Rekonstruktion der Vergangenheit

Erbgutanalysen erzählen die Geschichte des Lebens neu

von Michael Wink

Seit Charles Darwin wird am Stammbaum des Lebens gefeilt. Zunächst nutzten die Wissenschaftler äußerlich sichtbare Merkmale, um Ordnung in die Artenvielfalt zu bringen und Lebewesen nach ihren Verwandtschaftsbeziehungen zu gruppieren. Heute verfügen die Forscher über molekulare Methoden, mit denen sie das Erbgut im Innern der Zellen jedweden Lebewesens auf die DNA-Base genau analysieren können. Der detaillierte Rückblick in die Geschichte des Lebens hält so manche Überraschung bereit.

Unser Planet beherbergt eine faszinierende Vielfalt von Lebewesen. Schätzungsweise 10 000 mit Namen benannte Arten von Bakterien, 250 000 Spezies von Algen, Schleimpilzen und Protozoen, 35 000 sporenbildende Pflanzen, 250 000 Samenpflanzen, 1,2 Millionen Wirbellose und über 50 000 Wirbeltierarten leben heute auf der Erde. Das erste Leben regte sich vor etwa 3,5 Milliarden Jahren in Gestalt von Bakterien, die die Fähigkeit erlangten, aus Licht Energie zu gewinnen. Während der nächsten 1,7 Milliarden Jahre entwickelten sie sich zu den sogenannten Eubakterien und Archaea fort, vor rund 1,8 Milliarden Jahren erschienen die ersten Lebewesen, deren Zellen einen Kern besaßen, die „Eukaryoten“. Der große Formenreichtum der vielzelligen Organismen entwickelte sich in den letzten 800 Millionen Jahren.

Für alle Lebewesen und bei all ihrer Vielfalt gilt, dass sie stets aus Zellen bestehen und aus Zellen hervorgehen: Die Zelle ist die Grundeinheit jeden Lebens. „Omnis cellula e cellula“, jede Zelle geht aus einer Zelle hervor – so hat es erstmals Rudolf Virchow im Jahr 1855 in seinem Aufsatz über die „Cellularpathologie“ formuliert. Heute weiß man, dass auch die Erbinformation im Innern der Zellen bei allen Organismen – vom einfachsten Bakterium bis hin zum Menschen – in gleicher Weise in Form des Moleküls Desoxyribonukleinsäure, kurz DNA, gespeichert ist. Moderne Techniken erlauben es heute, das Erbgut aus den Zellen verschiedener Lebewesen genau zu analysieren und miteinander zu vergleichen. Das hat die Rekonstruktion der Entwicklungsgeschichte revolutioniert und dazu geführt, dass so manch ein Stammbaum radikal umsortiert werden musste.

Die Systematik ist derjenige biologische Wissenschaftsbereich, in dem Lebewesen bestimmt und nach bestimmten Kriterien geordnet werden (Taxonomie). Die moderne Systematik will auch die Stammesgeschichte der Organismen, die „Phylogenie“, rekonstruieren und zudem erforschen, welche Prozesse einst die Vielfalt an Lebewesen haben entstehen lassen (Evolutinsbiologie).

Charles Darwin (1809 bis 1882), der Begründer der Evolutionstheorie, träumte davon, dass die Systematik dem Stammbaum des Lebens entsprechen und die Stammesgeschichte genau widerspiegeln solle. Der Biologe Ernst Haeckel (1834 bis 1919) griff Darwins Idee auf und wagte es bereits als junger Privatdozent, mithilfe  morphologischer Merkmale Stammbäume für die wichtigsten Organismen zu erstellen. Äußerlich sichtbare Formen und Strukturen waren anfangs die einzigen Hilfsmittel, die den Wissenschaftlern zur Verfügung standen; und Organismen, die ähnliche morphologische Merkmale aufwiesen, wurden zu gemeinsamen Gruppen zusammengefasst. Erst im 20. Jahrhundert kamen biochemische und ökologische Merkmale oder Verhaltensweisen als weitere Hilfsmittel hinzu, um Verwandtschaftsverhältnisse zu ermitteln. Da solche Merkmale aber im Laufe der Evolution vielfachen Anpassungen an die Umwelt unterliegen, waren die Ergebnisse der frühen Systematik nicht immer befriedigend und wurden von Forschern konträr interpretiert. Entsprechend häufig wurde das System der Organismen neu geordnet. Die heute bestehende Möglichkeit, das Erbmolekül DNA zu analysieren und Lebewesen aufgrund genetischer Charakteristika zu klassifizieren, hat einen gänzlich neuen Forschungszugang eröffnet.

Die in nahezu allen Zellen enthaltene DNA ist ein langes Doppelmolekül, in dem vier Bausteine, die Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin, linear miteinander verbunden sind. Die beiden Stränge der DNA sind komplementär. Das heißt, es lagern sich stets die Basen Guanin und Cytosin sowie Adenin und Thymin zu Paaren zusammen. „Chromosomen“ nennt man die Strukturen, die Gene und damit Erbinformation tragen. Sie bestehen aus DNA, die mit vielen Proteinen verpackt ist.

Bakterien besitzen ein ringförmig geschlossenes Chromosom. Eukaryotische Zellen verfügen im Zellkern über eine größere Anzahl langgestreckter Chromosomen. Nicht nur Chromosomen, auch die „Kraftwerke“ der Zelle, die Mitochondrien, und die für die Photosynthese wichtigen Chloroplasten pflanzlicher Zellen enthalten DNA. In den Mitochondrien und Chloroplasten, die ursprünglich Bakterien waren, liegt die DNA, wie bei anderen Bakterien, als ringförmiges Molekül vor.

Wenn Zellen sich teilen, wird die DNA zuvor exakt verdoppelt, so dass die beiden aus der Mutterzelle hervorgehenden Tochterzellen jeweils die identische Erbinformation erhalten. Da die Zellen aller heute lebenden Organismen auf eine gemeinsame Urzelle zurückgehen, enthalten alle Zellen auch eine sehr ähnliche Erbinformation. Bei Bakterien ist die gesamte Erbinformation (das Genom) mit 500 000 bis rund fünf Millionen Basenpaaren noch relativ klein. Bei den eukaryotischen Zellen wurde das Genom während der Evolution mehrfach verdoppelt und dadurch immer umfangreicher. Das haploide Genom der Säugetiere – und damit auch das des Menschen – umfasst rund drei Milliarden Basenpaare.

Als Doppelhelix ist die DNA ein recht stabiles Molekül mit einer Basenabfolge (Sequenz), die sich über die Evolution hinweg weitgehend erhalten hat. Nichtsdestotrotz treten von Generation zu Generation kleine Fehler auf. Spontan oder aufgrund von Umwelteinflüssen, etwa radioaktiver Strahlung, kann sich beispielsweise die  Reihenfolge einzelner Basen verändern. Es kann auch zu Fehlern während des Kopierens der DNA vor der Zellteilung kommen, die dann an die nächste Generation weitergegeben werden. Solche „Mutationen“ verändern die DNA im Laufe der Zeit.

Diese Änderungen der DNA-Sequenz nutzt eine neue Disziplin, die „Molekulare Evolutionsforschung“. Ihr Ziel ist es, die Verwandtschaft heute lebender Organismen aufgrund neuer molekularer Erkenntnisse und mithilfe geeigneter Computerprogramme zu rekonstruieren. Was für den Archäologen die Keramikscherbe, ist für den Evolutionsbiologen die DNA-Sequenz: Er kann damit weit in die Vergangenheit zurückschauen.

Gewaltige Unstimmigkeiten
Die rasante Entwicklung, die die Techniken zur Analyse der DNA in den letzten Jahren erfahren haben, hat auch der Stammbaumforschung gewaltigen Auftrieb gegeben. Denn die technische Möglichkeit, die Abfolge der DNA-„Buchstaben“ (der Basen) kompletter Genome in kurzer Zeit zu lesen (zu „sequenzieren“), erlaubt es Evolutionsbiologen heute, den Verwandtschaftsgrad von Arten, Gattungen, Familien, Ordnungen und Klassen so genau wie niemals zuvor zu ermitteln und Stammbäume relativ verlässlich zu rekonstruieren. In vielen Fällen haben DNA-Stammbäume die verwandtschaftlichen Beziehungen bestätigt, die früher „nur“ mithilfe morphologischer Merkmale ermittelt werden konnten. Die neuen molekularen Verfahren haben aber auch gewaltige Unstimmigkeiten erkannt, die die Systematik vieler Organismen stark veränderten. Es ist davon auszugehen, dass weitere umfassende Revisionen folgen werden, denn die Forschungsarbeiten dazu sind noch lange nicht abgeschlossen. An zwei Beispielen, der Systematik der Pflanzen und der Systematik der Vögel, soll der Einfluss der DNA-Analyse auf die Rekonstruktion der Geschichte des Lebens verdeutlicht werden.

Eine neue Systematik der Pflanzen
Seit Carl von Linné (1707 bis 1778) werden zur Klassifizierung der Pflanzen Merkmale des Blütenaufbaus herangezogen: Wie viele Staubgefäße besitzt eine Pflanze, wie viele Kron- oder Kelchblätter? Auch weitere morphologische Merkmale wie der Wuchs einer Pflanze oder die Form ihrer Blätter wurden zur Eingruppierung benutzt. In den letzten 50 Jahren kamen biochemische Merkmale hinzu, beispielsweise das Vorhandensein von Alkaloiden, Glykosiden, Terpenen und Polyphenolen, den sogenannten sekundären Pflanzenstoffen. Morphologische und biochemische Merkmale sind jedoch häufig adaptiv. Das bedeutet, dass die Merkmale zwar ähnlich sind – sie müssen aber nicht notwendigerweise eine nahe Verwandtschaft anzeigen. Vor rund 20 Jahren haben Molekularbiologen deshalb erstmals damit begonnen, die DNA-Sequenzen bestimmter Gene aus den Chloroplasten (beispielsweise des Gens rbcL) oder bestimmter Gene aus dem Kern (beispielsweise ITS) für das gesamte Pflanzenreich zu bestimmen. Aufgrund dieser Untersuchungen wurde ein neuer Stammbaum der Pflanzen entwickelt (siehe Abbildung auf Seite 41), der sich deutlich von dem Stammbaum unterscheidet, den Ernst Haeckel im Jahr 1866 für die Pflanzen aufgestellt hat (siehe Abbildung auf Seite 40).

An der Basis des neuen Stammbaums der Landpflanzen stehen die Moose. Von ihnen leiten sich die übrigen Sporenpflanzen, die Bärlappe, Farne und Schachtelhalme, ab. Eine bedeutende evolutionäre Innovation war, dass Pflanzen Blüten mit Samen entwickelten. Diese Samenpflanzen (Spermatophyten) untergliedern sich in die beiden Hauptgruppen der Nacktsamer (Gymnospermen) und der Bedecktsamer (Angiospermen).

Früher nahm man an, dass an der Basis der Bedecktsamer die einkeimblättrigen Pflanzen (Monokotylen) stehen. Heute weiß man, dass sich die Bedecktsamer aus frühen Pflanzen mit zwei Keimblättern (Dikotylen) ableiten. Das aber bedeutet, dass die „Einkeimblättrigkeit“ kein ursprüngliches Merkmal ist (wie früher angenommen), sondern dass es sich dabei um ein abgeleitetes Merkmal handelt. An der Basis der zweikeimblättrigen Pflanzen stehen die sogenannten eudikotylen Pflanzen, aus denen sich die „Kern-Eudikotylen“ ableiten, die sich in zwei große Gruppen, die Rosiden und Asteriden, aufteilen. Damit hat die neue DNA-Systematik nicht nur zu neuen Großgruppen geführt; sie hat auch innerhalb von Ordnungen und Familien viele Verwandtschaftsgruppen (Taxa) neu angeordnet. Ein Beispiel: Der Fingerhut (Gattung Digitalis) zählt laut neuer DNA-Systematik nicht länger zu den Braunwurz- (Scrophulariaceae), sondern zu den Wegerich-Gewächsen (Plantaginaceae).

Eine neue Systematik der Vögel
Vögel teilen sich eine Reihe morphologischer Merkmale mit Reptilien. Man nahm deshalb lange an, dass die Vögel eine Schwestergruppe der Reptilien sind. In den letzten zwei Jahrzehnten haben die Wissenschaftler jedoch Fossilien entdeckt, die eindeutig zeigen, dass sich die Vögel von Dinosauriern ableiten: Sie entwickelten sich im Jura aus einer bestimmten Dinosaurier-Gruppe, den Saurischia. Vor 230 Millionen Jahren entstanden die noch flugunfähigen Theropoden (kleine Raubdinosaurier), aus denen die Maniraptora, die „Handräuber“, hervorgingen. Die Maniraptora verfügten bereits über komplex gebaute Federn mit Schaft und Fahne. Zu den Maniraptora rechnet man neben einigen weiteren Dinosauriergruppen heute die „Avialae“, also die Vögel und ihre unmittelbaren Verwandten.

Fossilien bezeugen klar den Übergang von den Dinosauriern zu den modernen Vögeln. Ein Beispiel ist der berühmte „Urvogel“ Archaeopteryx aus dem Oberjura, der vor mehr als 150 Millionen Jahren lebte und dessen fossile Überreste im Jahr 1860 aus den Sollnhofener Plattenkalken gegraben wurden. Das Fossil zeigt einerseits Merkmale von Reptilien: einen Kiefer mit Zähnen, eine lange Schwanzwirbelsäule, nicht verwachsene, aber mit Krallen versehene Fingerknochen sowie Mittelfußknochen. Es zeigt aber auch Merkmale der heutigen Vögel: Neben Schwungfedern sind das vor allem Füße mit drei Zehen, ein gabelförmiges Schlüsselbein, hohle Knochen und Eier. Wann aber sind die modernen, heute lebenden Vogelordnungen, die „Neornithes“, entstanden?

Die DNA-Analyse der Neornithes erlaubt die Hypothese, dass sich die neuzeitlichen Vogelordnungen vermutlich schon vor 120 bis 130 Millionen Jahren entwickelten und somit eine Zeitlang gemeinsam mit den Dinosauriern existierten: Vermutlich haben sich also schon die Dinosaurier am Gesang der Singvögel erfreuen können.

Heute existieren auf der Erde 10 300 Vogelarten; 5700 davon entfallen auf die Ordnung der Sperlingsvögel, die man in über 30 Ordnungen und 2000 Gattungen zusammenfasst. Seit Linné haben die Ornithologen mit klassischen morphologischen Methoden versucht, ein natürliches System der Vögel zu erstellen, das auch ihre Stammesgeschichte widerspiegelt. Nicht weniger als 40 unterschiedliche Systeme wurden in den letzten 200 Jahren vorgeschlagen. Erst seit drei Jahrzehnten kann man die Verwandtschaftsbeziehungen der Vögel mit DNA-Analysen bestimmen. DNA-Daten haben den großen Vorteil, dass sie eindeutig sind. Die DNA-Analyse gilt deshalb heute auch in der Ornithologie als die verlässlichste Methode für Fragen der Systematik und Phylogenie.

Der amerikanische Ornithologe und Molekularbiologe Charles Sibley (1917 bis 1998), ein Begründer der molekularen Systematik, nutzte Ende der 1980er-Jahre als erster die DNA-Analyse, speziell die Methode der sogenannten DNA-DNA-Hybridisierung, um die Verwandtschaftsbeziehungen der Vögel aufzuklären und eine neue Vogelsystematik zu schaffen. Obwohl die „Sibley-Ahlquist-Taxonomie“ der Vögel nicht unumstritten blieb, wurde sie vielfach übernommen. Neue DNA-Analysen mit der genaueren Methode der DNA-Sequenzierung haben zwischenzeitlich viele der damaligen Ergebnisse revidieren können. Die amerikanische Molekularbiologin Shannon Hackett und ihre Mitarbeiter veröffentlichten im Jahr 2008 in der Zeitschrift „Science“ eine neue Systematik der Vögel, die sich auf die Analyse der DNS-Sequenzen von 19 Genen aus dem Genom aller wichtigen Vogel-Familien stützt. Dieser Stammbaum der Vögel wird gegenwärtig als die beste Phylogenie-Hypothese angesehen.

Nach den jüngsten Analysen bilden beispielsweise Flamingos und Lappentaucher überraschenderweise eine monophyletische Gruppe, haben also einen gemeinsamen Vorfahren. Die Seetaucher hingegen, die bislang immer gemeinsam mit den Lappentauchern abgehandelt wurden, gehören eher zusammen mit den Pinguinen und Sturmvögeln in eine Gruppe. Die Neuweltgeier wurden früher zu den Störchen gestellt. Den neueren Daten nach sind sie offenbar doch Greifvögel. Und die Falken, die man üblicherweise mitsamt den übrigen Greifvögeln zu den „Falconiformes“ vereinigte, sind vermutlich eher mit den Papageien verwandt. Papageien bilden die Schwestergruppe der Sperlingsvögel. Die Dreiergruppe aus Falken, Papageien und Sperlingsvögeln wurde in einer kürzlich veröffentlichten Arbeit als Verwandtschaftsgruppe bestätigt und neu als „Eufalconimorphae“ bezeichnet. Die Wissenschaftler analysierten dazu springende Gene (Transposons).

Bei schätzungsweise über zwei Millionen heute lebender Arten wird es noch lange dauern, bis die verwandtschaftlichen Beziehungen aller Lebewesen aufgeklärt sind. Abzusehen ist, dass es schon bald molekulare Stammbäume für die größeren Organismengruppen geben wird. Die Techniken zur Analyse von DNA werden stetig und rasch fortentwickelt; künftig wird man nicht nur einzelne Gene, sondern komplette Erbgutsätze schnell analysieren und miteinander vergleichen können. Damit wird es möglich werden, noch tiefer und noch detaillierter in die Vergangenheit des Lebens zu blicken.

 

Prof. Dr. Michael Wink wurde im Jahr 1989 als Ordinarius für Pharmazeutische Biologie an die Universität Heidelberg berufen und ist heute Direktor des Instituts für Pharmazie und Molekulare Biotechnologie (IPMB). Nach dem Studium der Biologie und Chemie  an der Universität Bonn folgten Promotion (1980) und Habilitation (1984) an der TU Braunschweig. Mit einem Heisenberg-Stipendium forschte er in den Jahren von 1985 bis 1988 am Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung in Köln und am Genzentrum der LMU München, bevor er 1988 eine erste Professur an der Universität Mainz antrat. Seine Forschungsschwerpunkte betreffen die Wirkstoffforschung (Arzneipflanzen, Biotechnologie) und die Evolutionsforschung.
Kontakt: Wink@uni-hd.de

Der besondere Dank des Autors gilt Theodor C.H. Cole (Heidelberg) für die Zusammenstellung der molekularen Stammbäume. Sie sind elektronisch verfügbar unter http://www.uni-heidelberg.de/institute/fak14/ipmb/phazb/trees.html