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Evolutionsbiologie "Versteckte Architektur des Lebens"

Der Evolutionsbiologe Andreas Wagner erklärt im Interview, ob die Henne oder das Ei zuerst da war und warum er Gott eher in der Mathematik als in der Natur suchen würde.

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Für den Wissenschaftler steht fest: Das Ei war zuerst da. Foto: imago/UIG

Bislang blieb ein Rätsel der Evolutionstheorie ungelöst: Ist wirklich nur zufällige Mutation die Ursache von Flügeln, Facettenaugen, Photosynthese und des ganzen Reichtums der Arten? Der Evolutionsbiologe Andreas Wagner sagt: Nein. Er hat Gesetze entdeckt, die es der Natur gestatten, neue Moleküle und Mechanismen herauszubilden, die eine schnelle Anpassung der Arten ermöglichen: wie der Kabeljau, der im Eiswasser dank eines Proteins überlebt, das den Gefrierpunkt seiner Körperflüssigkeit herabsetzt.

Herr Wagner, im Katalogtext zu Ihrem aktuellen Buch „Arrival of the Fittest“ heißt es, Sie hätten das letzte Rätsel der Evolution gelöst. Bedeutet das, Sie können endlich beantworten, ob die Henne oder das Ei zuerst da war?
Verlagsankündigungen sind immer ein bisschen vollmundig – ich zucke zwar zusammen, ergebe mich aber in Notwendigkeiten des Buchmarktes und ertrage stumm den Satz über die Lösung des letzten Rätsels der Evolution. Allerdings ist Ihre konkrete Frage nach Huhn und Ei gar kein Rätsel mehr.

Für die meisten Menschen wohl schon. Warum für Sie nicht?
Alle Wirbeltiere stammen von Süßwasser-Fischen ab, die ihre Eier als Laich ablegten – ohne Schale. Als sie das Land eroberten, wurde dies aber gefährlich, weil die Embryos leicht vertrocknen konnten. Dagegen waren Wirbeltiere, die Eier mit Schalen legen konnten, unabhängig vom Wasser und konnten neue Lebensräume erobern.

Aber trotzdem stellt sich doch die Frage, ob beim ersten Vogel das Ei zuerst da war oder das Weibchen, das dieses legte.
Ein Vorfahr legte wahrscheinlich Eier mit einer dünnen Haut, daraus wurde dann Stück für Stück mit der Evolution eine Schale. Das bedeutet, dass einst ein Tier eine Art Ei legte, dass noch gar kein Vogel war – aber aus dem Ei entwickelte sich der erste Vogel.

Das verlegt das Henne-Ei-Problem letztlich zurück ins Wasser. Dann stellt sich die Frage: Wer war zuerst da, der Fisch oder der Fischlaich?
Ein Vorfahr des Fisches, der den ersten Fischlaich legte. Bei der Befruchtung einer Eizelle entsteht eine neue Kombination von Genen, daraus kann eine neue Art hervorgehen. So kann man den Weg des Lebens von Vorfahr zu Vorfahr zurück gehen bis zu seinem Anfang. Dort stellt sich dann das wahre „Henne-Ei“-Problem des ersten Lebewesens. Was war zuerst da: Das genetische Material oder der Stoffwechsel?

Was denken Sie?
Meiner Ansicht nach muss der Stoffwechsel zuerst da gewesen sein, denn wenn man sich die Bausteine der Erbsubstanz anschaut, sind das bereits sehr komplizierte Moleküle. Klar, man hat gezeigt, dass sie zufällig entstehen können. Aber sobald das Leben sich selbst vermehrt, braucht es viele dieser Moleküle. Wenn kein Stoffwechsel vorhanden ist, dann hat das Leben auch keine Bausteine, um zu wachsen und dann kann die Evolution nicht wirken.

Wo soll dieser erste Stoffwechsel stattgefunden haben?
Heute deutet vieles daraufhin, dass er in der Tiefsee stattgefunden hat – in den porösen Wänden der „Black Smoker“, von Schloten, durch die vulkanisch erhitztes Wasser aus der Erdkruste aufsteigt. Dort kommen viele wichtige Substanzen vor und in den kleinen Kammern der Poren, konnten sie sich auf engem Raum anreichern. Ein Urstoffwechsel konnte sich mit dem genetischen Material zusammen schließen.

Sie allerdings arbeiten nicht in der Tiefsee, sondern in Zürich – wie haben Sie ein großes Rätsel der Evolution lösen können?
Das allgemeine Verständnis von Evolution ist heute, dass Neuerungen zufällig entstehen und dass die natürliche Selektion im Folgenden entscheidet, welche sich durchsetzen. Die Kraft der natürlichen Selektion steht außer Zweifel, aber diese Kraft hat ihre Grenzen. Natürliche Selektion kann Neuerungen bewahren, aber nicht erschaffen.

Sie sprechen von einer unsichtbaren Hand, die für Innovationen sorgt – das klingt nach „Intelligent Design“.
Ich achte sehr darauf, mich vom Intelligent Design fern zu halten, weil es eine sehr oberflächliche Herangehensweise ist. Das Konzept versucht nicht, die molekularen Mechanismen der Evolution zu verstehen. Die Natur ist durch Mutation und Selektion entstanden. Man braucht keinen intelligenten Designer dafür.

Für viele Menschen ist Evolution schlecht vorstellbar, weil die Natur so komplizierte Dinge hervorgebracht hat. Selbst Charles Darwin fand die Idee absurd, dass etwas so Kompliziertes wie das menschliche Auge von der Evolution hätte erschaffen werden können.
Darwin hatte keine Idee davon, woraus Augen bestehen. Er wusste nicht, dass die simpelsten Zellen Konglomerate von Milliarden von Molekülen, den Kristallinen, sind. Aber heute würde er sehen, dass Augen, die mit dem gleichen Prinzip funktionieren, mehrmals unabhängig entstanden sind in der Evolution. So haben zum Beispiel Wirbeltiere und Würfelquallen jeweils ein ganz ähnlich funktionierendes Auge entwickelt – jedoch zum Beispiel aus ganz unterschiedlichen Linsenmaterialien. Außerdem gibt es Entwicklungsstufen, die zeigen, dass sich verschiedene Augentypen auseinanderentwickelt haben. Alles Belege für die Evolution.
Das ist lange bekannt.
Die vielen Innovationen der Natur – von denen manche geradezu gespenstisch vollkommen sind – schreien nach natürlichen Gesetzmäßigkeiten, die die Innovations-Fähigkeit des Lebens erklären. Während der letzten 15 Jahre hatte ich das Glück, dass ich an der Aufklärung dieser Prinzipien mitwirken konnte.

Was sind diese Prinzipien?
Aus unseren bisherigen Befunden können wir ablesen, dass hinter der Evolution viel mehr steckt, als es auf den ersten Blick den Anschein hat. Es gibt eine geheime Architektur des Lebendigen, die eine überirdische Schönheit hat.

Sehr poetisch, aber wie soll diese Architektur aussehen?
In meiner Arbeitsgruppe haben wir die Metapher der Bibliothek entwickelt, um darzustellen, worin es in unserer Entdeckung geht. Diese Bibliotheken unterscheiden sich allerdings stark von unseren, menschlichen Bibliotheken. Wie sie organisiert sind, kann man eigentlich nur mit mathematischen Werkzeugen verstehen.

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Hört sich kompliziert an – können Sie diese trotzdem in einfachen Worten erklären?
Eine Bibliothek ist eine Sammlung von Texten, und hier ist es eine Sammlung von Texten, die in der Sprache der Chemie geschrieben sind. Proteine, die alle Lebensvorgänge steuern, vom Sehen über die Bewegung bis zum Aufbau des Körpers, sind Ketten. Sie werden gebildet aus 20 Bausteinen, den Aminosäuren, dem Alphabet der Bibliothek. Die Makromoleküle bestehen aus hunderten bis tausenden Aminosäuren. Alle möglichen Proteine bilden zusammen die Bibliothek aller Proteine. Schon um ein Protein aus 100 Aminosäuren zu bilden, gibt es 20 hoch 130 Möglichkeiten – mehr als es Wasserstoffatome im Universum gibt. Es gibt also viel mehr Möglichkeiten, ein Protein aufzubauen, als die Natur jemals ausprobieren konnte. Auch in 40 Milliarden Jahren nicht.

Wie hat die Natur dennoch die richtigen Proteine gefunden, um etwa dafür zu sorgen, dass wir zum Beispiel sehen können?
Das Wunderbare ist: Sie muss nicht das eine Protein finden. Es gibt Trillionen von Proteinen, die mit ganz unterschiedlichen Abfolgen von Aminosäuren genau das gleiche tun können. Die Natur sucht die Nadel im Heuhaufen, aber es gibt eine Nadel immer direkt in der Nachbarschaft. Bemerkenswert ist, dass diese Lösungen alle miteinander verbunden sind. Durch Veränderung einer Aminosäure gelangt man von einem zum nächsten Text der Bibliothek.

Eine sehr abstrakte Sichtweise. Schließlich lebt doch jeder Organismus für sich, es gibt keine reale Verbindungen zwischen ihnen. Was bringt es also, sich ein solches Modell zurechtzulegen?
Evolution passiert nicht nur in einem Organismus, sondern in Populationen. Es gibt also tausende Organismen, die verschiedene Mutationen ausprobieren. Mit der Zeit erkunden die Organismen so die gesamte Bibliothek. Die Netzwerke, in denen Proteine mit der gleichen Bedeutung verbunden sind, nennen wir Genotyp-Netzwerke. Wenn diese nicht existieren würden, könnte die Evolution nicht fortschreiten.

Warum? Jedes Individuum ist doch unabhängig von den anderen.
Der individuelle Organismus ist unabhängig. Durch eine Mutation in einem Protein geht er einen Schritt durch die Bibliothek. Angenommen, wir sprechen von dem lebenswichtigen Enzym, das Glukose spaltet, um Energie zu gewinnen. Wenn das Protein durch eine Mutation seine Funktion verliert, stirbt das Lebewesen und ist nicht mehr Teil des Netzwerks. Aber andere Organismen überleben, weil sich das Enzym zwar verändert, allerdings trotzdem weiter funktioniert.

Es ist schon lange bekannt, dass es verschiedene Organismen mit verschiedenen Mutationen gibt – was ist das Neue?
Die neue Einsicht ist, dass man sehr weit weg gehen kann in diesen Bibliotheken – bis zu Proteinen, die kaum noch eine Aminosäure mit dem Ausgangsprotein zu tun haben. Das ist wichtig, weil sich nebenan komplett unterschiedliche Proteine befinden, die sonst nicht zugänglich wären.

Was bedeutet: nicht zugänglich?
Ein Protein mit einer neuen Funktion ist mit einer sehr geringen Anzahl von Schritten erreichbar, vielleicht sogar, indem nur eine Aminosäure ausgetauscht wird. Ein Protein dagegen, das 50 Aminosäure-Austausche entfernt ist, wäre nicht erreichbar. Das wäre zu weit weg, denn die Evolution kann nur kleine Schritte machen. Die Tatsache, dass ich sehr weit durch die Bibliothek wandern kann, bedeutet, dass ich Zugang zu vielen Proteinen mehr habe und damit zu viel mehr Problem-Lösungen, als wenn ich auf eine kleine Region der Bibliothek beschränkt wäre.

Aber was hilft es denn einem Organismus, wenn er ein tolles Protein mit einer neuen Funktion entwickelt und dafür eine lebenswichtige Funktion verliert wie zum Beispiel die Fähigkeit, Glukose abzubauen? Das wäre doch tödlich.
Beizubehalten, was funktioniert, ist sehr wichtig. Dafür hat das Leben zusätzliche Mechanismen entwickelt. Zum Beispiel werden Gene häufig verdoppelt, wenn DNA-Schäden repariert werden. In dem Fall kann eine Kopie die alte Funktion aufrechterhalten, während die andere neue Funktionen ausprobieren kann. So entstehen Innovationen.

In Ihrem Buch schreiben Sie, die Natur sei kompliziert, um Innovationen hervorzubringen. Worin besteht der Zusammenhang?
Dazu ein Beispiel: Der Insektenkörper wird während der Embryonalentwicklung in Segmente gegliedert. Mit einem Modell haben zwei deutsche Biologen gezeigt, dass dazu nur zwei Arten von Molekülen notwendig wären – die Insekten vollbringen den gleichen Vorgang mit einem Dutzend verschiedener Proteine. Es ist ein Regelkreislauf aus Molekülen, die sich gegenseitig an- und abschalten.

Klingt ineffizient ...
Die Natur ist in der Tat viel komplizierter als sie sein müsste. Der Nutzen ist, dass sie mit diesem Material herumspielen kann. Wenn eine solche Maschinerie sich durch Mutation verändert, hat das kurzfristig vielleicht keine großen Konsequenzen. Langfristig aber können neue Funktionen entstehen. Zum Beispiel ist durch eine solche Änderung von Regulationsmechanismen aus der Flosse des Fischs ein Bein bei Landwirbeltieren geworden. Die Bibliotheken der Regulationsmechanismen und die der Stoffwechselwege sind übrigens genauso in Netzwerken organisiert wie die Proteine – das ist die gemeinsame, versteckte Architektur des Lebens, geschrieben in der Sprache der Mathematik.

Sie schreiben, dass Sie Gott eher in der Mathematik als in der Natur suchen würden – sind Sie gläubig?
Einige Physiker sagen: Mathematik ist die Sprache, in der Gott das Universum geschrieben hat. Andere denken, das Universum sei einfach eine zufällige Anhäufung von Partikeln, die ohne Sinn miteinander kollidieren, und dass dieses Aneinanderstoßen über 13 Milliarden Jahre die Welt, die wir kennen, erschaffen hat. Man kann beide Positionen vertreten. Ich bin Agnostiker. Ein Gott muss nicht involviert sein – und ich habe keinerlei Hinweise, dass es ihn gibt.

Sie operieren in Ihrer Forschung mit riesigen Zahlen und in der unvorstellbar großen Zeitspanne der Evolutionsgeschichte – deprimiert Sie im Angesicht dessen nicht die vergleichsweise kurze Lebenszeit von uns Menschen?
Ich und – es tut mir leid, das sagen zu müssen – Sie, wir werden genetisch wohl nichts beitragen zum Genpool unserer Art, das die nächsten tausend oder gar Millionen Jahre überdauert. Die Chance, dass etwas von uns bleibt, ist nahezu null. Falls Sie das nicht wussten – sorry, so ist es leider.

Interview: Frederik Jötten

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