Die Theorie, die Millionen Phänomene erklärt

I think … he was right
Skizze von Charles Darwin, via Wikimedia pd

Ich habe mich neulich in – aus meiner Sicht – abseitigeren Ecken des Internets herumgetrieben und bin in der Kommentarbox von Wolfgang Achtners Blog „Theologie im Dialog“ auf diesen Satz eines Lesers gestossen:

 „Dagegen hat die Frage nach der Erklärung des Evolutionsprozesses eine ganz andere Qualität, da hier Abermillionen von Phänomenen erklärt werden sollen, die uns jeweils wie Wunder vorkommen.“

These jetzt: Die Evolutionstheorie wird immer noch gelegentlich so diskutiert, als sei seit 1859, seit Charles Darwins „The Origin of Species“ also, nicht mehr viel passiert. Darwins Einsichten waren ein großer Wurf und überzeugten viele Zeitgenossen, dass sich Arten ändern. Alle Lebewesen stammen von gemeinsamen Vorfahren ab und die natürliche Auslese ist der wichtigste Mechanismus für den evolutionären Wandel. Aber einige knifflige „Wie“-Fragen waren zu Darwins Zeit völlig offen:

Wie werden Merkmale an die Nachkommen weitergegeben?

Wie geschehen Mutationen?

Wie wird die Ausbildung der erblichen Merkmale in der Embryonalentwickung gesteuert?

Damals erschien das alles wundersam, aber heute sind diese Fragen im Wesentlichen geklärt, wie ich in diesem Beitrag kurz skizzieren will.

Der dickste Brocken war die Genetik – und vielleicht liegt Darwins Genie teilweise auch darin, dass er eine stimmige Theorie für den Wandel der Arten vorlegen konnte, ohne eine stimmige Theorie über die Weitergabe der Erbinformation zur Hand zu haben. Gregor Mendel, der Entdecker der Vererbungsregeln, war zwar ein Zeitgenosse Darwins, aber seine Arbeit blieb lange Zeit unbeachtet. Erst Anfang des 20. Jahrhunderts haben Hugo de Vries und Carl Correns die Regeln des erbsenzüchtenden Mönchs wiederentdeckt.

Interessanterweise war das dann erst mal ein Problem für die Evolutionstheorie: Darwinische Evolution bedingt kontinuierliche Veränderungen von Merkmalen über geologische Zeiträume. Dagegen sind  Mendels Erbfaktoren diskrete Einheiten, die sich nicht „mischen“ , so wie sich blaue und gelbe Farbe zu Grün mischt. Mendels Erbfaktoren haben die (für die Zeitgenossen) sonderbare Eigenschaft, sich in folgenden Generationen wieder aufzuspalten – so treten zum Beispiel beim Klassiker des Biounterrichts, dem dominant-rezessiven Erbgang, Eigenschaften wieder auf, die nicht die Eltern, wohl aber die Großeltern (oder deren Vorfahren) besassen. Viele Forschern dachten deshalb, die beiden Ideen – kontinuierliche Veränderung der Arten und Mendelsche Regeln – seien nicht vereinbar, die beiden Lager haben sich regelrecht bekämpft.

Zur Jahrhundertwende war die Lage also recht verworren und Anfang des 20. Jahrhunderts war Vieles im Umkreis von Darwins Theorie unerklärlich. Der Nebel hat sich in den letzten hundert Jahren aber gründlich gelichtet, ohne dass Darwins Hauptargumente erschüttert worden wären.

Drei Schritte markieren meiner Meinung nach dabei die entscheidenden Dammbrüche:

1. Schritt: „Modern Synthesis“

Der eigentliche Beginn der Evolutionsbiologie als moderner Wissenschaft liegt für mich nicht bei Darwin, sondern Anfang der 1930erJahre, als Zoologen, Botaniker und Paläontologen auf statistisch versierte Genetiker trafen und anfingen, alle Fakten aus ihren jeweiligen Disziplinen auf einen Tisch zu legen. Man erklärte  sich gegenseitig, wo die Forschung im eigenen Fachgebiet gerade steht und was die ungelösten Fragen sind.

Bei genauer, formaler Betrachtung wurde den Helden der “Modern Synthesis” klar, dass Mendelsche Genetik (im Gegensatz zu “Vermischungs”-Ideen)  nicht nur vereinbar ist mit Darwins Sicht der Evolution, sondern geradezu eine Voraussetzung dafür, dass der  Mechanismus von Mutation und Selektion  überhaupt ablaufen kann und mit Naturbeobachtungen übereinstimmt. Mendels Gesetze erklären beispielsweise, wie sich Genvarianten („Polymorphismen“) langfristig in Populationen halten können und so das Ausgangsmaterial für die natürliche Selektion bereitstellen. Populationsgenetiker wie Ron Fisher, Sewall Wright oder JBS Haldane machten evolutionäre Prozesse zugänglich für die exakte Sprache der Mathematik. Inspiriert von diesen Einsichten entwirft der Zoologe Ernst Mayr Artbildungsmodelle, die zum Beispiel erklären können, wie die Vielfalt der Finken auf den Galapagos-Inseln entstand, die Darwin auf seiner Reise so fasziniert hatte.

Darwinische Evolution durch Mutation und Selektion ist plötzlich nicht mehr nur die zwar überzeugende, aber nicht im Detail belegte Idee eines bärtigen Genies aus Kent, sondern eine „erwachsene“, multidisziplinäre Theorie. Forscher können sie mit testbaren Hypothesen sondieren und auf alles Lebendige anwenden – und an dieser Stelle komme ich jetzt doch nicht drum herum, als Zig-Tausendster Schreiberling den Genetiker Dobzhansky zu zitieren, einen der Väter der „Modern Synthesis“. Denn spätestens seit dieser Zeit gilt:

Nothing in Biology makes sense except in the light of evolution“.

 

 2. Schritt:  Watson&Crick und die Struktur der DNA

Aber noch immer wusste man nicht, wie sich Vererbung eigentlich abspielt, biochemisch gesehen. Wie werden Gene in den Biomolekülen kodiert und was genau ist eine Mutation? Anders gefragt, wo kommt das Material her, das der natürlichen Selektion angeboten wird? Auch hier war es ein langer Weg zur Erkenntnis, mit kleinen Schritten vieler Forscher, aber die Ikone für den Durchbruch ist die Dopppelhelix: Watson und Cricks Entdeckung der Struktur der DNA vor genau 60 Jahren, verkündet in einem Pub in Cambridge mit den wenig bescheidenen Worten

We have just solved the mystery of life“.

Die Geschichte habe ich in einem früheren Beitrag erzählt und muß sie deshalb hier nicht wiederholen. Wichtig ist: Wir wissen heute nicht nur, wie Gene biochemisch kodiert und kopiert werden. Wir wissen auch, wie Mutationen passieren und was sie bewirken. Wir lernen immer besser verstehen, wie Gene an- und abgeschaltet werden und wie sie ihre Wirkung in der Zelle entfalten. Der Prozess der Mutation und Selektion, bei Darwin noch eine „black box“, und auch noch in der Modern Synthesis ein eher abstraktes Konzept, ist seit Watson & Crick  ein Geschehen, das direkt aus biochemischen Vorgängen abgeleitet werden kann. Auch hier sind keine Wunder mehr nötig.

3. Schritt: Molekulare Entwicklungsbiologie

Ein Aspekt ging in der „Modern Synthesis“ etwas unter: Wie wird aus einem genetischen Programm die Morphologie eines Individuums, mit real existierenden Nasen, Ohren, Haare, Flügeln, Flossen oder Beinen? Welche Änderungen führten dazu, dass das eine Tier Schuppen, ein verwandte Art aber Federn trägt? Was passierte im Genom, als Schlangen ihre Beine verloren? Hier tappten nicht nur  Darwin und seine Zeitgenossen im Dunkeln, auch die Helden der “Modern Synthesis” waren ratlos (manche sagen sogar: sie ignorierten das knifflige Problem mutwillig).

Im Jahr 1995 erhielten Christiane Nüsslein-Volhard, Eric Wieschaus und Ed Lewis den Nobelpreis für ihre Arbeit an der Fruchtfliege Drosophila. Es war ihnen erstmals gelungen, diejenigen Gene zu isolieren, die Körperachsen und Organe im Embryo festlegen. Erstaunlicherweise ist die Abfolge der DNA-Bausteine vieler dieser Gene in weit verwandten Arten so ähnlich, dass man den DNA-Abschnitt auf den ersten Blick als „das gleiche Gen“ („Homolog“) erkennt, und auch manche Funktion ist über weite Strecken erhalten geblieben. So steuert beispielsweise das Gen Pax6 die Entwicklung der Sehorgane im Mensch, im Zebrafisch und sogar in der Fruchtfliege. Ein dramatischer und völlig unerwarteter Beleg für die gemeinsame Abstammung der Arten.

In der Entwicklung vom Ei zum erwachsenen Organismus, mitsamt Gehirntätigkeit und Verhalten, ist also auch kein Raum mehr für Wunder. Durch die Augen des Embryologen gesehen, ist Evolution einfach die genetische Veränderung von Entwicklungsprogrammen.

Man könnte natürlich mehr Meilensteine für die Evolutionsbiologie nennen als diese drei – je nach persönlicher Vorliebe zum Beispiel einen eigenen Punkt für die Neurowissenschaften (die ich unter Schritt 3 einordnen würde) oder die Entzifferung kompletter Genome (eine Folge von Punkt 2), sowie molekularbiologische Sonderfälle wie nicht-mendelisch vererbte „Markierungen“ der DNA („Epigenetik“). Auch Paläontologen, Verhaltensforscher oder Ökologen würden wohl jeweils die Schwerpunkte anders setzen wollen.

Wichtig ist mir : Charles Darwin konnte von alldem nichts wissen und gerade im Fall der Genetik lag er komplett daneben. Aber all die Erkenntnisse aus der Populationsgenetik, der Molekularbiologie und der Embryologie fügen sich ganz logisch in die Theorie der Evolution durch Mutation und (meist) Selektion, so wie Darwin sie skizziert hatte.

Eine wissenschaftliche Theorie ist dann gut, wenn sie

- möglichst viele Phänomene erklärt, ohne eine Vielzahl von Annahmen machen zu müssen („explanatory power“)

- Vorhersagen macht, die experimentell bestätigt werden

- neue, unerwartete Erkenntnisse einbindet, ohne dass die Theorie umgestossen werden muß.

In all diesen Punkten hat sich die Evolutionstheorie in einmaliger Weise bewährt: Abermillionen  Phänomene, die den Zeitgenossen Darwins noch wie Wunder vorgekommen sind, haben eine robuste Erklärung gefunden.