150 Jahre nach Charles Darwins "Origin of Species" führen neue DNA- Sequenzierungstechnologien und moderne mathematische Methoden zu erstaunlichen Erkenntnissen über die Bedeutung und Reichweite natürlicher Selektion. In der Evolutionsforschung zeichnet sich der Anfang einer neuen integrativen Phase ab, in der Konzepte aus Ökologie, Genetik, Entwicklungsbiologie, Bioinformatik und Mathematik auf der Ebene molekularer Sequenzdaten verknüpft werden. Wien ist mit zahlreichen Forschungsgruppen ein Zentrum dieser Entwicklung. |
Zwei fundamentale Erkenntnisse kennzeichnen Darwins Evolutionstheorie: zum einen die Evolution als die Veränderung biologischer Arten über die Zeit und ihre Abstammung von gemeinsamen Vorfahren, zum anderen die Selektion als die Triebfeder von Adaptation, der Anpassung von Arten an ihre Umwelt. Während die Tatsache von Evolution binnen weniger Jahre in der ganzen wissenschaftlichen Welt akzeptiert wurde, hatte es die Selektion sehr viel schwerer. Erst mit der Verknüpfung von Darwins Theorie und Mendels Vererbungslehre in der Populationsgenetik wurden die Probleme auf der theoretischen Ebene gelöst. Auch an eindeutigen empirischen Belegen für natürliche Selektion und Adaptation gibt es heute keinen Mangel. Dennoch sind selbst fundamentale Fragen immer noch offen und bis vor kurzem für die Forschung kaum zugänglich: Wie häufig sind Adaptationsereignisse in der Geschichte einer biologischen Art? Wie groß sind die einzelnen adaptiven Schritte? Wie stark ist die Selektion? Welche Gene oder DNA-Abschnitte und welche phänotypischen Merkmale sind betroffen?
Jahrzehntelange Feldforschungen
Die klassische Adaptationsforschung setzt am Phänotyp an. Für gewöhnlich ist es nicht schwierig, für phänotypische Merkmale plausible adaptive Szenarien zu entwerfen. Ein eindeutiger Nachweis, der über solches "adaptive story telling" hinausgeht, ist jedoch sehr viel schwieriger und - wenn überhaupt - oft nur mit enormem Aufwand möglich. Detaillierte Erkenntnisse - wie die Aufschlüsselung der Evolution der Schnabelform bei den Darwinfinken auf den Galapagosinseln - sind das Resultat jahrzehntelanger Feldforschung. Der phänotypische Ansatz erfordert zudem die Konzentration auf einzelne Merkmale, die mutmaßlich unter sehr starker Selektion stehen. Ein Gesamtbild aller Adaptionsereignisse innerhalb einer Art kann so nicht gewonnen werden.
Neutrale Mutationen
Seit der einfachen Verfügbarkeit von Genomdaten wird deshalb versucht, Adaptation auch auf der genotypischen Ebene nachzuweisen. Durch die vergleichende Genomanalyse (zwischen Arten) gelingt aber nur in Einzelfällen der klare Nachweis, dass Unterschiede in den DNA- bzw. Aminosäuresequenzen tatsächlich die Folge positiver Selektion sind. In der Tat gibt es eine plausible Alternative: Nach der vom japanischen Genetiker Motoo Kimura (1924-1994) vorgeschlagenen Neutraltheorie der Evolution sollte die weit überwiegende Anzahl der DNA-Unterschiede (sogenannte molekulare Divergenzen) selektiv neutral sein, also weder vorteilhaft noch nachteilig. Neutrale Mutationen sind wahrscheinlich sehr viel häufiger als positiv selektierte. Durch genetische Drift (also Zufallsschwankungen in ihrer Frequenz) können sich aber auch solche Mutationen in einer Population ausbreiten und letztendlich zu Unterschieden zwischen verschiedenen Arten führen.
"Junk-DNA"
Ende des zwanzigsten Jahrhunderts war die Auseinandersetzung zwischen SelektionistInnen und NeutralistInnen ein prägendes Thema der Evolutionsforschung. Insbesondere auf der Ebene der DNA wurde die Bedeutung neutraler Evolution durch genetische Drift betont. Da die weitaus größten Teile des Genoms in vielen Arten nicht-kodierend sind (also im Gegensatz zu den Genen nicht in ein Protein übersetzt werden), galten sie im Wesentlichen als funktionslose "Junk DNA" und daher evolutionär neutral. Aber auch in den kodierenden Bereichen der Gene wurde Selektion überwiegend als Kraft wahrgenommen, die schädliche Mutationen aus der Population entfernt (negative Selektion). Noch bis vor wenigen Jahren galt deshalb positive Selektion als sehr seltenes Ereignis. Erkenntnisse der jüngsten Zeit führen jedoch zu einer grundlegenden Neubewertung dieses Bildes.
Neue Methoden
Den Anstoß für neue Entwicklungen gaben - wie oft - technologische Fortschritte. Eine neue Generation von Sequenzierungsmaschinen, die seit drei bis vier Jahren am Markt eingeführt wird, beschleunigt die Gewinnung von Rohdaten um mehrere Größenordnungen. Seit den Tagen des "human genome projects" sind die Sequenzierungskosten um einen Faktor 1.000 bis 10.000 gefallen (eine genaue Angabe ist wegen der schnell veränderlichen Preise nicht möglich). Dementsprechend ist Anfang 2008 ein neues internationales Projekt zur Sequenzierung von mehr als 1.000 menschlichen Genomen gestartet worden - in einer Zeit von nur drei Jahren.
Lesen Sie weiter über neue Methoden, unerwartete Resultate und ungeklärte Fragen sowie die Bedeutung des Forschungsstandorts Wien für die wissenschaftlichen Fortschritte im Bereich der Evolutionsforschung:
Moderne Evolutionsforschung in Wien: Entwicklungen und Herausforderungen von Joachim Hermisson (PDF)
Univ.-Prof. Dr. Joachim Hermisson ist Stiftungsprofessor für Mathematik und Biowissenschaften an den Max F. Perutz Laboratories und der Fakultät für Mathematik.
Der Forschungsstandort Wien mischt im Bereich der Evolutionsforschung international an vorderster Front mit. Im Rahmen eines mehrteiligen Beitrags stellt dieUniversitaet-online gemeinsam mit Joachim Hermisson eine Auswahl dieser spannenden Forschungsbereiche an der Universität Wien - und darüber hinaus - steckbriefartig vor. Den Beginn machen die Fachgebiete Mathematik, Statistik und Theoretische Biologie. Zum Artikel: In den Fußstapfen Darwins: Evolutionsforschung an der Universität Wien (Teil 1) |
