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Wie Darwin die Welt veränderte
Dieter Ebert
200 Jahre nach der Geburt von Charles Darwin und 150 Jahre nach der Veröffentlichung seines Hauptwerks über die Entstehung der Arten ist die Evolutionsbiologie stark im Aufschwung. Darwins Einfluss auf das moderne Weltbild ist nicht wegzudenken.
Im modernen Sinn der Karriereplanung wäre Darwin eher ein negatives Beispiel: Sein Medizinstudium in Edinburg brach er ab, und das Theologiestudium in Cambridge brachte er ohne grosse Motivation nur bis zum Bachelor. Kurz vor Prüfungen vollzog er jeweils Kraftakte, um sie doch noch zu bestehen. Seine Freizeit war ihm weit wichtiger. Er ging einer Reihe von Hobbys nach und zeigte dabei einen Charakterzug, den er sein ganzes Leben lang beibehalten würde: Was immer er gerne machte, machte er gründlich und mit Hingabe. So liebte der junge Darwin die Jagd über alles und verbrachte jedes Jahr viele Wochen damit. Er gründete in Cambridge einen Schlemmerclub, um regelmässig ungewöhnliche Gerichte geniessen zu können. Sein Jagdinstinkt manifestierte sich auch in seiner Liebe zu Naturobjekten: Schon in seiner Studienzeit durchlief er Phasen von geradezu besessener Sammelwut. Zeitweilig verbrachte er jede freie Minute mit dem Sammeln von Käfern und heuerte sogar Leute an, die für ihn Käfer sammelten. Später waren es Pflanzen, die er in einem Herbarium katalogisierte, Fossilien und Gesteine. Wohl eher ungewöhnlich für einen Naturliebhaber war die Akribie, mit der er sich auch in die Literatur zu Botanik, Zoologie und Geologie einarbeitete. So war er mit 22 Jahren bereits ein weit belesener und gut ausgebildeter Naturwissenschaftler mit guten Verbindungen zu wichtigen Fachkollegen seiner Zeit. Dies gab den Ausschlag, dass er zu einer mehrjährigen Reise auf einem königlichen Vermessungsschiff nach Südamerika eingeladen wurde. Die Reise auf der «Beagle» dauerte fünf Jahre, führte ihn um die ganze Welt und gilt als Schlüsselerlebnis für sein weiteres Leben. Er begann sich auf dem Schiff Gedanken zu Fragen zu machen, die er später aufarbeitete und mit deren Antworten er ein ganzes Weltbild veränderte. Darwins Werk ist vor allem geprägt durch seine Arbeiten zur Evolution der Organismen. Die Publikation seines Hauptwerks «Über die Entstehung der Arten» vor genau 150 Jahren war ein Wendepunkt in der Naturwissenschaft und der Naturphilosophie. Der Kern seiner Idee ist, dass die Kombination von zufälliger Variation (Mutationen im Erbgut) und gerichteter Auslese (natürliche Selektion) zu Veränderungen im Erscheinungsbild von Arten führt – und damit auch zur Bildung von neuen Arten. So einfach dies klingt, so weitreichend sind die Folgen.
Evolutionstheorie und mehr
Darwins Leistung beschränkt sich aber bei weitem nicht darauf. In mehr als zwanzig Büchern publizierte er wichtige Beiträge zu Geologie, Taxonomie, Züchtungsgenetik, Bestäubungskunde und Bodenbildung. So wurde zu seiner Zeit allgemein angenommen, dass die Erde noch recht jung sei: nur wenige 1000 Jahre (wenn es nach der Bibel ging), aber auch nicht mehr als 100’000 Jahre (nach den Berechnungen damaliger Physiker). Darwin konnte zwar keine genauen Zeitangaben machen, aber ihm war klar, dass selbst 100’000 Jahre viel zu wenig waren, um die damals bereits bekannten geologischen Phänomene wie Gesteinsschichtungen und -verwerfungen zu erklären. Heute wissen wir, dass die Erde etwa 4,5 Milliarden Jahre alt ist. Darwin kann also als Vater der Idee der «tiefen Zeit» (deep time) angesehen werden. Darwins Weltreise führte ihm die Biodiversität in einem globalen Zusammenhang vor Augen. Seine Einsicht in die Evolution von Arten ermöglichte es, Artenvielfalt und -verteilung als Prozesse der lokalen Veränderung und Migration zu betrachten. Räumliche Zusammenhänge können dabei Ähnlichkeiten besser erklären als Lebensräume: So waren zum Beispiel die Nagetiere in den Anden jenen im südamerikanischen Flachland ähnlicher als jenen der Gebirge anderer Kontinente. Die Reichweite dieses Erklärungsansatzes wird heute gerade im Zeichen der Biodiversitätskrise deutlich. Ein weiteres Konzept Darwins, das bis heute sehr aktuell ist, betrifft die Einteilung der lebenden Welt in ein geordnetes System. Zuvor waren Organismen in ein System eingeordnet worden, das Arten nach Ähnlichkeiten einteilte; es geht massgeblich auf den schwedischen Botaniker Carl von Linné (1707–1778) zurück, dessen Vorschlag zur Benennung von Arten (mit Gattungs- und Artnamen) wir heute noch verwenden. Nach Darwin entstehen Arten aus anderen Arten und sind damit miteinander verwandt. Seine Idee zur Klassifikation von Arten und Artgruppen baut deshalb auf ihren natürlichen Verwandtschaftsverhältnissen auf. Daraus ergibt sich, dass die Arten in einen stammesgeschichtlichen Baum dargestellt werden können. Solche Stammbäume haben sich weltweit als gültiges Klassifikationskonzept durchgesetzt – und in den letzten Jahren durch die Verwendung von Gensequenzen einen ungeahnten Aufschwung erfahren.
Altes Konzept, neue Anwendungen
Darwins Theorie der Abstammung findet ihre beste Bestätigung in der Analyse der Abfolgen der genetischen Bausteine im Genom von Organismen. Zwar gibt es nur vier Arten von Bausteinen – abgekürzt mit G, A, C und T –, aber ihre Abfolge erlaubt es, nahezu unendlich viele Kombinationen von Wörtern und Sätzen zu bilden. Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei genetische Sequenzen mit einer Länge von nur zehn Bausteinen durch Zufall identisch sind, liegt bei weniger als eins zu einer Million. Ein einzelnes Gen kann viele Tausende Bausteine enthalten und ein ganzes Genom zwischen einer halben Million und mehreren Milliarden davon. Findet man zwei Sequenzen, die sich in ihrer Bausteinabfolge gleichen, liegt es nahe, dass sie einen gemeinsamen Ursprung haben – und bis auf sehr wenige Ausnahmen ist das auch der Fall. Man spricht in diesem Fall von homologen Sequenzen. Dieses so genannte Homologiekonzept hat die gesamte Biologie revolutioniert, mit weitreichenden Folgen für die gesamten Life Sciences. Denn es erlaubt, die unglaubliche genetische Vielfalt, die wir innerhalb und zwischen Arten entdecken, in einen konzeptionellen Rahmen zu fassen. Eines der wichtigsten Themen in der modernen Biologie ist es, den Zusammenhang zwischen Genen und Phänotypen – also Merkmalen wie Krankheiten, physiologischen Funktionen und anatomischen Strukturen – herzustellen. Bis vor einigen Jahren waren solche Studien sehr mühselig und arbeitsaufwendig. Heute gibt es grosse Datenbanken, in denen Gensequenzen und die Funktionen der Gene gesammelt werden. Die Datenbanken erlauben es, Gensequenzen aufzuspüren, die zu einer neu gefundenen Sequenz homolog sind. Da oft auch die Funktion eines Gens konserviert ist, kann man schnell etwas über mögliche Funktionen lernen, was dann weiter untersucht werden kann. Umgekehrt lässt sich mithilfe des Homologiekonzepts sehr rasch in den Genomen von Organismen nach Genen suchen, die zu einer bestimmten Funktionsklasse gehören, und so den Zusammenhang zwischen Genen und Phänotypen von der andern Seite her beleuchten. Auch die moderne Biodiversitätsforschung macht sich diese Datenbanken zunutze, da zu jedem Gen natürlich auch der zugehörige Organismus bekannt ist. Über die Biodiversität von Mikroben etwa wusste man bisher fast nichts, da die meisten von ihnen für traditionelle Ansätze – wie die Anzucht im Labor – unzugänglich sind. Das neue Gebiet der Metagenomik kann diese Lücke schliessen. Statt die eigentlichen Mikroben zu studieren, nimmt man Stichproben aus dem zu untersuchenden Habitat und schlüsselt wahllos Sequenzen der darin enthaltenen Erbsubstanz auf. Datenbankvergleiche können dann zeigen, welche ähnlichen Organismen schon bekannt sind, und erlauben es, abzuschätzen, wie viele neue Arten in der Stichprobe waren. Mit dieser Methode fand man, dass im menschlichen Darm etwa tausend Arten von Bakterien leben oder dass es über hundert Gattungen von Bakterien gibt, die mit Wasserflöhen zusammenleben. Als weiterer Schritt können auch die Funktionen der Bakterien über die Gene klassifiziert und so ihre Rolle im Ökosystem abgeschätzt werden. Die Reihe der Anwendungen des Homologiekonzepts lässt sich beliebig fortsetzen. Darwin selbst wusste von Genen und Gensequenzen noch nichts; er hat aber das Konzept der gemeinsamen Abstammung begründet, aus dem sich das Homologiekonzept entwickelte. Ohne Darwin wäre die moderne Biologie nicht dieselbe.