Darwins Stammbaum-Modell auf dem Prüfstand

Das kommende Jahr 2009 wird bei den Naturwissenschaftlern als Darwin-Jahr gefeiert. Es markiert den 200. Geburtstag von Charles Darwin, Begründer der Evolutionstheorie, und das 150. Jubiläum seines wichtigsten Werkes „On the Origin of Species“, in dem er die Evolutionstheorie verkündete.

Der Evolutionstheorie nach sind alle Lebewesen über eine Abfolge von Verzweigungen, wie die Äste einer Eiche, miteinander verwandt. Dr. Tal Dagan, Habilitantin im Institut für Botanik III der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, hat „das erste Blatt in einem neuen Kapitel der Evolutionsforschung beschrieben“, wie Institutsleiter Prof. Dr. William Martin es bezeichnet. Den beiden Düsseldorfer Biologen ist es nun gelungen, ein Netzwerk vom Genaustausch unter Prokaryoten (Lebewesen ohne Zellkern) bildlich darzustellen.

Das Ergebnis sieht aus wie ein trichterförmiges Spinnennetz, nicht wie ein Baum. Steht die Evolutionstheorie vor einer peinlichen Blamage, und das in ihrem Jubiläumsjahr?

„Keineswegs“, sagt Martin, „wir gewinnen lediglich einen greifbaren Zugang zum Gesamtbild des Evolutionsgeschehens bei den mikroskopisch kleinen Einzellern; Darwins Sicht der Evolution trifft nach wie vor für alle Lebewesen zu, die wir mit dem blossen Auge erkennen können“. Bei den Prokaryoten hat man lange angenommen, dass auch hier die Baum-Metapher zutreffen würde. Aber seit Jahren merken Genomforscher weltweit, dass jedes Gen in einem Bakteriengenom einen anderen Baum abzubilden scheint. Fügt man alle dieser unterschiedlichen Bäume in einem Gesamtbild zusammen, so entsteht das Netzwerk.

Im Unterschied zur vertikalen Gen-Vererbung von der Elterngeneration zu Nachkommen im Darwinschen Sinne, ist bei Bakterien ein sogenannter horizontaler Gentransfer möglich; Gene können bei Bakterien weit über die Artgrenze hinaus in einem Schritt vererbt werden. Dabei spielt der Verwandtschaftsgrad von Gen-Donor und Empfänger keine so große Rolle. Seit langem wissen Genforscher, dass Bakterien viele genetische „Tricks“ auf Lager haben, wie sie fremde Gene aufnehmen und nutzen können. Wie sich das auf das Gesamtbild der Evolution auswirkte, war bisher nicht klar umrissen.

Doch wie lassen sich horizontaler und vertikaler Gentransfer in einer Darstellung vereinen? Hierzu entwickelte Dr. Tal Dagan ein Computer-Programm, mit dessen Hilfe sich, nicht wie bisher üblich, nur Stammbäume, sondern ganze Netzwerke von Genomen bildlich darstellen lassen. Diese rechnerische und graphische Leistung spiegelt die Forschungsarbeit von rund zwei Jahren wider. Die Zeit hatte die junge israelische Biologin fast ausschließlich an einem Hochleistungsrechner verbracht, der eine schier unendliche Fülle an Informationen bewältigen musste: Dagan und ihre Kollegen analysierten nämlich 539.723 Gene aus den Genomen von 181 Arten von Einzellern.

Das Ergebnis: Ein Bild der Evolution, das zeigt, wie diese 181 Arten in einem Netzwerk von Genen über vertikale und horizontale Vererbungsvorgänge miteinander verknüpft sind.

Bisher dient diese Darstellung der Grundlagenforschung, langfristig ist jedoch eine Anwendung vor allem in der Medizin denkbar, beispielsweise bei der Erforschung von Krankheitserregern, die ihre Resistenzgene gegenüber Antibiotika mittels horizontalem Gentransfer austauschen. Bei der raschen Ausbreitung solcher Antibiotika-Resistenzen in Krankenhäusern wurde der horizontale Gentransfer bei Baktierien vor rund 40 Jahren erst entdeckt. Vor dem Darwin-Jahr scheint eine mögliche Lücke in der Evolutionstheorie, was die Genevolution bei Bakterien betrifft, eher kleiner als größer geworden zu sein. Dazu Martin: „Am Anfang des Lebens standen die Bakterien, und irgendwie ist es passend, dass das Wurzelwerk im Stammbaum des Lebens etwas anders aussieht als die Krone“.

Die Ergebnisse der Düsseldorfer Biologin sind in der Zeitschrift „Proceedings of the National Academy of Science of the USA“ am 22. Juli 2008, vol.105, Nr.29, S.10039-10044 erschienen.

Kontakt: Prof. Dr. William Martin, Institut für ökologische Pflanzenphysiologie und Geobotanik, Tel. 0211-81-13011.