Abb. 1: Kurzbeiniger Welsh Corgi („Walisischer Zwerghund“). (GNU Freie Dokumenationslizenz)

Viele Hunderassen sind in wenigen hundert Jahren entstanden. Woher kommt ihre große Vielfalt? Vor einigen Jahren konnte gezeigt werden, dass ein einziges Gen, Igf-1 (insulin-like growth factor 1), eine entscheidende Bedeutung für die Körpergröße der Hunde hat (Check 2006). Wir hatten darüber in Studium Integrale Journal berichtet (Jg.14, 2007, S. 50f.). Parker et al. (2009) fanden bei einer Untersuchung von 835 Hunden aus 76 Rassen heraus, dass das Retrogen fibroblast growth factor 4 (fgf4) eng mit der Ausbildung kurzer Beine (Chondrodysplasie) gekoppelt ist, die für mindestens 19 Hunderassen charakteristisch ist wie z. B. Dackel, Pekinese, Basset oder Corgi (vgl. Abb. 1). Retrogene entstehen durch Retrotransposition verdoppelter Gene. (Dabei wird RNA in DNA zurückübersetzt und diese an einer neuen Stelle im Erbgut eingebaut.) Die Autoren schließen aus ihren Untersuchungen, dass ein einzelnes evolutionäres Ereignis einen großen Einfluss auf die Richtung der phänotypischen (gestaltlichen) Vielfalt beim Haushund haben kann.

In einer weiteren Studie untersuchten Cadieu et al. (2009) die genetischen Grundlagen der Variation der Fellfarbe und Fellbeschaffenheit an 1000 Hunden aus 80 Rassen. Sie identifizierten drei Gene (RSPO2, FGF5 unnd KRT71), die für die Mehrzahl der Farbmuster des Fells und Fellbeschaffenheit wie Länge und Kräuselung verantwortlich sind. Ein großer Teil der Variation kann demnach durch Kombination weniger Gene erzeugt werden.

Beide neuen Studien stützen die Hypothese, dass eine relativ geringe Anzahl von Genen ein großes Ausmaß an Variation ermöglichen kann. Diese Befunde lassen sich auch durch eine Vorprogrammierung von Variation durch Kombination und Mutation deuten.

[Cadieu E, Neff M et al. (2009) Coat variation in the domestic dog is governed by variants in three genes. Science 326, 150-153; Check E (2006) One gene between tiny dogs and giant ones? http://www.nature.com/news/2006/061009/full/061009-12.html; Parker, GH, VonHoldt BM et al. 2009. An expressed Fgf4 retrogene is associated with breed-defining chondrodysplasia in domestic dogs. Science 325, 995-998.]

Der Wurmfortsatz (die Appendix) des Blinddarms galt lange Zeit als Paradebeispiel eines (nahezu) nutzlosen Organs, das nur durch Rückbildung im Verlaufe einer längeren Evolution verstehbar sei. Auch Charles Darwin hielt ihn für überflüssig. Es gab zwar schon lange Hinweise auf eine Funktionalität der Appendix, ein definitiver Beweis dafür gelang aber erst vor wenigen Jahren. Es konnte gezeigt werden, dass die Appendix u.a. eine Art Zufluchtsort („safe house“) und Rettungsstation für symbiotische Bakterien darstellt, die das Wachstum nützlicher Darmbakterien fördert und bei durchfallbedingten Darmentleerungen die Wiederbesiedlung mit diesen Bakterien ermöglicht bzw. erleichtert. Diesen Bakterien fällt die Aufgabe zu, die Ausbreitung gefährlicher Krankheitserreger im menschlichen Verdauungstrakt zu verhindern, was besonders nach Durchfallerkrankungen sehr wichtig ist. Besonders in Gegenden, wo die medizinische Versorgung nicht gut ist, ist diese Funktion der Appendix wichtig (Bollinger et al. 2007).

Gegen die Deutung des Wurmfortsatzes als rudimentäres Organ sprach auch dessen Vorkommen bei verschiedenen Säugetiergruppen. Dieses legte eher ein Neuauftreten des Organs, nicht jedoch seine Rückbildung im Verlauf der Evolution nahe. Eine phylogenetische Studie brachte eine weitere Bestätigung. Smith et al. (2009) legen eine detaillierte Untersuchung über die Vielfalt des Wurmfortsatzes bei den Säugetieren vor. Etwa 80 Arten aus verschiedenen Familien wurden untersucht; eine Appendix kommt in den meisten Gruppen vor, sie fehlt aber auch einer Reihe von Organismen. Die Autoren fanden drei Morphotypen der Appendix und appendix-ähnliche Strukturen in Arten, die keinen echten Wurmfortsatz besitzen. Cladistischen Analysen zufolge muss für den Wurmfortsatz eine mindestens zweimal unabhängige Entstehung in der Evolution der Säugetiere angenommen werden. Das bedeutet, die Appendix verschiedener Arten lässt sich wegen ihrer konvergenten Entstehung nicht mehr sicher homologisieren, d. h. auf einen gemeinsamen Vorfahren zurückführen. Außerdem muss im evolutionstheoretischen Rahmen angenommen werden, dass der Wurmfortsatz in einigen Gruppen über mindestens 80 Millionen erhalten blieb. Alle diese Befunde schließen die Deutung der Appendix als funktionsloses phylogenetisches Rudiment weiter aus. Vielmehr stellt sich jetzt die Frage, wie der Wurmfortsatz oder ähnliche Strukturen mehrmals unabhängig entstehen konnten. Die Argumentation ist gegenüber früher somit auf den Kopf gestellt – oder besser: auf die Füße.

[Bollinger RR, Barbas RS, Bush EL, Lin SS & Parker W (2007) Biofilms in the large bowel suggest an apparent function of the human vermiform appendix. J. Theor. Biol. 249, 826-831; Osterkamp J (2009) Wegoperierte Evolution. Entzündlicher Blinddarm-Anhang punktet bei vielen Säugetiergruppen. http://www.wissenschaft-online.de/artikel/1005617; Smith HF, Fisher RE, Everett ML, Thomas AD, Randal Bollinger R & Parker W (2009) Comparative anatomy and phylogenetic distribution of the mammalian cecal appendix. J. evol. Biol. 22, 1984-1999. doi:10.1111/j.1420-9101.2009.01809.x]

Schon mehrfach äußerten Paläontologen die Auffassung, dass die Abstammung der Vögel von Theropoden-Dinosauriern definitiv gesichert sei. Dennoch kommen kritische Stimmen nicht zur Ruhe (vgl. die Streiflichter in Studium Integrale Journal 16 [2009], 118f.). So wurden immer wieder konstruktive Gründe gegen die Möglichkeit eines Umbaus genannt. Kritik kommt nun aber auch aufgrund einer umfangreichen cladistischen Analyse. Dabei werden möglichst viele Merkmale verschiedener Arten analysiert und daraus computergestützt ein möglichst widerspruchsfreies Cladogramm erstellt. Ein Cladogramm kann auch als „Ähnlichkeitsbaum“ bezeichnet werden. Dabei gilt das Sparsamkeitsprinzip, d. h. das Cladogramm, welches die wenigsten Merkmalswidersprüche aufweist, gilt als die wahrscheinlichste Widerspiegelung der tatsächlichen Abstammungsverhältnisse. Die Cladogramme selber sind allerdings nur Darstellungen von Ähnlichkeitsbeziehungen, die nicht notwendigerweise Abstammungsverhältnisse widerspiegeln.

James & Pourtless (2009) stellen in Frage, ob die Hypothese der Abstammung der Vögel von der Theropoden-Untergruppe der Maniraptora wirklich so „überwältigend gesichert ist wie manche behaupten“. Sie unterzogen 46 Taxa und 208 Merkmale einer erneuten Analyse und prüften fünf evolutionäre Hypothesen anhand ihrer Ergebnisse. Drei Hypothesen erwiesen sich dabei als nahezu gleich gut durch die Daten unterstützt, nämlich die allgemein bevorzugte Abstammung von den Theropoden, die Abstammung der Vögel von den Archosauriern und die Abstammung von den Crocodylomorphen. Einige Untergruppen der Theropoden (Oviraptorosaurier, Dromaeosaurier, Troodontiden) sind möglicherweise sekundär flugunfähige Vögel. Die Autoren sind weiter der Auffassung, dass den Unsicherheiten über die Hypothese, dass die Vögel von Maniraptora-Theropoden abstammen, nicht genügend Aufmerksamkeit gewidmet würde. Für die Verbindung Theropoden – Vögel gelten cladistische Analysen als eines der wichtigsten Argumente. Dieses ist mit der Untersuchung von James & Pourtless in Frage gestellt. Die Alternativen haben allerdings mit dem Problem zu kämpfen, dass die als Vorläufer der Vögel am ehesten passenden Formen gleichsam viel zu früh in der Fossilabfolge überliefert sind, so dass zwischen diesen und den ersten Vogelfossilien eine große zeitliche Lücke klafft (Luskin 2009).

Für manche Paläontologen ist angesichts dieser Unsicherheiten und Mehrdeutigkeiten also offen, von welcher Ausgangsgruppe im Rahmen des Evolutionsparadigmas die Vögel abzuleiten sind. Dass es Vorfahren unter irgendeiner Reptiliengruppe geben muss, wird damit natürlich nicht in Frage gestellt. Die Merkmalsverteilungen ergeben aber offenbar in jedem Fall ein widersprüchliches Bild, das heißt jede Hypothese erfordert die Annahme zahlreicher Konvergenzen, also das unabhängige Auftreten ähnlicher Merkmale. Diese können für sich alleine genommen keine sicheren Indizien für gemeinsame Abstammung sein.

[James FC & Pourtless IV JA (2009) Cladistics and the Origin of Birds: A Review and Two New Analyses. Ornithological Monographs 66, 1-78, doi:10.1525/om.2009.66.1.1; Kommentar aus evolutionskritischer Perspektive: Luskin C (2009) Old Theories Die Hard: Birds-Evolved-From-Dinosaurs Hypothesis Takes Big Hits With Two Recent Papers. www.evolutionnews.org/2009/06]

Abb. 1: Künstlerische Darstellung von Guiyu oneiros. (GNU Freie Dokumenationslizenz)

Von den ältesten Vertretern fossiler Organismengruppen sollte man erwarten, dass sie möglichst viele „Primitivmerkmale“ besitzen. Das ist jedoch oft nicht der Fall. Zhu et al. (2009) beschrieben den bislang ältesten Knochenfisch Guiyu oneiros (Osteichthyes; Abb. 1). Die bisher bekannten frühesten Knochenfisch-Fossilien stammen aus der Ludlow-Stufe (Oberes Silur); sie waren nur bruchstückhaft erhalten. Der nun aus dem Ludlow von Yunnan (China) bekannt gewordene Fisch Guiyu gilt als primitiv und ist der älteste fast vollständig erhaltene Angehörige der Kiefermäuler (Gnathostomata). Vom postkraniellen Skelett (unterhalb des Schädels) ist einerseits ein „primitiver“ Schultergürtel und ein medianer (in der Mitte liegender) Flossenstachel erhalten; beides ist ausgebildet wie bei Kiefermäulern, die nicht zu den Knochenfischen gehören. Andererseits seien die großen Schuppen („macromeric squamation“) abgeleitet wie bei den Kronen-Osteichthyern. Das ist ein „unerwarteter Mix“, wie er auch bei der Gattung Psarolepis entdeckt wurde, dem ältesten Fleischflosser. (Zu Kronengruppen gehören die in evolutionstheoretischer Deutung höher entwickelten Formen.) Nicholls (2009, 165) bezeichnet die neu entdeckte Gattung als „wirklich komplexen Fisch“. Damit müssten die meisten wichtigen evolutiven Schritte bei der Aufspaltung der beiden großen Fischgruppen (Strahl- und Fleischflosser) sich viel früher ereignet haben, als bisher vermutet wurde; aus dieser Zeit sind aber keine fossilen Überreste von Fischen bekannt. „The remains of cartilaginous, lobe-finned and ray-finned fish should populate the fossil record prior to G. oneiros, but nobody has found them“ (Nicholls 2009, 165).

Guiyu ist eines von vielen Beispielen dafür, dass frühe fossile Formen einer Gruppe eine unerwartete Merkmalskombination aufweisen: ausgeprägte Mosaikformen, die nicht als Übergangsformen interpretierbar sind. Conway Morris (2009, 1321) spricht sogar von einem „Leitmotiv“ bei solchen Übergängen, nämlich die „unerwartete Mischung“ aus primitiven und abgeleiteten Merkmalen, und nicht nur das, sondern auch die damit verbundenen vielen Parallelismen, hier zwischen den Strahl- und Fleischflossern. (Vgl. dazu auch den Artikel „Die ‘Wolke’ über den karbonischen Tetrapoden“ in dieser Ausgabe.)

[Conway Morris S (2009) The predictabiliy of evolution: glimpses into a post-Darwinian world. Naturwissenschaften 96, 1313-1337; Nicholls H (2009) Mouth to mouth. Nature 461, 164-166; dort Kasten S. 165; Zhu M, Zhao W, Jia L, Lu J, Qiao T & Qu Q (2009) The oldest articulated osteichthyan reveals mosaic gnathostome characters. Nature 458, 469-474.]

Von verschiedenen Pflanzen ist bekannt, dass sie in ihren Blüten Wärme produzieren und dadurch möglicherweise den bestäubenden Insekten Energie zur Verfügung stellen. Letztere können bei höherer Temperatur eine größere Aktivität entwickeln, wovon wiederum die Pflanze profitieren kann (Seymour et al. 2003). Manche Pflanzen nutzen die erhöhte Temperatur auch um flüchtige Duftcocktails verstärkt zu verbreiten (Binder 2004).

Andere können die Temperatur sehr rasch steigern; Lamprecht et al. (2002) konnten 14,2 °C pro Stunde messen. Dabei kann die Temperatur in den Blüten bis zu 35 °C über derjenigen der umgebenden Luft liegen (Seymour & Schultze-Motel 1997). Dieselben Autoren haben verschiedene Heizphasen bei der Gemeinen Drachenwurz (Dracunculus vulgaris) sehr detailliert untersucht (Seymour & Schultze-Motel 1999). Weiter konnte bisher in Studien gezeigt werden, dass erhöhte Temperatur in den Blüten die Reproduktion der Pflanze begünstigt, u. a. durch verstärkten Besuch von Bestäubern, beschleunigtes Keimen der Pollen, gesteigertes Wachstum der Pollenschläuche, erhöhten Befruchtungserfolg, bessere Fruchtentwicklung und größere Samen.

Zwei Mechanismen zur Erhöhung der Temperatur in Blüten konnten in der Vergangenheit aufgezeigt werden. Einmal kann durch erhöhte (explosive) Stoffwechselaktivität (allgemein gesprochen: exotherme Prozesse) in Gewebebereichen der Blüte die Wärme produziert werden. Eine andere Möglichkeit stellt die verstärkte Absorption einfallender Sonnenstrahlung dar, was durch die Konstruktion und Farbe der Blüte beeinflusst ist.

Herrera & Pozo (2010) beschreiben nun einen dritten Mechanismus zur Wärmeproduktion in den Blüten der Stinkenden Nieswurz (Helleborus foetidus). Diese mehrjährige krautige Pflanze öffnet ihre im Herbst entwickelten Blüten bereits im späten Winter bzw. zu Beginn des Frühjahrs. Die Autoren hatten an bergigen Standorten im Südosten Spaniens (Las Navillas und Puerto Llano) in Lagen von 1220 bzw. 1810 m über dem Meeresspiegel bereits früher beobachtet, dass die geöffneten Blüten – auch wenn die Pflanzen im Schnee standen – von Hummeln besucht wurden. Sie hatten auch bereits das Vorkommen von Hefezellen (Metschnikowia reukaufii) im Nektar der Blüten beschrieben. Der Nektar wird beim Besuch der Blüte durch Hummeln mit Hefezellen geimpft, und diese vermehren sich und wachsen im Nektar, wobei sie sich des darin enthaltenen Zuckers bedienen. Herrera & Pozo (2010) haben in ihrer Untersuchung durch Abdecken der Blüten die Infektion mit Hefezellen verhindert und in anderen Blüten den Nektar experimentell mit Hefezellen versetzt.

Sie konnten zeigen, dass die Temperatur im Nektar und in der Blüte bei Anwesenheit von Hefekulturen deutlich gegenüber der unmittelbaren Umgebung der Blüte erhöht war. Die Temperaturerhöhung korreliert mit der Zelldichte, d. h. je mehr Hefezellen im Nektar desto größer ist die Temperatursteigerung. Hefezellen konnten die Temperatur des Nektars gegenüber der Umgebungsluft um 5-6 °C erhöhen (bei Zelldichten von 1,5 x 10⁵ Zellen mm^-3).

Wiens et al. hatten 2008 beschrieben, wie der durch Hefe erzeugte Alkohol (bis zu 3,8%) im Nektar einer tropischen Palme (Eugeissona tristis) die Attraktivität der Blüten für Alkohol suchende Säugetiere als Bestäuber deutlich erhöht.

Die Kooperation zwischen den beteiligten drei Partnern, Blüte der Stinkenden Nieswurz, Hefe und Hummeln muss in diesem Fall sehr fein abgestimmt sein, da durch das Wachstum und die Stoffwechselaktivität der Hefezellen der Zucker verbraucht wird, der üblicherweise für den Bestäuber gedacht ist; der Zuckergehalt kann aber nicht ohne Folgen beliebig abgesenkt werden. Dieses Beispiel kann dafür sensibilisieren, auch bei bekannt scheinenden Phänomenen nach komplexeren Lösungen zu suchen. Vielleicht sind diese weiter verbreitet und häufiger als man zunächst annehmen möchte. Wobei die komplexen Lösungen Fragen aufwerfen, weil sie eigentlich aufgrund natürlicher Ausleseprozesse im Optimierungsprozess eliminiert worden sein sollten.

[Binder H (2004) Warme Stube für Bestäuber. Stud. Int. J. 11, 43; Herrera CM & Pozo MI (2010) Nectar yeasts warm the flower of a winter-blooming plant. Proc. R. Soc. Lond. B, online doi:10.1098/rspb.2009.2252; Lamprecht I, Schmolz E, Blanco L & Romero CM (2002) Flower ovens: thermal investigations on the heat producing plants. Thermochim. Acta 391, 107-118; Seymour RS & Schultze-Motel P (1997) Heat-producing flowers. Endeavour 21, 125-129; Seymour RS & Schultze-Motel P (1999) Respiration, temperature regulation and energetics of thermogenic inflorescences of the dragon lily Dracunculus vulgaris (Araceae). Proc. R. Soc. Lond. B 266, 1975-1983; Seymour RS, White CR & Giberman M (2003) Heat reward for ineect pollinators. Nature 426, 243-244; Wiens F, Zitzmann A, Lachance M A, Yegles M, Pragst F, Wurst F M, von Holst D, Guan S L & Spanagel R (2008) Chronic intake of fermented floral nectar by wild treeshrews. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 10426-10431.]

Carboanhydrasen sind weit verbreitete Enzyme, die in zahlreichen, strukturell deutlich verschiedenen Varianten und Isoformen in fast allen Organismen vorkommen. Sie katalysieren die Reaktion von Kohlendioxid mit Wasser zu Hydrogencarbonat und Protonen und ebenso die Rückreaktion. Die Reaktionsgleichung lautet: CO₂ + H₂O <—> + HCO₃^- + H⁺.

Die Reaktion spielt in sehr unterschiedlichen Zusammenhängen eine Rolle, so dass Carboanhydrasen eine Reihe von wichtigen Aufgaben erfüllen. So kann z. B. durch die Produktion bzw. Eliminierung von Wasserstoffionen = Protonen (H⁺) der pH-Wert der Zellen reguliert werden. Die Rückreaktion zu CO₂ ist u.a. auch deshalb wichtig, weil sich diese Verbindung im Körper leichter transportieren lässt als Hydrogencarbonat.

Die Reaktion läuft zwar grundsätzlich auch spontan ab, wird aber durch das Enzym um einen Faktor 10⁷ gesteigert, so dass bis 1 Million Moleküle Kohlendioxid pro Sekunde umgesetzt werden können. Entsprechend gehören Carboanhydrasen zu den schnellsten Enzymen überhaupt. Die eigentliche katalytische Aktivität wird durch ein Zinkion (Zn²⁺) als Cofaktor bedingt.

Im menschlichen Körper sind Carboanhydrasen u.a. am Kohlendioxidtransport der roten Blutkörperchen und an der Bildung des Kammerwassers im Auge beteiligt, sie regulieren den Säure-Base-Haushalt der Niere und sind auch das Schlüsselenzym für die Produktion von Magensäure. Bei Pflanzen spielen sie u.a. eine wesentliche Rolle bei der Photosynthese.

Dass Pflanzen und Tiere CO₂ wahrnehmen können, ist schon lange bekannt. So merkt unsere Zunge, ob wir ein Getränk mit oder ohne CO₂ trinken. Es war aber bislang unklar, wie das Schmecken von Kohlendioxid bei Mensch und Säugetieren funktioniert. Grüne Pflanzen registrieren den CO₂-Gehalt der Luft und schließen bei ausreichendem Angebot die Spaltöffnungen, um einen möglichen Wasserverlust gering zu halten. Außerdem steuert das CO₂-Angebot langfristig die Dichte der Spaltöffnungen pro Blattfläche. Aber auch bei Pflanzen war bisher unklar, wie die Wahrnehmung von CO₂ erfolgt.

Diese Wissenslücke konnte jetzt weitgehend geschlossen werden, indem sowohl für Tiere als auch Pflanzen gezeigt wurde, dass auch in diesem Punkt Carboanhydrasen wesentlich beteiligt sind (vgl. Frommer 2010). Nicht ganz klar ist, ob das Enzym nur als Überträger (Transponder) fungiert, indem die Reaktionsprodukte (namentlich H⁺) als Signal dienen, oder ob das Enzym als Sensor fungiert (Senzym) und bei der Reaktion die Konformation ändert, die dann von einem weiteren Protein registriert wird, das den Impuls weiterleitet.

Bei Säugern (Chandrashekar et al. 2009) sind die für die Geschmacksnote „sauer“ zuständigen Zellen der Zunge auch an der Wahrnehmung des typischen CO₂-Geschmacks sog. kohlensäurehaltiger Getränke beteiligt. Dafür verantwortlich ist neben einer physikalischen Komponente, die die Gasbläschen registriert, vor allem die auf der Zelloberfläche lokalisierte α-Carboanhydrase 4. Die zugehörigen Zellen sind mit einer Ionenpumpe verbunden, die die weiteren Reaktionen auslöst. Die Untersuchungen wurden an Menschen und an Mäusen durchgeführt.

Bei Pflanzen (Hu et al. 2010) wurde die CO₂-Rezeption am Beispiel der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (= Acker-Schmalwand) untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass bei Doppelmutanten mit defekten α-Carboanhydrasen 1 und 4 die Regulation der Spaltöffnungsbewegungen stark gestört ist, und dass diese Störung erstaunlicherweise durch Zugabe von α-Carboanhydrase 2 aus Säugerzellen kompensiert werden kann. Die durch die Carboanhydrasen vermittelte Regulation der Spaltöffnungen ist nicht direkt von der Photosyntheseleistung abhängig. Die Enzyme sind innerhalb der Schließzellen lokalisiert und die von ihnen katalysierte Reaktion setzt offenbar die für das mechanische Öffnen und Schließen der Spaltöffnungen letztlich verantwortliche Ionenpumpe in Gang.

So finden sich also für die Wahrnehmung von CO₂ in so verschiedenen Organismen wie Säugern und grünen Pflanzen grundsätzlich gleiche Mechanismen. In einem Kommentar in der Zeitschrift Science weist Frommer (2010) auf diese erstaunliche Parallele hin und stellt heraus, dass beide Mechanismen unabhängig voneinander evolviert sein müssen, da die jeweils verwendeten Enzyme bezüglich ihrer Aminosäuresequenz und ihrer Struktur stark verschieden sind und an unterschiedlichen Stellen wirken, da sie in einem Fall außerhalb, im anderen Fall innerhalb der Zelle lokalisiert sind. Vor dem Hintergrund einer zufälligen Entstehung der Organismen geht er davon aus, dass das Vorliegen gleicher Funktionen deshalb so bemerkenswert ist, weil sich die zu den Pflanzen und die zum Menschen führenden Linien vor mehr als 1 Milliarde Jahren getrennt haben. Wenn wir alternativ zu diesem Denkansatz hinter der Entstehung der Lebewesen einen Plan sehen, überrascht es nicht, dass für gleiche Funktionen auch gleiche Mechanismen verwendet werden.

[Chandrashekar J et al. (2009) The Taste of Carbonation. Science 326, 443-445; Frommer WB (2010) CO₂mmon Sense. Science 327, 275-276; Hu H et al. (2010) Carbonic anhydrases are upstream regulators of CO₂-controlled stomatal movements in guard cells. Nat. Cell Biol. 12, 87-95.]

Abb. 1: Im Visier der Genomforschung: der Eisbär, Ursus maritimus. (Creative Commoms Lizenz)

Auf der zu Spitzbergen (Norwegen) gehörenden schmalen Insel Prinz Karls Forland wurde kürzlich ein fossiler Unterkiefer (linker Bogen mit Zähnen) eines Eisbären gefunden (Ingólfsson & Wiig 2009). Untersuchungen zur ¹⁴C-Datierung an einem Eckzahn ergaben ein Alter von mehr als 45.000 Jahren; aufgrund weiterer Untersuchungen (Stratigraphie, Ablagerungszusammenhänge und Infrarot-angeregte Lumineszenz von Sedimenten) gaben die Autoren ein Alter von 130.000 bis 110.000 Jahre an. Damit ist dieses Fossil der mit Abstand älteste fossile Beleg für Eisbären, von denen im Übrigen extrem wenige Fossilien bekannt sind (Ingólfsson & Wiig 2009).

In einem ersten Schritt untersuchten Lindqvist und ihr Team (2010) die gesamte DNA, die sie aus der Probe des Eckzahns gewinnen konnten, d. h. auch DNA aus anderen Quellen (s. u.). Dazu nutzten sie modernste Sequenzierungstechnologie („next generation“ sequencing technology), wobei aus kleinen Proben – auch von degenerierter DNA aus Fossilien – viele kurze DNA-Sequenzen erhalten und parallel analysiert werden.

Durch Datenvergleich konnten die Autoren feststellen, dass ca. 40% der DNA-Sequenzen dem Eisbären zuzuordnen sind, während ca. 55% bakteriellen und 4,5% menschlichen Ursprungs sind. Die Länge der gefundenen Fragmente und der hohe Anteil an Eisbären-DNA (größtenteils DNA aus dem Zellkern) bestätigen die Bedeutung von tiefen Temperaturen über lange Zeit, Vereisung und Permafrost-Umgebung für Erhaltung fossiler DNA.

Aus insgesamt 482.364 Sequenzfragmenten konnten 1.290 der mitochondrialen DNA (mt DNA) des Eisbären zugeordnet werden. Damit konnte das mt-Genom 14 mal gelesen werden, was die Fehlerhaftigkeit der Sequenzdaten reduziert.

Für Vergleichszwecke wurden die mt-Genome von sechs weiteren heute lebenden Bären analysiert. Die so gewonnenen sieben mt-Daten bildeten zusammen mit weiteren Literaturdaten die Grundlage für phylogenetische Studien.

Das errechnete Kladogramm (Ähnlichkeitsbaum) bestätigte die Ergebnisse bisheriger Studien und zeigt darüber hinaus überraschenderweise, dass der fossile Eisbär unmittelbar in der Nähe der Aufspaltung zwischen Eisbären und Braunbären von den zu Alaska gehörenden ABC-Inseln liegt. Der fossil überlieferte Eisbär wird also sehr nahe bei dem letzten gemeinsamen Vorfahren von Braunbär und Eisbär angenommen.

Die Daten, zu deren Absicherung die Autoren auch noch weitere Datensätze herangezogen haben, weisen auf eine vergleichsweise junge und schnelle Ausbreitung der modernen Eisbären im gesamten Bereich der Arktis seit dem Pleistozän hin.

Untersuchungen über Isotope in dem fossilen Eckzahn (δ¹³C = –13,9‰ und δ¹⁵N = –19,4‰) deuten auf Ernährungsgewohnheiten (marine Beutetiere) wie bei modernen Eisbären hin (gleichzeitig unterscheiden sie sich deutlich von denen fossiler und moderner Braunbären). Lindqvist et al. (2010) betonen abschließend, dass ihre Untersuchungen darauf hindeuten, dass frühe Eisbären sich extrem rasch in morphologischer und physiologischer Hinsicht ihrem heutigen einheitlichen Lebensraum angepasst haben (und zwar innerhalb von nur 10.000 – 30.000 Jahren nach der Aufspaltung mit den Braunbären).

Mit dieser Untersuchung von fossiler DNA ist ein weiteres Beispiel von sehr rascher Evolution dokumentiert. Dieses kann durch die angekündigte Sequenzierung des kompletten Genoms von modernen Eisbären sowie durch weitere Analysen fossiler Proben erhärtet werden. Die bisher bekannten Daten über Bären (von denen hier nur ein sehr kleiner Ausschnitt angesprochen wurde) deuten stark darauf hin, dass es sich bei den Bären um einen Grundtyp (Scherer 1993) handeln könnte.

[Ingólfsson Ó & Wiig Ø (2009) Late Pleistocene fossil find in Svalbard: the oldest remains of a polar bear (Ursus maritimus Phipps, 1744) ever discovered. Polar Res. 28, 455-462; Lindqvist C, Schuster SC, Sun Y, Talbot SL, Qi J, Ratan A, Tomsho LP, Kasson L, Zeyl E, Aars J, Miller W, Ingólfsson Ó, Bachmann L & Wiigd Ø (2010) Complete mitochondrial genome of a Pleistocene jawbone unveils the origin of polar bear. Proc. Nat. Acad. Sci. USA; doi 10.1073/pnas. 0914266107; Scherer S (Hrsg.) (1993) Typen des Lebens. Studium Integrale, Berlin.]

Clostridien, Bakterien der Familie Clostridiaceae, sind berühmt wegen ihrer vielfältigen biochemischen Fähigkeiten, die in der Biotechnologie bereits zahlreiche Anwendungen finden. Darüber hinaus sind einige Vertreter aber auch berüchtigt z. B. als Produzenten hochwirksamer Neurotoxine (Nervengifte) wie Botulinum (C. botulinum) oder Tetanustoxin (C. tetani). Typischerweise leben sie obligat anaerob (d. h. existieren unter strikter Abwesenheit von Sauerstoff) in verschiedenen Lebensräumen, wie z. B. im Magen-Darm-Trakt oder im Ackerboden.

Von einer Reihe von Vertretern von Clostridien wurden Genomsequenzierungen vorgenommen (z. B. C. kluyveri, C. cellulolyticum). Bisher wurden von Clostridien keine sekundären Stoffwechselprodukte (Sekundärmetaboliten) beschrieben, also chemische Stoffe, die nicht direkt mit dem Energiestoffwechsel, dem Abbau von Nährstoffen (Katabolismus) oder Aufbau von zelleigenen Substanzen (Anabolismus) in Verbindung stehen. Bioinformatische Analysen („datamining“) der verfügbaren Genome liefern allerdings Hinweise auf die enzymatische Ausstattung von Clostridien, die Biosynthesen von Sekundärmetaboliten ermöglichen würde.

Abb. 1: Closthioamid – aufgrund von Untersuchungen mit verschiedenen spektrokopischer Methoden wurde diese Struktur ermittelt.

Hertweck und seine Mitarbeiter ließen sich nun von der Idee leiten, dass die potentiellen Möglichkeiten von Clostridien unter Laborbedingungen gar nicht abgerufen werden, dass zu deren Aktivierung vielmehr bestimmte Reize vorhanden sein müssen. Jetzt beschreiben Lincke et al. (2010) das erste sekundäre Stoffwechselprodukt von Clostridien, ein Antibiotikum mit überraschender Struktur. Die Autoren wählten als Untersuchungsobjekt C. cellulolyticum, einen Clostridien-Stamm, der bereits gut untersucht ist und aufgrund seiner Fähigkeit, kristalline Zellulose zu hydrolysieren, biotechnologisch angewendet wird. Bei ersten Versuchen, durch Zugabe von verschiedenen Chemikalien oder Anwendung von Stressfaktoren konnten sie keine Sekundärmetaboliten nachweisen. Erst nach Zugabe von wässrigen Extrakten aus kompostiertem Gras fanden sich in den Chromatogrammen (RP-HPLC) auffallende unbekannte Signale, die auch durch andere Kompostzugaben initiiert werden konnten. Kontrollexperimente zeigten, dass die neuen Stoffe nicht durch die Kompostzugaben eingeschleppt worden waren, sondern dass deren Biosynthese durch die Zusätze angeregt worden war. Durch eine Vielzahl spektroskopischer Untersuchungen konnte für Closthioamid (1) die in Abb. 1 wiedergegebene (symmetrische Thiamid-) Struktur gesichert und nachgewiesen werden.

In Standard-Tests für Antibiotika stellte sich überraschenderweise die bisher unbekannte Verbindung als hochwirksames Antibiotikum heraus (minimale inhibitorische Konzentration: 0,4 µg mL^–1).

Dieser Befund zeigt, dass Mikroorganismen – auch solche, die ausführlich beschrieben und gut bekannt sind – sehr viel mehr verborgene Fähigkeiten besitzen könnten, also sehr viel reichhaltiger ausgestattet sind, als aufgrund bisheriger Erfahrungen zu vermuten war. In diesem Fall wurde einer neuen Idee Raum gegeben und in Studien verfolgt, mit ganz überraschendem Resultat. Diese Erfahrung sollte Mut machen neue, auch unorthodoxe Fragen zu stellen und ihnen nachzugehen. Hier könnten sonst Restriktionen sehr schnell Erkenntnisse verhindern.

Spannend ist in dem hier vorgestellten Beispiel auch der Aspekt, dass Mikroorganismen eine sehr viel reichhaltigere Ausstattung pflegen, als sie für ihr Überleben – zumindest in den Laborkulturen – benötigen. Könnte es sein, dass hier eine Tür zu ganz neuen Überraschungen entdeckt worden ist?

[Lincke T, Behnken S, Ishida K, Rot M & Hertweck C (2010) Clostioamide: An unprecedented polythioamide antibiotic from the strictly anaerobic bacterium Clostridium cellulolyticum. Angew. Chem. 122, 2055-2057; Angew. Chem. Int. Ed. 49, 2011-2013.]

Wer kennt sie nicht, die Drosophila melanogaster, als Taufliege, Obstfliege oder Essigfliege bekannt. Man trifft sie nicht nur in jedem Haushalt, sondern das wenige Millimeter große Tier ist auch seit etwa hundert Jahren in den Labors der Biologen zuhause; mit ihm wurden unzählige Experimente durchgeführt. Eine interessante Studie zu den genetischen Grundlagen der Muskeln und ihrer Funktion veröffentlichte kürzlich eine Arbeitsgruppe um Frank Schnorrer vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried.

Mit Hilfe einer speziellen Methode, der sogenannten RNAi-Technik (RNA-Interferenz; vgl. http://en.wikipedia.org/wiki/RNAi), hatten die Forscher systematisch alle 12.000 Gene der Taufliege analysiert. Die Gene wurden mit dieser Technik nach und nach einzeln ausgeschaltet und die Folgen für das Flugverhalten untersucht (Schnorrer et al. 2010). Es zeigte sich, dass 2.785 Gene für die Muskelentwicklung und Muskelfunktion benötigt werden. Viele Gene konnten bestimmten Funktionen im Aufbau der Muskeln, der Muskelfibrillen oder der Sarkomere (die kleinsten funktionellen Einheiten der Muskelfibrillen) zugeordnet werden. Die Forscher untersuchten zusätzlich zur RNAi-Technik auch Genmutationen, die zu Muskeldefekten führen. Da viele der bei Drosophila nachgewiesenen Gene auch beim Menschen vorkommen und dort wahrscheinlich ebenfalls für eine normale Muskelfunktion benötigt werden, könnte die Studie auch Bedeutung für das Verständnis der Genfunktionen der Muskulatur von Wirbeltieren haben und Einsichten für die Behandlung von Muskelerkrankungen ermöglichen.

„Ein Teil der entdeckten Gene wird in allen Muskeln gebraucht, ein anderer Teil nur in den sehr schnellen, sehr kraftvollen Flugmuskeln“, wird Schnorrer bei Spiegel online zitiert. Die Flugmuskeln der Insekten gehören zu den kräftigsten Muskeln im Tierreich: „Sie können bis zu 100 Watt pro Kilogramm Muskelmasse erzeugen und das über einen langen Zeitraum. Davon können Bodybuilder oder Tour-de-France-Fahrer nur träumen.“ Diese schaffen dauerhaft etwa 30 Watt pro Kilogramm Muskelmasse (http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,682813,00.html).

Die Untersuchungen über die Muskelgene bei der Taufliege sind aber auch von grundsätzlicher Bedeutung, wenn es darum geht, evolutionäre Hypothesen zu entwickeln. Angesichts des auch hier wieder bestätigten Befundes, dass dieselben Gene bei sehr verschiedenen Tiergruppen Verwendung finden (hier bei Gliederfüßern und Wirbeltieren), wurde auch hier vorgeschlagen, dass vorhandene Gene in neue Zusammenhänge eingeflickt worden sind und dass auf diese Weise durch „Neuprogrammierung“ auch neue Konstruktionen entstehen könnten. (Dies geht so weit, dass behauptet wird, sehr wenige Mutationen in Regulationsgenen wären z. B. für die Entstehung des Fledermausflügels verantwortlich oder die Verschaltung von Modulen würde die Entstehung des Insektenflügels erleichtern; Niwa et al. 2010.) Angesichts der großen Anzahl der für die (Flug-)Muskulatur benötigten Gene erweisen sich solche einfachen Vorstellungen als vollkommen unrealistisch. Denn ein (hypothetisches) Neuverschalten vorhandener Gene oder Entwicklungsmodule erfordert vielseitige Abstimmungen innerhalb der jeweiligen Vorkonstruktion. Ohne deren Kenntnis können Aussagen, die über sehr allgemeine Hypothesen zur Evolution hinausgehen, gar nicht gemacht werden.

Der Befund, dass über 20% der etwa 12.000 Drosophila-Gene alleine für die Funktionen der Muskulatur benötigt werden, kann auch als Hinweis darauf gewertet werden, dass die Gene mehrfach in verschiedenen Zusammenhängen genutzt werden (man spricht von pleiotropen Genen, vgl. Piatigorsky 2007, xiii: „My original idea was to provide an extensive list of multifunctional proteins. I soon realized the futility of that approach: I would have to include most, if not all, proteins!“). Die damit einhergehende Vernetzung muss in evolutionären Hypothesen ebenfalls berücksichtigt werden und lässt die Vorstellung, wenige Mutationen könnten weitreichende konstruktive Änderungen mit positiven Eigenschaften ermöglichen, noch unglaubwürdiger erscheinen.

[Niwa N et al. (2010) Evolutionary origin of the insect wing via integration of two developmental modules. Evolution & Development 12, 168-176; Piatigorsky J (2007) Gene sharing and evolution. The diversity of protein functions. Cambridge, Mass. and London; Schnorrer F, Schönbauer C, Langer CCH, Dietzl G, Novatchkova M, Schernhuber K, Fellner, Anna Azaryan M, Radolf M, Stark A, Keleman K & Dickson BJ (2010) Systematic genetic analysis of muscle morphogenesis and function in Drosophila. Nature 464, 287-291. Abstract unter http://www.nature.com/nature/journal/v464/n7286/abs/nature08799.html]