschliche Sprache ist ähnlich robust: Dss murkt man zrm Beisppel an dxr Lesbrkeit diases mutierttn Satzzs. Das Genom hat auch kein definiertes Leerzeichen, das heißt, dass Regionen, die wichtige »Wörter« voneinander absetzen, beliebige Buchstabenfolgen enthalten können. Und schließlich bestehen viele Unterschiede zwischen Genomen in Wiederholungen von Bereichen, die ohnehin auch anderswo schon im Genom vorkommen.

Wenn eine Mutation keine funktionelle Bedeutung hat, warum verschwindet sie dann nicht einfach? Natürliche Auslese findet schließlich nur statt, wenn Unterschiede zwischen Allelen eine Auswirkung auf die Fitness haben. Wie kann sich dann eine »neutrale« Mutation, die keinerlei Folgen hat, jemals ausbreiten?

Dafür reicht allein der Zufall. Davon kann man sich anhand eines Experiments mit Fruchtfliegen überzeugen. Wir nehmen dafür zunächst einhundert Fliegen: je zur Hälfte Männchen und Weibchen und davon jeweils die eine Hälfte mit roten und die andere mit weißen Augen. Rot ist die normale Augenfarbe von Fruchtfliegen, aber Fliegen mit weißen Augen sehen genauso gut, und sie sehen (für das andere Geschlecht) auch genauso gut aus. Die Augenfarbe wird von einem einzigen Gen bestimmt. Das normale Allel verleiht rote Augen, ein mutiertes Allel lässt die Augen weiß werden. Die hundert Fliegen setzen wir in ein geschlossenes Gefäß (Abb. 4.4).

Abb. 4.4: Das Fruchtfliegen-Experiment (der Übersichtlichkeit halber mit zwölf statt hundert Fliegen). Die Experimente in beiden Reihen starten jeweils mit sechs rotäugigen und sechs weißäugigen Fliegen. Oben sind nach einigen Generationen nur noch rotäugige Fliegen da, die weißäugigen Fliegen sind verschwunden (und kommen – außer durch eine seltene neue Mutation – auch nicht mehr wieder). Unten ist zufällig genau das Gegenteil passiert: Nur noch weißäugige Fliegen sind übrig.

Selbst wenn alle Fliegen gleich fit sind, werden in jeder Generation manche von ihnen mehr Kinder haben als andere. Nach einer Generation wird das Verhältnis deshalb vermutlich nicht mehr genau 50:50 sein; vielleicht hat sich der Anteil der weißäugigen Fliegen auf 55 Prozent erhöht. In der dritten Generation fällt der weißäugige Bevölkerungsteil des Gefäßes, wieder rein zufällig, womöglich zurück auf 52 Prozent und steigt dann in der vierten Generation auf 56 Prozent. Die Weißaugen-Mutation »driftet« in der Gengesellschaft der Fliegen im Gefäß. Nach vielen Generationen kann es zufällig passieren, dass alle Fliegen in der Population weiße Augen haben. Plötzlich gibt es keine Variation mehr, und das Driften hört auf. Weil weiße Augen keinen Vorteil mit sich bringen, hätte es auch umgekehrt kommen können: Die Weißaugen-Mutation hätte auch aussterben können. Sobald eines der beiden Allele ausstirbt, geht die Variation für immer verloren – außer natürlich, ein augenfarbenveränderndes Allel entsteht erneut durch eine Mutation.

Dieselben Gesetze des Zufalls gelten für eine neue Mutation auf einem menschlichen Chromosom. Das Einzige, was die natürliche Auslese an einem Allel interessiert, ist dessen Fähigkeit, Kopien von sich herzustellen – seine Fitness. Wenn diese Fähigkeit von einer neuen Mutation nicht beeinflusst wird, dann befasst die natürliche Auslese sich auch nicht damit – sie überlässt das Feld komplett dem Zufall. Zu Beginn ihres Lebens stellt jede neue Mutation eine kleine Minderheit in der Gengesellschaft dar, sie erzeugt ein einsames Allel zwischen all den nicht-mutierten Allelen. Das vom Zufall getriebene Auf und Ab der Allelhäufigkeit führt deshalb in den allermeisten Fällen schnell zum Aussterben der Mutation. Das ist so, als ob wir das Fliegenexperiment mit neunundneunzig rotäugigen und nur einer weißäugigen Fliege starten: Die Wahrscheinlichkeit, dass am Ende nur noch weißäugige Fliegen übrig bleiben, ist extrem klein. Wie klein? Es ist ganz leicht, das auszurechnen. Jedes Allel in der Anfangspopulation hat die gleiche Chance, der alleinige Vorfahre von allen Allelen der Gengesellschaft einer fernen Generation zu sein: eins von hundert. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich das eine weißäugige Allel durchsetzt, liegt also genau bei 1 Prozent.

Irgendwer gewinnt am Ende immer. Die Häufigkeit eines Allels muss nur ein einziges Mal auf 100 Prozent steigen. Ab diesem Punkt sind alle Konkurrenten unwiderruflich aus dem Feld geräumt. Neue Konkurrenten entstehen erst wieder durch neue Mutationen. Eine Situation mit zwei funktionell völlig gleichwertigen Allelen ist nie stabil. Wenn wir die Koexistenz von gleichwertigen Allelen in der Gengesellschaft beobachten, dann betrachten wir ein Standbild, eine Momentaufnahme im unfassbar langsam laufenden Film der Evolution (Abb. 4.5). Das Schicksal dieser Allele ist noch nicht entschieden, sie driften – aber jedes Allel wird schließlich entweder aussterben oder aber die Gengesellschaft dominieren.

Abb. 4.5: Aufstieg und Fall neuer Allele für ein bestimmtes Gen. Die Zeit läuft von links nach rechts, jeder senkrechte Streifen zeigt die Verteilung der Allele zu einem bestimmten Zeitpunkt. Anfangs haben 100 Prozent der Genome das schwarze Allel. Die linke Spitze jedes schattierten Bereichs entspricht dem Ursprung eines neuen Allels durch eine Mutation. Die meisten Allele gehen schnell wieder verloren, aber manchmal schafft es ein neues Allel, zur Vorherrschaft aufzusteigen, indem es seine Vorfahren aus der Gengesellschaft drängt.

Die aus evolutionärer Sicht wichtigste Eigenschaft eines Allels ist seine Popularität in der Gengesellschaft – der Prozentsatz der Genome, die diese Version des entsprechenden Gens tragen. Das Allel für Laktosetoleranz zum Beispiel kommt in etwas weniger als der Hälfte der menschlichen Genome vor, wobei sich die Popularität regional enorm unterscheidet: Mehr als 90 Prozent der Nordeuropäer tragen das Milchtrinkerallel, während weniger als 10 Prozent der Chinesen es haben. Wie sieht das für die übrigen Mutationen in menschlichen Genomen aus? Allele, die Fitnessvorteile ähnlich denen der Laktosetoleranz mit sich bringen, sollten sich auch ähnlich stark ausgebreitet haben. Tatsächlich kommen nur sehr wenige Allele mit nennenswerter Häufigkeit vor. Die allermeisten sind selten und finden sich allenfalls in wenigen Prozent der menschlichen Genome. Die meisten Variationen, die wir in der Gengesellschaft finden, sind nichts weiter als zufällige Schwankungen im Spiel des Lebens.

Afrikas genomisches Füllhorn

Genetische Untersuchungen haben oft das Ziel, Menschen von genetisch möglichst unterschiedlichen Populationen einzuschließen, zum Beispiel durch die Kombination von Genomen europäischer, chinesischer und afrikanischer Herkunft. Wie wir gesehen haben, würde man allerdings in einer Auswahl verschiedener afrikanischer Populationen mehr Unterschiede finden, als man jemals aus dem Vergleich asiatischer, europäischer, amerikanischer und australischer Genome bekommen könnte. Mehr noch: Das Hinzufügen von Genomvarianten vom Rest der Welt würde im Vergleich mit der Vielfalt innerhalb Afrikas kaum Neues bringen. Fast alle Allele, die man außerhalb Afrikas findet, sind auch in afrikanischen Genomen vorhanden. Umgekehrt gilt das nicht: Viele genetische Varianten gibt es nur in Afrika.

Der Großteil dieser Variationen spielt keinerlei Rolle für das Aussehen oder die Fitness seiner Träger. Aber eine Minderheit macht doch einen Unterschied. Genau wie unsere äußere Erscheinung sind auch unsere Talente zu einem Teil erblich. Nehmen wir an, dass ein bestimmtes Talent – sagen wir, die Fähigkeit, schnell zu sprinten – mit einem bestimmten Allel im Genom verbunden ist. Dann gibt es wahrscheinlich irgendwo in Afrika eine Population, unter deren Männern und Frauen dieses Allel verbreitet ist, viel wahrscheinlicher jedenfalls, als dass dieses Allel zum Beispiel unter Europäern häufig ist. Das ergibt sich einfach und allein aus der Tatsache, dass es innerhalb von Afrika mehr Variation gibt als sonst auf der Welt. Wenn ein anderes Allel dabei hilft, über lange Distanzen ungewöhnlich schnell zu sein, dann ist es wieder wahrscheinlicher, dass dieses Allel irgendwo in Afrika verbreitet ist, als dass es beispielsweise in Asien häufig vorkommt. Es kommt nicht darauf an, um welche Fähigkeit es sich handelt – es ist in jedem Fall wahrscheinlich, dass die Menschen, die genetisch am besten dafür ausgestattet sind, irgendwo auf dem afrikanischen Kontinent leben, einfach weil es in der Wiege der Menschheit so viel mehr genetische Variation gibt als irgendwo sonst. Das bedeutet keineswegs, dass alle Afrikaner mehr Talent für eine bestimmte Disziplin mitbringen. Im Gegenteil: Mehr Variation bedeutet auch, dass vermutlich auch die Menschen mit dem geringsten Talent fürs Sprinten irgendwo in Afrika leben.

In den letzten Jahrzehnten konnte man die Folgen dieser ungleichen Verteilung von Vielfalt zwischen den Kontinenten regelmäßig bei den Olympischen Sommerspielen beobachten: Sie werden mehr und mehr von Athleten afrikanischer Herkunft dominiert, egal für welche Nation sie antreten. Ein chinesischer oder ein schwedischer Sprinter unter den Favoriten für das 100-Meter-Finale wäre eine bemerkenswerte Ausnahme.

Das war nicht immer so. Die Umstände haben einen großen Einfluss darauf, ob wir die in unsere Gene gemeißelten Talente auch ausleben können. Jesse Owens trat 1936, gemeinsam mit siebzehn weiteren afroamerikanischen Athleten, bei den von den Nazis ausgerichteten Olympischen Spielen in Berlin an. Keine eingeborenen Afrikaner waren dabei, Südafrika nahm zwar teil, schickte aber nur »weiße« Athleten zu den Spielen. Zum Ärger mancher Nazis sackte Owens die Goldmedaillen für den Weitsprung, den 100-Meter- und den 200-Meter-Lauf sowie die 4 × 100-Meter-Staffel ein. Neun weitere Afroamerikaner aus dem Team der USA holten sich in Berlin ebenfalls Medaillen.

Dieselben Talente, die wir heute im Spitzensport beobachten können, waren natürlich auch schon in den 1930ern in die afrikanischen Genome eingeschrieben. Aber gut abgestimmte Genome reichen nicht, um bei einer Aufgabe zu glänzen. Man braucht dazu auch das passende Training und die notwendige Unterstützung – und das war den Afrikanern in einem immer noch von den Kolonialmächten dominierten Afrika verwehrt. Das sah in den USA übrigens auch nur bedingt besser aus: Jesse Owens war zwar spätestens durch seine Siege in Berlin ein Superstar, musste als Schwarzer aber trotzdem bei einem Empfang zur Feier der Olympiasieger den Frachtenaufzug des New Yorker Waldorf-Astoria-Hotels benutzen.

Athleten aus Europa und Asien dominieren immer noch viele Sportarten, die technisch anspruchsvoll oder teuer sind – vermutlich nicht, weil sie genetisch besser dafür ausgestattet sind, sondern weil die Mittel oder die Motivation für diese Sportarten in Afrika nicht weitverbreitet sind. Aber wir (die Autoren) würden darauf wetten, dass eines Tages die Kinder einer Population irgendwo in Afrika mit dem Schachspielen anfangen und dass ein paar Generationen später eine Abfolge afrikanischer Großmeister die internationale Schachszene dominiert. Beim englischsprachigen Scrabble ist es schon so weit: Mehr als ein Viertel der führenden Spieler der Weltrangliste stammt aus Nigeria.

Tückische Gene

Viele der Witze, denen man an einem beliebigen Abend in New Yorker Comedy Clubs ausgesetzt ist, sind rassistisch. Sie spielen mit echten oder angeblichen Unterschieden zwischen Bevölkerungsgruppen: Afroamerikaner und Asiaten, Mexikaner und Deutsche, Araber und Juden. Das sieht auf Berliner Kleinkunstbühnen nicht viel anders aus, auch wenn man hier andere Bevölkerungsgruppen aufs Korn nimmt. In den letzten Jahren darf Rassismus in Deutschland sogar wieder guten Gewissens konsumiert werden: in Form von »Ethno-Comedy«, wo Komiker mit Migrationshintergrund sich ungeniert aller Klischees und Vorurteile über ihre eigene und auch andere Volksgruppen bedienen. Leider liegt hier ein weitverbreitetes Missverständnis vor: Mein Lachen über einen rassistischen Witz verliert nicht deshalb an Rassismus, weil der Witzeerzähler sich selbst mitbeleidigt.

Können wir nach unserem weltweiten genetischen Rundblick etwas darüber sagen, ob Rassismus eine genetische Grundlage hat? Auch wenn die Mehrzahl der genetischen Unterschiede zwischen Menschen weder Konsequenzen hat noch zur Unterscheidung zwischen Bevölkerungsgruppen taugt: Es gibt zweifellos Unterschiede zwischen menschlichen Populationen, und ein Teil davon hat in der Tat genetische Ursachen. Bill Clinton würde argumentieren, dass diese Unterschiede zu klein sind, um irgendeine Diskriminierung zu rechtfertigen. Wenn das stimmt, warum ist Rassismus dann trotzdem so verbreitet?

Um uns mit diesem Thema angemessen auseinanderzusetzen, müssen wir verstehen, wie leicht Diskriminierung in einer Gengesellschaft entsteht. Das kann man gut mit dem »Grünbart-Effekt« illustrieren. Stellen wir uns ein Allel vor, das zwei Konsequenzen hat: Menschen mit diesem Allel bekommen einen grünen Bart, und sie unterstützen nach Kräften alle anderen Grünbärtigen. Solange bei einer Unterstützung die Kosten für den Helfenden kleiner sind als der Nutzen für den Unterstützten (in vielen Fällen eine realistische Annahme), erhöht dieses Verhalten die Fitness des Grünbart-Allels: Es bekommt mehr heraus, als es einzahlt, auch wenn Kosten und Nutzen bei verschiedenen Individuen auftreten. Aufgrund der natürlichen Auslese wird sich das Grünbart-Allel ausbreiten.

Natürlich braucht man für diesen Effekt keine grünen Bärte – er funktioniert genauso mit jedem anderen auffälligen Merkmal. Die Grünbart-Theorie wurde von W. D. Hamilton entwickelt, einem der großen theoretischen Biologen des 20. Jahrhunderts. Die Idee mit dem grünen Bart stammt allerdings von Richard Dawkins, der viel dazu beigetragen hat, das Konzept bekannt zu machen. Hamilton interessierte sich für die Evolution von Sozialverhalten. In einer Verallgemeinerung des Grünbart-Effekts kam er zu dem Schluss, dass Selbstlosigkeit – ein Verhalten, das anderen zugutekommt und uns etwas kostet – sich für unsere Gene lohnt, wenn die Nutznießer unserer Selbstlosigkeit näher mit uns verwandt sind als die meisten anderen in unserer Population. Deshalb neigen wir dazu, unsere Kinder, Geschwister und Cousinen zu bevorteilen – es ist die Grundlage der Vetternwirtschaft.

Die Kehrseite dieser Einsicht ist, dass Gehässigkeit – also Verhalten, das anderen schadet, ohne uns direkt zu nützen – sich für unsere Gene genauso lohnen kann, und zwar immer dann, wenn das Opfer weniger nahe mit uns verwandt ist als der Durchschnitt. Gehässigkeit benachteiligt Allele, die überwiegend verschieden von unseren eigenen sind, und verschafft damit den Allelkopien in näher verwandten Menschen einen relativen Vorteil. Genau wie beim Altruismus fördern wir also durch dieses Verhalten den Erfolg unserer eigenen Allele. Das ist die theoretische Grundlage von genetisch verankertem Rassismus: Unsere Allele profitieren davon, dass wir diejenigen schlecht behandeln, die anders sind – bei denen wir andere Allele vermuten.

Grünbart-Gene wurden bisher bei Einzellern, Ameisen und Pilzen entdeckt, aber noch nicht bei Menschen. Vermutlich hat aber auch noch niemand ernsthaft danach gesucht – dafür wären umfangreiche genetische Untersuchungen nötig, die Rassisten mit Nichtrassisten vergleichen.

So weit die Menschheit zurückdenken kann, war Rassismus in allen Gesellschaften verbreitet. Das legt nahe, dass Rassismus eine stabile Ursache hat, und diese Ursache könnte durchaus das Grünbart-Prinzip sein. Interessanterweise müssen Grünbart-Allele noch nicht einmal im Genom liegen. Die Logik der natürlichen Auslese lässt sich genauso gut auf kulturelle Variation anwenden: Wenn es eine Idee gibt, die die Anzahl der Nachkommen ihrer Anhänger beeinflusst, und wenn Kinder diese Idee von ihren Eltern übernehmen, dann wird eine »fittere« Idee sich ausbreiten.

Um zu sehen, wie das funktioniert, betrachten wir ein einfaches Beispiel. Angenommen, es gibt in einer Population zwei Religionen: Die erste hält sich aus Fragen der Familienplanung heraus, während die zweite ihren Mitgliedern jede Art von Empfängnisverhütung verbietet. Die Anhänger der zweiten Religion würden sich unaufhaltsam breitmachen.

Ein zweites Beispiel: Stellen wir uns eine Population vor, in der es zwei Gruppierungen gibt. Die eine Gruppe, die »Gleichmacher«, glaubt fest an die Solidarität zwischen allen Menschen und hilft jedem, unabhängig von seinem Hintergrund. Die Kultur der »Elitisten«, einer anfangs genauso großen Gruppe, fordert dagegen die bedingungslose Unterstützung anderer Elitisten und lehnt jede Hilfe für Gleichmacher strikt ab. Elitisten erkennen einander übrigens am Haarschnitt. Was passiert? Die Elitisten erhalten durchschnittlich doppelt so viel Unterstützung wie die Gleichmacher, weil sie Hilfe von den Mitgliedern beider Gruppen bekommen. Wenn sie als Konsequenz im Durchschnitt mehr gesunde Kinder aufziehen als die Gleichmacher, dann ist es unvermeidlich, dass die Gleichmacher-Idee von Generation zu Generation weniger Anhänger findet – auch dann, wenn sie philosophisch betrachtet überlegen ist.

Bill Clinton lag in dieser Hinsicht also daneben: Selbst wenn wir zu mehr als 99 Prozent identisch sind, genügt eine kleine Zahl egoistischer Gene (oder egoistischer Ideen), um rassistische Tendenzen hervorzurufen. Und nicht nur bei Menschen. Wenn Dachse sich mit Tuberkulose anstecken, dann verlassen sie ihre eigene Gruppe (diejenigen, die nah mit ihnen verwandt sind) und begeben sich zu einer benachbarten Gruppe von Dachsen, um die »anderen« anzustecken. Was uns von Dachsen unterscheidet: Wir können wählen, ob wir mehr sein wollen als die Sklaven unserer Gene. Wir können uns dafür entscheiden, Ideale über Allele zu stellen.

Allele können unser Leben auf sehr unterschiedliche Art beeinflussen. Aber viele Allele haben überhaupt keinen Einfluss, ihr Schicksal liegt ganz in der Hand des Zufalls. Was uns zu der Frage bringt: Ist es einfach, die Wirkung eines Allels vorherzusagen? Oder hängen die Konsequenzen eines Allels davon ab, wer es erbt?

PROMISKUITIVE GENE IN KOMPLEXER GESELLSCHAFT

»Die Dinge beziehen ihr Dasein und ihre Natur aus gegenseitigen Abhängigkeiten; für sich allein sind sie nichts.«

Nāgārjuna, buddhistischer Philosoph

Jeder kennt jeden auf der Welt über höchstens fünf Ecken – diese Idee veröffentlichte der Ungar Frigyes Karinthy 1929 in einer Kurzgeschichte. Bekannt wurde die Idee durch das 1993 verfilmte Theaterstück Six Degrees of Separation von John Guare, aus dem wiederum das Spiel Six Degrees of Kevin Bacon entstand. Bei diesem Spiel bekommt ein Mitspieler den Namen eines Schauspielers und muss versuchen, ihn über möglichst wenige Schauspielerkollegen mit Kevin Bacon zu verbinden. Ein versierter Cineast könnte für Götz George etwa eine Bacon-Zahl von drei über folgende Kette erhalten: Götz George spielte 1984 mit Renée Soutendijk in Abwärts; Alan Haufrect trat im selben Jahr mit Kevin Bacon in Footloose auf; und Renée Soutendijk und Alan Haufrect spielten 1991 zusammen in Eve 8 – Außer Kontrolle. Google hat eine spezielle Suche für Bacon-Zahlen: Um diese Kette von Filmen zu erhalten, muss man nur »bacon number götz george« ins Suchfeld tippen. Kevin Bacon hat in äußerst vielen Filmen mitgespielt, sodass die Bacon-Zahl oft überraschend klein ist. Das Spiel würde mit anderen Schauspielern fast genauso gut funktionieren: Schauspieler spielen typischerweise im Laufe ihrer Karriere in vielen Filmen mit, und zu den meisten Filmen tragen viele Schauspieler bei. Die Beziehungen zwischen Schauspielern sind ein Netzwerk, das sich immer weiter ausbreitet (Abb. 5.1).

Abb. 5.1: Schauspieler sind miteinander durch gemeinsame Filme vernetzt. In dem hier abgebildeten Netz ist jeder Schauspieler mit Kevin Bacon über höchstens zwei Schritte verbunden. Götz George liegt noch einen Schritt weiter außen.

Ein genialer Erbsenzähler

Die bahnbrechenden Arbeiten von Gregor Mendel (1822–1884), dem Begründer der Genetik, mussten bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts auf ihre Anerkennung warten. Der Eintritt ins Kloster ermöglichte Mendel ein wissenschaftliches Studium, was seine einfache Herkunft sonst nicht erlaubt hätte. Nach dem Studium lebte Mendel in einem Augustinerkloster in Österreich, wo er seine Untersuchungen zur Vererbung durchführte. Mendels ursprüngliche Idee, die Vererbung bei Mäusen zu untersuchen, fand nicht die Zustimmung seines Bischofs, weil dabei Sex im Spiel gewesen wäre. Mendel wechselte deshalb zu Erbsen – erfreut darüber, »dass der Bischof nicht verstand, dass auch Pflanzen Sex haben«. Nach einer achtjährigen Serie von brillant ausgeführten Experimenten und Analysen veröffentlichte Mendel seine Ergebnisse 1866 in den Verhandlungen des Naturforschenden Vereines in Brünn. Doch Mendel war seiner Zeit weit voraus – die Wissenschaftswelt bemerkte die grundlegende Bedeutung seiner Arbeiten erst Jahrzehnte später. Um zu verstehen, wie Gene zusammenarbeiten, schauen wir uns eines von Mendels klassischen Experimenten an.

Mendel wählte für seine Untersuchungen verschiedene Pflanzeneigenschaften aus, unter anderem die Farben von Samen, Schoten und Blüten. Er kreuzte zwei Pflanzen mit verschiedenen Eigenschaften und verfolgte dann ihr Aussehen über die nächsten Generationen. Jedes Merkmal verhielt sich wie eine zusammenhängende und unteilbare Einheit: Samen waren entweder grün oder gelb, Blüten entweder weiß oder violett. Wenn er beispielsweise eine weibliche Pflanze mit grünen Erbsen mit einer männlichen Pflanze mit gelben Erbsen kreuzte, dann waren drei Viertel der Erbsen in den »Enkeln« dieser Kreuzung gelb und ein Viertel war grün (Abb. 5.2). Aus diesem einfachen Verhältnis schloss Mendel, dass eine Pflanze zwei Exemplare von etwas hat, das die Farbe bestimmt und das in verschiedenen Varianten vorkommt, eine für gelb, eine für grün. Dieses »Etwas« nennen wir heute ein Gen; die »Varianten« nennen wir Allele.

Das gelbe Allel stellte sich als dominant heraus: Wenn eine Pflanze jeweils eine Kopie der gelben und der grünen Variante hatte, dann setzte sich immer die gelbe durch. Grüne Samen wurden dagegen nur dann produziert, wenn eine Pflanze zwei grüne Allele hatte. In der ersten Generation nach der Kreuzung hatten alle Pflanzen ein gelbes und ein grünes Allel, alle Erbsen waren folglich gelb. In der zweiten Generation wurde es interessanter. Jetzt gab es vier verschiedene Allelkombinationen, die alle gleich häufig auftraten: grün-grün, gelb-grün, grün-gelb und gelb-gelb. Drei der vier hatten das dominante gelbe Allel und produzierten gelbe Samen, nur das grün-grüne Viertel ergab grüne Samen. Diese Erkenntnis markierte den Beginn der Genetik, lange bevor man wusste, dass Gene als DNA gespeichert und vererbt werden.

Abb. 5.2: Gregor Mendel, Gründungsvater der Genetik, und sein bahnbrechendes Experiment mit Erbsen. Wenn man zwei Erbsensorten – eine mit stets gelben, eine mit grünen Erbsen – kreuzt, dann werden in der ersten Generation nur gelbe Erbsen produziert. In der Enkelgeneration ist das Verhältnis zwischen gelben und grünen Erbsen 3:1.

Mitgefangen – mitgehangen

Zu Mendels Zeit ging man weitgehend davon aus, dass die Nachkommen von Kreuzungen eine gleichmäßige Mischung aus den Eigenschaften der Eltern darstellten. Mendel fand in seinen Experimenten etwas ganz anderes: Die Samen waren entweder gelb oder grün, aber nie gelbgrün. Das legte die Schlussfolgerung nahe, dass es eine einfache Eins-zu-eins-Beziehung zwischen Genen und Merkmalen gibt. Wie bei Mendels Erbsenfarbe könnten Biologen sich dann auf ein bestimmtes Merkmal konzentrieren, um die Gene und Allele dafür zu finden. In einer so einfach strukturierten Welt gäbe es ein Gen für jedes erbliche Merkmal: eines für jeden Höcker auf unserer Nase, eines für unsere Haarfarbe, ein weiteres für die Länge unseres Mittelfingers. Auch für jede erbliche Krankheit könnten wir Mutationen in einem einzigen Gen verantwortlich machen.

Einer der Autoren beispielsweise hat ein Lymphödem vom Nonne-Milroy-Typ. Es entsteht durch eine einzige Mutation, eine Buchstabenveränderung im FLT4-Gen, das eine wichtige Rolle bei der Entwicklung und Aufrechterhaltung des lymphatischen Systems spielt. Das Lymphödem vom Nonne-Milroy-Typ ist damit ein »schönes« Beispiel für eine Mendel’sche Krankheit: eine Beeinträchtigung, die von einem einzelnen defekten Gen hervorgerufen wird. Auch etliche andere Erbkrankheiten lassen sich auf ein einzelnes Gen zurückführen.

Typischerweise ist die Beziehung zwischen Krankheiten und Genen aber sehr viel komplizierter. Ein noch verhältnismäßig einfaches Beispiel ist die Parkinson-Krankheit, die früher als »Schüttellähmung« bezeichnet wurde. Parkinson ist eine fortschreitende Erkrankung des Nervensystems, sie kann durch Mutationen in einem von drei verschiedenen Genen hervorgerufen werden, die zusammen ein Team bilden. Normalerweise sorgen sie gemeinsam dafür, dass bestimmte Eiweiße in den Gehirnzellen abgebaut werden. Wenn auch nur eines der drei Gene nicht richtig arbeitet, dann scheitert der Abbau, die Eiweiße sammeln sich an und verstopfen die Gehirnzellen. Eine schwerwiegende Betriebsstörung im Gehirn ist die Folge.

Nicht immer muss jede Störung einzelner Teammitglieder einer zusammenarbeitenden Gruppe von Genen dieselben Konsequenzen haben: Verschiedene Mutationen können auch unterschiedliche Varianten einer Krankheit verursachen. In Kapitel 4 haben wir die Evolution von Laktase verfolgt, die den Milchzucker Laktose in Traubenzucker und Galaktose zerschneidet. Galaktose kann normalerweise problemlos weiterverwertet werden, aber Menschen mit der angeborenen Stoffwechselstörung Galaktosämie sind dazu nicht in der Lage. Wenn ein Säugling mit Galaktosämie Milch bekommt, dann sammeln sich in seinem Körper giftige Mengen von Abbauprodukten der Galaktose an und schädigen Leber, Hirn, Nieren und Augen, oft mit tödlichen Folgen.

Normalerweise wandelt eine Kette von drei aufeinanderfolgenden chemischen Reaktionen Galaktose in Traubenzucker um. Für jede der drei Reaktionen ist ein anderes Gen verantwortlich. Mutationen in den einzelnen Genen verursachen verschiedene Varianten von Galaktosämie. Mutationen im Gen für die erste Reaktion verursachen eine Trübung der Augen, eine vergleichsweise milde Form der Krankheit. Mutationen im zweiten Gen verursachen eine »klassische« Galaktosämie, die unbehandelt zu Entwicklungsproblemen und Leberschäden führt. Mutationen im dritten Gen können entweder zu einer milden oder zu einer schweren Form führen. Im Grunde handelt es sich also um drei verschiedene Krankheiten, doch sie sind einander ähnlich genug, um sie alle unter einem Namen zusammenzufassen: Galaktosämie.

Alle bislang hier betrachteten Krankheiten haben eines gemeinsam: Sie können ausnahmslos auf die Fehlfunktion eines einzigen Gens zurückgeführt werden. Das klingt hoffnungsvoll, denn theoretisch sollten wir in der Lage sein, die Funktion jedes einzelnen Gens systematisch zu erforschen und daraus zu schließen, mit welchen Krankheiten wir bei einem Gendefekt rechnen müssen. Sobald unsere Ärzte eine entsprechende Auflistung von Gen/Krankheits-Paaren in der Hand hätten, bräuchten sie sie nur noch mit unserem Genom abzugleichen und könnten die passende Therapie verschreiben – noch bevor wir überhaupt Symptome zeigen.

Wie können wir also systematisch Mutationen mit Krankheiten verknüpfen? Dazu betrachten wir nun Morbus Crohn, eine schwerwiegende chronische Darmentzündung. Als Allererstes müssen wir eine ziemlich große Gruppe von Testpersonen zusammenstellen (sagen wir, einhundert Personen), von denen die eine Hälfte gesund ist, während die andere Hälfte an Morbus Crohn leidet. Als Nächstes besorgen wir uns die genaue Buchstabenfolge im Genom jeder einzelnen Person. Dieser Teil des Projekts, der bis vor ein paar Jahren noch kompliziert und teuer war, wird mit fortschreitender Technik immer einfacher und preiswerter. Wir legen nun die Genome aller Testpersonen übereinander und gehen eine Position in der DNA nach der anderen durch, um zu sehen, ob die Buchstaben der Kranken sich von denen der Gesunden an einer bestimmten Stelle unterscheiden. Wir könnten zum Beispiel ein Allel finden, sagen wir ein T an Position 79 686 165 auf Chromosom 10, das in allen fünfzig Testpersonen mit Morbus Crohn vorkommt, während die fünfzig Gesunden dort ein A haben (Abb. 5.3). So ein perfektes 50:0-Muster kann kaum Zufall sein – wir wären ziemlich sicher, einen genomischen Hinweis für das Auftreten von Morbus Crohn gefunden zu haben. Perfekte 50:0-Muster sind in der Praxis extrem selten, realistischer wäre so etwas wie 23:12, aber wenn die Testgruppe groß genug ist, dann kann man die wichtigsten Allele für eine Krankheit trotzdem finden. Diese Art von Untersuchung nennen wir eine Genomweite Assoziationsstudie (abgekürzt GWAS).

Abb. 5.3: Genomweite Assoziationsstudien (GWAS) wollen herausfinden, welche Allele mit einer bestimmten Krankheit verknüpft sind. In jeder Zeile steht die DNA-Buchstabenfolge einer Testperson, wobei die schwarzen Personen die Kranken und die grauen Personen die Gesunden repräsentieren. Die Buchstaben in der mittleren Spalte erlauben eine perfekte Unterscheidung zwischen den beiden Gruppen anhand ihrer DNA: Alle Patienten haben hier ein T, alle Gesunden ein A. Das ist ein starker Hinweis darauf, dass das T-Allel die Krankheit verursacht.

Eine großangelegte GWAS hat die Genome von 6333 Patienten mit Morbus Crohn mit denen von 15 056 Gesunden verglichen. Dabei wurden 71 Bereiche im Genom identifiziert, die das Auftreten der Krankheit beeinflussen. Jede dieser Regionen ist ein Risikobereich, weil ein bestimmtes Allel in diesem Bereich die Wahrscheinlichkeit erhöht, an Morbus Crohn zu erkranken. Das Auftreten von Morbus Crohn lässt sich also genetisch erklären? Leider nein, denn überraschenderweise fand diese GWAS nur bei einem Viertel der Patienten eines der 71 Risikoallele, die übrigen drei Viertel aller Menschen mit einem erblichen Morbus Crohn hatten keines der identifizierten Allele. Vielleicht sind also noch viel mehr Gene an der Entstehung von Morbus Crohn beteiligt. Um das herauszufinden, müsste man eine GWAS mit noch sehr viel mehr als sechstausend Patienten durchführen.

Es gibt aber noch eine andere Möglichkeit, das enttäuschende Ergebnis der GWAS zu erklären. Nur Allele, die aufeinander abgestimmt sind, können erfolgreich im Genom zusammenarbeiten – es gibt aber auch Mitglieder der Gengesellschaft, die einfach nicht gut miteinander auskommen. Es ist wahrscheinlich, dass zumindest manche Menschen deshalb an Morbus Crohn erkranken, weil sie zwei oder mehr Allele besitzen, die nicht miteinander harmonieren. Dieselben Allele haben womöglich in den Genomen der Eltern mit jeweils anderen Partnern hervorragend zusammengearbeitet, aber sie bilden im Genom des Patienten kein gutes Team. Diese Art von Zusammenspiel von Allelen nennen wir Epistase. Epistase ist uns schon bei Parkinson begegnet, wo die Krankheit durch die gescheiterte Zusammenarbeit dreier Gene entsteht – ein sehr viel übersichtlicherer Fall.

Auch für viele andere Krankheiten wurden GWAS durchgeführt, um die verantwortlichen Gene zu bestimmen. Es gibt inzwischen Hunderte solcher Studien. Der Fall von Morbus Crohn scheint nach allem, was wir aus diesen Studien wissen, typisch zu sein: An der Entstehung der meisten Krankheiten beteiligt sich eine große Zahl verschiedener Gene. Außerdem kommen viele der mit Krankheiten in Verbindung gebrachten Allele auch in Gesunden vor. Das Zusammenspiel der verantwortlichen Genvarianten mit den Allelen anderer Gene oder mit der Umgebung spielt also regelmäßig auch eine wichtige Rolle. Selbst für gut untersuchte Krankheiten findet jede neue GWAS etliche neue, bisher unbekannte Gene und Beziehungen zwischen Genen. Die Entstehung von Krankheiten im Genom macht damit deutlich, dass an fast jeder Aufgabe im Körper viele verschiedene Gene beteiligt sind, die aufeinander eingespielt sein müssen.

Der modernde Kahn des Theseus

Unser Körper ist eine enorm komplizierte Maschine. Die meisten seiner Abläufe sind zu vertrackt, als dass ein einsames Eiweiß, beschrieben von einem einzelnen Gen, sie ausführen könnte. Allein um den Zucker in unserem Frühstück in nutzbare Energie zu verwandeln, brauchen wir schon Dutzende verschiedene chemische Umwandlungen. Jede dieser Reaktionen wird von einem anderen Eiweiß, einem Enzym organisiert. Das Enzym beschleunigt (katalysiert) die Reaktion, die ohne Hilfe viel zu langsam ablaufen würde. Die Arbeit von jedem einzelnen Enzym hängt maßgeblich vom einwandfreien Funktionieren aller anderen an diesem Prozess beteiligten Eiweiße ab: Wenn einer der vorherigen Schritte ausfällt, geht dem Enzym die Arbeit aus, und wenn einer der nachfolgenden Schritte wegfällt, dann stapeln sich die Produkte des Enzyms in der Zelle, mit möglicherweise fatalen Folgen.

Ein Beispiel: In Kapitel 4 haben wir die Evolution der Hautfarbe betrachtet, die sich im Verlauf von Jahrtausenden der örtlichen UV-Strahlung anpasst. Hautfarbe ist eine ziemlich einfache Eigenschaft, aber sie wird von Allelen in mindestens fünfzehn verschiedenen Genen beeinflusst. Bevor einige unserer Vorfahren Afrika vor etwa 100 000 Jahren verließen, war die Hautfarbe aller Menschen ein dunkler Braunton, der den Körper vor den intensiven Sonnenstrahlen südlich der Sahara schützte. Verschiedene Regionen Afrikas bekommen unterschiedlich viel UV-Strahlung ab, und deshalb favorisierten verschiedene Gengesellschaften Afrikas unterschiedliche Braunschattierungen. Angetrieben von erneuter natürlicher Auslese setzten sich nach der Expansion in den Mittleren Osten und den Rest der Welt farbändernde Mutationen in den dortigen Gengesellschaften durch. Einige dieser Mutationen sind komplementär. Beispielsweise haben Menschen in Teilen Asiens und Europas ähnlich helle Haut, aber die dafür verantwortlichen Mutationen sitzen in unterschiedlichen Genen. Die entsprechenden Allele schützen gleich gut vor UV-Strahlung, aber verursachen unterschiedliche Farbtöne – der eine mehr gelblich, der andere eher rosa.

Es ist enorm schwierig, sich einen für den Aufbau oder Unterhalt unseres Körpers wichtigen Vorgang vorzustellen, der nicht das Ergebnis der gemeinsamen Anstrengung vieler Gene ist. In vielerlei Hinsicht sind die Beziehungen zwischen den Genen wichtiger für unser Verständnis der menschlichen Biologie als die Gene selbst. Diesen Gedanken illustriert das Theseus-Paradoxon, das schon von den antiken griechischen Philosophen diskutiert wurde und das der französische Genetiker Antoine Danchin auf die Zusammenarbeit von Allelen angewandt hat. Über viele Generationen bewahrten die Athener das legendäre Schiff des Theseus auf. Alle paar Jahre verrottete eine Holzplanke und wurde durch eine neue ersetzt, bis irgendwann keine der ursprünglichen Planken mehr übrig war (Abb. 5.4).

Abb. 5.4: Das Schiff des Theseus. Wenn die verrotteten Planken eine nach der anderen ersetzt werden, bis keines der Teile mehr original ist, ist es dann noch dasselbe Boot?

Ist dieses Boot, dessen Einzelteile alle durch identische Kopien ersetzt wurden, noch immer das Schiff des Theseus? Natürlich! Das Entscheidende an dem Schiff sind nicht die einzelnen Planken – entscheidend ist, wie diese Planken gemeinsam ein Fahrzeug ergeben. Was eine Planke kennzeichnet, ist nicht die Identität ihres Holzes, sondern ihre Position im Design des Bootes, oder anders ausgedrückt: ihre Beziehung zu den Planken, mit denen sie verbunden ist. Das Entscheidende sind oft die Verbindungen zwischen den Dingen, nicht die Dinge selbst. Um die Bedeutung eines Gens zu verstehen, müssen wir also sein Zusammenspiel mit den anderen Genen betrachten. Keine leichte Aufgabe, denn wir haben zwar jeder nur 20 000 Gene, die Anzahl der Beziehungen zwischen ihnen ist aber erheblich größer.

Wenn Gene zusammenarbeiten, um eine Aufgabe zu erfüllen, dann nennen wir das Epistase, egal ob es dabei um Hautfarbe, um unseren Stoffwechsel oder um sonst etwas geht. Wegen Epistase führen Mutationen in verschiedenen Genen häufig zur selben Krankheit. Umgekehrt kann aber auch ein und dasselbe Gen mehrere Aufgaben ausführen; diese Eigenschaft nennen wir Pleiotropie. Aufgrund von Pleiotropie kann eine einzige Mutation mehrere Funktionen beeinträchtigen, die normalerweise nichts miteinander zu tun haben, und damit ein genetisches Syndrom hervorrufen, also eine Gruppe von Merkmalen, die gemeinsam auftreten und mit einer bestimmten Krankheit verknüpft sind.

Manche genetische Syndrome folgen Mendels einfachen Regeln – es ist nicht ungewöhnlich, dass eine einzige Mutation eine ganze Reihe von Symptomen hervorruft. Ein Beispiel ist das genetische Syndrom Ataxia teleangiectatica, das durch eine Mutation des ATM-Gens entsteht. Dieses Syndrom beeinträchtigt das Nervensystem und das Immunsystem und verursacht erweiterte Blutgefäße, Unfruchtbarkeit, eine erhöhte Anfälligkeit für Krebs und eine extreme Empfindlichkeit gegen ionisierende Strahlung, wie sie zum Beispiel für Röntgenaufnahmen benutzt wird.

Viele Enzyme sind »promiskuitiv«: Sie sind in der Lage, verschiedene Moleküle auf dieselbe Art zu verarbeiten. Diese »Wahllosigkeit« ist eine spezielle Form der Pleiotropie. Das Enzym Carboxylesterase 1 etwa kann eine große Zahl von Medikamenten und Drogen abbauen, unter anderem Kokain, Heroin und das zur Behandlung von Aufmerksamkeitsstörungen eingesetzte Ritalin. Ein Gen mit vielen Funktionen ist wie eine Schauspielerin, die in vielen Filmen mitspielt – die Rollen unterscheiden sich, aber die Schauspielerin ist dieselbe.

Ironischerweise untersuchte Mendel selbst auch ein pleiotropisches Gen, das nicht nur die Farbe der Samenschale, sondern auch das Farbmuster der Blüten kontrolliert. In Mendels eigenen Worten:

Auf den Unterschied in der Färbung der Samenschale. Diese ist entweder weiss gefärbt, womit auch constant die weisse Blüthenfarbe verbunden ist, oder sie ist grau, graubraun, lederbraun mit oder ohne violetter Punctirung, dann erscheint die Farbe der Fahne violett, die der Flügel purpurn, und der Stengel an den Blattachseln röthlich gezeichnet. Die grauen Samenschalen werden im kochenden Wasser schwarzbraun.

Wenn ein Gen promiskuitiv ist, dann beeinträchtigen Mutationen manchmal nur einen Teil der verschiedenen Funktionen. Ein solcher Fall ist das SOX9-Gen. Wenn dieses Gen aufgrund einer Mutation überhaupt keine Eiweiße mehr produzieren kann, dann ergibt sich eine überraschende Mischung an Symptomen, von Fehlentwicklungen des Skeletts über eine Gaumenspalte bis hin zur Geschlechtsumwandlung. Bei Mutationen, die das Eiweiß nicht völlig zerstören, sondern nur seine Produktion einschränken, treten oft aber auch nur ein oder zwei dieser Symptome auf. Wir haben bereits in Kapitel 1 gesehen, dass jedes Gen eine Kontrollregion voller molekularer Schalter besitzt, die die Aktivität des Gens regeln (Abb. 5.5). Das SOX9-Gen hat drei verschiedene Schalter: Durch den ersten wird es im Hoden angeschaltet; durch den zweiten wird es im Knorpel aktiviert; und der dritte setzt es bei der Entwicklung des Gesichts in Betrieb. Wenn eine Mutation nur einen dieser drei Schalter beschädigt, dann wird auch nur die betreffende Funktion von SOX9 unterdrückt. Deshalb verursachen Mutationen im einen Teil der Kontrollregion eine Geschlechtsumwandlung, während Mutationen in einem anderen zu einer Gaumenspalte führen.

Abb. 5.5: Das Schema oben zeigt die Architektur der Kontrollregion des SOX9-Gens. Die dunkelgrauen Gebilde kennzeichnen Buchstabenfolgen in der Kontrollregion, an die dafür spezialisierte Eiweiße (hellgrau) andocken und damit die Produktion des SOX9-Eiweißes ankurbeln.

Promiskuitive Teams bei Bakterien

Unser Genom baut und kontrolliert einen Körper, der aus mehreren Hundert verschiedenen Zelltypen besteht – alle auf unzählige Arten miteinander verbunden. Wir sind immer noch sehr weit davon entfernt, diese Wechselwirkungen alle zu verstehen. Rund um den Globus arbeiten Labore mit Hochdruck an der Erforschung der Frage, wie Promiskuität (Pleiotropie) und Teamarbeit (Epistase) die Tätigkeit der Gene beeinflussen. Einen ersten Eindruck einer solchen Übersichtskarte genetischer Wechselwirkungen kann uns das viel einfachere Genom des Bakteriums E. coli verschaffen. Das Kolibakterium ist vermutlich das am besten untersuchte Wesen unseres Planeten. Es hat eine lange Reihe bahnbrechender Entdeckungen ermöglicht. Das E. coli-Genom hat nur etwa 4000 Gene, für mehr als die Hälfte haben wir eine sehr konkrete Vorstellung, was sie tun und wie sie zusammenarbeiten. Dieses Bakterium demonstriert gleichzeitig aber auch unsere riesigen Lücken: Bei etwa einem Drittel seiner Gene haben wir nicht den geringsten Schimmer, was sie tun.

Ein besonders gut untersuchtes Teilsystem des Kolibakteriums ist sein Stoffwechsel. Fast jede chemische Reaktion, die während der Umwandlung von Nährstoffen in die Bausteine für die nächste Zellgeneration abläuft, wird von einem Enzym katalysiert, dessen Bauplan im E. coli-Genom gespeichert ist. Die Übersichtskarte, die die Gene des Kolibakteriums mit ihren Aufgaben im Stoffwechsel verknüpft, enthält über 2000 chemische Reaktionen, für die insgesamt etwa 1300 Gene zuständig sind. Die Entschlüsselung der Funktion eines einzigen Enzyms kostet Wissenschaftler oft Jahre, das Zeichnen dieser Karte ist daher das Resultat jahrzehntelanger Detektivarbeit.

Wie bei allen Organismen ist der Stoffwechsel des Kolibakteriums eine ziemlich promiskuitive Angelegenheit: Fast die Hälfte der Gene des Stoffwechsels sind an mehreren biochemischen Reaktionen beteiligt. Aber auch Teamarbeit (Epistase) spielt eine wichtige Rolle. Im Durchschnitt schließen sich drei Stoffwechselgene zusammen, um ihre Eiweiße gemeinsam an einem Arbeitsschritt arbeiten zu lassen. In komplexeren Gengesellschaften wie der unseren spielen Promiskuität und Teamarbeit vermutlich eine noch sehr viel größere Rolle.

Man kann sich recht einfach vorstellen, wie promiskuitive Enzyme entstehen. Die meisten Enzyme sind dazu evolviert, eine oder mehrere Molekülsorten zu verarbeiten, aber sie nehmen sich »versehentlich« manchmal auch chemisch ähnliche Moleküle vor. Durch eine Veränderung der Umgebung kann plötzlich ein vermehrter Bedarf für die Verarbeitung dieser anderen Moleküle entstehen. Dann bietet die eigentlich unbeabsichtigte Nebenreaktion des Enzyms einen hervorragenden Startpunkt für die Evolution einer neuen Funktion.

Promiskuität und Teamarbeit verkomplizieren nicht nur die Beziehungen zwischen Genen. Es gibt sie sogar innerhalb eines einzelnen Gens, da die Folgen einer neuen Mutation häufig von vorherigen Mutationen im selben Gen abhängen. Ein Beispiel ist das Beta-Laktamase-Gen, das eine wichtige Rolle für den Widerstand des Kolibakteriums gegen Antibiotika spielt. Bis vor etlichen Jahren wurden durch E. coli verursachte Harnwegsinfekte mit dem Antibiotikum Penicillin behandelt. Mittlerweile aber haben viele Kolibakterien fünf Mutationen in ihrem Beta-Laktamase-Gen, die zusammen die Empfindlichkeit gegenüber Penicillin um das Hunderttausendfache verringern. Wenn »naive« Kolibakterien Penicillin ausgesetzt werden, dann kann man Evolution in Echtzeit beobachten: Die E. colis sammeln nacheinander die fünf Mutationen an, wobei die Reihenfolge der Mutationen alles andere als egal ist. Bei fünf Mutationen könnte es 120 verschiedene Reihenfolgen geben. Aber nicht alle davon sind gleich gut: Manche Mutationen machen für sich allein genommen die Kolibakterien sogar empfindlicher für Penicillin, und nur zusammen mit bestimmten anderen Mutationen sind sie von Vorteil. Natürliche Auslese kann eine bestimmte Abfolge nur fördern, wenn jede neue Mutation die Empfindlichkeit gegen Penicillin weiter vermindert. Deshalb können in der Evolution nur zehn der 120 möglichen Reihenfolgen überhaupt auftreten (Abb. 5.6). Die einzelnen Mutationen der Beta-Laktamase sind aufeinander angewiesen, denn nur als Team können sie eine optimale Antibiotikaresistenz erreichen.

Abb. 5.6: Eine Übersichtskarte der verschiedenen Pfade, auf denen die »naive« Beta-Laktamase hunderttausendmal wirkungsvoller gegen das Antibiotikum Penicillin wird. Jeder Kreis stellt eine Beta-Laktamase mit einer unterschiedlichen Kombination der fünf entscheidenden Mutationen dar (die grauen Kuchenstücke). Ganz oben ist die naive, nicht-mutierte Version, komplett in Weiß; ganz unten ist die Super-Beta-Laktamase mit allen fünf Mutationen, ganz in Grau. Ein Pfeil zeigt das Hinzukommen einer neuen Mutation. Nur Mutationen, die die Wirkung von Beta-Laktamase gegen Penicillin unmittelbar verbessern, werden gezeigt. Wegen der Epistase sind nicht alle Pfade möglich. Manchmal kann eine bestimmte Mutation ihre vorteilhafte Wirkung erst in Kombination mit einer anderen Mutation entfalten, sie kann deshalb erst nach dieser anderen durch natürliche Auslese verbreitet werden. Weil natürliche Auslese die Mutationen, deren Zeit noch nicht gekommen ist, aussortiert, fehlen viele Pfeile. Es gibt daher nur zehn verschiedene Wege (zehn Reihenfolgen der Mutationen), um von oben nach unten zu gelangen.

Eine Mutation des Beta-Laktamase-Gens kann mehrere verschiedene Eigenschaften des damit produzierten Eiweißes gleichzeitig verändern. Dadurch entsteht häufig ein Kompromiss: Während der eine Effekt die Wirkung gegen das Antibiotikum erhöht, macht ein anderer Effekt das oft wieder (zumindest teilweise) zunichte. Schauen wir uns diese verschiedenen Folgen einer einzigen Mutation genauer an, um die Rolle von Epistase bei der Evolution zu verstehen. Der Austausch eines bestimmten Buchstabens im hinteren Teil der Beta-Laktamase erhöht deren Fähigkeit, Penicillin zu zerstören (gut, jedenfalls aus Sicht des Bakteriums). Gleichzeitig wird dadurch aber das Eiweiß instabil, sodass es leichter auseinanderfällt (schlecht). Umgekehrt verringert eine andere Mutation näher am Anfang der Beta-Laktamase zwar die Wirksamkeit gegen Penicillin ein wenig, macht das Eiweiß aber auf der anderen Seite viel stabiler. Keine der beiden Mutationen ist für sich genommen besonders hilfreich, aber als Team sind sie auf der Gewinnerseite: Ihre Beta-Laktamase ist ein guter Penicillin-Zerstörer (wegen der ersten Mutation) und fällt nicht auseinander (wegen der zweiten).

Perfekte Arzneien

Medizin beruht auf Erfahrung. Ärzte verschreiben Behandlungen, die sich bewährt haben, und wählen ein Medikament aus, weil es in der Vergangenheit der Mehrzahl der Patienten geholfen hat. Das ist aus Sicht der Gengesellschaft allerdings eine recht ungenaue Wissenschaft: Die einzigartige Zusammenstellung von Allelen in menschlichen Genomen bedeutet auch, dass die Ursache von Symptomen und die Reaktion auf ein Medikament sich von Patient zu Patient erheblich unterscheiden können. Für Diagnosen und Therapien kann es deshalb keine »Einheitsgrößen« geben, die zu allen Patienten passen.

Ein Beispiel: In den 1950er-Jahren wurde bei schweren Operationen das natürlicherweise im Körper vorkommende Succinylcholin zur Muskelentspannung eingesetzt. Bei den meisten Menschen wirkte es hervorragend, aber für einige wenige war die Behandlung lebensgefährlich. Normalerweise produziert unser Körper ein Enzym, das Succinylcholin abbaut; wenn man die Zufuhr von Succinylcholin abdreht, wird es schnell aus dem Körper entfernt, und die muskelentspannende Wirkung lässt nach ein paar Minuten nach. Unglücklicherweise haben manche Menschen aber keine funktionsfähige Version des entsprechenden Gens. Wenn man sie kurz nach der Operation von der Beatmungsmaschine trennt, dann ist die Atemmuskulatur noch gelähmt – sie ersticken, wenn man sie nicht schleunigst weiterbeatmet, bis die Wirkung des Medikaments endlich nachlässt. Um diese lebensgefährlichen Nebenwirkungen zu vermeiden, gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder man verzichtet ganz auf Succinylcholin, oder man untersucht vor jeder Gabe, ob der Patient das Enzym zu seinem Abbau produziert oder nicht.

Die Food and Drug Administration (FDA) – jene US-Regierungsorganisation, die für die Zulassung neuer Medikamente zuständig ist – erlaubt seit wenigen Jahren Medikamente, die speziell auf eine Gruppe von Menschen mit bestimmten Allelen zugeschnitten sind. Solche für unser Genom maßgeschneiderten Arzneimittel sind das Herzstück der »personalisierten Medizin«. Die Wirkung solcher Medikamente ist besser vorhersehbar, was sie nicht nur sicherer macht, sondern auch ihre Wirkung optimiert.

Ein Beispiel für die Fortschritte der personalisierten Medizin ist das Medikament Tetrabenazin, das für die Behandlung der Huntington-Krankheit verwendet wird. Die Huntington-Krankheit wird durch Mutationen des Huntingtin-Gens verursacht: Die daraus resultierenden defekten Huntingtin-Eiweiße schädigen mit der Zeit bestimmte Gehirnzellen. Als Folge haben Huntington-Kranke nicht nur psychische Probleme und Wahrnehmungsstörungen, sondern führen bei fortgeschrittener Krankheit auch ungewollte Bewegungen aus (deshalb wurde diese Krankheit früher auch »Veitstanz« genannt). Damit Tetrabenazin wirkt, muss es erst von einem menschlichen Enzym mit dem stolzen Namen Cytochrom P450 2D6 in eine aktive Form umgewandelt werden. Die Menge dieses Enzyms in Leber und Gehirn schwankt von Mensch zu Mensch, und deshalb kann die gleiche Menge an Tetrabenazin bei einem Patienten zu hoch, beim anderen zu niedrig sein. Vor der Gabe von Tetrabenazin überprüfen Ärzte daher, wie viel des Enzyms ein Huntington-Patient produziert, und passen die Dosierung entsprechend an.

Eine besonders vielversprechende Anwendungsmöglichkeit von personalisierter Medizin ist auch die Krebsbehandlung. Viele Krebsarten, die traditionell zu einer einzigen Krankheit zusammengefasst wurden, werden durch verschiedene Teams von Allelen beziehungsweise Mutationen verursacht. In vielen Fällen benötigt jeder Typ eine andere, auf das entsprechende Team zugeschnittene Behandlung. Medikamente können also nicht nur auf das Genom des Opfers, sondern auch auf das Genom des Angreifers zugeschnitten werden. Das gilt insbesondere auch für Angriffe von außen: Neuere Medikamente gegen Hepatitis C sind auf die Genomvariante des Virus abgestimmt.

Eines Tages haben wir vielleicht für jede wichtige Krankheit die komplette Arbeitskolonne der daran beteiligten Gene ausfindig gemacht. Ausgehend von unserem Genom können Ärzte dann zum Beispiel die Wahrscheinlichkeit berechnen, dass wir bis zum Alter von 38 eine Migräne entwickeln. Wenn man allerdings das komplizierte und promiskuitive Zusammenspiel unserer Gene betrachtet, erscheint die Verwirklichung dieser Vision einer allwissenden genomischen Medizin eher unwahrscheinlich. Für die absehbare Zukunft werden Ärzte nicht auf traditionellere Methoden der Diagnose und Therapie verzichten können. Das fördert zwar nicht unbedingt unsere Gesundheit und unsere Lebenserwartung, aber es kommt womöglich unserer seelischen Verfassung zugute. Wissen ist Macht, aber es kann auch eine Last sein. Was, wenn Ihr Arzt Ihnen mitteilen würde, dass Sie mit achtzigprozentiger Wahrscheinlichkeit in weniger als zehn Jahren eine schreckliche Krankheit entwickeln, er aber keinerlei konstruktive Idee für die Behandlung hat? Das wäre womöglich mehr Information, als Sie brauchen und vertragen können. Die Verfügbarkeit genetischer Informationen beantwortet zwar auf der einen Seite viele medizinische und biologische Fragen, wirft aber auf der anderen Seite eine Menge schwieriger ethischer und philosophischer Probleme auf, die uns noch lange beschäftigen werden.

Bis dahin gilt es, das geheime Leben der Gene immer weiter zu entschlüsseln. Die Allele der Gengesellschaft sind, wie wir gesehen haben, verstrickt in ein komplexes Geflecht funktioneller Zusammenhänge. Wie unterscheiden sich diese Netzwerke zwischen nahe verwandten Gengesellschaften? Sind Unterschiede in der Vernetzung der Gene Ursache oder Folge der Entstehung neuer Arten? Fragen wir im nächsten Kapitel doch mal unsere nächsten Verwandten.

VON MENSCHENAFFEN UND AFFENMENSCHEN

»Niemand steigt zweimal
in denselben Fluss.«

Heraklit

Oliver war von Geburt an einzigartig. Er erblickte 1976 das Licht der Welt und wurde als der erste offizielle Affenmensch ausgerufen – halb Mensch, halb Schimpanse (Abb. 6.1). Im Gegensatz zu seinen Schimpansenfreunden, die auf allen vieren herumgaloppierten, zog Oliver den aufrechten Gang auf zwei Beinen vor. Sein Gesicht war haarlos und ähnelte menschlichen Gesichtern viel mehr als das gewöhnlicher Schimpansen. Ansonsten allerdings wirkte er eher wie ein gewöhnlicher Affe: keine Sprache, kein Umgang mit komplizierten Werkzeugen, keine Anzeichen für komplexe Gedankengänge. Dennoch war Oliver, der Affenmensch, einige Jahre lang eine kleine Berühmtheit. War Olivers Geburt wirklich das Ergebnis einer intimen Beziehung zwischen Mensch und Schimpanse?

Abb. 6.1: Oliver, in den 1970er-Jahren auf Tour als Mischling zwischen Mensch und Affe.

Man kann diese Frage durch einfaches Nachzählen bei einem genetischen Test beantworten. Menschliche Genome bestehen ja aus zwei Sätzen von Chromosomen, je dreiundzwanzig Chromosomen von jedem Elternteil. Im Gegensatz dazu haben die beiden Chromosomensätze von Schimpansen je vierundzwanzig Chromosomen. Sind Schimpansen so anders als wir, dass sie ein komplettes zusätzliches Chromosom besitzen? Im Gegenteil: Schimpansengenome sind den unseren ausgesprochen ähnlich, unser Chromosom 2 ist lediglich eine Kombination von zwei kleineren Schimpansenchromosomen (Abb. 6.2).

Abb. 6.2: Die Gene auf dem menschlichen Chromosom 2 passen exakt zu denen auf zwei kleineren Schimpansenchromosomen. Unser gemeinsamer Vorfahre hatte schimpansenartige Chromosomen, von denen zwei in der menschlichen Evolution versehentlich aneinandergeklebt wurden.

Der letzte gemeinsame Vorfahre von Mensch und Schimpanse lebte vor etwa sechs Millionen Jahren. Der Unterschied in der Anzahl unserer Chromosomen könnte nun zwei verschiedene Ursachen haben: Entweder brach ein großes, menschenartiges Chromosom unseres gemeinsamen Vorfahrens in der Evolution der Schimpansen auseinander, oder zwei kleinere Chromosomen des Vorfahren wurden in der menschlichen Evolution aneinandergeklebt. Wir wissen inzwischen, dass ein Zusammenschluss von Chromosomen beim Menschen die Ursache des Unterschieds ist, nicht ein Auseinanderbrechen beim Schimpansen. Dieses Wissen verdanken wir sozusagen der genetischen Archäologie. Jedes Chromosom besitzt eine spezielle Region, das sogenannte Zentromer. Wenn Zellen sich teilen, dann werden molekulare »Taue« an diesem Bereich befestigt, um je eines der beiden Chromosomen eines kopierten Paares in eine der entstehenden Zellen zu ziehen. Neben seinem jetzigen Zentromer besitzt unser Chromosom 2 die Überreste eines zweiten, früheren Zentromers – das verrät den Ursprung des Chromosoms aus zwei früher separaten Chromosomen. Dass diese Umorganisation des Genoms in der menschlichen Geschichte passiert sein muss, wird von Gorillas und anderen Menschenaffen bestätigt, die alle zwei schimpansenartige Chromosomen anstelle unseres menschlichen Chromosoms 2 besitzen.

Oliver muss von beiden Eltern jeweils die Hälfte von deren Chromosomen geerbt haben. Wenn er tatsächlich das Ergebnis einer Paarung von Mensch und Schimpanse war, dann besaß er demnach einen menschlichen Satz mit dreiundzwanzig Chromosomen und einen Schimpansensatz mit vierundzwanzig Chromosomen. Olivers Genom hätte also eine ungerade Chromosomenzahl gehabt, siebenundvierzig insgesamt. Eine solche Kreuzung hätte nicht nur unser Rechtssystem vor enorme Herausforderungen gestellt (galten für Oliver die Menschenrechte?), sondern auch Olivers eigenes genetisches System. Eine ungerade Zahl von Chromosomen kann sich nicht in Paaren ausrichten, was das Allel-Misch-System der Meiose ziemlich verwirrt. Oliver hätte entweder überhaupt keine Spermien produziert, oder aber seine Spermien wären unbrauchbar gewesen. Aus denselben Gründen ist Unfruchtbarkeit ein häufiges Schicksal von Kreuzungen, selbst in den seltenen Fällen, in denen die Kreuzungen überhaupt lebensfähig sind. Maultiere beispielsweise – das Ergebnis einer Kreuzung zwischen einem Eselhengst mit einunddreißig Chromosomen und einer Pferdestute mit zweiunddreißig Chromosomen – haben nur extrem selten selbst Nachkommen.

Oliver aber hatte keine siebenundvierzig Chromosomen. Er hatte achtundvierzig – genau wie jeder andere Schimpanse auch. Der Affenmensch existierte nur in der Fantasie seiner Vermarkter. Oliver war ein ungewöhnlicher Schimpanse, sicher, aber eben doch ein Schimpanse. Warum gibt es keine Affenmenschen? Was steht ihrer Existenz im Weg? Und haben sie überhaupt jemals existiert?

Genome im Fluss

Abgesehen von der Verklebung zweier Chromosomen in der menschlichen Evolution gibt es auch noch andere gute Gründe für die Unmöglichkeit von Affenmenschen. Das Herz einer biologischen Art ist die Gengesellschaft, und dort liegt auch das entscheidende Hindernis für eine Kreuzung von Mensch und Affe. Die Allele der verschiedenen Gene werden in jedem Individuum neu zusammengemischt, aber nur extrem selten treffen sie dabei auf Allele aus den Gengesellschaften anderer Arten – wenn es dann doch passiert, sind viele Allele mit dem ungewohnten Gegenüber schlicht überfordert.

Wenn wir 120 Jahre in die Zukunft springen könnten, würden wir dort völlig andere menschliche Genome antreffen, als sie jetzt auf der Erde existieren. Erinnern wir uns: Unsere Genome sind flüchtig wie unser eigener Körper, sie gehen gemeinsam mit dem Menschen, für dessen Bau sie verantwortlich sind, unter. Was bleibt, sind die Allele, die Mitglieder der Gengesellschaft. Über die Jahrtausende aber verändern auch sie sich. Neue Allele werden durch Mutationen geboren und manchmal sogar von der Evolution ganz nach oben gespült, sodass sie ihre Vorgänger aus der Gesellschaft drängen. Von Zeit zu Zeit schließen sich der Gengesellschaft völlig neue Gene an, während alte Gene, die in einer veränderten Welt nichts mehr zum Wohl der Gesellschaft beitragen, ihren Platz in der Gesellschaft verlieren. Die globale Gengesellschaft, die aus allen Genen einer biologischen Art und ihren Allelen besteht, ist sehr viel langlebiger als die Allelkombination eines einzelnen Genoms, aber auch sie kann nicht stehen bleiben: Gesellschaften verändern sich – sie evolvieren.

Die Gengesellschaft ändert sich, um sich ihrer Umgebung anzupassen. Aber Gengesellschaften verändern sich selbst dann, wenn Anpassung gar nicht vonnöten ist. Wie das passiert, haben wir an einem der vorherigen Beispiele schon gesehen: Als unsere Eltern das Spermium und die Eizelle produzierten, aus deren Vereinigung wir später hervorgehen sollten, traten neue Mutationen auf – mit uns erblickten etliche neue Allele das Licht der Welt. Einige dieser neuen Allele glichen womöglich welchen, die in anderen Menschen bereits vorkamen, andere wiederum waren komplett neu.

Betrachten wir das Schicksal eines dieser neuen Allele. Nehmen wir (als hypothetisches Beispiel) eines Ihrer Allele, das an einer bestimmten Position auf dem vom Vater geerbten Chromosom 5 ein A hat, während alle anderen Menschen dort ein G haben. Womöglich ist das neue A-Allel in den kommenden Generationen nicht sonderlich erfolgreich und verschwindet bald wieder. Wenn das Allel die Fitness nicht beeinflusst, dann kann das einfach zufällig so kommen, genau wie bei der Augenfarbe der Fliegen aus Kapitel 4. Wenn Sie nur eine einzige Tochter hätten, dann läge die Wahrscheinlichkeit, dass Sie das neue A-Allel an sie weitergeben, bei 50 Prozent. Wenn Sie es nicht vererben, wäre das neue Allel nach einer Generation schon wieder verschwunden. Wenn doch, dann hätte es zumindest eine äußerst geringe Chance, irgendwann die Vorherrschaft in der Gengesellschaft zu übernehmen.

Aufgrund der Rolle des Zufalls in der sexuellen Fortpflanzung kann kein Allel seine Häufigkeit exakt beibehalten. Seine Popularität in der Gengesellschaft schwankt zwangsläufig von Generation zu Generation. Diese Veränderungen der Allelhäufigkeiten sind am Ende das, was wir Evolution nennen. Die Gengesellschaft ist die Arena, in der der Wettstreit zwischen den verschiedenen Allelen eines Gens ausgetragen wird – dort findet Evolution statt, nicht in einzelnen Individuen.

Kehren wir zum Beispiel zurück: Die Wahrscheinlichkeit, dass sich das A-Allel über die komplette Population ausbreitet, ist schon deshalb ausgesprochen gering, weil es gegenüber den allgegenwärtigen G-Allelen eine verschwindende Minderheit bildet. Die Gewinnchancen des A-Allels hängen von der Größe der Population ab. Bei uns Menschen läge die Wahrscheinlichkeit, dass das A-Allel zur Vorherrschaft aufsteigt, bei eins zu vierzehn Milliarden – ihm stehen zwei G-Allele in allen anderen Menschen gegenüber. Bei einer so geringen Wahrscheinlichkeit könnte man denken, dass neue Allele sich praktisch nie über die komplette Menschheit verbreiten.

Aber auch hier wirkt die Macht der Masse. In einer Genomhälfte gibt es insgesamt drei Milliarden Buchstaben. Pro Generation wird jeder davon mit einer Wahrscheinlichkeit von eins zu hundert Millionen Opfer einer Mutation, bevor er die befruchtete Eizelle erreicht; die beiden Chromosomensätze eines jeden Menschen enthalten also jeweils etwa dreißig neue Mutationen. Bei sieben Milliarden Menschen sind das eine ganze Menge neuer Mutationen. Irgendwann in der Zukunft werden alle existierenden Allele eines Gens auf nur einen einzigen jetzt lebenden Vorfahren zurückgehen. Wenn die Allele alle die gleiche Fitness haben, dann hat jedes derzeit lebende Allel-Exemplar auch die gleiche Chance, dieser glückliche Vorfahre zu sein. Bei sieben Milliarden Menschen mit je zwei Allelen gibt es vierzehn Milliarden Allel-Kopien – für jede davon steht die Chance also bei eins zu vierzehn Milliarden, sich in der Gengesellschaft durchzusetzen. Dreißig neue Allele in jeder von vierzehn Milliarden Genomhälften, jedes davon mit einer Chance von eins zu vierzehn Milliarden, sich durchzusetzen – die Milliarden heben sich gegenseitig auf. Es werden also in jeder Generation dreißig neue Allele geboren, die ihre Vorgänger verdrängen werden, genau die Zahl an Mutationen, mit der eine einzige neue Genomhälfte zur Welt kommt. Diese Berechnung macht deutlich, wie schnell sich die Gengesellschaft verändert: In jeder einzelnen Generation entstehen unzählige neue Mutationen, von denen stets einige wenige den unwahrscheinlichen Sprung an die Spitze der Gengesellschaft schaffen.

Übrigens kontrollieren Gene auch, wie häufig neue Mutationen auftreten. Dabei stellen sie ein Gleichgewicht her zwischen den Gefahren durch zu wenige Mutationen und den Problemen, die durch zu viele Mutationen entstehen. Betrachten wir zum Beispiel die Gene, die für die komplizierte Maschinerie verantwortlich sind, die Fehler beim Kopieren von Chromosomen repariert. Bei einem Allel, das zu viele Mutationen durchgehen lässt, würden durch diese Mutationen in jeder Generation zahlreiche Gene kaputtgehen. Träger dieses laxen Reparaturallels würden häufiger als andere genetische Krankheiten entwickeln und wären deshalb nicht sonderlich erfolgreich. Zu wenige neue Mutationen wären aber auch nicht viel besser, denn ohne Mutationen keine Variation, ohne Variation keine natürliche Auslese, ohne natürliche Auslese keine Anpassung. Sobald die Umgebung sich drastisch ändern würde (und Umgebungen ändern sich eigentlich ständig), käme eine Gengesellschaft mit übertrieben niedrigen Mutationsraten in Schwierigkeiten. Mutationen sind problematisch, aber notwendig.

Die Buchstabenfolgen derjenigen Gene von Mensch und Schimpanse, die beide von ihrem gemeinsamen Vorfahren geerbt haben, unterscheiden sich in kaum mehr als 1 Prozent. Zusätzlich gibt es noch etwa 3 Prozent DNA, die wir entweder nur in menschlichen oder nur in Schimpansengenomen finden. Dieses Verhältnis ist ähnlich zu dem, das wir zwischen einzelnen Menschen gefunden haben: 0,1 Prozent Unterschiede, wenn wir nur die Änderung einzelner Buchstaben betrachten, und zusätzlich 0,4 Prozent Unterschiede durch Einfügungen und Löschungen.

Nehmen wir einmal an, dass das G-Allel aus dem Beispiel oben nicht nur in Menschen, sondern auch in Schimpansen weitverbreitet ist. Wenn die Menschheit es irgendwann komplett mit Ihrem A-Allel ersetzt hat, dann ist ein weiterer Buchstabe zu den Unterschieden zwischen Mensch und Schimpanse hinzugekommen. Jede einzelne Abweichung zwischen den Arten ist auf diese Weise entstanden. Jede Veränderung trat zunächst als eine Mutation in einem einzelnen Genom der Vorfahren von Menschen oder von Schimpansen auf. Die meisten Mutationen, die zu Genomveränderungen führten, setzten sich rein zufällig in der Gengesellschaft durch. In seltenen Fällen jedoch brachte eine Mutation auch Vorteile mit sich; in dem Fall wurde ihre Verbreitung durch natürliche Auslese sogar noch vorangetrieben. Mutation für Mutation entfernten sich die Gengesellschaften der beiden Arten voneinander, Schritt für Schritt, ganz langsam, aber unausweichlich.

Schlüssel, die in Schlössern klemmen

Zwei Menschen, deren Genome zu 99,5 Prozent übereinstimmen, können sich miteinander fortpflanzen, während zwei Individuen mit zu 96 Prozent übereinstimmenden Genomen – so wie ein Mensch und ein Schimpanse – dazu offensichtlich unfähig sind. An welcher Stelle sind die Genome inkompatibel zueinander geworden? Wie viel Unterschied ist zu viel?

Ob sich zwei Populationen, die nach langer Zeit erstmals wieder zueinanderfinden, erfolgreich miteinander fortpflanzen können, hängt wesentlich von der Dauer ihrer Trennung ab. Wenn die Populationen wieder vereinigt werden, nachdem sie tausend Jahre lang voneinander abgeschottet waren – etwa durch einen neuen Fluss, der schließlich wieder austrocknet –, dann ist die Erfolgswahrscheinlichkeit einer Paarung noch ziemlich groß. Wenn die Trennung dagegen schon zehn Millionen Jahre angedauert hat, dann wird gemeinsame Fortpflanzung sehr viel unwahrscheinlicher. Je mehr Zeit vergeht, umso unterschiedlicher werden die Gengesellschaften und umso schwieriger wird es, sie wieder zu vermischen.

Ob zwei Populationen fruchtbare Nachkommen miteinander produzieren können, ist keine Frage, die nur mit Ja oder Nein beantwortet werden kann. Beispielsweise könnte es nur die Hälfte der Kinder einer erneuten Begegnung zwischen zwei lange isolierten Populationen bis ins Erwachsenenalter schaffen. Je länger die Zeit der Isolierung, umso kleiner der Anteil der lebensfähigen Nachkommen, bis die beiden Populationen irgendwann überhaupt keinen fruchtbaren Nachwuchs mehr haben können. An diesem Punkt sind die beiden Gruppen endgültig mehr als nur zwei Populationen: Sie sind zu unterschiedlichen Arten geworden.

Darwin gab seinem revolutionären Buch den Titel On the Origin of Species – Über die Entstehung der Arten. Aber genau genommen geht es darin gar nicht um den Prozess der Artenbildung. Darwin verfügte nicht über die nötigen Informationen, um dessen Details verstehen zu können. Heute wissen wir, dass im Zentrum der Artenbildung die Gengesellschaft steht. Die meisten Genomveränderungen entstehen zwar zufällig durch das »Driften«, das wir aus Kapitel 4 kennen, aber mit einem wichtigen Vorbehalt: Jede Veränderung eines Gens muss so sein, dass sie den Trägern des Gens, den Überlebensmaschinen, nicht schadet. Anderenfalls würde die natürliche Auslese sie nämlich sehr schnell aus der Gengesellschaft entfernen. Das bedeutet auch, dass jede neue Mutation, die nicht direkt wieder verschwinden will, sich mit den anderen Allelen in der Gengesellschaft vertragen muss. Und sobald sich diese Mutation ausgebreitet hat, muss jede spätere Mutation mit der veränderten Gesellschaft klarkommen, die nun auch die vorherige Mutation mit einschließt.

Die Ansammlung von Mutationen in der Gengesellschaft erfolgt deshalb vor einem geschichtlichen Hintergrund. Die Ausbreitung einer bestimmten Mutation kann den späteren Aufstieg passender Mutationen fördern, aber auch den Aufstieg unpassender Mutationen verhindern. Populationen sammeln während ihrer Evolution Veränderungen an, die miteinander kompatibel sind. Diese Veränderungen müssen aber nicht notwendigerweise mit den Allelen der Vorfahren kompatibel sein und schon gar nicht kompatibel mit Veränderungen, die gleichzeitig in anderen Populationen passieren. Das ist letztendlich der Grund für die Unmöglichkeit von Affenmenschen.

Stellen wir uns zwei Populationen vor, die durch einen großen und reißenden Fluss voneinander getrennt wurden und dann wieder zueinanderfinden. In der Zwischenzeit hat jede von ihnen durch Mutationen 5000 neue Allele angehäuft, die alte Allele der entsprechenden Gene ersetzt haben. (Bei Menschen oder Schimpansen würde das einige Hunderttausend Jahre dauern.) An diesem Punkt unterscheiden sich die beiden Populationen an 10 000 Stellen: 5000 aufgrund von Mutationen auf der einen Seite des Flusses, 5000 weitere aufgrund von Mutationen auf der anderen Seite. Wenn nach all der Zeit ein männliches Individuum vom linken Ufer und ein weibliches Individuum vom rechten Ufer einander unwiderstehlich finden, als sie sich auf einer Insel im Fluss plötzlich gegenüberstehen, dann erbt ein aus dieser Begegnung entstehendes Baby alle 10 000 Mutationen. Die 5000 vom linken Ufer und die 5000 vom rechten Ufer sind nie zuvor auf ihre Verträglichkeit hin getestet worden. Sie sind nicht langsam eine über die andere gestapelt worden, sie werden plötzlich und unvorbereitet in einem Genom zusammengeworfen. Werden sie miteinander klarkommen? Die Chancen dafür sind gering. Wenn auch nur ein einziges der 10 000 neuen Allele nicht zu den Allelen im anderen Genom passt, sieht die Zukunft des Embryos düster aus. Je größer die Anzahl der Mutationen in jeder Population, desto schlechter stehen die Chancen, dass alle noch zusammenpassen.

Man kann sich das auch so verdeutlichen: Stellen wir uns ein Schloss und seinen Schlüssel vor, die sich beide in kleinen Schritten verändern können. Die Nützlichkeit des Schlosses (seine »Fitness«) hängt davon ab, wie gut es sich mit dem Schlüssel schließen lässt (Abb. 6.3). Von Zeit zu Zeit verändert sich zufällig einer der Zähne des Schlüssels, indem er ein wenig länger oder kürzer wird; analog können sich auch die Stifte im Schloss ändern, die mit dem Schlüssel zusammenwirken. Nach einer Weile könnte etwa der Schlüssel seinen dritten Zahn etwas verlängern. Der Schlüssel passt immer noch auf das Schloss – anderenfalls hätte die Veränderung nicht stattfinden dürfen –, aber er lässt sich nicht mehr so leicht drehen wie vorher. Ein wenig später verkürzt sich vielleicht zufällig der dazugehörige Stift des Schlosses, sodass Schlüssel und Schloss wieder perfekt zusammenpassen. Mit der Zeit sammeln sich mehr und mehr solcher Änderungen an. Schlüssel und Schloss arbeiten als Paar weiterhin gut zusammen, unterscheiden sich aber mehr und mehr von ihren früheren Formen. Wenn wir nun den ursprünglichen Schlüssel nähmen und versuchten, damit das Schloss zu öffnen, würde sich der Schlüssel mit ziemlicher Sicherheit verklemmen und das Schloss blockieren.

Abb. 6.3: Eine Abfolge von Schlüssel/Schloss-Kombinationen, die zeigt, wie passende Veränderungen von Schloss und Schlüssel sich im Laufe der Zeit ansammeln – die beiden evolvieren als Paar. Nach einigen Schritten passt der ursprüngliche Schlüssel (schwarz) nicht mehr auf das veränderte Schloss (hellgrau).

Schloss und Schlüssel aus dem Beispiel entsprechen zwei Genen, die in einer Gengesellschaft zusammenarbeiten. Zusammenarbeit ist unter Genen allgegenwärtig. Viele Eiweiße müssen beispielsweise an andere Eiweiße andocken, um ihre Aufgaben als Team zu erfüllen. Viele Mutationen, die in der Evolution entstehen, verändern aber die Form von Eiweißen. Eine kleine Formänderung des einen Eiweißes (des »Schlüssels«) kann seine Fähigkeit beeinträchtigen, sich an seinen Partner (das »Schloss«) zu schmiegen. Wenn die Folgen nicht zu dramatisch sind, dann können sich solch kleine Änderungen manchmal rein zufällig in der Gengesellschaft ausbreiten. Eine zufällige Mutation im Partner-Gen, durch die die Eiweiße wieder perfekt aufeinanderpassen, würde sogar von der natürlichen Auslese gefördert und könnte sich entsprechend leicht verbreiten. Durch eine Abfolge solcher wechselseitigen Schritte sammeln die beiden Partner passende Veränderungen – sie evolvieren gemeinsam.

Sämtliche Schritte der Evolution hängen immer auch von den vorherigen Schritten ab. Deshalb kann man neue Ereignisse in der Evolution nur vor dem Hintergrund der Geschichte der Gengesellschaft verstehen. Wenn die Natur ihre evolutionären Experimente wiederholen würde, dann würde das Ergebnis in seinen Details jedes Mal anders ausfallen, schließlich ist jeder Schritt der Evolution (auch!) ein Zufallsprodukt. Wenn sich also zwei Populationen lange genug isoliert voneinander entwickeln und dann zum ersten Mal wieder zusammenkommen, dann ist das Ergebnis regelmäßig ein heilloses Durcheinander: Die Mitglieder der einen Gengesellschaft haben verlernt, mit den Mitgliedern der anderen Gengesellschaft zusammenzuarbeiten.

Eine berührende Familienzusammenführung

Oliver war kein Affenmensch, und es ist extrem unwahrscheinlich, dass irgendein Affenmensch in jüngerer Zeit existiert hat. Das war aber nicht immer so: Mischwesen zwischen Mensch und Affe hat es einst tatsächlich gegeben. Woher wir das wissen? Die 4 Prozent Unterschied zwischen Mensch und Schimpanse (1 Prozent in den gemeinsamen Buchstabenfolgen, 3 Prozent zusätzliche beziehungsweise fehlende DNA) sollten gleichmäßig über alle Chromosomen verteilt sein, weil alle Chromosomen Mutationen mit derselben Geschwindigkeit ansammeln (bis auf das Y-Chromosom, das auf Sex verzichten muss und sich deshalb schneller verändert). Das entspricht aber nicht dem, was wir tatsächlich vorfinden: Die X-Chromosomen von Mensch und Schimpanse weisen etwa 20 Prozent weniger Unterschiede auf als unsere anderen Chromosomen. Diese Besonderheit findet man auch nur beim Vergleich mit Schimpansen. Wenn wir unser Genom beispielsweise mit dem von Gorillas vergleichen (die fast genauso nah mit uns verwandt sind wie Schimpansen), dann zeigt das X-Chromosom genauso viele Unterschiede wie alle anderen Chromosomen. Was lernen wir daraus über die Entstehung von Mensch und Schimpanse?

Vor etwa sechs Millionen Jahren waren wir alle noch eine große Familie: Unsere Vorfahren und die Vorfahren der Schimpansen gehörten zur selben Art. Eines Tages machte sich eine Gruppe davon auf und zog in eine entlegene Gegend Afrikas. Mit diesem Tag spaltete sich die Gengesellschaft der Auswanderer von der Gengesellschaft der anderen ab und begann, sich unabhängig zu verändern. Schließlich hatten sich die beiden Gengesellschaften so weit voneinander entfernt, dass sie zu unterschiedlichen Arten wurden: auf der einen Seite die Vorfahren aller Schimpansen und Bonobos, auf der anderen die Vorfahren aller Menschenarten (von denen allerdings alle bis auf eine inzwischen ausgestorben sind). In diesem Szenario müssten alle Teile unseres Genoms das gleiche Maß an Ähnlichkeit zum Schimpansengenom zeigen, denn alle Teile hatten die gleiche Zeit zur Verfügung, um Mutationen anzusammeln.

Aber tatsächlich existiert eine größere Ähnlichkeit eines bestimmten Teils des Genoms. Es muss also etwas Interessanteres passiert sein. Mitglieder der beiden Gruppen müssen intimen Umgang miteinander gehabt haben, lange nachdem sich die beiden Linien voneinander getrennt hatten. An diesem Punkt hatten die Genome der beiden Linien bereits einen beträchtlichen Teil der heutigen Unterschiede angesammelt. Wir können uns die beiden als frühe Menschen und frühe Schimpansen vorstellen, aber sehr wahrscheinlich hatten beide noch zwei mal vierundzwanzig Chromosomen, so wie ihr letzter gemeinsamer Vorfahre. Dieser »skandalöse« Austausch zwischen Einzelnen beider Lager führte zum Eindringen von Schimpansengenen ins frühe Menschengenom oder umgekehrt.

Wie erklärt dieses Bild jetzt die höhere Ähnlichkeit der X-Chromosomen? Die einfachste Erklärung könnte sein, dass die Paarungen nicht symmetrisch waren: Wenn genauso viele Männer und Frauen der Schimpansenlinie ihre Genome in die menschliche Gengesellschaft eingespeist hätten, dann sollte das X-Chromosom genauso viel Ähnlichkeiten zwischen den Arten zeigen wie alle anderen Chromosomen. Wenn aber nur die Frauen der Schimpansenlinie ins Lager der frühen Menschen hineinkomplimentiert (oder hineingezerrt?) wurden, dann sähe das anders aus: Alle sexuellen Vereinigungen, die einen Einfluss auf die menschliche Gengesellschaft hatten, hätten zwischen einer Frau der Schimpansenlinie und einem Mann der Menschenlinie stattgefunden. Die Töchter solcher Vereinigungen waren exakt halb Mensch, halb Schimpanse. Die Söhne erbten alle das Y-Chromosom ihres menschlichen Vaters und das X-Chromosom ihrer Schimpansenmutter. Die menschlichen Y-Chromosomen würden dann überhaupt keinen Einfluss der Schimpansenlinie zeigen. Aber zwei Drittel der X-Chromosomen der Sprösslinge dieser Mischehen waren aus der Schimpansenlinie, nur ein Drittel aus der Menschenlinie. In diesem Szenario würden X-Chromosomen deshalb einen größeren Einfluss der frühen Schimpansen zeigen als alle anderen Chromosomen – selbst viele Generationen später noch.

Diese Skandale müssen vor sehr langer Zeit stattgefunden haben. Bei der Untersuchung von Olivers angeblich menschlicher Abstammung haben wir gesehen, dass unsere Gengesellschaft sich inzwischen so sehr von der der Schimpansen unterscheidet, dass es keine Grauzone mehr gibt: Wir sind ohne Zweifel unterschiedliche Arten. Andere Arten, die näher mit uns verwandt sind als Schimpansen, existieren nicht. Die Menschen der Neuzeit sind überraschend isoliert von ihren nächsten Verwandten. Das war vor gar nicht allzu langer Zeit noch anders. Vor kaum 40 000 Jahren lebten wir in Europa und dem Mittleren Osten noch in direkter Nachbarschaft zu Neandertalern. Knochen von Neandertalern und Menschen aus derselben Zeit wurden in der Kebara-Höhle im heutigen Israel gefunden. Moderne Menschen und Neandertaler könnten demnach sogar Wohngemeinschaften gebildet haben. Das »modern« bezieht sich hier übrigens auf den Körperbau, der damals schon genauso war wie heute, nicht auf die Kultur dieser Menschen.

Die Linien von Neandertalern und modernen Menschen trennten sich vor über 300 000 Jahren in Afrika. Kurz danach wanderten die Vorfahren der Neandertaler in den Mittleren Osten und nach Europa aus. Hier trafen moderne Menschen sie wieder, als sie viel später selbst Afrika verließen. Die beiden Gengesellschaften hatten also hinreichend Zeit, sich auseinanderzuentwickeln. Bei ihrer Ankunft sahen die modernen Menschen dann in der Tat ziemlich anders aus (und fühlten sich vermutlich auch anders) als ihre kompakteren, an die Kälte angepassten Vettern. Waren diese merkwürdig aussehenden Typen Menschen? Auch hier können wir nicht sicher sein, dass das Folgende mit dem Einverständnis aller Beteiligten geschah, aber wir wissen, dass es zu sexuellen Begegnungen zwischen den Mitgliedern der beiden Gruppen kam (Abb. 6.4).

Abb. 6.4: Der evolutionäre Stammbaum der Menschen und ihrer nächsten Verwandten, der Schimpansen und Bonobos. Die Zahlen zeigen, vor wie langer Zeit die Ereignisse auf diesem Stammbaum stattfanden. Die Linien, die später zu Mensch und Schimpanse führten, trennten sich vor etwa sechs Millionen Jahren; es gibt aber Hinweise auf viel spätere sexuelle Begegnungen (angedeutet durch den Pfeil nahe der Wurzel). Vor etwa 300 000 Jahren trennte sich die menschliche Linie von den Vorfahren der Neandertaler und Denisovaner. Die modernen Menschen blieben zunächst in Afrika, während ihre Vettern in Richtung Europa und Asien zogen. Dort begegnete man sich vor weniger als 100 000 Jahren wieder. Die Pfeile, die Neandertaler und Denisovaner mit menschlichen Zweigen verbinden, deuten sexuelle Begegnungen an. Deren Spuren sind auch jetzt noch deutlich in menschlichen Genomen aus den entsprechenden Gegenden zu lesen.

Woher wissen wir von diesen Begegnungen? Die pikanten Details verbergen sich im Dämmerlicht der Vorgeschichte, aber der Schatten dieser Ereignisse findet sich in unseren Genomen. Wenn man enorm vorsichtig ist, kann man DNA aus uralten Knochen entnehmen – zum Beispiel aus den Knochen von Neandertalern. Man kann das gar nicht oft genug wiederholen: Die Gengesellschaft kann nicht stillstehen, und deshalb unterscheidet sich unser Genom deutlich von dem eines Neandertalers. Interessanterweise unterscheidet es sich sogar noch ein wenig mehr, wenn man selbst afrikanische Wurzeln hat (in den letzten paar Hundert Jahren, nicht vor 100 000 Jahren wie alle Menschen). Diesen Unterschied zwischen Afrikanern und Nicht-Afrikanern kann man nicht ohne sexuelle Begegnungen zwischen modernen Menschen und Neandertalern erklären, die nach der Trennung der beiden Zweige unseres Stammbaums vor über 300 000 Jahren stattfanden: Nachdem die ersten Wellen von menschlichen Auswanderern Afrika verlassen hatten, paarten sie sich mit den Neandertalern, die sie im Mittleren Osten und in Europa vorfanden.

Die Anwesenheit von Neandertaler-DNA in den Genomen von Nicht-Afrikanern zeigt eindeutig, dass die Menschen vor sehr viel weniger als 100 000 Jahren noch hervorragend in der Lage waren, sich erfolgreich mit Neandertalern fortzupflanzen. Trotz unserer technologischen Fortschritte geht man gemeinhin davon aus, dass sich die Menschheit als biologische Art seitdem nicht mehr nennenswert verändert hat. Dass unsere Vorfahren und die Neandertaler sich scheinbar routinemäßig gemeinsam fortpflanzen konnten und das auch bereitwillig taten, bedeutet schlicht und einfach: Sie gehörten derselben Art an. Neandertaler waren Menschen. Die Neandertalerpopulation lebte lange getrennt von der übrigen Menschheit, aber eben nicht lange genug, um die Zusammenarbeit zwischen Mitgliedern der beiden Gengesellschaften zusammenbrechen zu lassen.

Der Einfachheit halber benutzen wir auch im Rest dieses Kapitels die Begriffe »Mensch« und »Neandertaler«. Aber dabei sollten wir immer im Hinterkopf behalten, dass Neandertaler Teil der menschlichen Art waren: entfernte Vettern derjenigen Menschen, die Afrika in prähistorischer Zeit verließen, um nach Europa und Asien weiterzuziehen.

Neandertaler waren nicht der einzige Volksstamm, den unsere Vorfahren außerhalb Afrikas antrafen. Teile des nördlichen Asien wurden von entfernten Verwandten der Neandertaler bewohnt. Wir nennen diese Menschen Denisovaner, nach der Höhle im Altaigebirge, in der zuerst Knochen von ihnen gefunden wurden. Spiegelbildlich zum intimen Kontakt zwischen Neandertalern und modernen Europäern hatten Denisovaner Sex mit den Menschen, die es bis nach Südostasien schafften – auch dessen Folgen kann man noch heute in den dortigen Genomen bestaunen.

Besser als Sex

Falls Ihre jüngeren Wurzeln also außerhalb von Afrika liegen, dann enthält Ihr Genom Allele, die von prähistorischen und inzwischen ausgestorbenen menschlichen Rassen stammen. Im Gegensatz dazu hat Ihr Genom keine Allele, die kürzlich von anderen Arten beigetragen wurden, etwa von Schimpansen, Gorillas oder Orang-Utans – die Unmöglichkeit (oder zumindest Beinahe-Unmöglichkeit) einer solchen Mischung von Gengesellschaften ist das, was biologische Arten ausmacht.

Die Definition einer biologischen Art hat ihre Wurzel im Sex: Wenn sich Ihr Genom mit dem eines anderen Individuums problemlos mischen lässt, dann gehören Ihre Gene zur selben Gengesellschaft – Sie beide gehören derselben Art an. Aber wie sieht das bei Arten aus, die gänzlich ohne Sex auskommen?

Bakterien sind uns und anderen komplexen Lebewesen zahlenmäßig haushoch überlegen, aber sie führen allesamt eine bedauernswert sexlose Existenz. Wie können wir dann entscheiden, ob zwei Bakterien zur selben oder zu verschiedenen Arten gehören? Bis vor Kurzem definierte man bakterielle Arten anhand von Ähnlichkeiten im Aussehen oder im Genom. Ab welcher Ähnlichkeit zwei Individuen zur selben Art gehören, wurde recht willkürlich bestimmt, in vielen Fällen war diese Einteilung überraschend großzügig. Beispielsweise unterscheiden sich zwei Bakterien der Art E. coli in Bezug auf ihre Gene häufig weit mehr voneinander als etwa ein Mensch und ein Delfin. Tatsächlich ist es aber gar nicht so schwer, ein objektives Kriterium für die Unterscheidung von Bakterienarten zu finden, selbst ohne Sex. Wir können nämlich einfach dasselbe Kriterium anwenden wie bei uns: Wer seine Genome miteinander mischen kann, der gehört auch zur selben Art.

Im Kern geht es beim Sex ja um das Mischen von Genomen: Die Allele bekommen die Möglichkeit, in jeder Generation neue Teams mit anderen Mitgliedern der Gengesellschaft zu formen. Bakteriengene bilden auch neue Teams, aber sie tun es keuscher und weniger regelmäßig als wir. Bakterien übernehmen von Zeit zu Zeit DNA-Stücke (mit maximal ein paar Dutzend Genen) von anderen Bakterien und fügen diese in ihr eigenes Genom ein. Diese neue DNA kann auf verschiedene Arten in die Zelle gelangen. Häufig wird sie von Viren transportiert, die in ihrem letzten Opfer versehentlich ein Stück von dessen DNA anstatt der eigenen eingepackt haben. Dann spritzen sie diese fremde DNA in ein Bakterium, das sie sich als nächstes Opfer ausgesucht haben.

Wenn die fremde DNA erst einmal in der Bakterienzelle angelangt ist, kann sie von speziellen Eiweißen des Bakteriums in das Genom eingefügt werden – durch Rekombination (Abb. 6.5). Dieser Schritt ähnelt stark dem Vorgang, mit dem wir selbst die Genomhälften unserer Eltern für die Spermien- und Eizellenproduktion durchmischen (Kapitel 3). Bei uns erfordert Rekombination die Bestimmung von einander entsprechenden Regionen auf den beiden zueinanderpassenden Chromosomen von Vater und Mutter. Und auch in der bakteriellen Version gelten entsprechende Regeln: Um in das Genom eingefügt zu werden, muss die fremde DNA (zumindest an ihrem Anfang und Ende) fast perfekt zur entsprechenden Buchstabenfolge im Bakteriengenom passen.

Abb. 6.5: Ein Bakterium nimmt ein Bruchstück des Genoms eines verstorbenen Verwandten aus der Umgebung auf. Das Bruchstück legt sich an den passenden Bereich im Genom des Bakteriums an und ersetzt diesen. Dieser Prozess entspricht der Rekombination in unserer Eizellen- und Spermienproduktion. Das Vermischen von Genomen beim bakteriellen »Sex« ist weniger strikt geordnet als bei uns, erfüllt aber dieselbe Aufgabe für die Gengesellschaft.

Das macht die Artendefinition bei Bakterien einfach. Wenn die zueinanderpassenden Bereiche zweier Bakteriengenome zu mehr als etwa 99,5 Prozent identisch sind, dann können sie erfolgreich miteinander rekombiniert werden – ihre Gene gehören zur selben Gengesellschaft, ihre Besitzer gehören also zur selben Art. Die genetische Ähnlichkeit, ab der zwei Individuen zur selben Art gehören, hat von Menschen bis zu Bakterien stets ungefähr denselben Wert. Das ist kein Zufall. Diese Ähnlichkeit ist Grundvoraussetzung für effiziente Rekombination, und Rekombination ist der Kern dauerhaft erfolgreicher Fortpflanzung – mit oder ohne Sex.

Make Love, Not War

An unseren Genomen können wir ablesen, dass moderne Menschen und Neandertaler sich problemlos miteinander paaren konnten – Neandertaler waren schließlich auch nur Menschen. Warum existieren dann heute keine Neandertaler mehr? Vielleicht sind ganze Siedlungen von Neandertalern einfach mit den Gruppen der Neuankömmlinge aus Afrika verschmolzen. Aber müssten die Genome moderner Asiaten und Europäer dann nicht noch viel mehr Neandertaler-DNA enthalten? Schließlich waren die Neandertaler zumindest anfangs dort in der Mehrheit?

Nach allem, was wir aus unserer Geschichte kennen und rund um den Globus auch heute noch beobachten, scheint eine andere Erklärung wahrscheinlicher. Aus Sicht der Neandertaler war die Ankunft der aus Afrika stammenden modernen Menschen eine Invasion. Umgekehrt sahen die modernen Menschen die Neandertaler vermutlich als eine Bedrohung, zumindest aber als eine lästige Konkurrenz um Nahrung und Unterkünfte. Es ist nicht unwahrscheinlich, dass unsere Vorfahren bei vielen Gelegenheiten versucht haben, die Neandertaler zu töten. Wenn das der Fall war, dann waren sie dabei ziemlich gründlich – die jüngsten bekannten Neandertalerknochen sind mindestens 40 000 Jahre alt.

Dieses Szenario beschreibt eine weitere Runde im immerwährenden Kreislauf des Wir-gegen-die-anderen-Rassismus, angetrieben von denselben Genen oder Ideen, die ihrer zerstörerischen Arbeit auch heute noch nachgehen. Unsere frühen Vorfahren durchquerten die Sahara, um die Welt zu erobern, ähnlich wie die europäischen Seemächte in der jüngeren Vergangenheit große Teile Afrikas, Asiens, Australiens und Amerikas eroberten. Die ersten modernen Menschen in Europa und Asien führten vermutlich Krieg gegen die dortigen Eingeborenen, die wir – die Nachkommen der Sieger – jetzt nur noch unter den Namen Neandertaler und Denisovaner kennen. Wie auch in den Invasionen jüngeren Datums gab es einige gemischte Paare von Neandertalern und modernen Menschen, die sich der Liebe statt dem Krieg hingaben und die damit das genetische Erbe der Neandertaler fest in unserer Gengesellschaft verankerten. Derselbe Vorgang scheint sich rund um die Welt wiederholt zu haben, zum Beispiel gibt es auch Hinweise auf Sex zwischen Denisovanern und Neandertalern.

Welche Folgen hatten die Vereinigungen von Neandertalern und modernen Menschen? Für einen Großteil des Genoms machte es vermutlich wenig Unterschied, ob ein Stück menschlicher DNA durch ein entsprechendes Stück Neandertalergenom ersetzt wurde. Andererseits hatten die Neandertaler bereits 200 000 Jahre in Europa gelebt, als die modernen Menschen auf der Bildfläche erschienen – sie hatten damit hinreichend Zeit, sich an das kältere Klima und die dort verbreiteten Krankheitserreger anzupassen. Ihre lokale Gengesellschaft enthielt deshalb Allele, die die Überlebenschancen der Neuankömmlinge in der für sie ungewohnten Umgebung verbesserten. Die ersten modernen Menschen, die diese Genomabschnitte von Neandertal-Eltern oder -Großeltern erbten, waren gegenüber ihren »reinrassigen« Nachbarn deshalb im Vorteil.

Ein besonders deutliches Beispiel dafür liefern die beiden Gene HLA-A und HLA-C, die eine wichtige Rolle im Immunsystem einnehmen. Sie sind dafür verantwortlich, dass Eiweißbruchstücke aus dem Inneren der Zelle an die Zelloberfläche gebracht werden, wo sie als »Alles O. K.«- oder »Hilfe, ich bin überfallen worden!«-Signale benutzt werden (Kapitel 2). Die menschliche Gengesellschaft enthält eine große Zahl von verschiedenen Allelen für diese beiden Gene. Die genaue Buchstabenfolge eines Allels beeinflusst, welche Eiweißbruchstücke zur Zelloberfläche gebracht werden, und bestimmt damit, welche Krankheitserreger erkannt werden können. Falls die Wurzeln Ihrer Familie in Europa liegen, haben Sie gute Chancen, Ihre Versionen von HLA-A und HLA-C den intimen Begegnungen ferner Vorfahren mit Neandertalern zu verdanken.

Ganz ähnlich sieht das in anderen Erdteilen aus: die HLA-Gene vieler Asiaten ähneln stark denen im Genom der Denisovaner. Für Menschen mit asiatischen Wurzeln liegt die Wahrscheinlichkeit, ihre HLA-A-Allele entweder von Denisovanern oder von Neandertalern übernommen zu haben, bei über 70 Prozent. Immerhin die Hälfte der modernen Europäer hat ein HLA-A-Allel, das ursprünglich von Neandertalern stammt. Im Gegensatz dazu haben nur 6 Prozent der Afrikaner eine HLA-A-Version, die von einem der beiden prähistorischen Volksstämme außerhalb Afrikas stammen – diese seltenen Fälle gehen vermutlich auf Vorfahren zurück, die aus Eurasien zurück nach Afrika wanderten. Mit einem wichtigen Teil ihres Immunsystems sind die heutigen Europäer also »halbe Neandertaler«.

Die Gengesellschaft evolviert, immer und jederzeit – sie kann nicht anders. Wenn eine Gengesellschaft sich aufspaltet, entwickeln sich die beiden Hälften deshalb zwangsläufig auseinander. Manchmal entwickelt eine Seite dabei ganz neue Eigenschaften, ein größeres und leistungsfähigeres Gehirn zum Beispiel. Dafür muss die Gengesellschaft nicht unbedingt um weitere Mitglieder erweitert werden – in vielen Fällen genügt ein geschicktes Management, das die vorhandenen Gene anders einsetzt.

ES KOMMT DRAUF AN, WAS MAN DAMIT MACHT

»Großes vollführen ist schwer:
aber das Schwerere ist, Großes befehlen.«

Friedrich Nietzsche

Kennen Sie die Marshmallow-Herausforderung? Die Teilnehmer werden in Gruppen von drei bis vier Personen aufgeteilt. Jede Gruppe erhält zwanzig Spaghetti, einen Meter Klebeband und einen Meter Schnur. Dann hat sie genau achtzehn Minuten Zeit, um den Marshmallow damit so hoch wie möglich über dem Boden anzubringen (Abb. 7.1).

Abb. 7.1: Die Marshmallow-Herausforderung. Man nehme: einen Meter Schnur, einen Meter Klebeband und zwanzig Spaghetti. Damit baut man eine Struktur, die einen Marshmallow möglichst weit über dem Boden hält. Dieselben Einzelteile können dabei zu einer riesigen Vielfalt verschiedener Konstruktionen zusammengefügt werden.

Die meisten Gruppen bekommen den Marshmallow noch nicht einmal vom Boden weg. BWL-Studenten schneiden besonders schlecht ab: Nachdem sie die meiste Zeit damit verbracht haben, sich um die Führung der Gruppe zu rangeln, schalten sie wenige Sekunden vor Schluss in einen Krisenmodus und setzen den Marshmallow bestenfalls auf eine mickrige Struktur. Geschäftsführer sind kaum besser. Mit einem Projektleiter steigen die Erfolgsaussichten jedoch erheblich. Kindergartenkinder meistern die Herausforderung erstaunlich gut. Ihr Geheimnis? Sie befestigen den Marshmallow unverzüglich auf einer bescheidenen Struktur und suchen dann nach Wegen, diese schrittweise immer weiter anzuheben.

Die Marshmallow-Herausforderung illustriert auf einfache Weise die tragende Bedeutung der Kunst des Managements bei der Bewältigung einer Aufgabe. Je nachdem, wie man sie einsetzt, kann dieselbe Menge an Spaghetti, Klebeband, Schnur und Zeit zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen.

Sprich dich aus

Die Menschheit hat in ihrer Evolution eine Reihe biologischer Neuerungen hervorgebracht, die uns von anderen Tieren – einschließlich unserer nächsten lebenden Verwandten, den Schimpansen – unterscheiden. Wir gehen aufrecht, verfügen über große Gehirne und entwickeln Technologien. Die folgenschwerste menschliche Neuerung aber war vermutlich unsere Sprache. Wie Ludwig Wittgenstein vermutet hat, mag unsere ausgeprägte Kommunikationsfähigkeit durch Modulationen des Luftdrucks sogar die Grundlage unserer Fähigkeit zum abstrakten Denken sein. Doch welche Neuerungen innerhalb der Gengesellschaft waren nötig, um Sprache zu ermöglichen?

Um diese Frage zu beantworten, müssen wir die Gene identifizieren, die mit der Produktion und dem Verständnis von Sprache befasst sind. Das kann man mit der GWAS-Strategie aus Kapitel 5 erreichen, indem man nach systematischen Unterschieden zwischen den Genomen von Menschen mit und ohne Sprachprobleme fahndet. Eine Großfamilie aus England lieferte für dieses Unterfangen die perfekte Datenbasis. Die Großmutter hatte große Schwierigkeiten, Grammatik zu benutzen und zu verstehen, und konnte sich kaum verständlich äußern. Vier ihrer fünf Kinder hatten dasselbe Problem, und deren Kinder wiederum waren etwa zur Hälfte betroffen. Ein genauer Vergleich der Genome der Familienmitglieder mit und ohne Sprachprobleme förderte einen Verdächtigen zutage: ein Gen namens FOXP2. Alle Familienmitglieder mit Sprachproblem hatten zahlreiche Mutationen in und um dieses Gen.

Es gab zwei weitere Argumente, die dafür sprachen, dass FOXP2 tatsächlich das gesuchte Gen war. Erstens die Art der Beschäftigung, der FOXP2 nachgeht: Es ist ein Manager, kein Arbeiter. Man kann die Gengesellschaft grob in zwei Klassen einteilen: die Arbeiter, die alle zum Betrieb einer Zelle nötigen Aufgaben ausführen (etwa das Aufwickeln von DNA, den Bau einer Zellmembran oder das Zerschneiden von Zucker), und die Manager, die den Einsatz der Arbeiter koordinieren. Die meisten Manager gehören zur Familie der Transkriptionsfaktoren. Diese schalten das Ablesen (die Transkription) anderer Gene ein oder aus, indem sie sich an die Schalter eines Gens in der DNA heften (Abb. 5.5). Wie in menschlichen Organisationen nimmt die Anzahl dieser Manager bei größer werdenden Unternehmungen sehr stark zu: Ein Genom mit doppelt so vielen Genen benötigt viermal so viele Manager. Wir Menschen haben große Genome, und etwa ein Zehntel unserer Gene sind Transkriptionsfaktoren.

Einer davon ist FOXP2. Sprache ist eine komplexe Fähigkeit, die eine Vielzahl von Änderungen in unserem Gehirn und in unserer Kehle im Vergleich zu nicht-sprechenden Arten voraussetzt. Dementsprechend befehligt FOXP2 eine Abteilung mit vielen Mitarbeitern. Wenn FOXP2 ausfällt, hört auch seine komplette Mannschaft mit der Arbeit auf, und unsere Sprache bleibt auf der Strecke.

FOXP2 fiel noch durch etwas anderes auf: seine ungewöhnliche Nachbarschaft. Wenn wir zwei menschliche Genome miteinander vergleichen, erwarten wir einen Unterschied etwa alle tausend Buchstaben (wenn wir die fehlenden oder hinzugekommenen Buchstaben unter den Tisch fallen lassen, Kapitel 4). Im Gegensatz dazu findet man in der DNA um FOXP2 herum außergewöhnlich wenige Genomunterschiede. So viel Einförmigkeit ist kein Zufall. Eine mögliche Erklärung wäre, dass fast alle Buchstaben um FOXP2 so wichtig für unsere Fitness sind, dass die natürliche Auslese jede Mutation direkt aussieben würde. Das klingt aber ziemlich unwahrscheinlich, denn wir wissen, dass die meisten Mutationen in und um ein Gen herum keine wichtigen Auswirkungen auf dessen Arbeit haben. Warum sonst aber könnte ein Stück des Genoms so wenige Unterschiede zwischen verschiedenen Menschen zeigen?

Diese Art von Gleichförmigkeit ist typisch für eine sogenannte schwunghafte Auslese (»selective sweep« auf Englisch). Bis zu einem gewissen Punkt in unserer Urgeschichte müssen die Kommunikationstalente unserer Vorfahren denen anderer Säugetiere geähnelt haben, eine kleine Auswahl einfacher Rufe. Aber stellen wir uns vor, dass ein früher Mensch – nennen wir ihn Orpheus – aufgrund einer Mutation plötzlich kompliziertere Sachverhalte ausdrücken konnte. Diejenigen seiner Kinder, die diese Mutation von ihm erbten, konnten sich besser miteinander und mit ihrem Vater verständigen. Wer besser miteinander redet, kann besser zusammenarbeiten, und Orpheus’ Kinder und Enkel waren deshalb erfolgreicher und hinterließen mehr Nachkommen als die anderen Familien im Dorf. Wie immer, wenn die Voraussetzungen für natürliche Auslese erfüllt sind, breitete sich die Mutation in der Gengesellschaft aus.

Nicht alle von Orpheus’ Kindern und Enkeln hätten die vorteilhafte Mutation geerbt. Und selbst diejenigen mit Orpheus’ Sprach-Allel hätten nicht das ganze dazugehörige Chromosom bekommen. Aufgrund der Rekombination – dem Durchmischen der elterlichen Chromosomen bei der Eizellen- und Spermienproduktion in jeder Generation – hätte nicht Orpheus’ ganzes Chromosom an Popularität zugenommen, sondern nur die vorteilhafte Mutation. Aber natürlich existieren Mutationen nicht im luftleeren Raum. Eine Mutation hat einen festen Platz im Genom, sie hat benachbarte Buchstaben und benachbarte Gene. Direkte Nachbarn bleiben in der Regel über viele Generationen zusammen – wenn eine Mutation in der Gengesellschaft populär wird, dann wird sie dabei von ihren Nachbarn begleitet. In jeder Generation wird ein Chromosom mit vielen Millionen Buchstaben von der Rekombination in höchstens eine Handvoll Stücke geschnitten und gemischt, und es ist sehr unwahrscheinlich, dass dabei Schnitte direkt vor und hinter der vorteilhaften Mutation passieren.

Innerhalb kurzer Zeit werden deshalb alle Mitglieder einer Population nicht nur die erfolgversprechende Mutation, sondern auch die Nachbar-Allele miteinander teilen, weshalb alle Genome der Population um die vorteilhafte Mutation herum identisch sind. Diese Folgen einer »schwunghaften Auslese«, ein fast völliges Fehlen von Unterschieden im Bereich um das vorteilhafte Allel, sind das Markenzeichen einer kürzlich erfolgten natürlichen Auslese. So wie im Fall von FOXP2.

Das FOXP2-Gen war offensichtlich mitentscheidend für die Entstehung unserer Sprache. Auch andere Säugetiere sowie Vögel besitzen eine Version dieses Gens, sprechen aber trotzdem nicht. FOXP2 ist ein promiskuitives Gen, es ist an der embryonalen Entwicklung einer Reihe von Organen beteiligt, die Säugetiere und Vögel gemeinsam haben. Welche Veränderung erlaubte Orpheus und seinen Nachkommen ihre überlegene Kommunikation?

Die Antwort liegt nicht darin, was FOXP2 ist, sondern darin, wie wir es benutzen. FOXP2 ist ein Manager – aber es muss auch selbst gemanagt werden. Zu bestimmten Zeiten und an bestimmten Orten des Körpers wird es von anderen Managern angeschaltet, zum Beispiel während der Entwicklung von Lunge und Darm. Die Mutation in Orpheus’ FOXP2-Allel veränderte nicht die Form oder die Funktion des Eiweißes, das dieses Gen beschreibt, sie veränderte die Schalter für das An- und Ausschalten von FOXP2. Im Gegensatz zu der FOXP2-Version von Schimpansen und anderen Menschenaffen wird es deshalb beim Menschen zusätzlich in einer Gehirnregion namens Area X angeschaltet, die Neurologen für den Sitz der Sprache halten. Um Sprache möglich zu machen, musste unsere Gengesellschaft also kein neues Mitglied anheuern – eine richtungsweisende Managemententscheidung war genug. Das ähnelt der Situation in der Marshmallow-Herausforderung, wo aus dem geschickten Einsatz derselben Einzelteile, die allen Gruppen zur Verfügung stehen, ein äußerst erfolgreiches Design entstehen kann.

Vögel haben keine Sprache. Aber der Gesang von Singvögeln ist unserer Sprache in vielerlei Hinsicht ausgesprochen ähnlich. Vogelgesänge sind länger und komplexer als einfache Rufe, und sie spielen eine zentrale Rolle beim Umwerben des anderen Geschlechts. Vogelgesänge haben ihre eigene Grammatik, und ihre Struktur ähnelt in Bezug auf Rhythmus und Ausdrucksfähigkeit menschlicher Musik. Singvögel vieler Arten lernen zumindest Teile ihrer Lieder von ihren Vätern, wodurch örtliche Dialekte entstehen, so wie bei der menschlichen Sprache.

Doch nicht alle Vögel sind Singvögel. Was unterscheidet die singenden von den nicht-singenden Arten? Ein »Singvogel-Gen«, das anderen Vögeln fehlen würde, gibt es nicht. Dafür wurde herausgefunden, dass nur in der Area X von Singvögeln FOXP2 angeschaltet ist – in der Hirnregion, die unserer eigenen Area X entspricht und die Singvögel für das Lernen neuer Lieder benutzen. Und es gibt weitere Belege: Zum Beispiel ändern Kanarienvögel ihre Lieder zu bestimmten Jahreszeiten, und nur dann ist auch ihr FOXP2-Gen angeschaltet. Dieselbe Veränderung im Management der Gengesellschaft scheint also verantwortlich zu sein für menschliche Sprache und für das Lernen von Gesängen bei Singvögeln – eine bemerkenswerte Parallele.

Big Brain Theory

Mithilfe unserer überproportional großen Gehirne haben wir Menschen immer kompliziertere Technologien entwickelt und gemeistert – von der Nutzbarmachung des Feuers bis hin zu Smartphones. Musste die Gengesellschaft unserer Vorfahren dafür neue Gene aufnehmen? Die FOXP2-Geschichte legt nahe, dass vielleicht auch hier Änderungen im Management ausgereicht haben könnten. Um größere Gehirne wachsen zu lassen, muss man letztlich die Gehirnentwicklung einfach etwas länger weiterlaufen lassen, sodass die Gehirnzellen sich öfter teilen. In vielerlei Hinsicht ähnelt unser Gehirn bis heute dem von Schimpansen – in den sechs Millionen Jahren, seit unsere Gengesellschaften getrennte Wege gegangen sind, haben sich tatsächlich vor allem die Details des Managements der Gehirnentwicklung geändert.

Ein Unterschied zwischen den Genomen von Schimpansen und Menschen liegt in der Region mit den molekularen Schaltern für ein Manager-Gen namens GADD45G. Dieses Gen wurde als Tumorunterdrücker bekannt: Seine Aufgabe ist das Abschalten des Wachstums von Zellen, ein entscheidender Beitrag zur Unterdrückung von Krebs. Im Vergleich zu Schimpansen fehlt dem menschlichen GADD45G ein ansehnliches Stück DNA in seiner Schalterregion – über dreitausend Buchstaben. Wenn man den entsprechenden DNA-Abschnitt aus einem Mäusegenom entfernt, dann verändert sich dadurch das Verhalten eines wichtigen Gens für die Gehirnentwicklung. Eine plausible Erklärung für die Entstehung unseres großen Gehirns ist deshalb folgende: Ein Manager-Gen verlor seine Fähigkeit, den Zellen einer bestimmten Gehirnregion das Weiterwachsen im Embryo zu verbieten. Menschen mit einem dadurch vergrößerten Gehirn waren gegenüber ihren Mitmenschen im Vorteil, vielleicht, weil sie bessere Werkzeuge herstellen konnten. Durch die folgende natürliche Auslese verbreitete sich das neue Allel in der Gengesellschaft. Übrigens waren die Gehirne von Neandertalern sogar noch ein bisschen größer als unsere – und Neandertalern fehlte derselbe DNA-Abschnitt in den molekularen Schaltern für GADD45G.

Wenn man Unterschiede zwischen Menschen und Schimpansen erklären will, dann sind Änderungen im Management eher die Regel als die Ausnahme. Es gibt praktisch keine Gene, die nur im Menschen oder nur im Schimpansen vorkommen. Auch die geringen Unterschiede zwischen den Bauplänen unserer Eiweiße haben in den seltensten Fällen einen nennenswerten Einfluss auf deren Arbeitsweise. Unsere Gengesellschaften haben immer noch dieselben Arbeiter und dieselben Manager – nur geben die Manager inzwischen andere Kommandos.

Dass sehr einfache Änderungen im Management zu bemerkenswerten Resultaten führen können, kennt man auch aus anderen Sphären. Illustriert wird das zum Beispiel von der folgenden urbanen Legende. Vor vielen Jahren musste sich der Zahnpastahersteller Colgate mit fallenden Verkaufszahlen auseinandersetzen. Die obersten Konzernlenker versammelten sich, um Ideen für eine Trendwende zu entwickeln. Doch es war eine zufällig anwesende Reinigungskraft, die den so einfachen wie genialen Vorschlag in den Raum stellte: »Macht das Loch in der Zahnpastatube größer, dann kommt mehr raus!« Kein Mensch brauchte eine neuartige Zahnpasta – eine winzige Änderung am bestehenden Produkt war alles, was Colgate zur Rückkehr in die Gewinnzone brauchte.

Bei 20 000 Genen kann man eine überwältigende Zahl von verschiedenen Zuständen erzeugen, indem man einzelne Gene ein- und ausschaltet, davon haben wir uns bereits in Kapitel 3 überzeugen können. Auch wenn nicht alle dieser Zustände nützlich sind, so übersteigt die Vielfalt an Möglichkeiten doch bei Weitem alles, was man zum Beispiel mit verschiedenen elektronischen Bauteilen anstellen kann. Das elektronische »Baukastenprinzip« bietet dennoch einen aufschlussreichen Vergleich, denn es ist möglich, aus denselben Widerständen und Kondensatoren zwei so unterschiedliche Geräte wie einen Feuermelder und ein Radio zu bauen (Abb. 7.2).

Abb. 7.2: Dieselben elektronischen Bauteile können so zusammengesetzt werden, dass man völlig unterschiedliche Zwecke erfüllen kann, ähnlich wie mit denselben Genen sehr unterschiedliche Zelltypen und Organismen gebaut werden können.

Die verschiedenen Zellen unseres Körpers verdanken ihre Eigenheiten den unterschiedlichen Kombinationen ein- und ausgeschalteter Gene. Zwar verfügt jede Zelle in ihrem Genom über praktisch den gleichen Satz an Genen, aber nicht alle davon sind gleichzeitig aktiv. Ein bestimmter Typ Leberzelle zum Beispiel hat immer auch sein eigenes Aktivitätsmuster: Nur die Gene, deren Eiweiße in dieser Leberzelle benötigt werden, sind aktiv, alle anderen bleiben ungenutzt. Durch Veränderungen im Management-Muster – der genauen Konfiguration, wer ein- und wer ausgeschaltet ist – kodiert unser Körper Hunderte verschiedener Zelltypen. Im Prinzip könnte er noch viel, viel mehr Typen von Zellen produzieren, für die Erfindung neuer Gene ist deshalb in der Evolution weniger Bedarf, als man meinen könnte.

Um Menschen und Schimpansen richtig miteinander zu vergleichen, müsste man also nicht nur ihre Gene gegenüberstellen, sondern vor allem auch deren Aktivität in den verschiedenen Zelltypen miteinander vergleichen. Was denken Sie, in welchem Teil unseres Körpers sich die Genaktivitäten zwischen uns und Schimpansen am meisten unterscheiden? Eine solche Untersuchung an Zellen aus verschiedenen Organen fand die größten Unterschiede tatsächlich da, wo die meisten Leute sie erwarten würden: im Gehirn – demjenigen Organ, das uns Menschen wohl am stärksten von allen anderen Tieren unterscheidet. Auch das bestärkt uns in der Annahme, das unsere intellektuellen Fähigkeiten vor allem eine Folge von Änderungen im Genmanagement sind.

Gen-Logik

Wie genau lassen Gen-Manager andere Gene wissen, wann sie aktiv oder inaktiv werden sollen? In den Wissenschaften liegt der Schlüssel zur Erkenntnis oft in der Reduzierung eines Problems auf seinen Kern, dem manchmal zu Unrecht gescholtenen Reduktionismus. Oder, wie der englische Biologe Peter Medawar es formulierte: »Wissenschaft ist die Kunst des Lösbaren.« Jeder komplizierte Prozess ist zusammengesetzt aus vielen kleineren Rätseln, die Teile von ihm betreffen – zu viele, um sie alle gleichzeitig zu lösen. Der Trick ist, immer nur ein einziges Rätsel auszuwählen und vom Rest des Problems zu isolieren.

Wenn wir also verstehen möchten, wie Gene sich gegenseitig managen, um etwas so atemberaubend Komplexes wie einen Menschen zu bilden, dann müssen wir das Problem zunächst in handhabbare Bestandteile zerlegen. Zum Beispiel, indem wir zunächst einen einzigen An/Aus-Schalter in einem sehr viel einfacher strukturierten Zeitgenossen, unserem alten Freund E. coli, betrachten.

Ein Abschnitt des E. coli-Genoms, den man als das lac-Operon bezeichnet, enthält eine Gruppe von gemeinsam abgelesenen Genen. Als Team sind sie für die Verdauung des Milchzuckers Laktose zuständig (daher der Name). Das Kolibakterium lebt vorzugsweise in den Mägen von Säugetieren, und da ist Milchzucker manchmal die beste verfügbare Energiequelle. E. coli steht in einem gnadenlosen Wettbewerb mit zahlreichen anderen Bakterienarten und kann sich deshalb keine Verschwendung von Ressourcen leisten. Auch die Benutzung der Gene des lac-Operons muss E. coli deswegen streng reglementieren. Die entsprechenden Eiweiße müssen zuverlässig produziert werden, sobald sie gebraucht werden. Umgekehrt hat E. coli aber in seiner Werkstatt, der Zelle, nur sehr wenig Platz, weshalb Gene, deren Eiweiße derzeit nicht benötigt werden, ausgeschaltet bleiben müssen.

Das lac-Operon beinhaltet einen Abschnitt mit An/Aus-Schaltern, die die Aktivität aller Gene im Operon gleichzeitig kontrollieren. Wenn die Umgebung Milchzucker enthält, dann müssen die lac-Gene in der Regel angeschaltet werden, um den Milchzucker in die Zelle zu bringen und zu verarbeiten. Andererseits müssen die Gene ausgeschaltet bleiben, wenn kein Milchzucker verfügbar ist. Der Lieblingszucker des Kolibakteriums ist allerdings Traubenzucker, weil es daraus sehr viel schneller Energie gewinnen kann als aus den meisten anderen Zuckern. Wenn Traubenzucker zu haben ist, dann lässt es deshalb den Milchzucker links liegen. Es investiert voll in die Eiweiße für die Traubenzuckerverarbeitung, und egal, ob gleichzeitig Laktose im Angebot ist oder nicht, bleiben die lac-Gene ausgeschaltet. Kurz: Die von den Genen des lac-Operons verantworteten Eiweiße zur Milchzuckerverarbeitung sollen nur dann in nennenswerten Mengen produziert werden, wenn Milchzucker verfügbar ist, Traubenzucker aber nicht.

Wir haben damit das Management-Programm des lac-Operons auf wenige einfache logische Regeln (wenn … – dann …) reduziert. Aber wie setzt die Kolibakterien-Gengesellschaft diese Regeln in die Praxis um? In Kapitel 1 sind wir der Polymerase begegnet, der molekularen Maschine, die die Buchstabenfolge eines Gens in Boten-RNA kopiert – diese Herstellung von RNA-Kopien meinen wir, wenn wir vom »Anschalten« eines Gens sprechen. Um die lac-Gene zu lesen, muss die Polymerase als Erstes an den Beginn des lac-Operons andocken. Wenn keine Laktose in der Umgebung ist, dann heftet sich ein Unterdrücker-Eiweiß (eine bestimmte Art von Transkriptionsfaktor, ein Manager der untersten Ebene) an die DNA am Anfang des lac-Operons – genau dort, wo die Polymerase andocken möchte. Das Unterdrücker-Eiweiß lässt die Polymerase nicht an die lac-Gene heran und verhindert so die Produktion der entsprechenden Eiweiße. Wenn Milchzucker wieder auf der Bildfläche erscheint, dann treiben einige Moleküle davon in die Zelle und heften sich ihrerseits an den Unterdrücker (der hat dafür eine extra Tasche, in die die Milchzuckermoleküle genau hineinpassen). Durch das Anheften des Milchzuckers verzieht sich die Form des Unterdrückers ein wenig, und er verliert den Halt auf der DNA. So wird die Bindestelle wieder für die Polymerase frei, und die lac-Eiweiße werden produziert (Abb. 7.3). Das ist der erste Teil des Management-Programms: wenn kein Milchzucker – dann keine aktiven lac-Gene.

Abb. 7.3: Das Management-Programm des lac-Operons. Links ist Traubenzucker (Glukose) verfügbar, rechts nicht; oben ist Milchzucker (Laktose) verfügbar, unten nicht. Die drei lac-Gene (die Pfeile auf der DNA-Linie unten in jedem Feld) werden gebraucht, um Milchzucker zu verarbeiten. Vor den Genen befinden sich drei molekulare Schalter (die verschieden geformten Blöcke direkt auf der DNA). Diese sind Bindungsstellen für Manager beziehungsweise für die Polymerase, die das Gen abliest. Wenn Milchzucker fehlt (unten), verhindert ein Unterdrücker-Eiweiß (dunkelgrau) das Ablesen der lac-Gene, die ohne Milchzucker nicht benötigt werden. Wenn der bevorzugte Traubenzucker fehlt (rechts), dann fördert ein Aktivator-Eiweiß (weiß) das Andocken der Polymerase, um so die Produktion der lac-Eiweiße anzukurbeln. Die lac-Gene sind nur dann nennenswert aktiv, wenn Milchzucker verfügbar ist, Traubenzucker aber nicht (oben rechts).

Die Polymerase kann ihren Andockpunkt am Anfang des lac-Operons rein zufällig finden, aber das passiert zu selten, um nennenswerte Mengen der lac-Eiweiße zu produzieren. Deshalb gibt es ein weiteres Manager-Gen, das die Polymerase zum Beginn des lac-Operons dirigiert. Es produziert ein Aktivator-Eiweiß (einen weiteren Manager der unteren Führungsebene), das sich an einen Punkt auf der DNA kurz vor dem Andockpunkt für die Polymerase klammert und die Polymerase an ihre gewünschte Position leitet. Wenn allerdings Traubenzucker zur Verfügung steht, dann wird das Aktivator-Eiweiß selbst inaktiv – als Folge werden wieder nur geringe Mengen der milchzuckerverarbeitenden Eiweiße hergestellt. Um den nahrhafteren Traubenzucker voll ausnutzen zu können, müssen die zellulären Ressourcen ja von den lac-Genen abgezogen werden. Dies ist die zweite Hälfte des Management-Programms für die lac-Gene: wenn Traubenzucker – dann kein Ankurbeln der lac-Eiweiß-Produktion.

Das Management-Programm für das lac-Operon arbeitet wie ein einfaches Logikgatter in einem Computer: Die lac-Eiweiße werden produziert, wenn Milchzucker verfügbar ist und Traubenzucker nicht, in allen anderen Fällen werden sie allenfalls in geringen Mengen hergestellt. Das Gehirn eines Computers, seine zentrale Recheneinheit (CPU), besteht aus sehr vielen Millionen solcher einfachen Logikgatter. Mithilfe der Prinzipien, die wir beim lac-Operon gesehen haben, kann unser Genom dieselben Rechenoperationen ausführen wie ein Computer. Die Manager, die das Ablesen der Gene regeln, übertragen dabei Informationen aus ihrer Umgebung an bestimmte Stellen im Genom. Unsere Logikgatter bestehen aus Kombinationen von molekularen Schaltern auf der DNA, mit deren Hilfe der Zugang der Polymerase zu einem Gen entweder beschleunigt oder behindert wird.

In der Gengesellschaft basiert erfolgreiches Management nicht auf Intelligenz oder Absichten. Der Tanz der Management-Eiweiße auf den Chromosomen ist schlicht und einfach eine Folge der Anziehung zwischen Molekülen. Aufgrund ihrer genauen Form und der elektrischen Ladungen auf ihrer Oberfläche ziehen Eiweiße bestimmte kleinere Moleküle an oder werden selbst von größeren angezogen – etwa von bestimmten Buchstabenfolgen der DNA. Das lac-Operon des Kolibakteriums erlaubt uns einen ersten Einblick auch in die Grundlagen des Managements unserer eigenen Gengesellschaft, nur dass die Hierarchie der verschiedenen Managementebenen bei uns noch viel komplizierter ist.

Bei E. coli werden komplette Gen-Sets gemeinsam gemanagt, in unserem Genom besitzt jedes Gen dagegen seine eigene Recheneinheit. Mit diesem Prinzip kann man ausgesprochen komplizierte Management-Geflechte aufbauen. Gruppen von zusammenarbeitenden Genen werden von ganzen Kaskaden von Transkriptionsfaktoren gemanagt: Die Aktivität eines Transkriptionsfaktors wird selbst wieder von anderen Transkriptionsfaktoren gesteuert, sodass komplexe Ketten der Informationsverarbeitung entstehen.

Schauen wir uns einen kleinen Ausschnitt unseres Management-Netzwerkes an. In Kapitel 5 haben wir gesehen, dass Managementprobleme im Zusammenhang mit dem SOX9-Gen zu Geschlechtsumwandlungen führen können. Wie wurde in unserer Zeit als Embryo unser Geschlecht durch SOX9 bestimmt? Wie auch bei anderen Genen heftet sich eine Reihe verschiedener Manager an die molekularen Schalter von SOX9, um dessen Ablesen zu beschleunigen oder zu verhindern. Anfangs war SOX9 aktiv, unabhängig von unserem Geschlecht. Falls Sie eine Frau sind, dann wurde außerdem ein Eiweiß namens Beta-Catenin dort gebildet, wo später ihre Eierstöcke entstanden. In einem Selbstmordkommando hefteten sich Beta-Catenin-Eiweiße an SOX9-Eiweiße und verursachten damit die Zerstörung des so entstandenen Eiweißpaares. Sobald die Menge an SOX9-Eiweiß unter eine kritische Marke fiel, wussten die Zellen, wo es langgehen sollte – sie begannen mit der Bildung von Eierstöcken. Andere Management-Eiweiße blockieren seitdem den Zugang der Polymerase zum SOX9-Gen, um sicherzustellen, dass die Entscheidung für die Entwicklung zur Frau nie wieder rückgängig gemacht werden kann.

Falls Sie ein Mann sind, besitzen Sie ein Y-Chromosom, und das Ganze lief daher völlig anders ab. Auf dem Y-Chromosom liegt das Sf1-Gen, welches die Herstellung von SOX9-Eiweißen weiter ankurbelte. Sobald genug SOX9-Eiweiße produziert waren, nahmen diese das weitere Geschehen selbst in die Hand (SOX9 ist auch ein Transkriptionsfaktor). SOX9-Eiweiße gingen zurück zu ihrem Gen und drehten die eigene Produktion weiter auf. Diese positive Rückkopplung sorgt dafür, dass der SOX9-Pegel lebenslang hoch bleibt. Das Beta-Catenin-Niveau hatte dagegen nie eine Chance, nennenswert anzusteigen. Beta-Catenin-Eiweiße versuchten auch hier, SOX9 zu zerstören, indem sie sich daran hefteten. Aber aufgrund ihrer zahlenmäßigen Unterlegenheit führte dieses Selbstmordkommando nur zu ihrer eigenen Entfernung aus dem Bereich, in dem sich später Ihre Hoden entwickelten. Befreit vom Beta-Catenin hatte SOX9 freie Hand – und brachte Ihre Zellen unwiderruflich auf den Pfad zur Männlichkeit.

Dass SOX9-Eiweiße ihre eigene Produktion ankurbeln, ist kein Zufall. Diese positive Rückkopplung garantiert, dass SOX9 immer weiter produziert wird, wenn es einmal angeschaltet wurde – das heißt, wenn der Pegel der SOX9-Eiweiße einmal einen kritischen Wert überschritten hat. Das muss so sein, denn die Entwicklung von Hoden sollte eine Einbahnstraße bleiben.

Die Berechnungen für das Management von SOX9 enthalten noch ein weiteres interessantes Detail, eine sogenannte Vorschub-Schleife (Abb. 7.4). Sf1 managt die Produktion von SOX9-Eiweißen, aber es bedient sich dabei der Hilfe eines zweiten Eiweißes: SRY. Interessanterweise wird auch SRY selbst von Sf1 angeschaltet. Warum managt Sf1 SOX9 nicht allein, sondern schaltet erst noch einen Helfer ein? Was soll diese scheinbar übertrieben komplizierte Management-Struktur?

Abb. 7.4: Die Vorschub-Schleife (links) und ihre Wirkung auf die Produktion der verschiedenen Eiweiße (rechts). Bei einem kurzen Stoß von Sf1-Eiweißen reicht die Zeit nicht aus, um genug SRY-Eiweiße herzustellen, und SOX9 bleibt ausgeschaltet. Eine länger anhaltende Produktion von Sf1 hingegen führt zu einer Anreicherung von SRY, sodass Sf1- und SRY-Eiweiße zusammen nun SOX9 anschalten können.

Es handelt sich dabei um einen Sicherungsmechanismus. Management ist nie perfekt, auch nicht in der Gengesellschaft. Das zweite Gen verhindert ein versehentliches Anschalten von SOX9. Falls Sf1 in einem weiblichen Embryo versehentlich kurz eingeschaltet würde und falls das allein schon reichen würde, um die Produktion von SOX9 anzukurbeln, dann würden womöglich Hoden in einen weiblichen Körper eingebaut. Die Vorschub-Schleife verhindert das, indem sie sicherstellt, dass ausreichend SRY-Eiweiße sich nur ansammeln können, wenn lange genug Sf1-Eiweiße nachproduziert werden. Ein vorübergehender Schwung Sf1, der auch versehentlich mal produziert werden kann, reicht dafür noch lange nicht aus. Diese Form des vorsichtigen Managements sorgt dafür, dass kleine Ungenauigkeiten nicht das Gesamtprojekt gefährden können.

Stabilität in Gegenwart von kurzen, ungeplanten Schwankungen ist auch in vielen anderen Fällen wichtig. Deshalb finden sich solche Vorschub-Schleifen an vielen Stellen im Genom. Andere Management-Strukturen, die ebenfalls immer wieder benutzt werden, sind positive Rückkopplungen (die ein System auf Dauer aktiv halten, wenn es einmal angeschaltet wurde) und negative Rückkopplungen (die die Produktion eines Transkriptionsfaktors abschalten, wenn schon genug davon da ist).

Bis hierher haben wir nur einen einzigen Management-Mechanismus betrachtet, nur eine Art von genomischer Rechnerarchitektur: Transkriptionsfaktoren, die sich an die molekularen Schalter der DNA heften, um Gene zu aktivieren oder zu unterdrücken. Aber die »Computerarchitektur« in jeder unserer Zellen ist noch weit komplizierter.

Die Evolution ist ein Bastler. Wenn es irgendetwas gibt, was bei einer Berechnung helfen kann, dann wird es von der natürlichen Auslese dafür auch angeheuert. Berechnungen in unseren Zellen werden zum Beispiel auch dadurch angestellt, dass Eiweiße oder RNA sich in die Übersetzung von Boten-RNA in Eiweiße einmischen, etwa indem sie die Boten-RNA zerstören oder sie stabilisieren. Management-Eiweiße können auch die Aktivität anderer Eiweiße ein- und ausschalten, indem sie chemische Schalter an diesen Eiweißen bedienen, oder sie können komplette Abschnitte des Genoms herunter- und wieder hochfahren.

Chefetagen und hoffnungsfrohe Monster

Wir haben gesehen, dass selbst eine kleine Zahl von Einzelteilen zu einer schwindelerregenden Vielfalt von Strukturen zusammengesetzt werden kann, einfach indem man die Teile jeweils anders miteinander verdrahtet. Dieses Prinzip macht den Kern evolutionärer Veränderungen aus, es ist für weit mehr verantwortlich als nur für größere Gehirne oder eine verbesserte Geschicklichkeit im Modulieren von Luftdruck. Eine einzige Buchstabenveränderung im Genom einer Fruchtfliege etwa kann dem unglücklichen Tier zwei Beine auf dem Kopf wachsen lassen, dort, wo normalerweise ihre Fühler sitzen. Wie kann ein einzelner Tippfehler in der DNA so schauerliche Konsequenzen haben?

Um das zu verstehen, müssen wir uns zunächst vor Augen führen, dass die Folgen dieser Mutation nicht besonders originell sind: Die Fliege hat ja schon drei Beinpaare, das mittlere Management des Fliegengenoms weiß also genau, wie man so etwas herstellt. Außerdem erscheinen die zusätzlichen Beine nicht irgendwo auf dem Körper der Fliege, sondern dort, wo sowieso ein Anbau hingehört – die Fühler. Die Mutation erfindet kein neues Körperteil, sie wandelt lediglich ein bestehendes in ein anderes um.

Im Jahr 1900 veröffentlichte der britische Genetiker William Bateson einen Katalog solcher »Transformationen«. Darunter waren zum Beispiel Männer mit einem zweiten Paar Brustwarzen oder mit zusätzlichen Rippen. Bateson schloss aus seinen Beobachtungen, dass Veränderungen in der Natur häufig sprunghaft sind – ein Widerspruch zu Darwins Theorie, dass Evolution in kleinen Schritten abläuft. Darwin hatte schon recht: Evolution macht in der Tat meistens eher kleine Schritte, schon allein deshalb, weil eine Politik der kleinen Schritte weniger leicht Gefahr läuft, die Überlebensmaschine völlig durcheinanderzubringen. Aber es gibt auch kein Gesetz, das gegen große Sprünge in der Evolution spricht, und Batesons Beobachtungen beweisen, dass sie zumindest manchmal tatsächlich vorkommen.

Solche sprunghaften Transformationen können grauenvoll oder lächerlich sein, aber manchmal bringen sie etwas hervor, was wir ein »hoffnungsvolles Monster« nennen: Individuen, die aus der Transformation Vorteile ziehen können. Es gibt beispielsweise eine Mutation, die eine Fliege mit zwei Flügeln in eine Fliege mit vier Flügeln verwandelt. Die zusätzlichen Flügel wachsen an derselben Stelle, an der normale Fliegen sogenannte Haltere haben, die ihnen beim Halten des Gleichgewichts helfen. Für ein fliegendes Insekt sind unter Umständen vier Flügel sogar besser als zwei; Schmetterlinge etwa besitzen vier.

Aber wie kann eine einzelne Mutation die Neuproduktion eines kompletten Körperteils orchestrieren, komplett mit allen dafür nötigen Typen von Zellen, die alle auch noch an genau der richtigen Stelle wachsen? Die Mutation, die ein zusätzliches Paar Flügel wachsen lässt, zerstört ein Gen namens Ultrabithorax. Dieses Gen ist der oberste Manager für die Produktion von Halteren in Fliegen. Die Vorfahren der Fliegen hatten vier Flügel, und eines der Flügelpaare entwickelte sich in der Evolution zu Halteren; ohne Ultrabithorax jedoch bleibt es bei den ursprünglichen Flügeln.

Schmetterlinge haben keine Haltere, sondern immer noch vier Flügel. Dennoch besitzen sie ein Ultrabithorax-Gen. Das zweite Flügelpaar von Schmetterlingen unterscheidet sich in seiner Größe und seinem Farbmuster vom ersten – dieser Unterschied wird von Ultrabithorax bestimmt. Das Gen managt in allen Insekten, was genau an dieser Stelle gebaut werden soll, egal, ob es sich jetzt um Haltere oder Flügel handelt. Es ist ein Manager der obersten Führungsebene, ein Transkriptionsfaktor, der ein komplettes orchestriertes Programm beaufsichtigt. Der Unterschied zwischen Ultrabithorax in Fliegen und Schmetterlingen besteht darin, welche Gene ihm unterstellt sind: In Fliegen schaltet es die Gene für die Produktion der Haltere an, während derselbe Manager in Schmetterlingen die Gene für die Produktion eines zweiten Flügelpaars zur Arbeit schickt.

Die Untersuchung der für die Embryonalentwicklung zuständigen Manager-Gene hat noch grundlegendere Einsichten hervorgebracht. Es hält sich hartnäckig das Gerücht, dass der Biologe Karl Ernst von Baer sich vor zweihundert Jahren in einer misslichen Lage fand. Die Etiketten auf den Fläschchen seiner Sammlung von Embryos waren so ausgeblichen, dass er sie nicht mehr lesen konnte. In welcher Flasche war nun der Reptilien-Embryo, wo der Fisch-Embryo und wo der Vogel-Embryo? Der größte Embryologe seiner Zeit starrte auf die Fläschchen und war außerstande, sie zuzuordnen. Was zunächst wie eine Peinlichkeit erschien, war tatsächlich eine enorm wichtige Erkenntnis: In einem bestimmten Stadium sehen die Embryonen aller Wirbeltiere im Wesentlichen gleich aus.

Diesen speziellen Zeitpunkt der Embryonalentwicklung nennt man das phylotypische Stadium. An diesem Punkt zeigt der Embryo erstmals erkennbare Eigenschaften, die typisch für Wirbeltiere sind (Abb. 7.5). Das phylotypische Stadium entspricht einem allgemeinen Grundriss, auf den später spezialisiertere Merkmale – so wie der dicke Panzer einer Schildkröte, die ausgeprägte Schnauze eines Schweins oder das große Gehirn eines Menschen – aufgesetzt werden. In seinem Werk Über die Entstehung der Arten sah Darwin die Beobachtung von Baers als Bestätigung seiner Theorie, dass biologische Arten auf gemeinsame Vorfahren zurückgehen.

Abb. 7.5: Obwohl sich die Baupläne verschiedener Wirbeltiere drastisch voneinander unterscheiden (unten), sehen ihre Embryos einander in einem bestimmten Stadium ihrer Entwicklung (oben) erstaunlich ähnlich.

Was können wir aus diesen Erkenntnissen darüber lernen, wie ein Genom seine Überlebensmaschine baut? Es dauerte mehr als hundert Jahre, bevor man verstand, warum die Embryos dieses Stadiums einander so stark ähneln. Dafür kehren wir noch einmal zur Fruchtfliege zurück. Die Handvoll Gene, deren Mutationen komplette Körperteile ineinander transformieren können (Fühler in Beine, Haltere in Flügel), haben zwei zunächst unerwartete Eigenschaften. Erstens sind all diese Gene Nachbarn auf dem Genom. Zweitens werden diese Gene in der Embryonalentwicklung in genau der Reihenfolge angeschaltet, in der sie auch im Genom angeordnet sind. Sie scheinen gemeinsam einen Masterplan für den Bau der Fliege zu enthalten, der systematisch abgearbeitet wird.

Besonders aufschlussreich war der Vergleich zwischen diesem Genomabschnitt in der Fliege und in anderen Tieren. Bis in die 1980er-Jahre ging man davon aus, dass unterschiedliche Tiere auch sehr verschiedene Gengesellschaften haben. Man war deshalb schwer erstaunt, als man Gegenstücke der transformierenden Gene der Fliege – zusammen als Hox-Familie bezeichnet – in den Genomen des Fadenwurms C. elegans und der Maus fand, wo sie in fast derselben Anordnung vorkommen.

Die Hox-Gene unterschiedlicher Tiere haben nicht nur sehr ähnliche Buchstabenfolgen, sie können sogar füreinander einspringen. Wenn ein Fadenwurm oder eine Maus eine defekte Kopie eines Hox-Gens hat, dann kann man deren Embryonalentwicklung retten, indem man in ihr Genom das entsprechende Gen der Fliege einbaut. Die meisten Tiere haben mindestens eine Gruppe von Hox-Genen (Quallen allerdings haben keine, aber Quallen sind auch sonst recht ungewöhnliche Tiere). Dass Hox-Gene die Identitäten von Körperteilen managen, gibt einen Hinweis darauf, warum die Embryos bestimmter Gruppen von Tieren in einer bestimmten Phase der Embryonalentwicklung gleich aussehen: Sie haben dieselbe Führungsetage, dieselbe Mannschaft an Hox-Genen.

Die Entwicklung verschiedener Tierarten wird selbst dann von überraschend ähnlichen Genen kontrolliert, wenn wir die Hox-Gene außer Acht lassen. Beispielsweise beaufsichtigen dieselben drei Manager-Gene die Muskelentwicklung in allen Tieren – mit Resultaten, die so verschieden sind wie die Muskulatur eines Menschen und einer Fliege. Die Gene selbst unterscheiden sich kaum, der Unterschied liegt vielmehr darin, wer mit wem zusammenarbeitet. Die Verflechtungen des Managements bilden komplizierte Netzwerke der gegenseitigen Unterstützung und Behinderung. Einige dieser Beziehungen sind stets dieselben, während sich viele andere in der Evolution immer wieder grundlegend geändert haben.

Nach dieser ausführlichen Tour durch die tierische Embryonalentwicklung werfen wir noch einen kurzen Blick auf eine völlig andere Art von Entwicklung. Wenn die Zeiten hart werden, kann das Bakterium Bazillus subtilis seine Nachkommen in einer Art Zeitkapsel verschließen. Wenn der Bazillus merkt, dass ihm die Nährstoffe ausgehen, beginnt er mit dem Bau von sogenannte Sporen. Diese Zellen sind so robust, dass sie selbst kochendes Wasser oder die Strahlung einer Atombombe überstehen. Wenn die Spore fertig ist, begeht die Mutterzelle Selbstmord. Das Kind in seiner Zeitkapsel bleibt allein zurück, um auf bessere Zeiten zu warten – selbst wenn das tausend Jahre dauern sollte. Wenn es schließlich so weit ist, wacht die Spore auf und macht als normaler Bazillus weiter, als wäre nichts gewesen.

Auch für die Organisation dieser Umwandlung ist ein Management-Netzwerk zuständig. Ganz oben steht Spo0A, der eine ganze Kaskade weiterer Manager aktiviert. Gemeinsam sorgen diese dafür, dass die Zelle sich schließlich ganz der Sporenproduktion widmet. Dieser Vorgang ähnelt stark der Selbstverpflichtung von Zellen zur Herstellung von Eierstöcken oder Hoden in unserer eigenen Embryonalentwicklung. Wie sich herausstellt, hat Spo0A zwar einen fremd klingenden Namen, aber eine wohlbekannte Buchstabenfolge: Es ist das Hox-Gen des Bakteriums.

Über alles Leben hinweg sind die Mitglieder der Chefetagen miteinander verwandt, entfernte Cousins, die sich in sehr verschiedenen Organisationen derselben Art von Aufgabe widmen. Sie alle haben ihr Geschäft vom selben, längst vergessenen Urahnen über Tausende von Generationen hinweg heruntergereicht bekommen.

Ein letzter Gedanke zum Management in der Gengesellschaft: wenn wir bei einem Unfall zum Beispiel einen Finger verlieren, warum lassen wir uns nicht einfach einen neuen wachsen? Wir haben den Finger als Embryos ja selbst gebaut, jede unserer Zellen weiß genau, wie das geht. Warum können wir das später trotzdem nicht wiederholen? Glücklicherweise behalten die meisten von uns ihre Finger bis zum Schluss, aber über unsere Zähne beispielsweise kann man dasselbe nicht sagen. Wäre es nicht schön, wenn wir fehlende oder kaputte Zähne jederzeit durch organisch gewachsene neue ersetzen könnten?

In den letzten sechzig Jahren haben wir gelernt, die Sprache unseres Genoms besser und besser zu verstehen, aber wir sind weit davon entfernt, diese Sprache selbst sprechen zu können. Werden wir eines Tages genetische Programme so modifizieren können, dass Ärzte unsere Körper zur Nachproduktion defekter Teile instruieren können? Salamander lassen Beine oder Augen bei Bedarf nachwachsen, und auch andere Tiere haben ähnliche Fähigkeiten. Wir müssen die Unterschiede zwischen ihren Genomen und dem unseren erst noch im Detail verstehen – vielleicht lernen wir dann auch irgendwann, Teile unseres Körpers bei Bedarf zu regenerieren, indem wir einige der Manager von außen managen.

Durch geschicktes Management kann man mit demselben Satz von Genen sehr unterschiedliche Lebewesen bauen. Aber nicht alle Neuerungen sind durch neue Verbindungen zwischen altbekannten Bauteilen zu erreichen – manchmal muss die Gengesellschaft auch neue Mitglieder rekrutieren. Wie sie dabei vorgeht, ist das Thema des nächsten Kapitels.

NACHAHMUNG, DIEBSTAHL UND DER URSPRUNG ALLER ERFINDUNG

»Originalität ist nichts weiter als verständige Nachahmung.«

Voltaire

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelten sich dort, wo später der Staat Israel entstehen würde, zwei verschiedene kollektive Gesellschaftsformen: Kibbuz und Moschaw. Stellen wir uns zwei junge Frauen vor – nennen wir sie Ada und Eva –, von denen die eine in einem Kibbuz aufwuchs, die andere in einem Moschaw. Welche Berufswege standen ihnen offen?

Es gab Hunderte Kibbuzim, in denen das kollektive Leben als eine Art utopischer Sozialismus organisiert war. Ada wäre gemeinsam mit den anderen Kindern des Kibbuz aufgewachsen, getrennt von ihren Eltern. Die Familien des Kibbuz teilten alle Ressourcen, die ganze Gemeinschaft besaß ein einziges Bankkonto. Im Erwachsenenalter würde auch Ada im Kibbuz bleiben und einen ihrer Spielkameraden heiraten – wie es von ihr erwartet wurde. Sie würde ihre Arbeitskraft in den Dienst einer der Hauptunternehmungen des Kibbuz stellen, etwa einer Diamantschleiferei oder einer Fabrik für Tropfbewässerungsanlagen. Mit jeder Generation schwoll die Zahl der Kibbuzmitglieder weiter an, und neue Arbeitsstellen mussten geschaffen werden.

Dafür wurde oft eine bestehende Aufgabe in mehrere spezialisierte Stellen aufgespalten. Wenn Adas Mutter zwei verwandte Aufgaben in der Fabrik des Kibbuz ausgeführt hätte, wären diese womöglich unter ihren Töchtern aufgeteilt worden – etwa das Polieren der geschliffenen Diamanten und deren Qualitätskontrolle. Ada würde sich also auf die Qualitätskontrolle der fertigen Diamanten spezialisieren, ihre Schwester auf das Polieren. Diese Spezialisierung würde es Ada und ihrer Schwester erlauben, auf ihrem jeweiligen Spezialgebiet ein höheres Niveau zu erreichen, als das ihrer Mutter je möglich war.

Eva, die in einem Moschaw aufwuchs, hätte völlig andere Erfahrungen gemacht. Ein Moschaw ist eine genossenschaftlich organisierte bäuerliche Gemeinschaft. Die Höfe haben eine einheitliche Größe, und jede Familie produziert dort ein festes landwirtschaftliches Produkt. Ziel ist die Selbstständigkeit der Gemeinschaft. Damit die Höfe als Ganzes erhalten bleiben, erbt nur jeweils ein Kind den kompletten Hof; es muss dann in die Fußstapfen der Eltern treten und Landwirt werden. Die Geschwister dagegen gehen leer aus und erben kein Land.

Nehmen wir an, Eva wuchs in einer Familie auf, die sich auf die Herstellung von Ziegenkäse spezialisiert hatte. Den Hof erbte ihre ältere Schwester, sodass Eva sich nach einem alternativen Berufsweg umsehen musste. So könnte sie ihre Erfahrung in der Käseherstellung nutzen, um in ein anderes Dorf – vielleicht einen anderen Moschaw – zu ziehen, das noch keine Käserei besaß. In einem solchen Transfer hätten beide Seiten profitiert: Ziegenkäse für den Moschaw, eine gesicherte Zukunft für Eva.

Auge um Auge

Die Lebenswege der beiden fiktiven Mädchen aus dem Kibbuz und dem Moschaw sind repräsentativ für die verschiedenen Strategien, mit denen sich zusätzliche Mitglieder einer Gesellschaft nützlich machen können: entweder durch Spezialisierung oder durch die Übertragung ihres Könnens auf eine andere Gesellschaft. Auch in der Gengesellschaft sind das die beiden wichtigsten Wege, über die sich neue Gene in bereits vorhandene Gesellschaften integrieren.

Betrachten wir zum Beispiel, wie unsere tierischen Vorfahren vor vielen Millionen Jahren lernten, die Welt in Farbe anstatt in Schwarz-Weiß zu sehen. Unser Farbsehen beruht auf Signalen von nur drei verschiedenen Arten von Lichtrezeptoren in unseren Augen. Jeder davon ist auf einen begrenzten Bereich von Farben (das heißt Wellenlängen) abgestimmt: jeweils ein Typ für Rot, Grün und Blau. Die Rezeptoren sind Eiweiße, und der Bauplan jedes Typs wird von einem eigenen Gen beschrieben. Wenn Licht auf unsere Augen trifft, dann regt es diese drei Typen von Rezeptoren mehr oder weniger an, je nachdem, welche Wellenlängen im Licht enthalten sind. Unser Gehirn verarbeitet die drei Farbsignale dann zu einer einheitlichen Farbwahrnehmung, die uns Millionen von Farben unterscheiden lässt.

Um zu verstehen, wie dieses System mit drei Rezeptortypen in der Evolution entstanden ist, betrachten wir zunächst einen parallelen Vorfall aus unserer jüngsten Vergangenheit: die Erfindung des Farbfernsehens. Dieser Schritt war für unsere Wahrnehmung von virtuellen Realitäten ähnlich dramatisch wie die Evolution des Farbsehens für unsere Wahrnehmung der Wirklichkeit – zu Zeiten des Schwarz-Weiß-Fernsehens glaubten viele Menschen, auch ihre Träume liefen in Schwarz-Weiß ab.

Wie schwierig war es, Farben auf einem Fernsehschirm darzustellen, nachdem man bereits wusste, wie man schwarz-weiße Bilder zeigt? Wie auch alle anderen technischen Darstellungen von Farben arbeiten Farbfernseher mit einem Trick, der die Bauart unserer Augen ausnutzt. Weil wir nur drei Arten von Farbrezeptoren haben, braucht der Fernseher auch nur drei verschiedene Signale darzustellen – eines für jeden unserer Rezeptoren. Violettes Licht beispielsweise liegt im Spektrum zwischen Rot und Blau und regt deshalb unsere beiden Rezeptoren für diese Farben gleichzeitig an – unser Gehirn rechnet die entsprechenden Signale der Rot- und Blaurezeptoren in »Violett« um. Um Licht darzustellen, das für unsere Augen violett aussieht, muss der Fernseher also nur die richtige Menge von rotem und blauem Licht gleichzeitig ausstrahlen. Um den ersten Farbfernseher zu bauen, verdreifachten seine Erfinder das existierende System für die Lichtprojektion eines Schwarz-Weiß-Fernsehers und gaben jedem Teilsystem eine eigene Farbe: Rot, Grün und Blau. Die Geburt des Farbfernsehens beruhte also auf dem Kopieren von Teilen eines Schwarz-Weiß-Fernsehers, wobei die Kopien durch kleine »Mutationen« auf bestimmte Wellenlängen spezialisiert wurden (Abb. 8.1, links).

Abb. 8.1: Das linke Schema zeigt, wie Farbfernseher (und Farbbildschirme und Farbdrucker) arbeiten: Jedes Pixel hat drei Punkte, in Rot, Grün und Blau; unser Gehirn setzt daraus dann ein farbiges Bild zusammen. Rechts sind die Aminosäure-Ketten der drei Opsin-Eiweiße, die in unseren Augen als Lichtrezeptoren für die drei verschiedenen Grundfarben arbeiten. Die grauen Punkte zeigen Veränderungen einzelner Aminosäuren in der Evolution vom blauen zum grünen Rezeptor; die schwarzen Punkte zeigen weitere Veränderungen vom grünen zum roten Rezeptor.

Unser Farbsehen wurde in der Gengesellschaft auf ganz ähnliche Weise entwickelt. Einfarbiges Sehen (»schwarz-weiß«) durch einen einzigen Typ von Lichtrezeptor existierte bereits in unseren fernen tierischen Vorfahren. Dieser Lichtrezeptor (ein sogenanntes Opsin) wurde später mehrfach kopiert und dann leicht verändert – das Endresultat sind die drei Farbrezeptoren, die wir heute in unserer Gengesellschaft finden. Dass Farbsehen auf diese Art entstanden ist, sehen wir an der starken Ähnlichkeit zwischen den Buchstabenfolgen der drei Farbrezeptor-Gene. Eine so große Ähnlichkeit kann kaum zufällig entstanden sein und ist ein starkes Indiz für die Abstammung der drei Gene von einem gemeinsamen Vorläufergen (Abb. 8.1, rechts).

Die Verdopplung von Genen ist eine spezielle Art von Mutation. Solche Mutationen passieren häufig dann, wenn unsere DNA vor einer Zellteilung kopiert wird. Dabei kann die für das Kopieren zuständige Polymerase auf der DNA »ausrutschen« und versehentlich einen Bereich erneut lesen, den sie eigentlich schon kopiert hatte. Eine zweite häufige Ursache für das Duplizieren von DNA-Abschnitten sind Unfälle bei der Rekombination – der Mischung der Chromosomen von Mutter und Vater, bevor wir unsere eigenen Eizellen oder Spermien produzieren (Kapitel 3). Wenn sich ein Abschnitt eines Chromosoms versehentlich am falschen Abschnitt des Schwesterchromosoms ausrichtet, wird alles zwischen den beiden Abschnitten vom einen Chromosom gelöscht, während es im anderen dann doppelt vorhanden ist.

In der Urgeschichte der Lichtrezeptoren hatten unsere fernen Vorfahren nur ein einziges Gen dafür. Nacheinander gab es vier Duplikationen von Lichtrezeptor-Genen. Das Ergebnis waren schließlich fünf Lichtrezeptoren, verteilt über das Genom. Eines der fünf ist ein sogenanntes Stäbchen-Opsin, das zwar keine Farben unterscheiden kann, dafür aber sehr lichtempfindlich ist. Deshalb sehen nachts alle Katzen grau aus, weil nur die farbenblinden Stäbchen-Opsine empfindlich genug sind, sie überhaupt wahrzunehmen. Wenn unsere Augen nur diese Stäbchen-Opsine besäßen, würde niemand auf die Idee kommen, Farbfernseher zu produzieren, denn wir könnten dann eh keinen Unterschied zu einem Schwarz-Weiß-Bild erkennen. Die anderen Lichtrezeptoren (die Zapfen-Opsine) aber erlauben die Unterscheidung von Farben. Mit jeder zusätzlichen Kopie eines Opsin-Gens und seiner Abwandlung durch Mutationen wurde der Farbsinn unserer Vorfahren weiter verfeinert.

Die ersten Säugetiere, die zur Zeit der Dinosaurier lebten, waren Nachttiere, vielleicht, weil sie sich im Dunkeln besser vor fleischfressenden Dinosauriern verstecken konnten (die selbst vermutlich – wie ihre nächsten noch lebenden Verwandten, die Vögel – vier Farbrezeptoren hatten). Farbensehen funktioniert aber nur bei viel Licht; die Augen der ersten Säuger hatten deshalb wenig Verwendung für Farbrezeptoren. Wenn eine zufällige Mutation einen solchen Farbrezeptor außer Gefecht setzte, wurde das nicht mehr durch natürliche Auslese bestraft, und so verloren unsere fernen Vorfahren zwei ihrer ursprünglich vier Farbrezeptoren. Auch heute noch sehen die meisten Säugetiere eine Welt, die viel ärmer an Farben ist als die unsere. Außer natürlich, man ist farbenblind: In diesem Fall enthält das Genom nur zwei Farbrezeptoren, genau wie das der meisten Säugetiere.

Die gemeinsamen Vorfahren von uns und von einigen anderen Affenarten waren tagsüber aktiv, und für sie war ein verbessertes Farbensehen wieder vorteilhaft. Durch eine weitere zufällige Mutation wurde eines der beiden verbliebenen Farbrezeptor-Gene erneut verdoppelt. Natürliche Auslese sorgte für die Ausbreitung dieser Mutation in der Gengesellschaft, sodass unsere Vorfahren zumindest wieder drei Grundfarben unterscheiden konnten. Ein größerer Farbenreichtum der wahrgenommenen Welt wird ihnen dabei geholfen haben, reife Früchte (oder auch Feinde) zu entdecken. Aber das hatte auch noch einen interessanten Nebeneffekt. Es ist vermutlich kein Zufall, dass wir Menschen, genau wie andere Menschenaffen mit drei Farbrezeptoren, einen großen Teil unserer Gesichtsbehaarung verloren haben: Dadurch können wir subtile Veränderungen in der Durchblutung der Gesichter unserer Rivalen oder Partner wahrnehmen.

Durch die Verdopplung eines Gens im Genom wird ein grundlegendes Problem bei der Einführung von Neuerungen gelöst. Stellen wir uns vor, dass durch Mutationen einzelne Buchstaben in einem Gen so verändert werden, dass das Gen eine neue und nützliche Arbeit ausführen kann. Vor der Mutation hatte das Gen aber vermutlich auch schon eine wichtige Aufgabe (sonst wäre es recht schnell aus der Gengesellschaft herausgefallen). Wer soll jetzt also diese alte Aufgabe ausführen? Es ist sehr unwahrscheinlich, dass das mutierte Gen dazu noch uneingeschränkt in der Lage ist. Wenn aber das Gen verdoppelt wurde, bevor die Mutationen passierten, dann kann ein Exemplar weiter die althergebrachte Arbeit ausführen, während das zweite Exemplar sich auf etwas Neues spezialisiert. Der japanische Biologe Susumu Ohno war der Erste, der die Bedeutung dieser Einsicht erkannte: »Natürliche Auslese verändert nur; Redundanz dagegen erschafft Neues.« Nach Ohnos Ansicht entstehen fast alle Neuerungen in der Gengesellschaft durch die Verdopplung eines existierenden Gens. Die natürliche Auslese sorgt dann dafür, dass ein Exemplar die ursprüngliche Funktion beibehält, während das andere Gen alle Freiheiten der Welt hat, etwas Neues zu entwickeln – und wenn das durch zufällige Mutationen passiert, wird auch diese neue Funktion von der natürlichen Auslese gefördert.

Wenn sie exakt dieselben Wellenlängen von Licht erkennen würden, dann würden zwei Exemplare eines ursprünglichen Lichtrezeptor-Gens in der Gengesellschaft nicht lange überleben. Eine zufällige Mutation, die eines der beiden Gene zerstört, wird von der natürlichen Auslese nicht bestraft, weil dieselbe Arbeit ja immer noch vom anderen Gen ausgeführt wird. Wenn die beiden sich allerdings jeweils auf eine andere Wellenlänge spezialisieren und ihre Besitzer mit dieser Kombination ein reicheres Farbspektrum wahrnehmen, dann haben sich beide Kopien damit ihren Platz in der Gengesellschaft verdient.

Betrachten wir zum Vergleich eine Kauffrau mit zwei Töchtern in einem Kibbuz. Eine der Töchter folgt in die Fußstapfen ihrer Mutter, sie tauscht Briefe und E-Mails mit den existierenden Kunden des Kibbuz aus und schreibt potenzielle neue Kunden an. Die zweite Tochter hat dadurch die Freiheit, neue Möglichkeiten auszutesten. Nach einiger Zeit des Rumprobierens gestaltet sie einen Online-Shop und eröffnet den Produkten des Kibbuz dadurch neue Verkaufskanäle.

Ein gerade erst kopiertes Gen ist typischerweise fast identisch mit seinem Vorbild und arbeitet deshalb sehr ähnlich. Aber im Laufe der Zeit können sich Genduplikate stark verändern und völlig andere Aufgaben übernehmen. Augen etwa bestehen nicht nur aus Lichtrezeptoren. Genau wie eine Kamera eine Linse benötigt, die die Lichtstrahlen auf ihren Lichtsensor fokussiert, muss auch das Licht im Auge durch eine Linse auf unsere Rezeptoren gelenkt werden. Die Augenlinsen von Tieren werden aus einer dicht gepackten Lösung von durchsichtigen Eiweißen gebildet, den sogenannten Crystallinen. Deren Aufgabe ist schlicht, den Innenraum der Linse mit einer glasartigen, durchsichtigen Masse auszufüllen. Anhand ihrer DNA-Buchstabenfolge kann man viele Crystalline problemlos als Kopien von Genen des Stoffwechsels erkennen. Ein Crystallin in unserem Auge etwa ist die Kopie eines Gens für den Abbau von Alkohol.

Manchmal machen sich Tiere aber noch nicht einmal die Mühe, ein Gen, das sie als Crystallin verwenden möchten, zu verdoppeln. 10 Prozent der Crystalline in den Augen von Enten arbeiten nebenher anderswo im Körper am Abbau von Milchsäure, die als Folge von starker Muskelbeanspruchung gebildet wird. Diese Form des Zweiterwerbs ist bei Enzymen nicht ungewöhnlich – viele von ihnen haben Nebenjobs, in denen sie häufig ähnlichen, manchmal aber auch völlig anderen Tätigkeiten nachgehen als bei ihrer Hauptbeschäftigung (Kapitel 5). Diese Flexibilität von Eiweißen erlaubt der Evolution, sich langsam an eine neue Funktion heranzutasten. Wenn eine Aufgabe erledigt werden muss, dann kann zunächst jedes Eiweiß dafür herhalten, das zufällig wenigstens rudimentäre Fähigkeiten dafür mitbringt. Die natürliche Auslese kann dann zufällige Mutationen (oder auch schon existierende Unterschiede zwischen Allelen) nutzen, um die Aktivität und den Bauplan des Gens für die zusätzliche Aufgabe zu optimieren.

Oft führen zwei gleichzeitige Funktionen eines einzigen Gens aber zu Zielkonflikten – die Arbeit des Gens ist dann für beide Aufgaben nur ein Kompromiss, ähnlich wie man nur schwerlich einen Handwerker findet, der gleichermaßen gut Geigen und Schiffe baut. Wenn nun aber eine zufällige Mutation zur Verdopplung des Gens führt, dann kann die natürliche Auslese die Gelegenheit beim Schopf ergreifen. Sie teilt die Aufgaben auf die beiden Kopien auf, die sich dann als Spezialisten ihren Platz in der Gengesellschaft sichern können.

Wir können nicht nur Millionen Farben unterscheiden, sondern auch Millionen Gerüche. Jeder Geruch ist eine bestimmte Kombination von in der Luft schwebenden Molekülen. Beruht unser Geruchssinn auf einem ähnlichen Prinzip wie unsere Farbwahrnehmung? Um die Vielfalt der Farbenwelt zu sehen, brauchen wir nicht mehr als drei Lichtdetektoren, aus deren Signalen unser Gehirn dann die Position des Lichtes im durchgehenden Spektrum der Wellenlängen berechnet. Aber die Geruchsmoleküle sind alle eigenständig – da gibt es kein zusammenhängendes Spektrum, ihre Vielfalt lässt sich unmöglich mit nur einer Handvoll Detektoren erfassen. Aber immerhin reichen ein paar Hundert Geruchsdetektoren aus, um Millionen von Gerüchen zu unterscheiden. Jeder einzelne Geruchsstoff aktiviert eine charakteristische Kombination von Geruchsrezeptoren in unserer Nase. Wie beim Farbsehen besitzt unser Gehirn einen speziellen Bereich, der die Signale der Rezeptoren empfängt und sie zu einer Wahrnehmung zusammensetzt.

Im Prinzip könnte jeder von uns eine riesige Vielfalt an Geruchsrezeptoren aus einem kleinen Satz von Einzelteilen im Genom zusammenpuzzeln, ähnlich wie die Mix-Max-Strategie, mit der unser Immunsystem Millionen von Detektoren für Eindringlinge aus einer Handvoll vorgefertigter Bauteile zusammensetzt (Kapitel 2). Für den Geruchssinn hat die Evolution jedoch einen einfacheren Weg eingeschlagen: Unser Genom benutzt für jeden Rezeptor ein eigenes Gen.

Einer unserer sehr frühen tierischen Vorfahren hatte einen allerersten Geruchsrezeptor, der nur einen einzigen Typ von Molekülen erkennen konnte. Durch einen genetischen Unfall wurde dieses Gen verdoppelt, wodurch es nun zwei, zunächst identische Geruchsrezeptoren gab. Eines der beiden Gene wurde von einer zufälligen Mutation getroffen. Das entsprechende Eiweiß wurde dadurch ein wenig verformt und fing nun andere Moleküle ein. Die Erben dieser neuen Kombination von zwei Geruchsrezeptoren konnten möglicherweise besser als andere zwischen gesunder und gefährlicher Nahrung unterscheiden – und die natürliche Auslese nahm ihren Lauf.

Dieser Vorgang muss sich in der Evolutionsgeschichte der Tiere wieder und wieder zugetragen haben, bis die Nachkommen des einen ursprünglichen Gens zu dem vollen Geruchsdetektor-Arsenal angeschwollen war, das heute unser Genom bevölkert. Die Geschichte unseres Geruchssinns ähnelt einem Kibbuz, der mit einer Handvoll Bewohnern begann, die alle Arbeiten in der Fabrik unter sich aufteilten. Mit der Ausdehnung der Familien wurden die Aufgaben immer weiter unterteilt, und der Kibbuz entwickelte sich schließlich zu einer kompletten Gesellschaft mit einer stetig wachsenden Spannbreite verschiedener Spezialisten.

Bei einer Volkszählung in unserem Genom würden wir feststellen, dass volle 5 Prozent unserer Gene Geruchsrezeptoren sind. Bezogen auf die Größe der Arbeiterschaft ist die Erkennung von Gerüchen damit die größte Branche der Gengesellschaft – Geruchsrezeptoren bilden die größte Genfamilie im menschlichen Genom. Allerdings: Von den etwa tausend Genen dieser Familie sind zwei Drittel defekt! Diese toten Gene (sogenannte Pseudogene) haben Mutationen, die jede nützliche Arbeit unmöglich machen.

Warum liegt in unserem Genom ein Friedhof für tote Geruchsrezeptoren? Warum sind sie überhaupt gestorben? Wenn eine Mutation die Funktion eines Gens lahmlegt, dann steht dem so entstandenen Allel in der Regel eine düstere Zukunft bevor. Es verschwindet aus der Gengesellschaft, weil die mit seiner Hilfe gebauten Überlebensmaschinen nicht sonderlich erfolgreich sind. Diese »negative« Auslese ist die Kehrseite der »positiven« (oder »Darwinistischen«) Auslese, die wir bisher hauptsächlich betrachtet haben und die hilfreiche Mutationen auf dem Weg zur Popularität unterstützt.

Mit dem Aufstieg des dritten Farbrezeptors in der Gengesellschaft unserer Affenahnen wurden Gerüche vermutlich immer unwichtiger zur Orientierung in der Welt. Eine lähmende Mutation in einem der Geruchsrezeptoren wäre für ein Tier, das stark auf seinen Geruchssinn angewiesen ist, vielleicht ein Problem, aber für eine Frau, die sich überwiegend auf ihre Augen verlässt, hätte eine winzige Verschlechterung ihres Geruchssinnes keine merklichen Konsequenzen. Die Hälfte ihrer Kinder würde das defekte Gen erben, ohne es zu merken – im Laufe der Zeit könnte das praktisch tote Allel bis zur Dominanz in der Gengesellschaft driften und sein gesundes Geschwisterallel verdrängen. Im Laufe der Jahrhunderttausende haben viele Geruchsrezeptor-Gene auf diese Art das Zeitliche gesegnet. Viele liegen derzeit noch im Sterben oder kämpfen ums Überleben. Von einem bestimmten Rezeptor-Gen haben oft die einen Menschen ein totes, manche andere noch ein funktionsfähiges Allel. Welche Variante am Schluss übrig bleiben wird, ist häufig eine Frage des Zufalls.

Hunde besitzen nur zwei verschiedene Farbrezeptoren und sehen Farben so ähnlich wie farbenblinde Menschen. Diese schwächere Wahrnehmung von Farben gleichen Hunde durch ihre verblüffende Fähigkeit, Gerüche wahrzunehmen und zu unterscheiden, mehr als aus. Hunde besitzen nicht sehr viel mehr Geruchsrezeptoren als wir – aber fast alle davon sind noch quicklebendig.

Das bleibt in der Familie

In allen komplexen Gengesellschaften ist das Kopieren von Genen die Regel, nicht die Ausnahme. Unser Genom enthält zwar auch Gene, die nicht verdoppelt worden sind, aber diese sind klar in der Minderheit: Die allermeisten unserer Gene gehören zu größeren oder kleineren Genfamilien. Die Familie unserer Geruchsrezeptoren ist die größte im Genom, während die Familie der Farbrezeptoren mit ihren drei Mitgliedern eine der kleinsten ist. Doch was ist überhaupt eine Familie?

Zusammen mit den Großeltern bildet unsere eigene Kleinfamilie eine größere Familie; mit den Cousinen dritten Grades oder sogar noch weiter entfernten Verwandten wird daraus eine Großfamilie. Ganz ähnlich ist das in der Gengesellschaft. Die Geruchsrezeptoren bilden eine gigantische Kernfamilie, die wiederum Teil einer noch größeren Familie ist, in der viele ihrer Gen-Cousins mit der Kommunikation zwischen unseren Zellen beschäftigt sind. Sie alle stammen vom selben »Großmutter-Gen« ab, das die Familie vor langer Zeit gründete (Abb. 8.2).

Abb. 8.2: Der Stammbaum einer Genfamilie. Die Punkte sind Gene, die Linien zeigen ihre Verwandtschaften. Die Gene gehören alle zur selben Großfamilie, aber es ist gar nicht leicht, zu entscheiden, auf wie viele Kleinfamilien sich die Verwandtschaft aufteilt – eine, vier, elf?

Uralte Genkopien sind oft durch so viele Mutationen unkenntlich gemacht, dass wir sie nicht mehr als Familienmitglieder erkennen, wie ja auch die meisten Menschen ihren Stammbaum nur einige Generationen zurückverfolgen können. Wenn wir das zu Ende denken, dann könnten tatsächlich fast alle unsere Gene Mitglieder einiger weniger riesiger Familien sein, einschließlich der Gene, die uns jetzt als Einzelgänger erscheinen. Vielleicht können wir irgendwann ihre Herkunft in eine Zeit zurückverfolgen, als es nur eine Handvoll Gene gab.

Verdopplungen passieren auf allen Ebenen. Mutationen können einige wenige DNA-Buchstaben verdoppeln und dadurch ein Gen verlängern. Sie können einen kompletten Chromosomenabschnitt verdoppeln und dabei mehrere Gene kopieren. Fehler bei der Zellteilung können sogar dafür sorgen, dass von einem ganzen Chromosom zusätzliche Exemplare entstehen. Die Mutter aller Vervielfältigungen in der Gengesellschaft aber wäre die Verdopplung des kompletten Genoms, mit der gleichzeitig die komplette Gengesellschaft verdoppelt würde. Die zelluläre Maschinerie ist darauf spezialisiert, mit zwei Sätzen passender Chromosomen umzugehen, nicht mit vier, und deshalb ist die Überlebenswahrscheinlichkeit eines Embryos mit einer so drastischen Genomvergrößerung äußerst gering. Selbst wenn ein dupliziertes Genom erfolgreich ein Individuum bauen und kontrollieren könnte, könnte dieses Geschöpf nie gemeinsam mit »normalen« Partnern fruchtbare Kinder haben: Die Nachkommen würden die Hälfte der Genome beider Eltern erben und hätten von jedem Chromosom drei Exemplare. Wenn ihre Zeit käme, Eizellen oder Spermien zu produzieren, könnten sie diesen dreifachen Chromosomensatz nicht halbieren. Aufgrund dieser beträchtlichen Hindernisse sind komplette Genomverdopplungen extrem selten. Aber von Zeit zu Zeit passieren sie trotzdem, und dann können sie sogar ausgesprochen erfolgreich sein. Der Vorläufer unserer eigenen Gengesellschaft wurde auf diese Art nicht nur einmal, sondern mindestens zweimal schlagartig vergrößert. Aber all das geschah schon vor etwa vierhundert Millionen Jahren, noch bevor unsere ozeanischen Vorfahren auf die folgenschwere Idee verfielen, an Land zu gehen.

Diese Genomverdopplungen hinterließen beträchtliche Spuren. Ein markantes Beispiel ist die Hox-Familie aus Kapitel 7, die oberste Führungsebene der Konstruktionsabteilung in unserem Genom. Hox-Gene setzen die Baupläne von Tierkörpern um, indem sie andere Gene im Embryo ein- und ausschalten. Fadenwürmer und Fruchtfliegen besitzen nur eine einzige Gruppe von Hox-Genen (wobei sich diese Gruppe bei Fliegen allerdings auf zwei kleinere Teilgruppen verteilt). Unser eigenes Genom dagegen hat vier solcher Gruppen, jede auf einem anderen Chromosom – genau das, was man nach zwei Runden der Genomverdopplung erwarten würde. Mit einer vervierfachten Riege von Bauplan-Managern konnten die entsprechenden Gengesellschaften kompliziertere Körper bauen, und tatsächlich haben viele Wirbeltiere vergleichsweise komplexe Strukturen. Betrachten wir zum Beispiel unsere Daumen. Alle anderen Finger aktivieren drei Gene aus einer der Hox-Gruppen, aber diese drei sind in unseren Daumen nicht aktiv. Deshalb haben die Daumen eine andere Form als unsere anderen Finger.

Genomverdopplungen sind nicht auf unsere eigene Geschichte beschränkt. Es gab zum Beispiel auch etliche davon bei Pflanzen, bei Pilzen und bei Fischen. Genomverdopplungen sind gigantische Sprünge, die Gengesellschaften ab und zu durchrütteln und die Darwins Idee der schrittchenweisen Evolution eindrucksvoll widersprechen. In der Tat scheinen langsame Veränderungen für die meiste Evolution in der Gengesellschaft verantwortlich zu sein, aber die extrem seltenen Genomverdopplungen werfen jedes Mal sehr viel wieder durcheinander.

Was bewirkt eine Genomverdopplung in der Gengesellschaft? In der Betrachtung der Gene als Gesellschaft entspricht jedes Gen einer Branche, in der die verschiedenen Allele miteinander konkurrieren. Wenn ein Gen verdoppelt wird, dann wird eine ganze Branche kopiert. Eine komplette Genomverdopplung ist dann eine Situation, in der auf einen Schlag alle Branchen zweimal da sind. In dieser Situation sind viele – vielleicht sogar die allermeisten – zusätzlichen Gene überflüssig. Das ist, als ob es jeweils zwei vollständige (und durch ihre Tätigkeit nicht voneinander unterscheidbare) Branchen fürs Backen, fürs Reparieren von Autos und für den Verkauf von Büchern gäbe. Viele verdoppelte Branchen werden sich in der Gengesellschaft nicht lange halten können, weil zufällige Mutationen, die eines der beiden Gene zerstören, von der natürlichen Auslese nicht bestraft werden.

Die einzige Überlebenschance für eine zusätzliche Genkopie liegt in ihrer Spezialisierung, so wie sich die Backbranche in zwei unterschiedliche Geschäftszweige aufspalten könnte, die sich jeweils auf das Backen von Brot und von Kuchen spezialisieren. Eine zusätzliche Genkopie hat eine Art Probezeit, in der sie sich eine eigene nützliche Aufgabe suchen kann. Findet sie diese rechtzeitig, wird sie ab dann von der natürlichen Auslese vor Zerstörung geschützt; findet sie keine, ist sie dem Untergang geweiht.

Hämoglobin ist ein gutes Beispiel dafür, wie Genduplikate sich durch Spezialisierung nützlich machen können. Es ist eine Eiweißgruppe in unseren roten Blutkörperchen, die Sauerstoff zu den Öfen der Zellen transportiert. Jede unserer Hämoglobin-Gruppen setzt sich aus Alpha-Globinen und Beta-Globinen zusammen, zwei Eiweiße, deren Baupläne sich in unterschiedlichen Genen finden. Die beiden sind ein gut eingespieltes Team von Spezialisten. Sie ähneln einander aber so stark, dass sie offensichtlich Kopien eines ursprünglichen, vermutlich alleine arbeitenden Hämoglobin-Gens sind. Unser Genom beinhaltet noch weitere Exemplare solcher Hämoglobin-Gene, jedes mit etwas anderen Eigenschaften und spezialisiert auf bestimmte Situationen. Eines davon, Gamma-Globin, benutzen wir derzeit überhaupt nicht. Diese Variante war nur in unserer Zeit als Fötus aktiv, beginnend etwa sechs Wochen nach der ersten Versammlung des vollständigen Genoms in der befruchteten Eizelle. Ab der Geburt wurde der Sauerstofftransport dann hauptsächlich von Alpha- und Beta-Globin übernommen. Das fötale Hämoglobin bindet den Sauerstoff viel stärker als das Erwachsenen-Hämoglobin und kann dadurch besser den Sauerstoff aus den Blutgefäßen der Mutter abziehen (Abb. 8.3).

Abb. 8.3: Das meiste Hämoglobin von Erwachsenen besteht aus zwei Alpha-Globinen (schwarz) und zwei Beta-Globinen (hellgrau). Das fötale Hämoglobin verwendet statt der Beta-Globine Gamma-Globine (dunkelgrau). Der Stammbaum links zeigt die Verwandtschaftsbeziehungen zwischen den drei Globin-Genen: Durch die Verdopplung eines Ahnen der Globin-Gene (oben) entstanden zwei spezialisierte Globine, Alpha- und Beta-Globin (Mitte). Das Beta-Globin-Gen wurde später erneut verdoppelt, sodass ein zusätzliches Gamma-Globin entstand, das sich auf die Umgebung in der Gebärmutter spezialisierte.

Die Legosteine der Gengesellschaft

Viele Kinder sind sich mit ihren Eltern einig, dass Lego das beste Spielzeug aller Zeiten ist. Heutzutage bestehen Lego-Bausätze typischerweise aus maßgeschneiderten Bausteinen für den Bau eines bestimmten Objektes, etwa eines Abschleppwagens oder eines Todessterns. Die ursprüngliche Idee hinter Lego war jedoch sehr viel einfacher und bahnbrechender. Durch die Form der rechteckigen Bauklötze konnte man mit genügend vielen Legosteinen Modelle für fast alles bauen, was man sich vorstellen konnte. Viele Gene sind nach einem ähnlich effizienten Baukastenprinzip aufgebaut. Sie sind aus »standardisierten« Abschnitten zusammengesetzt, die wir Domänen nennen. Domänen sind einfache Genbausteine, die immer wieder kopiert wurden und sich deshalb an vielen Stellen der Gengesellschaft wiederfinden.

Nehmen wir zum Beispiel die Manager des Genoms. In Kapitel 7 haben wir Transkriptionsfaktoren kennengelernt, Eiweiße, die sich an die molekularen Schalter in der DNA anderer Gene heften und so bestimmen, wann und wo diese ein- und ausgeschaltet werden. Das FOXP2-Gen, das Menschen für ihre Sprache und Singvögel für ihre Lieder brauchen, hat zwei solcher Domänen. Eine davon ist eine »geflügelte Spiralregion«, benannt nach der schmetterlingsartigen Form des entsprechenden Eiweißabschnittes. Die Schmetterlingsflügel haben genau die richtige Form, damit sich ein passender DNA-Abschnitt (der molekulare Schalter eines Gens) dazwischenschmiegen kann. Der zweite Bauklotz von FOXP2 ist eine »Reißverschluss-Domäne«, mit deren Hilfe sich jeweils zwei FOXP2-Eiweiße aneinanderheften (Abb. 8.4).

Abb. 8.4: Das FOXP2-Gen und seine Reißverschluss- und Geflügelte-Spiralregion-Domänen. Das obere Diagramm zeigt schematisch die Position der Domänen (graue Blöcke) in der Buchstabenfolge des Gens. Darunter sind cartoonhaft zwei FOXP2-Eiweiße dargestellt, die durch ihre Reißverschluss-Domänen miteinander verbunden sind und sich mit ihren geflügelten Spiralregionen an ein passendes Stück DNA, einen von FOXP2 kontrollierten molekularen Schalter (die dünne, hellgraue Spirale), heften.

In der Gengesellschaft existieren mehrere Tausend Legostein-Domänen, und typischerweise führt jede davon eine bestimmte Funktion aus. Über 80 Prozent unserer Gene sind aus mindestens zwei Domänen zusammengesetzt. Die jeweilige Kombination der Domänen macht das dadurch beschriebene Eiweiß zu einer spezialisierten molekularen Maschine. Durch neue Domänen-Kombinationen kann man eine fast unbegrenzte Vielfalt neuer Gene erzeugen, ähnlich, wie unser Immunsystem eine gigantische Anzahl verschiedener Antikörper herstellt, indem es die »Variablen«, »Diversen« und »Joining«-Regionen des Genoms immer wieder neu kombiniert (das V(D)J-Mix-Max-System aus Kapitel 2). Ein wesentlicher Unterschied zwischen diesem Vorgang beim V(D)J-System des Immunsystems und dem Domänen-System des Genoms ist aber die Zeitskala, auf der die Umgruppierungen ablaufen: Im Immunsystem passiert das routinemäßig jeden Tag, bei den Gen-Domänen dagegen handelt es sich um sehr seltene genomische Unfälle, Mutationen, die Teile von Genen kopieren und neu zusammenbringen. Immer wenn wir zwei ansonsten sehr verschiedene Gene finden, die eine Domäne desselben Typs beinhalten, dann wurde mindestens eines der beiden durch das zufällige Mischen von Teilen anderer Gene zusammengefügt. Wirkliche Neuerungen in der Gengesellschaft entstehen daher häufig nicht durch das Verdoppeln kompletter Gene (wobei die spezielle Domänen-Kombination und damit die generelle Funktionalität ja erhalten bleibt), sondern durch die Neuanordnung von Teilen existierender Gene.

Das Import/Export-Gewerbe

Für Jäger wie für Gejagte ist das Fliegen enorm nützlich – von der Fähigkeit dazu könnten auch Menschen enorm profitieren. Warum hat unsere Gengesellschaft also nicht einfach irgendwann die dafür nötigen Gene von Vögeln kopiert?

Erstens ist es natürlich höchst unwahrscheinlich, dass ein menschenartiges Wesen mit einer Handvoll Vogelgenen tatsächlich fliegen könnte. Außerdem könnten Menschen Gene von anderen Lebewesen nur in ihre eigene Gengesellschaft eingliedern, wenn sie diese irgendwie in die Genome von Spermien oder Eizellen bekämen. Diese Zellen aber liegen geschützt tief im Körper, dort, wo fremde DNA nicht hingelangt (im Gegensatz etwa zu unserer Haut und zu unserem Darm). Selbst wenn es einem fremden Stück DNA gelingen sollte, in Zellen der Keimbahn zu gelangen, würde es daran scheitern, an die Chromosomen heranzukommen, die geschützt im Zellkern liegen. Diese Barrieren sind vermutlich das Ergebnis eines Zielkonflikts: Einerseits ist die Eingliederung nützlicher Gene von anderen Lebewesen verlockend, andererseits wären die meisten DNA-Stücke, die sich um die Eingliederung in unser Genom bewerben würden, eher schädlich als nützlich.

Diese Beschränkung der Gen-Übertragung zwischen verschiedenen Arten gilt für alle Tiere und Pflanzen. Aber für Bakterien sieht die Geschichte ganz anders aus. DNA kann auf verschiedene Weise in Bakterienzellen gelangen. Bakterien können zum Beispiel Stückchen toter Kollegen als Nahrung aufnehmen, oder Viren können versehentlich DNA-Abschnitte ihres letzten Opfers zu ihrem nächsten Opfer mitbringen. Bakterien besitzen keine spezialisierte Keimbahn mit Spermien oder Eizellen, sie bestehen selbst nur aus einer einzigen Zelle, die immer weiter wächst und sich teilt. Und das Genom von Bakterien schwimmt frei in der Zelle, sodass auch hier keine zusätzliche Barriere besteht.

Ein zweiter Unterschied zwischen Bakterien und Tieren ist womöglich noch bedeutsamer: Bakterien haben viel weniger zu verlieren. Ein Bakterium kann genau wie ein Tier dabei draufgehen, wenn es etwas so Wagemutiges tut, wie die DNA eines völlig Fremden in ihr Genom einzubauen. Aber Bakterien bestehen nur aus einer einzigen Zelle, und sie treten üblicherweise in Massen auf. In der direkten Nachbarschaft der waghalsigen Zelle sind höchstwahrscheinlich Millionen geklonte Schwesterzellen mit exakt denselben Allelen. Der Verlust einer einzelnen Zelle fällt da kaum ins Gewicht – dieselben Allele leben ja in den Schwestern weiter. Auf der anderen Seite gibt es aber auch seltene Fälle, in denen die neugewonnene DNA einen unerwarteten Vorteil bringt. Wenn das passiert, dann können die Nachfahren der risikofreudigen Zelle sich ausbreiten und die komplette Population übernehmen.

In Kapitel 4 hatten wir gesehen, dass auch Bakterien neue Gene nur dann durch »normale« Rekombination in ihr Genom einbauen können, wenn sie von Mitgliedern derselben Art stammen. Zwar ist es in der Tat sehr viel schwerer, DNA von fremden Arten einzubauen. Aber wenn Bakterien nur oft genug Gelegenheit dazu haben, dann passiert es irgendwann auch.

Die Fähigkeit, Fremde in die Gengesellschaft aufzunehmen, verleiht der Evolution von Bakterien eine enorme Flexibilität. Wenn sich ein Bakterium in einer ungewohnten Umgebung wiederfindet, dann begegnet es dort vermutlich anderen Bakterien, die schon länger dort leben. Die Neuankömmlinge können ihre eigene Anpassung enorm beschleunigen, indem sie DNA der alteingesessenen und bereits gut angepassten Bewohner aufnehmen. Im Grundsatz ist das genau dasselbe wie die Aufnahme von Neandertaler-Genen für das Immunsystem durch frisch im Mittleren Osten eingetroffene moderne Menschen – nur dass für die Aufnahme von Neandertaler-Genen Sex nötig war, sodass unsere Vorfahren Gene nur innerhalb derselben Art austauschen konnten.

Bakterien übernehmen von ihren Kollegen keine Eiweiße, sondern DNA. Das kann man als eine Form des intellektuellen Diebstahls betrachten. Doch wer profitiert wirklich davon, wenn ein Bakterium eine Neuerung »importiert« – etwa Widerstandsfähigkeit gegen ein Antibiotikum – und dann diese Neuerung anderen Bakterien als »Export« zur Verfügung stellt? Das neue Gen erhöht die Überlebenswahrscheinlichkeit seiner Träger, also nutzt die Neuerung natürlich jedem, der die Idee kopiert. Aber der wahre Nutznießer ist das neue Gen selbst. Es bleibt nicht auf die Gengesellschaft beschränkt, in der es geboren wurde. Dadurch, dass Bakterien regelmäßig DNA austauschen, kann sich ein neues Gen über viele Gengesellschaften ausbreiten.

Die Weitergabe von Genen für Antibiotika-Resistenz zwischen Bakterien beobachtet man regelmäßig. Etliche Antibiotika haben ihre Wirkung gegen zahlreiche unserer bakteriellen Feinde schon verloren; das gilt auch für Penicillin, das erste entdeckte Antibiotikum. Sobald ein Bakterium herausfindet, wie man der tödlichen Wirkung des Mittels entgehen kann, kopieren andere Arten diesen Trick. Die Entdeckung von Antibiotika war ein gigantischer Sprung für die Verteidigung der Menschheit gegen krankmachende Bakterien, aber sie ist nur eine einzelne Episode in der langen und komplizierten Beziehung zwischen Tieren und Bakterien, nicht das Ende dieser Beziehung. Wir haben die Wissenschaft auf unserer Seite – die krankmachenden Bakterien, die ihre Verteidigungsstrategien untereinander austauschen, finden dagegen Stärke in ihrer Zahl und ihrer Einigkeit.

Unser Darm bildet eine fast ideale Umgebung für den Austausch von Antibiotika-Resistenzen zwischen Bakterien. Dort lebt eine ausgesprochen vielseitige Gemeinschaft von etwa hundert Billionen Bakterien, Vertreter aus Hunderten verschiedenen Arten. Viele davon bilden Biofilme, Schichten eng miteinander verbundener Bakterien. Der enge Kontakt zwischen den Zellen macht die Übertragung von DNA noch einfacher. Weit mehr als 90 Prozent aller Menschen in Industrieländern haben in ihrem Darm bereits antibiotikaresistente Bakterien. Unsere Darmbewohner bilden damit ein Sammelbecken für Resistenzgene, die sie an durchreisende Bakterien weitergeben.

Und natürlich ist der intellektuelle Diebstahl zwischen Bakterien nicht auf Antibiotikaresistenz beschränkt. Generell werden Gene weitergegeben, die für die Schnittstelle der Bakterien zu ihrer Umgebung gebraucht werden. Diese Gene sind häufig für den Transport oder die Verarbeitung von Nährstoffen zuständig: Wenn ein Bakterium beispielsweise eine neue Nahrungsquelle erschließen will, dann muss es diese Nahrung erst einmal in die Zelle hineinbekommen und dann zerlegen. Intellektueller Diebstahl ist offensichtlich der schnellste Weg, an die entsprechenden Gene zu gelangen – die Bakterien der Nachbarschaft wissen bereits, wie man die nötigen Transporter und Enzyme baut. Würden wir die Genome der Kolibakterien in unserem Darm untersuchen, dann würden wir feststellen, dass sie innerhalb der letzten hundert Millionen Jahre ein volles Drittel ihrer Transporter-Gene von anderen Bakterien kopiert haben.

Den intellektuellen Diebstahl von Genen nennt man horizontalen Gentransfer (im Gegensatz zum vertikalen Gentransfer, der Übertragung von Mutterzellen an Tochterzellen). Horizontaler Gentransfer ist ein weit effizienteres System zur Verdopplung von Genen als das, welches unsere eigene Gengesellschaft verwendet. Wenn dasselbe Gen sich in den Genomen zweier Bakterien befindet, die sich an unterschiedliche Umgebungen anpassen, dann können sich die beiden Exemplare unter dem Einfluss der natürlichen Auslese spezialisieren. Wenn ein späterer horizontaler Gentransfer sie wieder in einem Genom zusammenbringt, dann entspricht das der Verdopplung des entsprechenden Gens – nur, dass die neue Kopie bereits anders spezialisiert ist und dafür nicht erst auf zufällige Mutationen warten muss.

Allgemein kann man den horizontalen Transfer eines Gens als Gen-Verdopplung nicht in einem Genom, sondern in einem kompletten Ökosystem von Bakterien betrachten. Menschliche Gene treffen stets nur auf Gene aus ihrer eigenen Gengesellschaft. Bakterielle Gengesellschaften können dagegen – zumindest im Prinzip – neue Gene aus einem universellen Gen-Fundus beziehen, der von allen Bakterien geteilt wird. Trotzdem treffen Bakterien natürlich selten auf Kollegen, die in völlig anderen Umgebungen leben, und sie profitieren eher von neuen Genen, die ihre Nützlichkeit in ihrer eigenen Umgebung und in ähnlichen Bakterienarten schon unter Beweis gestellt haben.

Diese Art intellektuellen Diebstahls entspricht der Situation einer wachsenden Familie in einem israelischen Moschaw, in der die Geschwister der Hoferbin in andere Moschaws ausschwärmen. Aus der Sicht der anderen Moschaws ist diese Übertragung von Kompetenz ein klarer Gewinn: Sie eröffnet neue Wege des Wachstums.

Das Anfertigen von Kopien und intellektueller Diebstahl sind mit Abstand die wichtigsten Wege, auf denen neue Mitglieder in die Gengesellschaft gelangen können. Wenn ein komplettes Genom verdoppelt wird, entstehen völlig neue Gesellschaftsstrukturen, und es eröffnen sich neue Wege für zukünftige Entwicklungen. Das Gegenstück dazu – der intellektuelle Diebstahl eines kompletten Genoms – ist noch sehr viel seltener, hat dafür aber auch noch deutlich eindrucksvollere Folgen.

EINE SCHATTENEXISTENZ

»In Einigkeit liegt Stärke.«

Äsop

Denken Sie an etwas, das Sie besonders gut können. Sie haben vermutlich eine ziemlich klare Vorstellung davon, was Sie darin so gut macht. Aber vielleicht liegt der wahre Grund auch ganz woanders?

So jedenfalls erging es Jim Bodman, dem Vorstand der Vienna Beef Ltd. in Chicago, wie er in der Radiosendung »This American Life« erzählte. Jim kannte das Geheimnis des perfekten Hotdog-Würstchens. Davon war er jedenfalls überzeugt, denn er kannte schließlich das Originalrezept der österreichisch-ungarischen Firmengründer, er wusste genau Bescheid über die Herkunft und die Dosierung der Gewürze, über die Temperatur der Öfen und des Wassers. Und vor allem waren die Hotdogs seiner Firma ein Renner! Aber in Wahrheit hatte er keine Ahnung. Das musste er zu seinem Entsetzen feststellen, als die Produktion in neue, hochmoderne Fabrikationshallen am nördlichen Stadtrand von Chicago umzog. Die Würstchen aus der neuen Fabrik hatten einfach nicht mehr den gleichen Biss. Sogar die Farbe war falsch. Ein ganzes Jahr lang suchte Bodmans Team mit Hochdruck nach dem Grund – ohne Erfolg.

In der alten Fabrik hatte ein Typ namens Irving gearbeitet. Jeder mochte Irving, aber der wollte den Umzug auf das neue Fabrikgelände nicht mitmachen. Irvings Job war es gewesen, die ungekochten Würstchen vom Gefrierraum in die Räucherkammer zu bringen. In der neuen Fabrik dauerte diese Reise von den Kühlkammern zur Räucherkammer Sekunden. Die alte Fabrik aber war im Laufe vieler Jahrzehnte immer wieder ziemlich planlos erweitert worden, und sie war alles andere als optimal für die anfallenden Aufgaben konstruiert. Deshalb musste Irving seinerzeit auf dem Weg in die Räucherkammer jedes Mal mit den halb gefrorenen Würstchen eine halbstündige Odyssee auf sich nehmen, durch ein Labyrinth von Gängen und vorbei an den Kesseln, in denen Corned Beef gekocht wurde.

Diese Reise gab einerseits Irving eine Aufgabe, hatte aber andererseits auch den ungeplanten Nebeneffekt, die Würstchen vor dem Räuchern gemächlich anzuwärmen. Irvings Reise war die geheime Zutat von Jim Bodmans Hotdog-Würstchen. Nachdem Jim und seinem Team das aufgegangen war, bauten sie einen neuen Raum, der Irvings verschlungenen Pfad durch die alte Fabrik simulierte. Mit Erfolg: Endlich waren die Hotdog-Würstchen wieder so wie früher. In all den Jahren in der alten Fabrik hatte es also einen entscheidenden Verfahrensschritt in der Würstchenproduktion gegeben, von dem niemand wusste.

In diesem Buch haben wir durchgehend behauptet, dass unser Genom unseren Körper und unser Leben beherrscht, von Krankheiten bis zum Sex. Aber genau wie in Jim Bodmans Würstchenfabrik gibt es in jeder unserer Zellen eine entscheidende, aber verborgene Zutat – eine Art von Information, die jenseits dessen liegt, was unsere sechsundvierzig Chromosomen erklären können. Wir beginnen mit der Beobachtung, dass eine Zelle auf zwei fundamental unterschiedlichen Wegen durchs Leben gehen kann: als Teil einer eng verbundenen Gemeinschaft oder als Einzelgänger. Die Bakterienzellen in unserem Darm etwa leben und sterben als einsame Zellen. Zwar sind sie Teil einer losen Gemeinschaft, sie kooperieren oder streiten mit ihren Nachbarn, aber ihre Schicksale sind nicht untrennbar miteinander verbunden. Unsere eigenen Zellen dagegen sind Teil eines gigantischen Unternehmens, in dem jede Zelle auf die Hilfe der anderen angewiesen ist: Nur die Summe unserer Zellen hat eine Chance zum Überleben und darf sich als Individuum betrachten.

Genau wie wir sind alle Tiere Zusammenballungen von kooperierenden Zellen, wobei jede der Partnerzellen eine Kopie des Plans für die Arbeitsteilung im Gesamtunternehmen besitzt. Die Organisation dieser Zusammenarbeit kann Billionen von Zellen umfassen und eine erstaunliche Vielfalt von Formen annehmen: Es gibt Schwämme und Quallen, Schnecken und Würmer, Fliegen und Seesterne, Frösche und Vögel, um nur ein paar Beispiele zu nennen. Ähnlich organisiert sind auch Pflanzen und viele Pilze: Auch sie sind nichts anderes als Zusammenballungen von aufeinander angewiesenen Zellen. Andererseits gibt es zwar unzählige Arten von Bakterien, aber keine dieser Bakterien rotten sich je zusammen, um etwas so Großes und Kompliziertes wie ein Tier oder eine Pflanze zu bauen. Warum nicht? Was hält sie davon ab?

Ein Grund ist die Größe von Bakterien. Vielzellige Lebewesen sind nicht nur deshalb größer, weil sie aus vielen Zellen bestehen, sondern auch deswegen, weil jede einzelne von ihnen größer ist als die Zellen von Bakterien. Und nicht nur ein bisschen größer. In eine unserer Zellen könnte man tausend Zellen von Kolibakterien hineinquetschen. Unsere Zellen sind unter anderem deswegen größer, weil jede von ihnen die komplette Bauanleitung für einen Menschen enthält (Abb. 9.1), und auch unser Genom ist etwa tausendmal größer als das eines Bakteriums. Viele Funktionen in unserem Körper erfordern größere Zellen. Beispielsweise arbeitet unser Gehirn nach Prinzipien, die man mit Bauteilen der Größe und Form von Bakterienzellen nicht umsetzen könnte. Das Gleiche gilt für die Zellen unserer Muskeln, unseres Blutes und unseres Immunsystems: Auch deren Größe ist für ihre Arbeit entscheidend.

Bakterien bauen nicht deshalb keine größeren Zellen, weil sie keine Lust dazu hätten – sie können sich das schlicht nicht leisten! Ein Bakterium wäre nicht in der Lage, genug Energie für eine Zelle von den Ausmaßen einer tierischen Zelle aufzubringen. Warum nicht? Etwas Bedeutendes verbirgt sich in den Schatten unserer Zellen, etwas, das weit mehr erklärt als nur deren Größe. Wir haben Ihnen bisher erzählt, dass das Genom aus sechsundvierzig Chromosomen besteht. Das war gelogen. Wir haben Evolution als einen Vorgang beschrieben, der nur von Mutationen im Genom vorangetrieben wird, aber auch das war nicht die ganze Wahrheit. Die Wirklichkeit ist sehr viel interessanter. Den Kern dieses Rätsels bildet ein urzeitlicher Unternehmenszusammenschluss.

Abb. 9.1: Die Zellen von Tieren (links) sind sehr viel größer als die von Bakterien (rechts). Entsprechend mehr Energie wird für ihren Betrieb benötigt.

Die Geburt eines Reiches

Um zu verstehen, wie die komplizierten Baupläne von Tieren und Menschen entstehen konnten, müssen wir weit in die Vergangenheit zurückschauen. Sehr weit. In Anlehnung an Darwin haben wir argumentiert, dass alles Leben Teil eines großen Familienstammbaums ist. Wie wichtig Darwin diese Idee war, sieht man daran, dass er die Evolution in Form eines Baumes zur einzigen Abbildung in seinem Hauptwerk Über die Entstehung der Arten machte (Abb. 9.2). Darwin schrieb dazu (zitiert nach Julius Victor Carus’ Übersetzung von 1884): »Wie Knospen durch Wachsthum neue Knospen hervorbringen und, wie auch diese wieder, wenn sie kräftig sind, sich nach allen Seiten ausbreiten und viele schwächere Zweige überwachsen, so ist es, wie ich glaube, durch Zeugung mit dem grossen Baume des Lebens ergangen, der mit seinen todten und abgebrochenen Ästen die Erdrinde erfüllt, und mit seinen herrlichen und sich noch immer weiter theilenden Verzweigungen ihre Oberfläche bekleidet.«

Abb. 9.2: Dieser Stammbaum ist ein Ausschnitt aus der einzigen Abbildung in Darwins Hauptwerk Über die Entstehung der Arten. »A« bezeichnet die Wurzel des Stammbaums – eine Art, die der Vorfahr aller anderen Organismen in diesem Baum ist. Jede waagerechte Linie stellt den Ablauf von 10 000 Generationen dar. Zu jedem Zeitpunkt können die Organismen in jeder Linie neue Unterarten hervorbringen, von denen die meisten aber nicht lange überleben. Ganz oben sind die übrig gebliebenen Varianten, die heute noch leben und die im Laufe der Zeit zu unabhängigen Arten wurden.

Seit der Veröffentlichung von Darwins Buch im Jahr 1859 hat die Idee, die Geschichte allen Lebens auf einen einzigen Stammbaum einzudampfen, unzählige Wissenschaftler fasziniert. Durch das 18. und 19. Jahrhundert hindurch wurde der Baum des Lebens immer wieder revidiert. Die Anordnung seiner oberflächlichen Zweige ebenso wie die seiner großen Äste muss immer noch regelmäßig aktualisiert werden, wenn neue Erkenntnisse über Verwandtschaftsverhältnisse auftauchen. Zum Verständnis der tiefsten Verzweigungen in diesem Stammbaum trug 1925 Édouard Chatton bei, ein Forscher des Institut Pasteur in Paris. Er stellte fest, dass es zwei grundlegend verschiedene Arten von Zellen gibt: diejenigen mit einem Zellkern – einem speziellen Raum im Inneren der Zelle, der das Genom beherbergt – und diejenigen ohne Zellkern. Lebewesen mit Zellkernen nannte er Eukaryoten, »die mit einem wahren Kern« (aus dem griechischen eu für »richtig« und káryon für »Kern«). Alle Lebewesen, die aus vielen Zellen zusammengesetzt sind – Tiere, Pflanzen, Pilze –, sind Eukaryoten. Bakterien dagegen bilden nicht nur keine komplizierten Lebewesen, sie haben auch keinen Zellkern: Ihr Genom schwimmt frei im Inneren der Zelle. Weil man diese Zellen als primitivere, ursprünglichere Lebensformen ansah, nannte man sie Prokaryoten – diejenigen, die vor (»pro«) den Eukaryoten schon da waren.

Chatton vermutete, dass die Anwesenheit eines Zellkerns eine tiefe Spaltung im evolutionären Stammbaum belegte. Auf der einen Seite eine lange Reihe von Eukaryoten, die den Zellkern von Generation zu Generation weitergaben, auf der anderen Seite Bakterien ohne Zellkern. Aber vielleicht hatten ja auch verschiedene Arten von Lebewesen unabhängig voneinander solche speziellen Räume für ihr Genom erfunden. Um diese ältesten Verwandtschaftsverhältnisse zu klären, mussten Beweise für oder gegen Chattons Vermutung her. Um sie zu bestätigen, musste man zeigen, dass alle Eukaryoten näher miteinander verwandt sind als mit irgendwelchen Bakterien und dass das Gleiche umgekehrt für die Bakterien gilt. Aber wie soll man das anstellen? Wie macht man einen Familienstammbaum für Wesen, die so verschieden sind wie Menschen, Blumen und Bakterien?

In den ersten hundert Jahren nach Erscheinen von Darwins Buch wurden evolutionäre Stammbäume anhand von sichtbaren Merkmalen erstellt. Um einen Stammbaum für die Verwandtschaftsverhältnisse von Vogelarten zu zeichnen, konnte man die Länge, Form und Farbe ihrer Schnäbel vermessen. Wissenschaftliche Auseinandersetzungen tobten über die richtige Interpretation solcher Merkmale – je nachdem, wie man die einzelnen Unterschiede gewichtete, konnte man zu völlig verschiedenen Stammbäumen gelangen. Ohne objektive Kriterien konnten diese Meinungsverschiedenheiten kaum beigelegt werden.

Das änderte sich, als wir lernten, die Buchstabenfolgen in der DNA abzulesen. In Kapitel 4 haben wir einen Stammbaum für eine einzelne menschliche Familie erstellt, angefangen bei den Großeltern oder Urgroßeltern und endend bei der jüngsten Generation. Der Anwendungsbereich der dafür benutzten Methode ist noch sehr viel größer als die Erweiterung auf alle Menschen, die wir in Kapitel 4 diskutiert haben. Wir können damit genauso gut auch einen Stammbaum für alles Leben auf der Erde erstellen. Dafür muss man sich natürlich auf Gene konzentrieren, die so grundlegend für das Funktionieren einer Gengesellschaft sind, dass jedes Lebewesen ein Exemplar davon hat. Für jedes dieser Gene zählen wir die Unterschiede zwischen seinen Exemplaren in verschiedenen Arten. Veränderungen im Genom sammeln sich im Laufe der Jahrmillionen schrittchenweise an. Je ähnlicher sich zwei Buchstabenfolgen sind, desto näher verwandt sind folglich ihre Träger. Die Anzahl an Unterschieden in einem Gen ist deshalb ein grobes Maß für die Zeit, die vergangen ist, seitdem zwei Arten zuletzt einen gemeinsamen Vorfahren hatten. Manchmal kann man die Anzahl der Unterschiede sogar mit dem Alter von Fossilien der Vorfahren vergleichen, um diese »molekulare Uhr« zu eichen.

Ein Gen, das alle Lebewesen besitzen, enthält den Bauplan für ein Molekül namens 16S ribosomale RNA. Es bildet einen zentralen Bestandteil des Ribosoms, das Aminosäuren zu Eiweißen zusammenfügt. In den späten 1970er-Jahren bauten Carl Woese und George Fox anhand der Buchstabenfolgen dieses Gens den ersten umfassenden Baum des Lebens zusammen. Das Ergebnis war eine Riesenüberraschung. Anstatt der zwei von Chatton vorhergesagten Gruppen – Eukaryoten und Prokaryoten – fanden Woese und Fox drei! Eine Gruppe von Bakterien, zu denen auch unser Freund E. coli gehört, war im Stammbaum klar von uns Eukaryoten abgegrenzt. Völlig unerwartet war die Existenz einer zweiten Gruppe von Bakterien, deren Ast sich gemeinsam mit den Eukaryoten von der Wurzel abspaltete (Abb. 9.3). Nach Maßgabe dieses Stammbaumes waren die beiden Gruppen von Bakterien so verschieden voneinander wie ein Mensch von einem Kolibakterium. Die offensichtlich näher mit uns verwandten Bakterien wurden Archaebakterien (oder Archaeen) genannt, die Gruppe mit dem Kolibakterium nannten Woese und Fox Eubakterien (»die wahren Bakterien«). Allein durch den Vergleich der Buchstaben eines einzigen Gens hatten Woese und Fox eine neue Domäne des Lebens entdeckt, ein komplett neues Königreich der Biologie.

Abb. 9.3: Der Baum des Lebens von Woese und Fox beruhte auf dem Vergleich von 16S RNA-Genen. Die älteste Aufspaltung in diesem Stammbaum ist die zwischen Eubakterien auf der einen Seite und Archaebakterien sowie Eukaryoten auf der anderen.

Wer sind diese Archaebakterien? Vor der Entdeckung von Woese und Fox hielt man ihre Vertreter für nichts Besonderes – sie unterschieden sich auf keine offensichtliche Weise von »normalen« Bakterien. Aber ein näherer Blick auf ihre Genome zeigte, dass sich ihre Gengesellschaften von denen der Eubakterien massiv unterschieden. Viele Gene kommen nur in der einen oder der anderen Gruppe vor. Zum Bau ihrer Zellwände zum Beispiel benutzen Archaebakterien und Eubakterien völlig unterschiedliche Gene. Archaebakterien lieben die Extreme. Sie fühlen sich in einigen der härtesten Umgebungen auf der Erde zu Hause, sie leben in extrem heißen Quellen, in säurehaltigen Gewässern, im Verdauungstrakt von Kühen oder auf dem Grund der Ozeane. Man hat sogar Archaebakterien gefunden, die Partys auf Benzin feiern.

In Woeses und Fox’ Baum des Lebens zweigen wir Eukaryoten vom Ast der Archaebakterien ab. Das sieht so aus, als hätte sich eine Linie von frühen Archaebakterien von den anderen abgespalten und nach und nach all die merkwürdigen Eigenschaften entwickelt, die wir in Eukaryoten finden – angefangen beim Zellkern und endend bei riesigen Überlebensmaschinen aus Billionen von Zellen.

Ist das wirklich so passiert? Woese und Fox bauten ihre komplette Weltsicht auf der Betrachtung eines einzigen Gens auf. Was, wenn sie stattdessen mit einem anderen Gen begonnen hätten, das fast in allen Lebewesen vorkommt, etwa mit dem Gen für das Aufspalten von Alkohol? Unsere Version dieses Gens ähnelt viel mehr der eubakteriellen Variante als der von Archaebakterien – das genaue Gegenteil dessen, was Woese und Fox für das 16S-RNA-Gen gefunden hatten. Wenn wir nach dem Baum des Lebens gehen, der anhand des Alkoholverarbeitungsgens erstellt wurde, dann stammen wir Eukaryoten von den Eubakterien ab, nicht von den Archaebakterien. Welcher der beiden Bäume ist denn nun richtig?

Beide! Und das ist das wirklich Interessante an dieser Geschichte. Jeder der Bäume beschreibt korrekt die Evolutionsgeschichte des jeweiligen Gens, aber keiner davon gibt die Evolutionsgeschichte unserer vollständigen Gengesellschaft wieder. In Kapitel 8 haben wir gesehen, dass durch horizontalen Gentransfer einzelne Gene von einer bakteriellen Gengesellschaft zu einer anderen wechseln können. Jedes dieser Gene bringt seine eigene Geschichte mit. Und die ist natürlich nicht repräsentativ für seine neue Gesellschaft. Uneinigkeit zwischen Genen in Bezug auf Verwandtschaftsverhältnisse kann also einfach dadurch entstehen, dass jedes Gen einen Teil seiner Geschichte in unterschiedlichen Gesellschaften verbracht hat.

Kurz darauf entdeckte man etwas noch Überraschenderes.

Wenn du sie nicht besiegen kannst, schließ dich ihnen an

Um zu verstehen, warum der Baum des Lebens völlig anders ausgefallen wäre, wenn Woese und Fox statt der 16S RNA das Alkoholverarbeitungsgen untersucht hätten, müssen wir zunächst noch einmal einen Schritt zurückgehen. Zellen, die so groß sind wie die unseren, verursachen enorme Kosten. In Zellen herrscht großes Gedränge, sie sind vollgestopft mit molekularen Maschinen, mit deren Rohmaterialien und Produkten. Größere Zellen enthalten entsprechend mehr davon. Der Betrieb all dessen benötigt Energie, und der Energieverbrauch von Zellen verschiedener Größe wächst deshalb im Verhältnis zu ihrem Inhalt. Wo kommt diese Energie her?

Bakterienzellen sind von einer Wand aus langen Zuckermolekülen umgeben, die mit Eiweißen vernetzt sind. Eine Membran trennt diese äußere Zellwand vom Inneren der Zelle. Um die Energiewährung der Zelle herzustellen – ein Molekül namens ATP –, pumpen Bakterien Protonen (Wasserstoffatomkerne)aus dem Inneren der Zelle in den Raum zwischen der äußeren Zellwand und der inneren Membran. Für das Pumpen benutzen sie Energie aus der Verbrennung von Zucker oder aus Sonnenlicht. Protonen sind positiv elektrisch geladen. Die zwischen der Membran und der Zellwand gesammelten Protonen stoßen sich deswegen gegenseitig ab. Das erzeugt einen Druck, der die Protonen zurück in die Zelle treibt. Der Zwischenraum am Rand der Zelle erfüllt damit denselben Zweck wie ein Mühlteich: So wie das bergab fließende Wasser ein Mühlrad antreibt, so treibt der Rückfluss der Protonen spezielle Eiweiße an, die nun ihrerseits ATP-Moleküle mit Energie aufladen.

Eubakterien und Archaebakterien besitzen nur eine einzige Membran: die Zellmembran, die das Zellinnere von der Zellwand trennt. Die Energiemenge, die ein Bakterium pro Minute erzeugen kann, wächst deshalb im Verhältnis zur Bakterienoberfläche, und genau hier liegt auch das Problem. Oberflächen wachsen langsamer als Inhalte: Eine Zelle mit dem doppelten Durchmesser hat zwar viermal so viel Oberfläche, aber achtmal so viel Inhalt. Das macht man sich am einfachsten anhand eines Würfels klar: Wenn wir jede Kante verdoppeln, dann werden die zweidimensionalen Flächen des Würfels 2 × 2-mal größer, aber das dreidimensionale Volumen wird gleichzeitig 2 × 2 × 2-mal größer. Der Energiebedarf einer Zelle, der vom Inhalt abhängt, wächst deshalb viel schneller als die Energieproduktion, die von der Oberfläche bestimmt wird. Für einen Organismus der Größe eines Bakteriums ist das in Ordnung, aber ab einer bestimmten Größe – weit unterhalb der Ausmaße unserer menschlichen Zellen – könnten Eubakterien und Archaebakterien ihren eigenen Energiebedarf auf diese Weise nicht mehr decken.

Wie haben unsere fernen Vorfahren dieses Problem gelöst? Wieso können wir Zellen betreiben, die groß genug sind, um damit Gehirne und Muskeln zu bauen? Dieselben Prinzipien, die die Energieproduktion von Bakterien beherrschen, gelten auch für uns: Der Energiebedarf jeder unserer Zellen muss von einer Membran gedeckt werden, die größer ist als ihre Oberfläche. Diese »fehlende« Oberfläche ist der Wurstfabrik-Irving des vielzelligen Lebens.

Der entscheidende Unterschied zwischen einem Bakterium und uns ist, dass wir nicht unsere äußeren Zellmembranen für die Deckung unseres Energiebedarfs nutzen. Stattdessen verwenden unsere Zellen die Oberfläche von speziellen Strukturen innerhalb der Zellen, den sogenannten Mitochondrien. Mitochondrien sind die Kraftwerke aller Eukaryoten, spezialisierte Werkstätten innerhalb der Zellen, und jede Zelle besitzt gleich eine ganze Menge davon.

Unsere sechsundvierzig Chromosomen bestimmen den Bau und den Betrieb von allen Strukturen innerhalb unserer Zellen. Aber die Mitochondrien bestimmen sie nur zum Teil. Jedes Mitochondrium verbirgt in seinem Inneren nämlich sein eigenes kleines Genom. Dieses Genom unterscheidet sich schon vom Aufbau her von unseren anderen Chromosomen, die im Zellkern aufbewahrt werden: Es ist kreisförmig, genau wie die Genome von Bakterien.

Wie konnte die Evolution eine solche Struktur hervorbringen, die zumindest teilweise unabhängig vom Rest der Zelle ist? Lynn Margulis schlug 1970 eine gewagte Theorie vor: Mitochondrien sollen vor langer Zeit eigenständige Eubakterien gewesen sein. Ein früher Eukaryot verschluckte demnach irgendwann ein Eubakterium, und anstatt es zu verdauen, erlaubte er ihm, in seinem Inneren weiterzuleben. Von da an lebten die Nachfahren des eukaryotischen Wirtes und des eubakteriellen Gastes in glücklicher Symbiose zusammen (Abb. 9.4).

Abb. 9.4: Nach Lynn Margulis’ Theorie verschluckte ein früher Eukaryot ein Eubakterium. Anstatt es zu verdauen, nahm er es als Untermieter auf. Das Eubakterium lebte also weiter und vermehrte sich. Im Laufe der Zeit wurde daraus das Mitochondrium. Martin und Müller fanden später heraus, dass der Vermieter ein Archaebakterium war – der Ursprung von uns Eukaryoten war die Verschmelzung zweier grundsätzlich verschiedener Bakterien.

Zu Anfang wollte niemand dieser abwegigen Theorie Glauben schenken. Aber als man sich die Buchstabenfolgen von mehr und mehr Genomen ansah, wurden die Beweise immer erdrückender. Der überzeugendste Nachweis war die Entdeckung, dass die Gene auf dem eigenen Genom des Mitochondriums stark denen von bestimmten Eubakterien ähneln. Im Stammbaum des Lebens sitzen die Mitochondrien-Gene deshalb nicht bei den anderen Eukaryoten-Genen, sondern gesellen sich zu denen der Eubakterien.

Fast zwanzig Jahre später kamen Bill Martin, der an der Universität Düsseldorf forscht, und Miklós Müller mit einer neuen Interpretation von Lynn Margulis’ Theorie. Wie Margulis nahmen die meisten Experten an, dass die Zelle, die das Mitochondrium ursprünglich aufgenommen hatte, bereits ein Eukaryot gewesen war, auch wenn es heutzutage keine Spuren solcher primitiven Eukaryoten mehr gibt. Martin und Müller dagegen legten dar, dass es sich dabei um ein Archaebakterium gehandelt haben musste. Demnach fand vor etwa zwei Milliarden Jahren dieses eine Archaebakterium eine geniale Lösung für das Energieproblem bei der Zellvergrößerung: Es verschluckte ein kleines Eubakterium und benutzte es als Energielieferanten.

Als das Archaebakterium das Eubakterium verschluckte, ohne es zu verdauen, war das vermutlich zunächst ein Unfall. Vielleicht war dieses Frühstadium der späteren symbiotischen Lebensgemeinschaft auch mehr wie die Beziehung zwischen einem Parasiten und seinem Opfer. Vielleicht war es das kleine Eubakterium, das einen sicheren Weg hinein in das komfortable Innere der Archaebakterienzelle fand, wo es reichlich Nahrung gab und wo es vor der rauen Außenwelt geschützt war. Oder vielleicht hatten die beiden Zelltypen vorher schon längere Zeit zusammengearbeitet und perfektionierten ihre Kooperation jetzt durch den Zusammenschluss. Egal, was die ursprünglichen Vorteile für jeden der beiden Partner waren, irgendwie überlebten die beiden gemeinsam und lernten, als Team erfolgreich zu sein. Das Eubakterium vervielfältigte sich im Inneren des Partners und stellte reichlich Energie zur Verfügung, während das Archaebakterium diese Energie womöglich benutzte, um damit neue Umgebungen zu besiedeln, in denen andere Bakterien nicht überleben konnten.

Auf den Seiten dieses Buches haben wir immer davon gesprochen, dass die natürliche Auslese sich für die verschiedenen Varianten – die Allele – eines Gens interessiert. Das war in gewisser Hinsicht eine starke Vereinfachung, die uns beim Sortieren unserer Gedanken helfen sollte: Unsere Sprache und unsere Gedanken müssen eine Welt von überwältigender Vielfalt und Komplexität auf weniger als eine Million Worte und auf eine begrenzte Zahl von Konzepten zusammendrängen.

Genauer gesagt ist das Ziel der natürlichen Auslese alles, was ihre drei Voraussetzungen erfüllt: Variation, Erblichkeit und Beeinflussung der Fitness. Am Anfang der Mitochondrien-Entstehung war das Ziel der natürlichen Auslese das ganze Eubakterium, das es sich in der Archaebakterienzelle gemütlich machte. Sobald die eine Zelle die andere geschluckt hatte, hatte die Gemeinschaft zwei komplette Genome. Betrachten wir das Archaebakterium als den Vermieter, das Eubakterium als den Untermieter. Schrittweise verlor der Untermieter alle Gene, für die er nach der Aufgabe seines freien Lebens keine Verwendung mehr hatte. Ab und zu wurden diese Gene von Mutationen beschädigt, so wie das allen Genen hin und wieder passiert. Aber während eine lähmende Mutation eines Gens, das für das Überleben der Zelle wichtig ist, zum Aussterben seiner Träger durch negative Auslese führt, interessierte sich niemand für den fortschreitenden Zerfall der jetzt überflüssigen Gene – ganz ähnlich wie auch die zunehmende Zerstörung unserer Geruchsdetektoren keinerlei merkliche Konsequenzen hat (Kapitel 8). Der Untermieter, der einst ein freies Eubakterium gewesen war, wurde schließlich völlig vom Vermieter abhängig – mit seinem geschrumpften Genom war er alleine nicht mehr lebensfähig. Viele Exemplare des Untermieters füllten das Innere des Vermieters aus, und wenn dieser sich teilte, dann verteilten sich die Untermieter auf die beiden neuen Zellen.

Das Ungleichgewicht zwischen Vermieter und Untermieter wurde immer größer. Wann immer ein Vermieter starb, bedeutete das auch das Ende seiner Untermieter. Aber wenn ein Untermieter starb, dann machten alle anderen einfach weiter, als wäre nichts passiert. Der tote Untermieter zerfiel, seine Überreste wurden von der zellulären Maschinerie verschlungen. Manchmal wurden dabei Teile des Genoms der Untermieterleiche versehentlich in das Genom des Vermieters eingefügt – genau so, wie das auch beim horizontalen Gentransfer zwischen Bakterien passiert (Kapitel 8). Dieser Abschnitt der DNA war dann in beiden Genomen vorhanden: in dem der Untermieter und in dem des Vermieters. Diese überflüssige Dopplung hielt nicht lange vor. Dasjenige der beiden Exemplare, das als Erstes durch Mutationen arbeitsunfähig wurde, ging wieder verloren. Wenn das Exemplar des Vermieters von einer lähmenden Mutation erwischt wurde, dann war das, als wäre die Übertragung in sein Genom nie passiert. Wenn aber an irgendeinem Punkt die Exemplare aller gegenwärtigen Untermieter solche Mutationen hatten, dann war damit die Umsiedlung eines Gens aus dem Genom der Untermieter in das Genom des Vermieters besiegelt. Diese Völkerwanderung von Genen ist eine Einbahnstraße: Während der Vermieter seine Gene für sich behält, geben die Untermieter Gen um Gen unwiderruflich an ihn ab und werden dabei kleiner und kleiner.

Jedes Mitochondrium hat sein eigenes Genom. Aber wegen dieses seit Jahrmilliarden laufenden Umsiedlungsprozesses von Genen sind die Genome von Mitochondrien recht karg geworden. Unsere eigenen Mitochondrien etwa besitzen lediglich siebenunddreißig Gene – ziemlich dürftig im Vergleich zu den 20 000 Genen, die man auf den Chromosomen im Zellkern findet. Siebenunddreißig Gene sind bei Weitem nicht genug, um eine so komplizierte Struktur wie ein Mitochondrium zu betreiben – das Mitochondrium ist ja beinahe eine eigenständige Zelle innerhalb der Zelle. Um ordentlich arbeiten zu können, ist jedes Mitochondrium auf über sechshundert verschiedene Eiweiße angewiesen. Fast alle davon sind inzwischen auf eines der sechsundvierzig Chromosomen im Zellkern ausgewandert, und die entsprechenden Eiweiße werden aus dem Hauptraum der Zelle zurück in die Mitochondrien importiert. In einigen unserer entfernten eukaryotischen Verwandten ist sogar schon das komplette Genom des Mitochondriums auf die anderen Chromosomen umgezogen.

Warum haben unsere Zellen überhaupt einen Kern? Hierfür haben Bill Martin und Eugene Koonin eine mögliche Antwort: Der Zellkern könnte als Reaktion auf die Ankunft der Mitochondrien entstanden sein. Die Wände des Zellkerns umschließen das Vermieter-Genom und schützen es damit vor dem Ansturm der DNA toter Untermieter. Dadurch verhindern sie die ständige Duplizierung von mitochondrialer DNA auf dem zentralen Genom. »Gute Zäune schaffen gute Nachbarn«, wie Robert Frost in seinem Gedicht Mending Wall schreibt.

Vor ihrem Zusammenschluss waren die beiden Zellen, aus denen später Vermieter und Untermieter wurden, möglicherweise Konkurrenten. In jedem Fall aber war ihre Verschmelzung für beide Seiten ein Glücksfall. Ihre Nachfahren konnten sich in die großartige Vielfalt der Formen vielzelligen Lebens entwickeln, die wir heute auf unserem Planeten finden.

Aber natürlich muss man nicht aufhören, nach möglichen Kooperationspartnern zu suchen, nur weil man schon einen hat. Wenn man von einer Erweiterung seines Geschäftsfeldes in eine Richtung profitieren würde, in der man keine Erfahrung hat, und wenn ein anderes Unternehmen das notwendige Know-how besitzt, dann kann man diese Firma aufkaufen und in das eigene Unternehmen integrieren. Genau das hat der Vorfahre aller Algen und Pflanzen gemacht. Ein früher Eukaryot verschluckte ein Cyanobakterium, das aus Sonnenlicht und CO_2 Zucker machen konnte. Bis zum heutigen Tag wird diese Aufgabe in Eukaryoten immer noch im daraus entstandenen zweiten Untermieter ausgeführt: in den Plastiden von Pflanzen und Algen.

Lang leben die Prokaryoten!

Für manche Biologen kommt es einem Tabubruch gleich, Eubakterien und Archaebakterien in einer Gruppe – den Prokaryoten – zusammenzufassen. Nach ihrer Ansicht sind diese beiden Gruppen nicht nur extrem entfernte Verwandte, vielmehr ist ihre Zusammenfassung unter Ausschluss der Eukaryoten so, als würden wir unsere Schwestern und Cousinen in eine Gruppe von Verwandten sortieren, uns selbst davon aber ausschließen. Nach Woeses und Fox’ Baum des Lebens sind Archaebakterien und Eukaryoten näher miteinander verwandt als jeder der beiden mit Eubakterien (sie sind »Schwestern«). Sie mit den Eubakterien zu gruppieren (ihren »Cousinen«) scheint dann in der Tat merkwürdig.

Diese Sichtweise übersieht jedoch eine wesentliche Tatsache: Die größte Spaltung des Lebens trennt die verschmolzenen Zellen (die Eukaryoten, einschließlich unserer selbst) von den unverschmolzenen Zellen (den Prokaryoten). Überspitzt gesagt gibt es normale Lebewesen, die Prokaryoten, die in zwei verschiedenen Geschmacksrichtungen (den Archaebakterien und den Eubakterien) vorkommen, und es gibt seltsame Mischwesen, die aus den beiden normalen Arten zusammengesetzt sind (die Eukaryoten; Abb. 9.5). Man muss anscheinend ein wenig sonderbar sein, um all die fantastischen Formen von Tieren, Pflanzen und Pilzen entwickeln zu können. Man braucht eine spezielle Art der Zusammenarbeit, eine intime Beziehung mit dem früheren Rivalen. Die Entwicklung dieser Beziehung, die Milliarden Jahre alte Grenzen hinwegwischte, war der entscheidende Schritt in der Evolution der Eukaryoten – das Geheimnis ihres (und somit auch unseres) Erfolgs.

Abb. 9.5: Vor etwa zwei Milliarden Jahren entstanden die Eukaryoten durch die Verschmelzung eines Eubakteriums mit einem Archaebakterium.

Die nächste Entwicklungsstufe erreicht man am einfachsten durch Kooperation, sei es in der zellulären Welt oder in der Politik. Als Abraham Lincoln 1860 die Nominierung für die Präsidentschaftswahl anstrebte, standen ihm drei prominente Rivalen gegenüber. Lincoln verdankte seinen Sieg der Tatsache, dass er für alle Wähler die beste zweite Wahl war. Als es Zeit war, das Kabinett zu besetzen, umringte Lincoln sich mit seinen früheren Rivalen, und deshalb bestand seine Regierung aus den fähigsten Männern seiner Zeit. Womöglich war dieses Team of Rivals (so der Titel des hervorragenden Lincoln-Buches von Doris Kearns Goodwin) die geheime Zutat für den Erfolg von Lincolns Präsidentschaft, genau wie ein solches Team den Kern des Erfolgs unseres eigenen Astes auf dem Baum des Lebens ausmacht.

Aber die Mitochondrien sind nicht die einzige Schattenexistenz in unserer Gengesellschaft. Es gibt eine weitere verborgene Welt, die seit Urzeiten unsere Gengesellschaft bevölkert. Nicht, weil irgendwer sie braucht – einfach nur, weil sie es kann.

DIE TRITTBRETTFAHRER DES LEBENS

»Nur die Toten haben das Ende des Krieges gesehen.«

George Santayana,
spanischer Philosoph

Schmarotzer und Trittbrettfahrer sind ein Teil jeder Gesellschaft. In »Seinfeld«, der erfolgreichsten amerikanischen Comedy-Serie aller Zeiten, nutzt Jerry Seinfelds Nachbar Kramer seine Freunde bei jeder sich bietenden Gelegenheit aus. In einer Folge jedoch verliert Jerry bei einem Unfall viel Blut, und ganz im Gegensatz zum sonst üblichen Muster zeigt Kramer sich großzügig, indem er Jerry durch eine Blutspende rettet. »Hey Kumpel, du hast drei Liter Kramer in dir!«, begrüßt Kramer Jerry, als der aus der Narkose aufwacht. Diese Nachricht allerdings hat auf Jerry nicht den gewünschten beruhigenden Effekt: »Ich kann sein Blut in mir spüren, wie es sich Dinge von meinem Blut borgt …«

Jedes Gen muss sich seinen Platz in der Gesellschaft immer wieder neu verdienen, indem es zum Bau oder zum erfolgreichen Betrieb der Überlebensmaschine beiträgt. Das jedenfalls ist der Eindruck, den wir bisher vermittelt haben. Aber zum Erfolg der Gemeinschaft beizutragen ist nicht die einzige Strategie, um am Leben zu bleiben. Wenn wir alle Baupläne und molekularen Schalter der nützlichen Gene in unserem Genom zusammenzählen, dann macht das insgesamt nur einige Prozent unseres Genoms aus. Selbst wenn wir alle Teile des Genoms betrachten, die irgendwie zur Fitness beizutragen scheinen (und nicht nur die 20 000 Gene, die Eiweiße beschreiben und die die Hauptfiguren dieses Buches waren), kommen wir auf nicht mehr als ein Drittel unseres Genoms. Ein gigantischer Teil unserer DNA leistet offensichtlich überhaupt keinen Beitrag zum Erhalt der Gengesellschaft. Wenn diese über vier Milliarden Buchstaben starke Mehrheit nichts mit unserem Überleben und mit unserem Erfolg zu tun hat – was macht sie dann? Warum ist sie überhaupt da?

Um das zu beantworten, werfen wir einen genaueren Blick auf diese schweigende Mehrheit. Nicht weniger als 15 Prozent unseres Genoms besteht aus einer ganz bestimmten Buchstabenfolge – eine halbe Million Mal wiederholt. Das ist, als würden wir die zwölf Millionen Bände der New York Public Library durchgehen und feststellen, dass fast zwei Millionen davon identisch sind! Die 500 000 Exemplare in unserem Genom sind allerdings keine ganz perfekten Kopien voneinander: Viele Paare sind zu 99 Prozent identisch, andere unterscheiden sich mal mehr, mal weniger voneinander.

Bisher haben wir ähnliche Buchstabenfolgen immer als Zeichen von Verwandtschaft gedeutet. Ähnlichkeit deutet auf einen gemeinsamen Vorfahren hin, so wie die Haarfarbe oder die Form der Nase manchmal eine Familienzugehörigkeit nahelegt. Tatsächlich können all diese DNA-Abschnitte ihre Vorfahren bis zu einer einzigen Buchstabenfolge zurückverfolgen, die vor vielen Millionen Jahren in der Gengesellschaft eines unserer Vorfahren, eines frühen Menschenaffen, auftauchte (Abb. 10.1). Die halbe Million Kopien in unserem Genom bilden somit eine monströse Familie, aufgeteilt in Unterfamilien, in der jedes Familienmitglied als Kopie eines früheren Mitgliedes entstand. Das ist eine sehr ähnliche Situation wie bei den Genverdopplungen aus Kapitel 8. Allerdings ist der Kopiermechanismus hier ein anderer, denn für eine solch gigantische Zahl von Kopien kann man sich nicht auf zufällige Mutationen verlassen, da muss man gezielt rangehen. Wie bei den Genverdopplungen stammen die Unterschiede zwischen einzelnen Exemplaren von langsam angehäuften Mutationen, die dann von später neu hinzukommenden Kopien übernommen werden.

Abb. 10.1: Ein schematischer Stammbaum der LINE1-Elemente. Die »Blätter« sind die LINE1-Kopien, die derzeit im Genom existieren. Schwarze Blätter sind LINE1-Elemente, die noch funktionsfähig sind. Jede Verzweigung signalisiert die Herstellung einer neuen Kopie. Der Baumstamm entspricht dem ersten LINE1-Element, das in der Gengesellschaft unserer Vorfahren auftauchte.

Erfolg auf ganzer Linie

Diese Buchstabenfolgen werden LINE1-Elemente genannt (für »long interspersed elements type 1«). Es sind Gene – aber es sind ausgesprochen absonderliche Gene. Jedes vollständige LINE1-Exemplar ist sechstausend Buchstaben lang, aber es gibt auch viele Kopien, bei denen ein Stück aus der Mitte fehlt. Die LINE1-Buchstabenfolge ist alles andere als zufällig: Ein vollständiges LINE1-Element kann ein einfaches, aber sehr wirkungsvolles Programm ausführen, an dem drei Typen von Aufgaben beteiligt sind, die jeweils von einem Abschnitt des LINE1-Elements beschrieben werden: Management; das Konvertieren von RNA zu DNA; und das Zerschneiden von DNA.

Der Management-Teil der Buchstabenfolge ist kein eigenes Gen, sondern ein sogenannter Promoter: ein DNA-Abschnitt, der das Signal am Beginn der normalen, anständigen Gene unseres Genoms imitiert. Dieses Signal bringt die Polymerase – die Maschinerie der Zelle zum Lesen von DNA – dazu, die komplette LINE1-Buchstabenfolge in Boten-RNA zu kopieren. Die beiden anderen Regionen des LINE1-Elements beschreiben jeweils ein Eiweiß. Das erste Eiweiß, der RNA-zu-DNA-Konverter, ist so etwas wie eine rückwärtslaufende Polymerase. Auch im respektablen Teil der Gengesellschaft gibt es einen solchen Arbeiter: die Telomerase aus Kapitel 1, die die beim Kopieren verkürzten Chromosomenenden wieder vervollständigt. Das zweite Eiweiß, der DNA-Zerschneider, kann die Doppelhelix der DNA durchtrennen. Auch solche Arbeiter finden sich im anständigen Teil der Gengesellschaft; sie werden zum Beispiel für die Rekombination aus Kapitel 3 benötigt, die unsere Genomhälften in der Vorbereitung auf die Spermien- und Eizellenproduktion durchmischt.

Das von diesen drei DNA-Abschnitten gemeinsam ausgeführte Programm läuft folgendermaßen ab: Der Promoter ruft die Polymerase herbei, die daraufhin eine RNA-Kopie des vollständigen LINE1-Elements anfertigt. Diese RNA posiert als eine unbescholtene Boten-RNA, und die naive Maschinerie der Zelle benutzt sie als Vorlage für die Produktion der beiden Eiweiße. Das gerade erst hergestellte Eiweiß des RNA-zu-DNA-Konverters schnappt sich genau dasjenige RNA-Molekül, das zu seiner eigenen Herstellung benutzt wurde, und kopiert es zurück in DNA. Um die LINE1-RNA unter den Millionen anderen RNAs in der Zelle zu finden, erkennt der RNA-zu-DNA-Konverter eine Art Strichcode, eine bestimmte Buchstabenfolge am Ende des LINE1-Elements. Schließlich zertrennt das Eiweiß des DNA-Zerschneiders das Genom an einer zufälligen Stelle, an der dann die frisch hergestellte DNA-Kopie des LINE1-Elements eingefügt wird.

Das Ganze ist ein genomisches copy/paste-Programm: Im Endeffekt hat sich das LINE1-Element selbst kopiert und anderswo im Genom wieder eingefügt, unter Ausnutzung von nichtsahnenden Mitgliedern des anständigen Teils der Gengesellschaft (Abb. 10.2 links). Durch die Ausführung dieses einfachen Programms können sich LINE1-Elemente in der Gengesellschaft fast unbegrenzt selbst vervielfachen, sodass ihre Kopien schließlich zahlreicher werden als die übrigen Mitglieder der Gengesellschaft. Das ist die Ursache für die Hunderttausenden LINE1-Elemente in unserem Genom.

Die LINE1-Elemente tragen zwar nicht zum Erfolg der Gengesellschaft bei, aber sie arbeiten dennoch – an ihrem eigenen Überleben. Wenn eine Gengesellschaft nur ein einziges aktives LINE1-Element enthalten würde, und dieses würde durch eine Mutation zerstört, dann hätte sich die LINE1-Geschichte damit erledigt. Wenn allerdings viele aktive LINE-Elemente gleichzeitig in der Gengesellschaft leben, dann ist ihre gleichzeitige Zerstörung durch zufällige Mutationen äußerst unwahrscheinlich. Für jedes zerstörte LINE1-Element werden an anderen Orten etliche neue Kopien eingefügt. Solange die LINE1-Elemente sich schneller vervielfachen, als sie durch Mutationen kaputtgehen, bleibt die Familie am Leben. Wenn man die halbe Million LINE1-Elemente in unserem Genom sieht, dann scheint diese Strategie bisher ganz gut aufgegangen zu sein. Warum toleriert die Gengesellschaft dieses egoistische und gemeinschädliche Gebaren?

Das Schmarotzertum der LINE1-Elemente bürdet dem Rest der Gengesellschaft nicht nur die Kosten für das ständige Kopieren/Einfügen auf und lenkt dabei von der eigentlichen Arbeit der Zelle ab; der für die LINE1-Elemente gebrauchte Anteil des Genoms muss außerdem gepflegt und bei jeder Zellteilung mitkopiert werden. Für uns und unsere Vorfahren war diese zusätzliche Last offensichtlich nicht so schlimm, dass der Rest der Gengesellschaft daran zerbrochen wäre. Wenn diese Last aber noch deutlich schwerer gewesen wäre – etwa durch eine noch viel größere Zahl aktiver LINE1-Elemente –, dann hätten diejenigen Menschen mit besonders vielen LINE1-Elementen weniger Nachkommen hinterlassen, und die Zahlen hätten sich mittels natürlicher Auslese wieder auf ein erträgliches Maß eingepegelt.

Abb. 10.2: LINE1-Elemente (links) können sich selbst kopieren und anderswo im Genom wieder einfügen – so stellen sie ihre Ausbreitung sicher. Die Alus (rechts) machen es sich noch einfacher: Sie lassen sich von der LINE1-Maschinerie kopieren und einfügen – sie sind Trittbrettfahrer von Trittbrettfahrern.

Alle Gene springen von Generation zu Generation, ohne sich sonderlich für das Schicksal ihrer Träger zu interessieren – Hauptsache, sie schaffen rechtzeitig den Absprung. Die LINE1-Elemente setzen noch einen drauf: Sie sind einfach nur Schmarotzer, die überhaupt nichts beitragen. Sie sichern lediglich ihr Überleben, indem sie sich schneller vervielfältigen, als sie wieder entfernt werden können. Weil diese Strategie erfolgreich ist, brauchen sie ihre Existenz auch nicht irgendwie anders zu rechtfertigen – sie haben überhaupt keinen Grund, zum Erfolg des Gesamtprojekts beizutragen.

Wir hatten gesehen, dass höchstens 30 Prozent unseres Genoms von anständigen und fleißigen Genen beansprucht werden. Von den übrigen 70 Prozent belegen LINE1-Elemente weniger als ein Viertel. Was passiert im Rest des Genoms? Ein beträchtlicher Teil wird von einer anderen monströsen Familie von Schmarotzern eingenommen, den Alu-Sequenzen oder kurz: Alus. Davon gibt es sogar doppelt so viele wie von den LINE1-Elementen. Unser Genom beherbergt eine volle Million davon, jedes zwischen hundert und vierhundert Buchstaben lang. Alus sind zwar zahlreicher, aber kleiner als LINE1-Elemente und belegen etwa 10 Prozent unseres Genoms.

Wie überleben die Alus? Für ein Programm wie das der LINE1-Elemente sind sie zu klein. Alus gehören zu einer Großfamilie namens SINEs (short interspersed nuclear elements). Sie ähneln den LINE1-Elementen zwar in ihrer Buchstabenfolge, aber ihnen fehlt ein großes Stück. Die Struktur der Alus enthält schon den entscheidenden Hinweis auf ihre Strategie – sie sind noch hinterlistiger als LINE1-Elemente.

Genau wie die LINE1-Elemente besitzt jedes Alu an seinem Anfang ein »Lies mich!«-Signal, das die Polymerase dazu bringt, es in eine Boten-RNA zu kopieren. Außerdem haben Alus an ihrem Ende den gleichen Strichcode wie die LINE1-Elemente. Da hört die Ähnlichkeit aber auch schon auf. Genauer: Da hört auch das Alu auf – mehr steckt nicht drin. Alus haben keine Baupläne für Eiweiße, keine RNA-zu-DNA-Konverter, keine DNA-Zerschneider. Wie haben sie nur so viele Kopien von sich angefertigt, wenn sie sich gar nicht selbst kopieren und einfügen können?

Der RNA-zu-DNA-Konverter der LINE1-Elemente erkennt seine eigene RNA am Strichcode – und der ist bei Alus identisch. Die LINE1-Konverter halten deshalb jede Alu-RNA, die ihnen zufällig über den Weg läuft, für ihresgleichen und übertragen sie in DNA. Der DNA-Zerschneider hilft ihnen anschließend beim Einfügen ins Genom. Die Alus haben das Trittbrettfahren in eine neue Dimension gehoben: Sie sind nicht nur Trittbrettfahrer der Gengesellschaft, sie tun das als Trittbrettfahrer der LINE1-Elemente (Abb. 10.2, rechts)! Der Erfolg gibt diesen Königen der Schmarotzer recht – kein Gen in der Gengesellschaft ist so oft kopiert worden.

Wie sind Alus in der Evolution entstanden? Eine Möglichkeit wäre, dass ein LINE1-Element bei einem Unfall seine Eiweiß-Baupläne verlor, aber durch die Hilfe seiner Verwandten trotzdem überlebte und vervielfältigt wurde. Es gibt aber noch ein zweites mögliches Szenario. Stellen wir uns eine Kopie eines wichtigen und respektablen Gens vor, die durch eine versehentliche Verdopplung entstanden ist – ein überflüssiges Mitglied der Gengesellschaft, dessen Schicksal niemanden interessiert, das aber, wie sein Vorbild, sehr häufig von der Polymerase abgelesen wird. Wenn jetzt ein LINE1-Element versehentlich nur teilweise – nämlich nur mit seinem Strichcode – mitten in das überflüssige Gen kopiert wird, dann würde daraus ein Alu entstehen. Das Gen hatte ja bereits ein sehr effizientes Signal, um die Polymerase-Maschinerie dazu zu bewegen, es in Boten-RNA zu kopieren. Das neu entstandene Gen wird damit zu einem Meister des Schmarotzertums, indem es immer wieder in Boten-RNA übertragen und dann von den LINE1-Eiweißen zurück in DNA kopiert und ins Genom eingefügt wird. Die existierenden Alus sehen tatsächlich so aus, als wären sie durch das zweite Szenario entstanden, weil ihre »Lies mich!«-Signale sehr stark denen von wichtigen Genen der Gengesellschaft ähneln.

Alus sind nicht die einzigen Trittbrettfahrer von Trittbrettfahrern. Wenn ein Mitglied das System austricksen kann, warum sollten das nicht auch andere schaffen? Genau wie sich Alus auf dem Rücken von LINE1-Elementen ausbreiten, schnorrt eine zweite Familie von Trittbrettfahrern – die MIRs – ihre Kopien von einer ganz ähnlichen Familie, den LINE2-Elementen. Alle Familien von LINE- und SINE-Elementen zusammen belegen ein volles Drittel unseres Genoms, ihre Zahl ist zehntausendfach größer als die Zahl der anständigen Gene, die etwas Hilfreiches zu unserem Bau oder zu unserem Betrieb beisteuern. Und das ist bei Weitem keine vollständige Liste der Schmarotzer unserer Gengesellschaft. Es gibt noch viele weitere Familien von Trittbrettfahrern, die sich alle mit durch die Generationen ziehen lassen, ohne selbst etwas beizutragen.

Obwohl bis zu zwei Drittel unseres Genoms von Trittbrettfahrern eingenommen werden, können wir uns noch vergleichsweise glücklich schätzen. Das Genom der bescheidenen Zwiebel ist noch fünfmal mehr aufgebläht, bis auf dreißig Milliarden Buchstaben. Manche Amöben, die aus einer einzigen Zelle bestehen und sich mit Scheinfüßchen fortbewegen, haben sogar hundertfach größere Genome als wir. Die überwiegende Mehrheit dieser absurd vielen DNA-Buchstaben dient der Beschreibung von Trittbrettfahrern, ähnlich wie die SINE- und LINE-Elemente unserer eigenen Gengesellschaft.

Wie viel Schmarotzertum ein Organismus tolerieren kann, hängt von seiner Lebensweise ab. Das legt nahe, dass unsere Lebensweise irgendwie der von Zwiebeln und Amöben ähnelt. Was also haben wir gemeinsam? Der gesammelte Schrott in unseren Genomen – die Trittbrettfahrer und ihre Überreste – zeigt einfach nur an, dass wir alle den größten Teil unserer Evolutionsgeschichte in ziemlich kleinen Grüppchen verbracht haben. In kleineren Populationen ist die natürliche Auslese weniger wirkungsvoll, weil der Zufall eine entsprechend größere Rolle spielt. Deshalb haben egoistische Mitglieder, die die Gesellschaft nur verhältnismäßig wenig belasten, eine größere Überlebenschance. Das kann man sich leicht vorstellen. Angenommen, es hätte auf der ganzen Welt irgendwann nur noch zwei Zwiebeln gegeben, eine fast ohne Schmarotzer im Genom und eine mit Massen davon. Welche der beiden Zwiebeln überlebte, während die andere von einem vorbeikommenden Neandertaler gegessen wurde, hatte vermutlich sehr wenig mit den Genomen und sehr viel mehr mit dem Spazierweg des Neandertalers zu tun. Der Umfang unseres Genoms spiegelt also zu einem großen Teil wider, dass unsere Vorfahren bis vor wenigen Tausend Jahren – genau wie die von Zwiebeln und Amöben – generell in kleinen und isolierten Gruppen lebten.

Der DNA-Zerschneider der LINE1-Elemente trennt Chromosomen an mehr oder weniger zufälligen Stellen auf, um neue LINE1- oder Alu-Kopien einzufügen. Dennoch sind diese nicht gleichmäßig über unser Genom verteilt, man findet beispielsweise praktisch keine Trittbrettfahrer in den Genomabschnitten, die unsere Hox-Gene aus Kapitel 7 beherbergen. Halten sich die Trittbrettfahrer hier zurück, weil sie wissen, dass eine Störung in diesem Bereich die Embryonalentwicklung völlig durcheinanderbringen könnte? Unwahrscheinlich. Die Schmarotzer sind skrupellose Gesellen, die sich ohne Rücksicht auf die Konsequenzen überall einmischen. In dieser Hinsicht unterscheiden sie sich nicht von normalen Mutationen. Aber wie auch bei anderen Mutationen schlägt danach unbarmherzig die Wirklichkeit der negativen Auslese zu. Jedes Mal, wenn eine Trittbrettfahrer-Kopie in ein Hox-Gen eingefügt wurde, entstand dabei ein zur weiteren Fortpflanzung unfähiges Genom. Die Einfügung bedeutete das Ende des kompletten Genoms – einschließlich des hoffnungsvollen neuen Trittbrettfahrer-Exemplars.

Die Zwickel von San Marco

Erfüllt die DNA der Trittbrettfahrer wirklich überhaupt keine sinnvolle Aufgabe für die Gengesellschaft? Ihre fragwürdige Herkunft muss ja nicht zwangsläufig bedeuten, dass nicht doch manchmal ein LINE1-Element oder Alu eine nützliche Arbeit aufnimmt – schließlich kann die natürliche Auslese ja gar nicht anders, als zuzugreifen, wenn irgendeine Mutation die Fitness erhöht. Und bei Millionen zufälligen Einfügungen ins Genom ist doch sicher ab und zu auch etwas Nützliches dabei. Durch gezieltes Suchen findet man tatsächlich für mehr und mehr einzelne Vertreter der Trittbrettfahrer solche nützlichen Funktionen. Einige ehemalige Schmarotzer helfen zum Beispiel bei der Einführung neuer Funktionen, indem sie ein existierendes Gen durch ihre Einfügung verlängern. Andere werden mitten in die molekularen Schalter eines Gens eingefügt und verändern dadurch, wann es ein- und ausgeschaltet wird. In den sehr seltenen Fällen, in denen das die Arbeit des Gens verbessert, wird der entsprechende Trittbrettfahrer als ehrbares Mitglied in die Gengesellschaft aufgenommen. In wieder anderen Beispielen führt das »Lies mich!«-Signal eines eingefügten Trittbrettfahrers dazu, dass ein neues Gen überhaupt abgelesen wird und sich dadurch nützlich machen kann.

Betrachten wir in diesem Zusammenhang einmal die Flossen von Pinguinen. Pinguine sind flugunfähige Vögel – was bei ihren Vorfahren Flügel waren, ist bei ihnen zu Brustflossen geworden. Der Evolutionsbiologe Stephen J. Gould nannte so etwas (wenn ein Körperteil, das in der Evolution ursprünglich für einen völlig anderen Zweck entstand, eine neue Funktion bekommt) eine Exaptation. In genau derselben Weise ist auch die unbeabsichtigte Übernahme einer nützlichen Aufgabe durch einen Trittbrettfahrer eine Exaptation. Ursprünglich bestand die Funktion des Trittbrettfahrers einfach nur darin, sich im Genom zu verbreiten. Nach seiner zufälligen Einfügung am rechten Platz im Genom wurde er für eine hilfreiche Tätigkeit in der Gengesellschaft exaptiert.

Allerdings ist hier eine feine Unterscheidung angebracht. Ursprünglich war der einzige Grund für die Existenz des Trittbrettfahrers sein Trittbrettfahren. Die übergroße Mehrheit der Trittbrettfahrer trägt nicht zum Erfolg der Gengesellschaft bei, und die einleuchtendste Erklärung für ihre fortwährende Existenz ist ihr Talent, Kopien von sich anzufertigen, und nicht die Tatsache, dass einige ihrer Kollegen ab und zu auch mal mit anpacken. Ihre dauernde Einfügung ins Genom bildet einen Strom von sehr speziellen Mutationen, und in der daraus entstehenden Vielfalt von Veränderungen findet sich zwangsläufig hin und wieder auch mal etwas Nützliches. Dass viele Biologen den Drang verspüren, Trittbrettfahrern eine nützliche Funktion zuzuschreiben, verrät mehr über die menschliche Psyche als über unser Genom. Wir möchten unsere Gengesellschaft gern als eine effiziente Organisation sehen, nicht als das unordentliche, von Trittbrettfahrern dominierte Durcheinander, das wir in diesem Kapitel beschrieben haben. Jeder gute Artikel in einer wissenschaftlichen Zeitschrift erzählt eine spannende Geschichte, und ein beliebter Handlungsstrang ist der folgende: Wir alle dachten, dass LINE-(oder SINE-)Elemente nutzloser Schrott sind, aber tatsächlich hat dieser oder jener Trittbrettfahrer eine positive Wirkung auf unsere Fitness. So schreibt man unterhaltsame Erzählungen, aber die darin enthaltene Unterstellung, dass aller Genomschrott einem höheren Ziel dient, ist irreführend. Die Unordnung in unserem Genom ist real, wir sollten sie einfach akzeptieren. Der Biologe David Penny hat das pointiert so zusammengefasst: »Ich wäre stolz darauf, in dem Komitee mitgearbeitet zu haben, das das Genom von E. coli entworfen hat. Aber nie im Leben würde ich zugeben, am Design des menschlichen Genoms beteiligt gewesen zu sein. Nicht einmal ein Universitätskomitee könnte etwas so gründlich verpfuschen.«

Stephen J. Gould lag an der Entlarvung des Vorurteils, dass alles in der Biologie irgendwie zur Fitness beitragen muss. Strukturen haben oft Eigenschaften, die aus physikalischen Zwängen erwachsen und die für sich genommen keine Aufgabe erfüllen. Gould illustrierte diese Idee mithilfe eines Motivs aus der Architektur: eines Zwickels, der dreieckigen Fläche zwischen zwei Bögen (Abb. 10.3). In Kirchen wie der von San Marco in Venedig werden solche Zwickel mit üppigen Dekorationen verziert. Aber natürlich ist das Schaffen von Platz für Dekorationen nicht die eigentliche Aufgabe eines Zwickels. Zwickel wurden erst nach ihrer Entstehung aus bautechnischen Zwängen für dekorative Zwecke exaptiert. Genauso werden die Trittbrettfahrer unserer Gengesellschaft manchmal für nützliche Zwecke exaptiert, obwohl sie ihre Existenz ausschließlich ihrer Fähigkeit verdanken, Kopien von sich herzustellen.

Abb. 10.3: Ein Zwickel – der dreieckige Bereich zwischen zwei Bögen – verdankt seine Existenz bautechnischen Zwängen, wird aber dann häufig als dekoratives Element exaptiert.

Der Erzfeind des Lebens

SINE- und LINE-Elemente geben einen kleinen Einblick in die Vielfalt und die Allgegenwärtigkeit von Schmarotzern. Die Art, wie Trittbrettfahrer die Gengesellschaft ausnutzen, erinnert an Viren (Kapitel 2). Viren sind die Altmeister der Schmarotzer, sie bilden eine gewaltige und außerordentlich vielschichtige Parallelwelt jenseits des zellulären Lebens. Die überwältigende Mehrheit aller Genome auf der Erde stammt von Viren; sie sind uns Zellenwesen zahlenmäßig zehnfach überlegen, auch wenn ihre Genome deutlich kleiner als die unseren sind.

Genau wie LINE- und Alu-Elemente bringen auch Viren die zelluläre Maschinerie dazu, ihnen beim Anfertigen von Kopien zu helfen. Manchmal verstecken sich Viren aber auch zunächst im Inneren ihres Opfers, um auf die richtige Zeit zum Angriff zu warten. Ein Herpesvirus beispielsweise kann sich in eine unserer Nervenzellen schleichen und dort sorgfältig der Entdeckung durch das Immunsystem aus dem Weg gehen. Anstatt sofort die Herstellung von Kopien anzuwerfen, gleitet das Virus in einen Schläferzustand über, in dem es über Monate oder Jahre inaktiv bleibt. Irgendwann kann das Virus wieder aufwachen, etwa, wenn es bemerkt, dass das Immunsystem gerade mit einem grippalen Infekt alle Hände voll zu tun hat. Dann reist das Virus zu unserer Haut, wo es sich vervielfältigen lässt. Es entstehen Fieberbläschen, bei deren Aufbrechen Massen neuer Viren freigesetzt werden. Engen Kontakt zu anderen Menschen nutzen diese neuen Viren dann, um sich in einem neuen ahnungslosen Wirt breitzumachen – und der üble Kreislauf beginnt von vorn.

Einige Vireninfektionen tragen auch zur Entwicklung bestimmter Krebsarten bei. Viele krebsverursachende Viren tun dies durch ein Gen, das in der infizierten Zelle direkt eine der acht Verteidigungslinien der Gengesellschaft gegen Krebs aushebelt (Kapitel 1). Oder sie fügen ein Stück ihres Genoms zwischen die molekularen Schalter eines menschlichen Gens ein, dessen veränderte Aktivität dann seinerseits zur Krebsentstehung beiträgt. Durch diese Aktionen bringt das Virus die infizierten Zellen einen Schritt weiter in Richtung Krebs. An der Krebsentstehung sind immer mehrere Schritte beteiligt, weshalb nicht jeder Infizierte zwangsläufig Krebs bekommt. Beispielsweise hat eine Ansteckung mit Papillomaviren, die Genitalwarzen hervorrufen können, für die meisten Menschen keine ernsthaften Folgen. Aber praktisch alle Fälle von Gebärmutterhalskrebs, der zweithäufigsten Krebserkrankung bei Frauen, gehen auf eine solche Infektion zurück. Bei jeder Teilung der Krebszellen werden auch die Tochterzellen mit den Viren infiziert. Die Motivation für die krebsfördernde Wirkung der Viren liegt vermutlich genau darin, dass sie sich auf diese Art schneller und gründlicher verbreiten können.

Viren attackieren natürlich nicht nur Menschen und Bakterien. Viren sind die Geißel aller zellulären Lebensformen. In Eubakterien benutzen Viren manchmal sogar eine noch hinterhältigere Strategie als menschliche Herpesviren: Nachdem sie sich unauffällig in die Bakterienzelle geschlichen haben, fügen sie ihre Viren-DNA mitten in das bakterielle Genom ein. Immer wenn das Bakterium sich nun teilt, erben seine Tochterzellen zusammen mit dem Genom auch eine Kopie des Virus. Solange es den Bakterien gut geht, nutzt ihre unbeschwerte Vervielfältigung auch den Schläfer-Viren. Aber irgendwann wird es ungemütlich, etwa wenn den Bakterien die Nahrung ausgeht. Dann beschließen die Schläfer zu fliehen, ehe es dafür zu spät ist. Sie wachen auf und kapern die Zelle ihres ahnungslosen Gastgebers – bauen sie zu einer Produktionsstätte für Viren um. Wird das Bakterium von den selbst produzierten Viren nicht gleich umgebracht, stirbt es vor Erschöpfung, sobald seine Ressourcen aufgebraucht sind.

Die Vielfalt verschiedener Viren stellt selbst den unfassbaren Formenreichtum des zellulären Lebens weit in den Schatten. Ein eindrucksvolles Beispiel liefern die Datenspeicherungssysteme von Virengenomen. Alles Lebendige mit Ausnahme der Viren – also alle zellulären Lebensformen – speichert seine Erbinformation in Form einer doppelsträngigen DNA-Spirale. Im Prinzip könnten wir dieselbe Information als einzelsträngige DNA, als einzelsträngige RNA oder als doppelsträngige RNA speichern, aber kein Tier, keine Pflanze, kein Pilz und kein Bakterium benutzt eine dieser Alternativen. Wir alle verwenden RNA nur zur vorübergehenden Speicherung von Botschaften oder für spezielle Aufgaben innerhalb der Zelle. Bei Viren dagegen kommen alle Möglichkeiten tatsächlich vor: Einige Viren benutzen für ihr Genom doppelsträngige DNA, während andere einen einzelnen, ungepaarten DNA-Strang verwenden; wieder andere haben einzelsträngige oder doppelsträngige RNA. Zusammen mit den verschiedenen Möglichkeiten, daraus Informationen abzulesen, ergibt das insgesamt sieben verschiedene Genomsysteme.

Viren können Abermillionen verschiedene Formen und Größen annehmen. Es gibt nicht ein einziges Gen, das allen Viren gemeinsam wäre. Auch das ist ein bemerkenswerter Unterschied zum zellulären Leben. Die Gengesellschaften von uns zellulären Lebensformen haben allesamt etwa fünfzig Gene gemeinsam: für die molekulare Maschine, die DNA-Stränge auseinanderzieht; für die Polymerase, die DNA in RNA kopiert; für das Ribosom, das nach diesen Vorlagen Aminosäuren zu Proteinen zusammenfügt – die daran beteiligten Gene finden sich in jeder einzelnen Zelle.

Warum ist das bei Viren so anders? Warum gibt es beispielsweise kein universelles Gen, das den Aufbau der Virenhülle beschreibt? Verschiedene Viren bauen ihre Hüllen nicht nur auf unterschiedliche Weise, einige Viren haben nicht einmal ein Hüllengen. So wie Alus Trittbrettfahrer ihrer LINE1-Verwandten sind, so sind auch diese Viren Parasiten nicht nur von Menschen, sondern auch von ihren viralen Cousins – Trittbrettfahrer von Trittbrettfahrern. Im Schatten ihrer Cousins fallen sie in Zellen ein und bauen sich ihre Hülle dann aus den nach den Vorlagen der Cousins hergestellten Eiweißen. So ist das Fehlen von universellen Virengenen vermutlich eine Folge ihres schmarotzenden Lebensstils: Im Prinzip können sie jede einzelne Aufgabe von den Genen ihrer Opfer erledigen lassen.

Die meisten viralen Genome enthalten lediglich eine Handvoll Gene, die Funktionen zur Verfügung stellen, die nicht schon von den Opfern bereitgestellt werden. Aber es gibt auch gigantische Viren mit Genomen von mehr als einer Million Buchstaben und mit über tausend verschiedenen Genen. Solche Megaviren sind ähnlich komplex wie einige Bakterien, die ebenfalls als Parasiten innerhalb der Zellen ihrer Opfer leben. Ein entscheidender Unterschied ist, dass Viren – egal, ob gigantisch oder winzig – bei jedem Überfall ihre eigene Hülle zurücklassen und lediglich ihr Genom in die angegriffene Zelle spritzen, während bakterielle Parasiten immer als komplette Zelle in ihre Opfer eindringen.

Im Prinzip bräuchten virale Genome überhaupt keine Gene mit Bauplänen für eigene Eiweiße, und solch minimalistische Trittbrettfahrer gibt es tatsächlich. Ein Beispiel dafür sind Viroide. Viroide haben einen ähnlichen Lebensstil wie Viren, verpacken ihr Genom aber nicht in einer Hülle. Sie sind freischwebende Genome aus nicht mehr als etwa 300 RNA-Buchstaben. Statt Beschreibungen für Eiweiße enthält das Viroidgenom lediglich Anweisungen zur Manipulation der Opferzelle. Damit bringt das Viroid die Zelle zur Nachproduktion von Viroidkopien, die dann durch Berührung auf neue Opfer übertragen werden. Viroide müssen Ihnen aber keine schlaflosen Nächte bereiten (es sei denn, Sie züchten Kartoffeln oder Tomaten): Bisher wurden sie nur bei Pflanzen gefunden.

Soweit wir wissen, stammt alles zelluläre Leben von einer einzigen ursprünglichen Gengesellschaft ab, die ihr Dasein im Morgengrauen des Lebens fristete. Ein deutlicher Hinweis auf diese gemeinsame Abstammung sind die fünfzig Gene, die allen Zellen gemeinsam sind. Wie ist das bei den Viren? Können auch sie ihren Stammbaum bis zum selben Urvirus zurückverfolgen? Eine Welt, die nur aus Viren besteht, ist kaum vorstellbar, weil Viren zur Vervielfältigung auf uns Zellenwesen angewiesen sind. Aber es sieht so aus, als wären auch die Zellen nicht als Erste dagewesen. Vermutlich entstanden Zellen und Viren gemeinsam – verfeindet bis auf den Tod seit Anbeginn der Zeiten.

Biologie für Anfänger

Das Leben, so wie wir es kennen, ist ausgesprochen komplex. Die Abläufe in den allerersten Lebewesen aber müssen sehr einfach gewesen sein, sonst hätten sie kaum zufällig entstehen können. Heute wird biologische Information immer in Form von DNA oder RNA gespeichert, während die meisten molekularen Maschinen und Strukturen aus Eiweißen gemacht werden. Was entstand nun zuerst: DNA, die Informationen von Generation zu Generation übertragen kann, oder Eiweiße, die diese Informationen verarbeiten? Niemand kennt die genaue Antwort, das Ganze scheint ein klassisches Henne-Ei-Problem zu sein. Es gibt zwar einige, einander widersprechende Ideen, aber das letzte Wort darüber ist noch nicht gesprochen. Und da sich diese Geschichte vor vier Milliarden Jahren abspielte, werden wir vielleicht nie ganz sicher sein. Aber um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie das Leben entstanden sein könnte, schauen wir uns diejenige Vermutung an, die gegenwärtig am wahrscheinlichsten scheint.

Eine lange Buchstabenfolge aus RNA kann sich auf sich selbst zurückfalten. Das liegt an der gegenseitigen Anziehung der DNA-Buchstabenpaare: G und C sowie A und U (wobei das U ja dem T der DNA entspricht) bleiben jeweils aneinander kleben. Je nach den Details der dadurch entstehenden Faltung verdreht sich die RNA-Kette zu einer dreidimensionalen Struktur. Das ist im Grunde genau wie bei der Bildung komplizierter dreidimensionaler Eiweiße durch die Faltung von Aminosäureketten, nur dass RNA mit ihren vier Buchstaben weniger komplizierte Formen annehmen kann. Abhängig von der genauen Form kann das gefaltete RNA-Molekül zu einer winzigen molekularen Maschine werden. Auch RNAs können zum Beispiel als Enzym arbeiten und chemische Reaktionen katalysieren. Viele Arbeiten, die heutzutage von Eiweißen ausgeführt werden, können deshalb im Prinzip auch von RNA-Molekülen übernommen werden. Ein wichtiger Teil des Ribosoms – der Maschine zum Zusammenbauen von Eiweißen aus Aminosäuren – besteht auch heute noch aus RNA.

RNA kann gleichzeitig Information speichern und als molekulare Maschine arbeiten. Zumindest grundsätzlich könnte sich eine RNA-Kette also selbst kopieren und damit ihre eigene Information weitertragen (Abb. 10.4). Möglicherweise gab es zu Beginn des Lebens gar keine klare Trennung zwischen Informationsspeicherung und Informationsverarbeitung. Eine erste lebendige Welt könnte ausschließlich aus RNA bestanden haben – lange bevor DNA, Eiweiße und Zellwände auf der Bildfläche erschienen.

Abb. 10.4: Eine RNA-Kette, die RNA vervielfältigen kann. Die parallelen waagerechten und senkrechten Striche zeigen die Bindung zwischen komplementär spiegelbildlichen RNA-Buchstaben an (A–U und C–G). Dadurch erhält das RNA-Molekül seine charakteristische Form. Die grauen RNA-Buchstaben gehören zu einer anderen Kette, die gerade kopiert wird. Jedes X steht dabei für einen beliebigen RNA-Buchstaben.

Wo könnten solche RNA-Vervielfältiger als Erstes entstanden sein? Nun, alles Leben braucht eine Energiequelle. Und alle Energie, die Leben auf der Erde aufrechterhalten könnte, stammt letztendlich aus einer von zwei möglichen Quellen: aus der Strahlung der Sonne (heutzutage genutzt von Pflanzen, Algen und einigen Bakterien) oder aus geothermischen Prozessen, die chemische Energie hervorbringen. Die Ausnutzung des Sonnenlichts benötigt eine sehr spezielle, komplizierte Maschinerie, was sie als Energiequelle für den Beginn des Lebens äußerst unwahrscheinlich macht. Bei geothermischer Energie ist das ganz anders: Wenn Hydrothermalquellen auf dem Meeresboden heißes Wasser voller Chemikalien ausspeien, das sich mit kaltem Salzwasser mischt, dann ähneln die entstehenden chemischen Abläufe bereits wichtigen Teilen des Stoffwechsels heutiger Lebensformen.

Die Kraftwerke der Zellen nutzen den Fluss von Protonen durch eine Membran, um Energie zu produzieren – das war der Grund, warum Tiere und Pflanzen Mitochondrien brauchen, um sich ihren aufwendigen Lebensstil leisten zu können (Kapitel 9). Unterschiede in der Konzentration von Protonen zwischen Wasserschichten über dem Ausgang von Hydrothermalquellen erzeugen einen ähnlichen Effekt wie die unterschiedlichen Konzentrationen auf den beiden Seiten einer Zellmembran. Es könnte deshalb sehr gut sein, dass das erste Leben rund um Hydrothermalquellen auf dem Meeresgrund entstand, vielleicht in den kleinen Felsbläschen, die sich am Ausgang mancher Quellen bilden. Es ist gut vorstellbar, dass sich die ersten RNA-Moleküle in dieser an Chemikalien und Energie reichen Umgebung spontan zusammenfanden. Irgendwann könnte durch Zufall ein Molekül entstanden sein, das Kopien von RNA-Ketten machen konnte – die erste primitive Gengesellschaft trat ins Leben.

In dieser allerersten Gengesellschaft muss das Schmarotzertum fast unerträglich gewesen sein. Die ersten RNA-Ketten, die sich selbst vervielfältigen konnten, waren vermutlich außerstande, ihre Klone zuverlässig von anderen RNA-Buchstabenfolgen zu unterscheiden. Sie fertigten also wahrscheinlich nicht nur Kopien von sich selbst an, sondern auch von jeder anderen RNA, die ihnen über den Weg lief. Diese Trittbrettfahrer wurden parallel zu den Vervielfältigern vervielfältigt und müssen die Gemeinschaft der Vervielfältiger dadurch mit enormen zusätzlichen Aufgaben belastet haben. Die RNA-Trittbrettfahrer waren die ersten Viroide, Vorläufer der späteren Viren.

Um diese Last abzuschütteln, mussten die Vervielfältiger die Schmarotzer auf Abstand halten. Der erste Vervielfältiger, dem es gelang, sich mit einer für Nährstoffe durchlässigen Membran zu umgeben, die die Trittbrettfahrer draußen hielt, hatte deshalb einen enormen Vorteil gegenüber seinen Kollegen. Die damit erfundene Begrenzung der Zelle hatte einen interessanten Nebeneffekt: Sie machte die Moleküle in ihrem Inneren unabhängig von dem Felsbläschen, das sie bisher zusammengehalten hatte. Die Membran formte ein Gefährt, in dem die Gengesellschaft ausziehen konnte, um den umgebenden Ozean und die Welt dahinter zu besiedeln (Abb. 10.5). Ihr Weg durch die Zeiten formt jene verborgene Geschichte, die dieses Buch ein wenig ans Licht zu holen versucht.

Abb. 10.5: Das Leben ist möglicherweise in kleinen Felsbläschen entstanden, wie sie bestimmte Hydrothermalquellen auf dem Meeresgrund umgeben. Die erste Gengesellschaft bestand vermutlich aus Zusammenrottungen von RNA-Ketten. Mit der Erfindung von Zellmembranen befreite sich das Leben von den Felsen, in denen es entstanden war, und begann die Eroberung des Ozeans und später der Landmassen unserer Welt. Auf diesem Weg schuf die Evolution die unglaubliche Vielfalt des Lebens, die uns heute umgibt.

EPILOG

»Da dieser ganze Band eine lange Argumentationskette ist, wird es vielleicht für den Leser angenehm sein, wenn die wichtigsten Tatsachen und Schlüsse kurz wiederholt werden.«

Charles Darwin

Darwin bezeichnete sein Hauptwerk Über die Entstehung der Arten als eine einzige lange Beweisführung. Er wusste, dass seine Behauptung unerhört war, alles Leben sei durch natürliche Auslese aus einem allen gemeinsamen Vorfahren entstanden. Sie brauchte deshalb über jeden Zweifel erhabene Beweise, um ernst genommen zu werden. Darwin beschrieb das Prinzip der natürlichen Auslese am Anfang des Buches. Dann belegte er die Richtigkeit seiner Idee mit Beispielen aus Geologie, Fossilien, Viehzucht, Entwicklungsbiologie und der Systematik ähnlicher Arten von Tieren und Pflanzen. In seinem Buch arrangierte Darwin diese Beispiele zu einem Bild der Evolution von überwältigender Klarheit. Seine aufwendig zusammengestellte Argumentationskette ist der Grund, warum ihm der Hauptteil des Ruhmes für die Entdeckung der natürlichen Auslese gebührt, obwohl andere – allen voran sein Zeitgenosse Alfred Russel Wallace – unabhängig von Darwin ähnliche Ideen entwickelt hatten.

In der Tradition einer langen Argumentationskette zeigt unser Buch, wie vieles in der Biologie intuitiver wird, wenn wir den genetischen Aufbau einer Art als eine Gesellschaft von Genen betrachten. Wie Richard Dawkins in seiner Theorie des egoistischen Gens sehen auch wir das Gen als das Ziel der natürlichen Auslese. Aber in diesem Buch verlagern wir unser Augenmerk auf die Beziehungen zwischen den Genen und Allelen, ihre Zusammenarbeit und Konkurrenz, während sie eine Überlebensmaschine nach der anderen bauen und betreiben. Unsere Gene formen Bündnisse, um gemeinsam Prozesse wie das Mischen von Genomhälften in der Meiose oder das Mischen von Genstücken in unserem Immunsystem zu organisieren. Sie bilden ein verworrenes Netz der Zusammenarbeit, in dem viele Gene an mehreren verschiedenen Projekten gleichzeitig zusammenarbeiten. Die Gengesellschaft kann nicht stillstehen, selbst wenn ihre Veränderungen manchmal nur von den Launen des Zufalls getrieben sind. Dieser beständige Wandel ist die Wurzel der Entstehung neuer Gengesellschaften – neuer Arten –, sobald ein Teil lange genug vom Rest der Gesellschaft getrennt ist. In seltenen Fällen können Gesellschaften auch verschmelzen und ersteigen dadurch neue Stufen der Komplexität. Änderungen entstehen auch, wenn neue Mitglieder zur Gengesellschaft hinzukommen, durch die Verdopplung existierender Gene oder durch die Einwanderung von Genen aus anderen Gesellschaften. Eine der erfolgreichsten Strategien zum Verbleib in der Gengesellschaft ist das Trittbrettfahren.

Durch dieses Buch hindurch haben wir unsere Aufmerksamkeit darauf gerichtet, wie das Zusammenspiel mit anderen Genen den Erfolg eines Gens bestimmt – ein Blick auf die Gengesellschaft aus »ökonomischer« Sicht. Aber gleichzeitig haben wir auch die historische Perspektive immer im Blick behalten. Lebewesen sind das Produkt ihrer Evolutionsgeschichte. Oder, wie es der vom Physiker zum Biologen mutierte Max Delbrück ausdrückte: »Jede einzelne Zelle stellt eher ein historisches als ein physikalisches Ereignis dar … jede lebende Zelle schleppt die Erfahrungen eines Milliarde Jahre dauernden Experimentierens ihrer Vorfahren mit sich.«

Unsere lange Beweiskette umfasst viele Geschichtsebenen. Beginnend bei der aktuellen Zeitgeschichte der Evolution im Inneren unseres Körpers (Kapitel 1 und 2) haben wir uns zur Familiengeschichte (Kapitel 3), zur »Nationalgeschichte« von Populationen (Kapitel 4 und 5), zur Entstehung neuer Arten (Kapitel 6 und 7), zur Entstehung der Tiere (Kapitel 8), zum historischen Wendepunkt der ersten eukaryotischen Zelle (Kapitel 9) und schließlich zum Beginn des Lebens (Kapitel 10) bewegt. In dieser Reise zurück durch die Zeit haben wir aufgezeigt, wie nützlich die Analogie der Gengesellschaft ist, egal, welche evolutionäre Zeitskala wir betrachten. Während dieser Reise haben uns die Bakterien als Bezugspunkt am entgegengesetzten Ende des biologischen Spektrums begleitet. Was können wir aus dieser Geschichtsbetrachtung lernen?

Auf der einen Ebene sind wir selbst das Produkt unserer Gengesellschaft. Alle unsere physischen Eigenschaften, einschließlich der einzigartigen Struktur unseres Gehirns, werden maßgeblich von unseren Allelen bestimmt. Was sollten wir, als bewusste Wesen, in diesem Licht über uns selbst denken? Unsere Gene beeinflussen unsere Gedanken, unsere Gefühle, unsere Triebe. Wir haben gesehen, dass ein einzelnes Allel ausreichen kann, um einen beliebigen Organismus gegen andere Populationen seiner eigenen Art einzunehmen. Es fördert unsere geistige Gesundheit, uns klarzumachen, dass solche Neigungen unseren Allelen dienen und nicht unbedingt auf das Beste für uns oder für die Menschheit insgesamt abzielen. Bill Clintons Intuition war völlig richtig: Die winzigen Unterschiede zwischen Populationen werden von unseren Gemeinsamkeiten weit in den Schatten gestellt.

Wir ziehen es vor, in uns selbst mehr zu sehen als seelenlose Überlebensmaschinen, produziert und versklavt von unseren Allelen. Immer wenn unser Urteilsvermögen von unseren Genen in eine bestimmte Richtung gelenkt wird, müssen wir uns fragen, ob wir mitspielen oder Stellung gegen unsere Allele beziehen möchten. Die Evolution unserer Gengesellschaft hat manche Allele ganz nach vorne gebracht, die uns zur Maximierung unseres eigenen Vorteils auf Kosten anderer anhalten. Wir mögen zum Beispiel dazu tendieren, an einem Obdachlosen auf der Straße achtlos vorbeizugehen, aber anstatt solchen Impulsen blind zu folgen, können wir eine bewusste Entscheidung treffen: Vielleicht finden wir es menschlicher, ihm ein Lächeln oder auch ein paar Münzen zu schenken.

Die Gengesellschaft beeinflusst unser Urteilsvermögen und unsere Entscheidungen weit über die grundlegenden Abläufe des Lebens hinaus. Unsere Gene lassen unser Gehirn systematisch fragwürdige Entscheidungen treffen, so wie beim Heiligenschein-Effekt, der zu übertrieben zuversichtlichen Vorhersagen aufgrund von äußerst begrenzten Informationen führt. In seinem fantastischen Buch Schnelles Denken, langsames Denken argumentiert Daniel Kahneman, dass wir unsere Entscheidungsfindung enorm verbessern können, indem wir uns die Neigung zu solchen systematischen Fehlern bewusst machen. Um unser volles Potenzial als bewusste Lebewesen auszuschöpfen, müssen wir nicht nur die Neigungen anerkennen, die in Kahnemans Entscheidungstheorie untersucht werden, sondern uns auch über all die anderen Neigungen klar werden, die in Jahrmillionen in unserer Gengesellschaft evolviert sind. Es gibt durchaus Bereiche, in denen wir gut daran tun, unseren genetisch bestimmten Impulsen zu folgen, etwa wenn wir uns vor bestimmten Gerüchen ekeln, die vor Giften oder Krankheitserregern warnen. Aber es gibt auch Gelegenheiten, bei denen wir uns zum bewussten Handeln gegen die von unseren Allelen verursachten Neigungen entschließen sollten, etwa, indem wir uns Rassismus entgegenstellen.

Wir leben in interessanten Zeiten. Über Millionen von Jahren haben unsere Vorfahren das Spiel der Gengesellschaft mitgespielt, und alle anderen Lebensformen auf dieser Erde tun das augenscheinlich noch immer. Aber wir haben begonnen, einen Teil unseres Erbes abzuschütteln, indem wir den Kreis dessen, was wir für schützenswert erachten, immer weiter ausdehnen – zunächst von der eigenen Familie zu Dörfern und Nationen, dann weiter zur Menschheit als Ganzes und schließlich selbst darüber hinaus, wenn wir an die Rechte von Tieren denken.

Wir möchten das Buch in Anlehnung an eine alte Hymne abschließen: Die Gengesellschaft hat uns bis hierher gebracht – nun ist es an unserer Menschlichkeit, uns nach Hause zu bringen.

LITERATURHINWEISE

In acht einfachen Schritten zum Krebs

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Epilog

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Dank

Es scheint ewig her, dass Doron Lancet vorschlug, zur Vorbereitung auf das Schreiben dieses Buches eine Vorlesung am Weizman Institute of Science in Israel zu halten. Zehn Jahre später (wir mussten uns zwischenzeitlich um unsere Karrieren kümmern) unterrichteten wir eine aufpolierte Version der Vorlesung am Technion – Israel Institute of Technology in Haifa und an der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf. Wir bedanken uns herzlich für den Enthusiasmus und das Feedback unserer zahlreichen Studierenden aus Biologie, Informatik und den Geisteswissenschaften.

Besonders dankbar sind wir unserem wunderbaren Agenten Max Brockman, der uns geduldig durch das Abenteuer einer Buchveröffentlichung führte. Bei der Vorbereitung der deutschsprachigen Ausgabe wurden wir hervorragend unterstützt durch die Bastei-Lübbe AG, insbesondere in Person unserer Lektorin Stefanie Heinen.

Viel von dem, was wir im Laufe unserer Berufswege über Gene und ihr Zusammenspiel gelernt haben, entsprang Diskussionen mit unseren Kollegen. Dafür danken wir besonders Peer Bork, Antoine Danchin, Charles DeLisi, Brian Hall, Tamar Hashimshony, Craig Hunter, Laurence Hurst, Marc Kirschner, Roy Kishony, Eugene Koonin, Doron Lancet, Eric Lander, Michael Levitt, Bill Martin, Ron Milo, Csaba Pál, Balázs Papp, Leon Peshkin, Yitzhak Pilpel, Benjamin Podbilewicz, Aviv Regev, Daniel Segrè und Zhiping Weng.

Für Kommentare zu verschiedenen Versionen, die in der Evolution dieses Buches entstanden, bedanken wir uns herzlich bei Gal Avital, Michal Gilon-Yanai, Vlad Grishkevich, Klaus Hartmann, Grün Kissenmann, Nina Knipprath, Claudia Larsson, Eva Lercher, Veronica Maurino, Asher Moshe, Avital Polsky, Joseph Ryan, Antonio Rodriguez, Ori Spiegelman, Florian Wagner, Achim Wambach, Pamela Weintraub, Moshe Yanai und vielen weiteren unserer Freunde und Studierenden, die uns Wege zur Verbesserung von Das geheime Leben im Menschen aufzeigten.

Wir danken Bettina, Klaus und Bruno Hartmann für die Einladung, uns in den herrlichen und ruhigen Hügeln von Penedo ganz auf das Schreiben zu konzentrieren. Dem Radcliffe Institute for Advanced Study an der Harvard University danken wir für eine wunderbare Umgebung für die Bearbeitung des »fertigen« Manuskriptes.

Steven Lee zeichnete die großartigen Abbildungen und zeigte enorme Geduld mit unseren ständigen Änderungswünschen. Tamar Hashimshony danken wir für frühere Versionen einiger der Abbildungen. Susan Jean Miller half uns durch ihre hervorragende Bearbeitung des englischsprachigen Manuskripts.

Der größte Dank aber gebührt unseren Partnern und Familien – für ihre ausdauernde Unterstützung.

REGISTER

Abtreibung, geschlechts-spezifisch

Achondroplasie

Affenmenschen

Afrika, genetische Variabilität in

AIDS s. HIV

Allele (Def.)

Alligatoren, Geschlechtsbestimmung bei

Alu-Elemente als Schmarotzer

American Football-Feld, Evolution von Bakterien auf

Aminosäuren (Def.)

Amöben, Genomgrößen von

Antibiotika-Resistenz

Antikörper im Immunsystem von Wirbeltieren

Archaebakterien

Arten: Entstehung von; bakterieller Sex und; Mensch und Schimpanse; Schlüssel-Schloss-Analogie

Ataxia teleangiectatica

ATM-Gen

Autoimmunkrankheit

Bazillus subtilis

Bacon, Kevin

Bakterieller Sex

Bakterielles Immunsystem

Basen

Bateson, William

B-Zellen

Bdelloide Rädertierchen

Beta-Catenin

Beta-Laktamase

Boten-RNA

BRCA1 & 2

C. elegans

Carboxylesterase 1-Gen

CCL3L1-Gen und HIV

Chatton, Édouard

Chromosom

Clinton, Bill

Clinton-Paradoxon

Codon

Coyne, Jerry

CRISPR

Crystallin

Cyanobakterium

Cytochrom P450 2D6

Danchin, Antoine

Darm als Reservoir für Antibiotikaresistenzen

Darwin, Charles

Dawkins, Richard

Delbrück, Max

Denisovaner

DNA

Domänen von Genen

Driften von Allelen

E. coli: Genom; lac-Operon

Egoistisches Gen

Eiweiße (Def.); diverse Funktionen von; RNA und

Eizelle

Embryonalentwicklung

Enzym (Def.)

Epistase (Teamarbeit)

Erbkrankheiten: Epistase und; Verknüpfung mit bestimmten Genen; Pleiotropie und

Erblichkeit als Voraussetzung der natürlichen Auslese

Erbsen, Mendels Untersuchung der Vererbung bei

Eubakterien

Eukaryoten, Ursprung der; Energieproduktion in

Evolution, fünf Prinzipien der; als Veränderung der Allelhäufigkeiten; s. auch natürliche Auslese

Exaptation

Farbfernseher

Farbsehen

FGFR3-Gen

Fibrillin-1-Gen

Fitness

Fitnesseffekte als Voraussetzung der natürlichen Auslese

Fox, George

FOXP2-Gen: Domänen in; Sprache und; Vogelgesang und

Fruchtfliegen, Evolution der Augenfarbe von

GADD45G-Gen

Galaktosämie

Gedächtniszellen des Immunsystems

Gen (Def.)

Genduplikation
genetische Prägung

Gengesellschaft (Def.)

Genom (Def.)

Genomverdopplung

Geruchsrezeptoren, Genverdopplung und Spezialisierung in der Evolution der

Geruchssinn

Geschlechtsbestimmung bei Alligatoren; beim Menschen

Gift-Gegengift-Genpaare

Giraffen, Evolution der Halslänge von

Goodwin, Doris Kearns

Gould, Stephen J.

Grünbart-Gene

GWAS

Hämoglobin: Sichelzellanämie und; Genduplikation und Spezialisierung bei

Haltere

Hamilton, W. D.

Hanahan, Douglas

Hautfarbe: natürliche Auslese und; Mutationen und

Helicobacter pylori und menschliche Migration

Hepatitis C

Herpesvirus

HIV; CCL3L1-Gen und Schutz vor

HLA-A- und HLA-C-Gene

Hoffnungsvolle Monster

Horizontaler Gentransfer

Hox-Gene: Abwesenheit von Trittbrettfahrern; Embryonalentwicklung und; Genomduplikation und

H-Ras-Gen und Krebs

Humangenomprojekt

Hunde, Geruchsempfinden

Huntington-Krankheit

Hypermutation bei B-Zellen

Immunsystem: von Bakterien; von Wirbeltieren; Muttermilch und; natürliche Auslese und

Immuntherapie für Krebs

Innovation in der Gengesellschaft; durch horizontalen Gentransfer bei Bakterien; Gendomänen und; Spezialisierung nach Genduplikation und

Kahneman, Daniel

Keimbahn

Kibbuz und Moschaw
klonale Evolution

Koevolution

Kolibakterium s. E. coli

Kontrollregion eines Gens

Krebs: Markenzeichen; Erblichkeit; natürliche Auslese; Virusinfektionen; als Erkrankung des Genoms; Immuntherapie

Kreuzungen zwischen Tieren, Unfruchtbarkeit von

Lac-Operon

Laktoseintoleranz

Lamarck, Jean-Baptiste

Lander, Eric

Lichtrezeptor

Lincoln, Abraham

LINE1-Elemente als Schmarotzer

Logikgatter in der Genregulation

Lymphödem vom Nonne-Milroy-Typ

Malaria und Sichelzellanämie

Marfan-Syndrom

Margulis, Lynn

Markenzeichen von Krebs

Marley, Bob

Marshmallow-Herausforderung

Martin, Bill

Maultiere, Unfruchtbarkeit von

Medawar, Peter

Meiose

Mendel, Gregor

Merrick, Joseph (Elefantenmensch)

Milch s. Muttermilch, Laktoseintoleranz

Mitochondrien: Genom von; Ursprung von; als Energielieferanten

Mix-Max-Spiel

Morbus Crohn

Müller, Miklós

Mutationen: Krebs und; Genomkopien und; Verknüpfung mit bestimmten Krankheiten

Muttermale

Muttermilch

Nacktmulle und Krebs

Natürliche Auslese (Def.); drei Bedingungen für

Neandertaler: Gehirngröße in; als menschliche Population; Sex mit
negative Auslese

Nukleobasen s. Basen

Nukleotide s. Basen

Ötzi

Ohno, Susumu

Onkogen

Opsine

Owens, Jesse

Papillomaviren und Krebs

Parkinson-Krankheit
personalisierte Medizin
phylotypisches Stadium

Plastiden von Pflanzen

Pleiotropie (Promiskuität) von Genen; FOXP2 und

Polymerase

Population passim
populationsspezifische Allele
positive Auslese

Prokaryoten

Promoter

Protein s. Eiweiß

Protonen und Energieproduktion

Pseudogene

Rassismus, mögliche genetische Ursachen von

Rekombination

Ribosomen

Ridley, Matt

RNA (Def.); als molekulare Maschine; der Beginn des Lebens und; 16S ribosomale; Virengenome aus

RNA-Welt

Rückkopplung bei der Regulation von Genen

Schimpanse

Schläferviren

Schmarotzer der Gengesellschaft
schwunghafte Auslese

Selbstmord von Zellen
sexuelle Fortpflanzung (Def.); genetische Verwässerung in der; Meiose und

Sf1-Gen

Sichelzellanämie und Malaria

SINEs als Schmarotzer

Singvögel

Six degrees of Kevin Bacon

SOX9-Gen: Pleiotropie und; Geschlechtsbestimmung und

Spermazellen: Mutationen in der Produktion von; genetische Prägung und

Spezialisierung: in kollektiven Gesellschaften; bei der Farbwahrnehmung; beim Geruchssinn

Spo0A-Gen als Verwandter der Hox-Gene

Sprache, Evolution von

SRY-Gen und Geschlechtsbestimmung

Stammbaum: von Genen; von Zelllinien; einer Familie; der Menschheit; von Helicobacter-Bakterien

Telomerase

Telomere

Theseus, das Schiff des

Tiefseequellen als Ursprung des Lebens

Transformationen

Transkription

Transkriptionsfaktor

Traubenzucker

Trittbrettfahrer der Gengesellschaft

Über die Entstehung der Arten (Darwins Hauptwerk)

Überlebensmaschine

Ultrabithorax-Gen (Ubx)

unsterbliche Zellen

Ursprung des Lebens

UV-Strahlung und Hautfarbe

Variation als Voraussetzung der natürlichen Auslese

V(D)J-System im Immunsystem

Vererbung bei Erbsen, Mendels Untersuchung der

Viren (Def.); bakterielle Verteidigung gegen; Genome von; Lebenszyklus von

Viroide

Vitamin D und Hautfarbe

Vogelgesang

Von Baer, Ernst

Vorschubschleife

Wachstumsfaktoren

Wallace, Alfred Russel

Weinberg, Robert (Bob)

Wittgenstein, Ludwig

Woese, Carl

X-Chromosom

Y-Chromosom

Zellkern (Def.); Ursprung

Zelllinie

Zentrales Dogma der Biologie

Zentromer

Zufall als Grundprinzip der Evolution

Zwickel, als Beispiel für Exaptation

Zwiebel, Genomgröße der

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