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Video: Triumph des Lebens - Das Geheimnis der Evolution

Max-Planck-Forscher messen erstmals, wie schnell sich das Erbgut verändert. Ihre Erkenntnisse erklären zum Beispiel, warum Unkrautvernichtungsmittel oft innerhalb weniger Jahre ihre Wirkung verlieren.

Mutationen sind das Rohmaterial der Evolution. Schon Charles Darwin hatte erkannt, dass Evolution nur funktionieren kann, wenn es vererbbare Unterschiede zwischen Individuen gibt: Wer besser an die Umwelt angepasst ist, hat größere Chancen, seine Gene weiterzugeben. Eine Art kann sich daher nur weiterentwickeln, wenn sich das Erbgut permanent durch neue Mutationen verändert und die jeweils vorteilhaftesten Veränderungen in der Selektion bestehen. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen haben nun erstmals direkt die Geschwindigkeit des Mutationsprozesses in Pflanzen gemessen. Ihre Erkenntnisse werfen ein neues Licht auf einen grundlegenden Vorgang der Evolution und erklären zum Beispiel, warum Unkrautvernichtungsmittel oft innerhalb weniger Jahre ihre Wirkung verlieren. (Science, 1. Januar 2010)

“Während die langfristigen Auswirkungen von Erbgutmutationen auf die Evolution gut verstanden sind, war bislang weitgehend unbekannt, wie schnell solche Veränderungen auftreten”, erläutert Studienleiter Detlef Weigel, Direktor am Max-Planck-Institut in Tübingen. So ist es gängige Praxis, das Erbgut verwandter Tier- und Pflanzenarten zu vergleichen. Mutationen aber, die in den Jahrmillionen seit der Trennung dieser Arten wieder verlorengegangen sind, bleiben dabei unberücksichtigt. Weigel und seine Mitarbeiter interessierten sich nun dafür, wie die Handschrift der Evolution aussieht, bevor die Selektion eingreift. Hierfür verfolgten sie die genetische Entwicklung von fünf Linien der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana über 30 Generationen hinweg. Im Erbgut der letzten Generation untersuchten sie dann, welche Unterschiede sich im Vergleich mit den Ausgangspflanzen ergeben hatten.

Wie der aufwändige Vergleich des gesamten Genoms ergab, waren in nur wenigen Jahren in jeder der fünf Linien im Durchschnitt 20 einzelne DNA-Bausteine - so genannte Basenpaare - verändert worden. “Die Wahrscheinlichkeit, mit der ein beliebiger Buchstabe des Genoms innerhalb einer Generation verändert wird, liegt demnach bei rund sieben Milliardsteln”, rechnet Detlef Weigel vor. Anders ausgedrückt, hat ein Keimling im Durchschnitt knapp eine Neumutation in jeder der beiden Erbgutkopien, die er jeweils von der mütterlichen und väterlichen Seite mitbekommen hat. Diese winzigen Veränderungen im rund 120 Millionen Basenpaare umfassenden Genom von Arabidopsis zu finden, vergleicht Weigel mit der sprichwörtlichen Suche nach der Nadel im Heuhaufen: “Die Mutationen aufzuspüren, war nur mithilfe neuer Methoden möglich, mit denen sich das komplette Erbgut einer Pflanze in kurzer Zeit erfassen lässt”. Dennoch war der Aufwand für die Experimente gewaltig: Um echte Neumutationen zuverlässig von Experimentierfehlern unterscheiden zu können, buchstabierten die Wissenschaftler jedes untersuchte Genom 30-mal vollständig durch.

Hohe Variabilität des Genoms

Angesichts der Genomgröße mag die Zahl der Neumutationen zunächst sehr gering erscheinen. Berücksichtigt man jedoch, dass dieser Prozess bei allen Individuen einer Art parallel abläuft, dann erweist sich das genetische Material insgesamt als erstaunlich plastisch: In nur 60 Millionen Arabidopsis-Individuen ist jede Position des Genoms im Durchschnitt einmal mutiert. Für eine Art, die Tausende von Samen in jeder Generation produziert, wahrlich keine große Anzahl von Pflänzchen.

Neben der Geschwindigkeit, mit der Neumutationen auftreten, wirft die Tübinger Studie ein neues Licht auf deren Verteilung im Genom. So stellten die Wissenschaftler fest, dass nicht alle möglichen Mutationsklassen gleichmäßig auftreten. Bei vier verschiedenen Arten von Basenpaaren im Genom gibt es sechs Möglichkeiten der Veränderungen - aber eine dieser sechs ist für die Hälfte aller Mutationen verantwortlich. Auch lässt sich nun genauer kalkulieren, wann sich die Entwicklungslinien verschiedener Arten voneinander getrennt haben - gut möglich daher, dass Stammbäume an neue zeitliche Maßstäbe angepasst werden müssen. Detlef Weigel geht anhand der neuen Daten etwa davon aus, dass Arabidopsis thaliana sich von ihrer Schwesterart Arabidopsis lyrata, die in vielen Merkmalen sehr unterschiedlich ist, nicht wie bisher angenommen erst vor fünf Millionen, sondern bereits vor 20 Millionen Jahren getrennt hat. Entsprechende Untersuchungen an anderen Arten könnten ebenfalls Neujustierungen nötig machen - etwa bei der Frage, zu welchem Zeitpunkt in der Ur- und Frühgeschichte verschiedene Haustiere und Ackerpflanzen domestiziert wurden.

Hohe Mutationsrate fördert Resistenzen gegen Herbizide

Auch für die Pflanzenzüchtung ergeben sich neue und Erfolg versprechende Gedankenexperimente. Bei genügend großen Populationen kann davon ausgegangen werden, dass nahezu jede mögliche Mutation im Verlauf einer oder weniger Generationen realisiert wird. Das bedeutet, dass spontan auftretende Mutationen, die den Ertrag steigern oder Pflanzen gegen Dürre unempfindlich machen, vermutlich gar nicht so selten sind, auch wenn das Auffinden geeigneter Veränderungen immer noch sehr aufwändig bleibt. Auf der anderen Seite treffen Herbizide, die auf große Flächen ausgebracht werden, auf eine umfangreiche Population von Unkräutern. Da deren Erbgut mit großer Wahrscheinlichkeit ähnlich wandlungsfreudig ist wie das der Ackerschmalwand, verwundert es nicht, dass Herbizidresistenzen innerhalb von wenigen Jahren auftauchen. “Dieser Effekt ist auch deshalb besonders deutlich ausgeprägt, weil Herbizide oft nur die Funktion eines einzelnen Gens beeinträchtigen”, sagt Detlef Weigel. Ein Ausweg wäre die Suche nach Herbiziden, die auf mehrere Gene wirken.

Die Tübinger Biologen gehen davon aus, dass auch das menschliche Genom einer ähnlich schnellen Veränderung unterworfen ist. “Wenn man unsere Ergebnisse auf den Menschen überträgt, dann finden von einer Generation zur nächsten durchschnittlich 60 Basenaustausche statt”, rechnet Weigel vor. Bei mehr als sechs Milliarden Menschen, die derzeit auf der Erde leben, bedeutet das, rein statistisch betrachtet, dass es für jede Stelle des Erbguts Dutzende von Erdbewohnern gibt, bei denen diese Position mutiert ist. “Alles, was genetisch möglich ist, wird demnach innerhalb recht kurzer Zeit durchgetestet”, resümiert Detlef Weigel und beschreibt damit einen völlig neuen Blick auf die Evolution, der man sonst eher ein Arbeitstempo zuschreibt, das sich in Jahrtausenden oder gar Jahrmillionen bemisst.

Originalpublikation
The rate and molecular spectrum of spontaneous mutations in Arabidopsis thaliana. Science, 1. Januar 2010. (Quelle: idw)

Die synthetische Biologie ist ein junger Forschungszweig, der sich anschickt, in einer Art zweiter Schöpfung nach vier Milliarden Jahren ein künstliches Lebewesen aus der Retorte zu erschaffen. Forscher wie Tom Knight, Drew Endy und Randy Rettberg (MIT Cambridge, USA) entwerfen nach dem Legoprinzip zunächst modulare biologische Bausteine die sogenannten »BioBricks«. Diese Biobricks erfüllen definierte biologische Aufgaben, analog den elektronischen Schaltkreisen, wie sie in Mikroprozessoren (Computer) zu finden sind.

Biobricks befinden sich in der experimentellen Phase und werden bereits in die »Baupläne des Lebens« von Bakterien eingebaut. In ersten Erfolgen hat die kalifornische Firma LS9 das Darmbakterium Escherichia coli reprogrammiert. Nun erzeugt das Bakterium Biosprit aus Mais-Sirup und Zuckerrohr.

Als Bauplan des Lebens oder DNA bezeichnet man ein in allen Lebewesen vorkommendes Biomolekül, welches die komplette Erbinformation (Genom) trägt. DNA besteht aus zwei parallelen Strängen, die einander schraubenartig umlaufen (Doppelhelix). Die Stränge sind durch Sprossen miteinander verbunden. So eine Sprosse wird als Basenpaar bezeichnet, weil sie aus zwei sich ergänzenden Basen und einer Wasserstoffbrücke gebildet wird. Chemisch gesehen handelt es sich bei der Base um ein Nukleotid, welches zu den vier Gruppen der Biomoleküle gehört. Ein Basenpaar stellt die unterste Informationseinheit der DNA dar und entspricht zwei Bit herkömmlicher Information. Die Abschnitte der DNA, welche die Information über die einzelnen Erbanlagen enthalten, werden Gene genannt. Bei Katzen kann beispielsweise ein Gen das Merkmal kurzer oder langer Schwanz bedeuten, ein anderes Gen braunes oder weißes Haar. Menschen besitzen ca. 25.000 Gene mit 3 Billionen Basenpaaren, ein Bakterium 500 bis 7000 Gene mit 1 – 10 Millionen Basenpaaren.

Video: Craig Venter (in englisch)

Schöpfung oder bekanntes Verfahren?

Einer, dem es kürzlich gelungen ist, das komplette Erbgut eines Bakteriums im Labor synthetisch herzustellen und zusammenzusetzen, ist der US-amerikanische Biochemiker Craig Venter. Venter hatte sich bereits früher einen Namen gemacht, als er im Jahr 2000 das menschliche Genom entschlüsselte. Auch wenn die Synthese von DNA unter den Forschern als allseits bekanntes Verfahren gilt, ist das von Venter erzeugte synthetische Genom mit rund 500.000 Basenpaaren nach seinen Angaben zwanzig Mal größer als alles, was man bisher zusammenhängend produziert hat.

Im nächsten Schritt will Venter das synthetische Genom in eine lebende Bakterienzelle einschleusen. In dieser soll es anstelle des natürlichen Genoms die Kontrolle übernehmen. Dadurch würde er nach seiner Ansicht einen neuen künstlich hergestellten Organismus schaffen. Das wäre ein Durchbruch gegenüber der herkömmlichen Gentechnologie, die nur einzelne Gene verändern kann, aber nicht ganze Gen-Systeme.

Komplette biologische Systeme nach Maß

Noch einen Schritt weiter geht das Zusammenstellen kompletter biologischer Systeme aus Biobricks nach Maß. Die Forscher am Massachusetts Institute for Technology (MIT) haben, um das Ziel zu erreichen, schon mehr als zweitausend Biobricks in einer Datenbank gesammelt. Wie Elektroingenieure ein Schaltbild aus elektronischen Komponenten am Reißbrett zeichnen, wollen die MIT-Zellingenieure nun aus den Genabschnitten der Biobricks komplette Gen-Systeme zusammenstellen. Das so entworfene Genom wird nach Plan produziert und anschließend sollen leere Zellhüllen mit dem künstlichen Erbgut bestückt werden. Das auf diese Weise künstlich geschaffene »Lebewesen« soll dann die geplanten Substanzen produzieren, beispielsweise Biokraftstoffe, Medikamente oder Biokunststoffe.

Kritiker wie Professor André Rosenthal sind allerdings der Ansicht, dass man von der Schaffung künstlichen Lebens noch Jahrhunderte entfernt ist. Rosenthal ist Leiter der Signature Diagnostics AG in Potsdam, die Gen-Tests zur Krebs-Früherkennung erstellt. Auch wenn das Genom synthetisiert werden kann, ist doch die Hülle der Zelle nicht künstlich hergestellt und das ist für ihn entscheidend. Nach seiner Meinung wäre Craig Venters Arbeit nur interessant, wenn er eine künstliche Zelle mit den entsprechenden Zellorganellen im Reagenzglas erzeugen könnte. Wie die Zeitschrift »Bild der Wissenschaft« in ihrer Ausgabe 3/2009 berichtet, gibt es aber bereits Ansätze zur Erschaffung einer kompletten funktionstüchtigen Zelle einschließlich Hülle, wenn auch noch ein langer Weg vor den Forschern liegt. - Klaus-Dieter Sedlacek

Der Autor ist Verfasser des Buchs »Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen«. In dem Buch wird unter anderem der Zusammenhang zwischen den fundamentalen Bausteinen der Welt und Bewusstsein aufgedeckt.

Video: Gedaechtnis Giganten

»Solange wir das Savant-Syndrom nicht erklären können, können wir uns selbst nicht erklären«, meint Professor Darold Treffert, Chef der psychiatrischen Abteilung am St. Agnes Hospital in Fond du Lac (Wisconsin). Er ist seit mehr als 40 Jahren damit beschäftigt, inselbegabte Menschen, wie die Savants auch genannt werden, zu untersuchen. Inselbegabte sind oft behindert und hilfsbedürftig, verblüffen aber mit einem unglaublichen Gedächtnis, phänomenalen Rechenleistungen oder genialen künstlerischen Werken. Erklärungsversuche für Inselbegabung und Bewusstsein gibt es, aber können sie auch überzeugen?

Einer der alle anderen Inselbegabten übertrifft, ist Kim Peek. Schätzungsweise zwei Millionen Menschen haben ihn bei seinen öffentlichen Auftritten an Universitäten bestaunt. Kim hat sich den Inhalt von 7600 Sachbüchern Wort für Wort gemerkt. Dazu kennt er Detailinformationen ganzer Regionen: alle Städte, alle Straßen, alle Fahrpläne, dazu jeden Namen mit Adresse und Telefonnummer aus allen Telefonbüchern, die ihm jemals in die Hände gekommen sind. Nur mit Romanen fängt er nichts an. Dagegen ist für ihn die Wiedergabe der Baseball-Ergebnisse der letzten 40 Jahre und der Daten der meisten klassischen Musikstücke, wie Erstaufführung, Komponist oder Geburtsort des Komponisten eine leichte Übung. Aber wenn Kim sich selbst anziehen soll oder die Schuhe zubinden, dann scheitert er.

Kims Kopf ist von Geburt um ein Drittel größer, als der normaler Menschen. Eine enzephalografische Untersuchung zeigt aber in der Mitte seines Gehirns eine gähnende Leere. Ihm fehlt die Verbindung beider Hirnhälften und sein Kleinhirn ist verkümmert. Dagegen ist seine Leistung beim »Scannen« von Büchern, wie er es nennt, mehr als olympiareif. Er zieht beispielsweise die Telefonbücher ganz nah an seinen Augen vorbei. Die linke Seite am linken, die rechte am rechten Auge. So schafft er es, acht Seiten in 53 Sekunden zu scannen. Das sind weniger als 7 Sekunden pro Seite und ist damit schneller als der Scanner am heimischen PC. Wenn man glaubt, so schnell kann sich kein Mensch den Seiteninhalt merken, täuscht man sich. Kim kann es und er vergisst fast nichts.

»Kein Modell über Gehirnfunktionen ist komplett, bevor es nicht Kim mit einbezieht«, sagt Professor Treffert. Aber wie kann man die Leistungen der Inselbegabten erklären? Der Prozess der Signalübertragung im Gehirn funktioniert mithilfe von Nervenzellen. Diese nutzen eine Kombination aus elektrischen und chemischen Signalen, um miteinander zu kommunizieren. Wenn eine Zelle ihre elektrische Spannung ändert, führt das zur Freisetzung chemischer Botenstoffe. Diese wirken auf die nachfolgende Zelle ein. Daraufhin reagiert die nachfolgende Zelle ebenfalls mit einer Spannungsänderung und Freisetzung von Botenstoffen. Durch die Nutzung der chemischen Botenstoffe ist das ein schneckengleicher Prozess und nicht zu vergleichen mit der Hochgeschwindigkeit der Prozessoren heutiger Heimcomputer.

Den meisten Inselbegabten scheint eine gewisse Schädigung der linken Gehirnhälfte gemeinsam zu sein. Möglicherweise gibt es deshalb eine Überkompensation durch die rechte Gehirnhälfte, die für künstlerische, visuelle Fähigkeiten und konkrete Fakten zuständig ist. Was eine Überkompensation aber nicht zu erklären vermag, ist die hohe Geschwindigkeit der Gedächtnisleistungen eines Kim Peek. Und wenn man schon eine vollständige Erklärung für die Gehirnfunktion haben will, dann kann man das Bewusstsein nicht außen vor lassen. Denn eines scheint sicher: Ohne Bewusstsein wäre keine der Geistesleistungen der Inselbegabten möglich.

Als interdisziplinäre Arbeitsrichtung von Biologie und der Physik gehört es zum Aufgabenbereich der Quantenbiologie, geeignete quantenmechanische Erklärungsmodelle für die Gehirnfunktionen und Bewusstsein zu finden. Zu den bisherigen Erfolgen der Quantenbiologie zählt die Erklärung des Sehprozesses. Danach ist Sehen ein rein quantenmechanischer Prozess. Die Lichtteilchen (Photonen), die ins Auge fallen, werden von den zahlreichen Elektronen innerhalb der Netzhaut absorbiert. Das löst eine biochemische Kettenreaktion aus, die am Ende zu einem elektrischen Signal führt, welches im Gehirn weiterverarbeitet wird.

Was für die Erklärung des Sehprozesses vollbracht wurde, ist für die Beschreibung der Gehirnfunktion erst ansatzweise in Sicht. Zu sehr haben sich klassische Erklärungsmodelle ohne Quantenmechanik in den Köpfen der Forscher festgesetzt, als dass von heute auf morgen eine Änderung möglich wäre. Lieber werden unerklärliche Messwerte als sogenannte Messfehler in Kauf genommen, als dass vom klassischen Modell abgewichen wird. Ein Beispiel für eine klassische, aber falsche Erklärung ist das, was in dtv-Lexikon der Physik aus dem Jahre 1970 über die Elektrolyse (z. B. Wasserspaltung) steht: » [...] Die Stromleitung innerhalb des Elektrolyten besteht in der Wanderung der positiven und negativen Ionen, die unter dem Einfluss des elektrischen Feldes zu den Elektroden gelangen [...]«

Wenn alle Ionen, d. h. also elektrisch geladene Atome oder Moleküle sich tatsächlich einen Weg durch den flüssigen Elektrolyten bahnen müssten, wäre die hohe Effizienz des Vorgangs nicht zu erklären. Zumindest bei der Wasserspaltung stimmt die klassische Erklärung nicht, wie Jan Sperling in seiner Dissertation 1999 an der Freien Universität Berlin nachwies: »Es besteht keine Möglichkeit, die anomalen Abweichungen der Messwerte [...] klassisch widerspruchslos zu erklären. Dagegen ist, unter Einbeziehung von Quantenkorrelation [...] ein direkter Zusammenhang [...] ableitbar.«

Ist aber die Quantenmechanik und Quantenbiologie einschließlich ihrer unerklärlichen ’spukhaften Fernwirkung’, wie Albert Einstein die Quantenkorrelation bezeichnete, tatsächlich die letzte Erklärungsebene für Gehirnfunktionen und Bewusstsein, so wie im 19. Jahrhundert die angeblich unteilbaren Atome eine letzte Erklärungsebene für die physikalische Welt waren? Quantenmechanik ist in Wirklichkeit nur ein abstrakter mathematischer Formalismus, wenn auch dessen Vorhersagen beeindruckend gut bestätigt werden. Aber möchte man einem Formalismus tatsächlich den Status der letzten physikalischen Erklärungsebene zugestehen? Der Autor und Verfasser des Sachbuchs Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen beantwortet die Frage, indem er eine weitere Erklärungsebene hinzufügt. Für ihn sind es Bewusstseinseinheiten, welche die letzte physikalische Erklärungsebene darstellen: »Bewusstsein ist der fundamentale Baustein von allem was existiert«. Auf der Basis dieser Bewusstseinseinheiten beschreibt er das ‘wahre Gesicht der Wirklichkeit’. So kommt man zu dem Schluss, dass die Quantenbiologie zwar die richtige wissenschaftliche Disziplin ist, um ein komplettes Modell der Gehirnfunktionen und des Bewusstseins zu liefern, dass dieses Modell aber noch einer weiteren physikalischen Erklärungsebene bedarf, wenn man sich nicht mit einem rein mathematischen Formalismus als Erklärung zufriedengeben möchte.

Video: Max Planck - ein Porträt

Als Max Planck vor 100 Jahren mit einem Vortrag vor der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Berlin den Grundstein zur Quantentheorie legte, brachte er damit eine tiefgreifende Umwälzung des physikalischen Weltbilds in Gang. Hatten die Wissenschaftler bis dahin geglaubt, die Natur gleiche einem überdimensionalen Uhrwerk mit vorhersehbaren Abläufen, so wurden sie im Zuge der quantenmechanischen Revolution mit der Entdeckung des Zufalls konfrontiert.
Die Erkenntnis, dass es zum Beispiel für den Zeitpunkt des Zerfalls eines radioaktiven Atoms keinerlei Ursache gibt, war für die Physiker zu Beginn des 20. Jahrhunderts keineswegs erfreulich. Die sogenannte deterministische, klassische Physik hatte es ihnen ermöglicht, die Natur zu verstehen und Ereignisse wie Springfluten oder Mondfinsternisse vorherzusagen. Das gab ihnen über viele Jahrhunderte ein Gefühl von Sicherheit und Macht. Das Ende des Determinismus, der Vorhersagbarkeit, war daher nur schwer zu akzeptieren.
Dabei hatten statistische Theorien, die lediglich Aussagen über die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses machen, die Physiker in früheren Zeiten nicht beunruhigt. Man wusste, hochkomplexe Systeme wie Gase ließen sich nur über statistische Aussagen in den Griff bekommen. Denn es ist einfach unmöglich, die Orte und Geschwindigkeiten aller Teilchen eines Gases zu kennen. Würde aber ein „Superhirn” existieren, das über sämtliche nach dem Urknall entstandenen Teilchen Bescheid wüsste, dann müsste es den Lauf der Welt vorausberechnen können - so die damalige Meinung. Nun stellte sich heraus, dass dem Zufall in der Quantentheorie mit dieser Art von Allwissenheit nicht beizukommen war. Die sogenannte Unbestimmtheitsrelation machte es grundsätzlich unmöglich, Ort und Geschwindigkeit eines Gasatoms zur gleichen Zeit exakt zu messen.
Die Quantentheorie brachte aber nicht nur den Zufall ins Spiel. Es stellte sich heraus, dass quantenmechanische Dinge ein merkwürdig schemenhaftes Dasein führen, das erst durch eine Messung, also den Eingriff eines Beobachters, in einen eindeutigen Zustand überführt wird. Der Zustand eines Elektrons ist ohne eine Messung, die uns diesen Zustand offenbart, nicht nur nicht bekannt, sondern einfach nicht definiert. Hieraus ergab sich die Notwendigkeit, über erkenntnistheoretische Fragen nachzudenken. Denn nachdem sicher war, dass es keine vom Beobachter losgelöste Realität gibt, stellte sich die zentrale Frage, was wir dann überhaupt über die Natur wissen können. Was treibt ein Elektron, wenn ihm keiner zusieht? Auf diese Frage gibt es schlichtweg keine Antwort.
Die Quantenmechanik ist die am besten überprüfte und bestätigte Theorie überhaupt. Gleichzeitig sind ihre möglichen Konsequenzen wie Zeitreisen, „geisterhafte Fernwirkungen” oder die Quanten- Teleportation mit unserem an der Alltagswelt geschulten Verstand kaum zu erfassen. Die Quantentheorie bildet die Grundlage der gesamten modernen Physik, denn erst durch sie wurde ein tieferes Verständnis der Materie möglich. Mit ihrer Hilfe können wir beispielsweise erklären, warum Atome stabil sind, wie ein Laser funktioniert und warum Metalle den Strom besser leiten als die meisten Kunststoffe. Und nicht nur für die Elektronik, Optik oder Nanotechnologie ist die Quantenphysik entscheidend - auch die Vorgänge in der Chemie und Molekularbiologie sind letztlich auf Quanteneffekte zurückzuführen. „Bei der Interpretation der Quantentheorie mag es Schwierigkeiten geben”, schreibt der britische Elementarteilchenphysiker Robert Gilmore, „aber sie funktioniert zweifellos aufs beste.”
(Quelle: Themenheft »Entdeckung des Zufalls«, BMBF, Dezember 2000)

Buchtipp:
Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen

Lebendes Fossil ist Auslaufmodell der Evolution!

Der “Tetraphalerus bruchi” aus Argentinien ist einer der altertümlichsten heute noch existierenden Käfer.
Foto: Rolf Beutel /FSU

(idw) Nach einem solchen Forschungsgegenstand muss man lange suchen: Die urtümlichen Käfer der Unterordnung “Archostemata” bekommen auch Experten nur äußerst selten in freier Natur zu Gesicht. Denn die wenigen heute noch existierenden Arten (ca. 40) leben - seit nunmehr rund 200 Millionen Jahren - im Verborgenen. Sie zwängen sich durch dunkle, enge Spalten unter der Rinde von Nadelbäumen und sind durchweg äußerst selten. Unter den rund 350.000 Käferarten fallen sie damit kaum ins Gewicht. “Es gibt Arten, von denen bislang lediglich ein einzelnes Exemplar gefunden wurde”, weiß Prof. Dr. Rolf Beutel von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. “Andere hat man bereits seit mehr als 30 Jahren nicht mehr gesehen”, so der Professor für Zoologie und Entomologie weiter.

Welche Rolle diese seltenen urtümlichen Insekten im Stammbaum der Käfer spielen, das hat ein Forscherteam um Prof. Beutel am Phyletischen Museum der Universität Jena nun erstmals systematisch analysiert und kürzlich in der Fachzeitschrift “Cladistics” publiziert. Ihre Studie haben die Entomologen im Rahmen des Forschungsprojektes “Beetle Tree of Life” (”Der Stammbaum der Käfer”) der Harvard University durchgeführt, an dem Beutels Gruppe als einziges europäisches Forscherteam beteiligt ist. Mittels der Mikro-Computertomographie haben sie die Anatomie der Archostemata genauestens unter die Lupe genommen.

“Mit dieser Methode lassen sich sowohl äußere, vor allem aber innere Strukturen, wie Muskeln oder das Innenskelett dreidimensional und hochaufgelöst abbilden”, erläutert Prof. Beutel. Untersucht wurde vor allem eine Art aus Argentinien (Tetraphalerus bruchi) und Micromallthus debilis, ein Käfer mit einem extrem komplizierten Lebenszyklus. Vergleichend wurden aber auch fossile Vertreter der urtümlichen Insekten in die Studie mit einbezogen.

Deren Ergebnis überrascht: “Im Grunde sind die Archostemata gar keine echte Gruppe”, so Prof. Beutel. “Vielmehr handelt es sich bei der Bezeichnung Archostemata um eine Art taxonomischen Mülleimer, in dem einfach alles gelandet ist, was altertümlich ist”, ergänzt Prof. Dr. Si-qin Ge von der chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking. Die Forscherin hatte 2007 als Post-Doc an der Jenaer Universität entscheidenden Anteil an den nun veröffentlichten Daten. Das bedeute, dass die Archostemata neu definiert werden müssen. Die ältesten bekannten Käfer aus dem Perm gehören nicht in diese Gruppe sondern in die Stammlinie der gesamten Käfer.

Allein die heute noch lebenden Vertreter stellen tatsächlich eine monophyletische Gruppe dar. “Sie weisen eine Reihe von gemeinsamen Schlüsselmerkmalen auf”, so Prof. Beutel. Charakteristisch sind die noch nicht vollständig sklerotisierten Vorderflügel, die im Gegensatz zu allen übrigen Käfern noch beim Flug eingesetzt werden. Auch die Ausstattung mit Muskeln ist wesentlich ursprünglicher als bei anderen Vertretern.

Dank des Vergleichs mit fossilen Vertretern konnten die Jenaer Insektenforscher auch die evolutiven Schritte rekonstruieren, die während der frühesten Verzweigungsereignisse innerhalb der Käfer stattgefunden haben. Ein entscheidender Schritt der von den besonders artenreichen Gruppen der “modernen” Käfer vollzogen wurde, war die enge Bindung an bedeckt-samige Pflanzen. Zusammen mit diesen sehr artenreichen Samenpflanzen haben sie während der Kreidezeit eine rasante evolutive Entfaltung durchlaufen. Heute sind die Käfer die artenreichste Insektengruppe überhaupt und stellen etwa ein Viertel aller bekannten Organismen. Dabei führen die Archostemata aber ein Schattendasein. “Heute kann man sie getrost als Auslaufmodell der Evolution bezeichnen”, so Prof. Beutel schmunzelnd. Es sei durchaus möglich, dass die meisten Arten bald völlig verschwunden sind oder die ganze Gruppe komplett ausstirbt.

Mit der Charakterisierung der Archostemata hat sich das Interesse der Insektenforscher von der Jenaer Universität jedoch noch lange nicht erschöpft. Derzeit kooperieren sie mit den chinesischen Kollegen um Prof. Ge in einem Projekt zur Untersuchung von Blattkäfern - einem weiteren Baustein zum kompletten “Beetle Tree of Life”.

Weitere Informationen:

http://www.uni-jena.de

WISSEN DER ZUKUNFT berichtet :

Algenschlick am blauen Waser, Foto: cwgoodroe

(Stuttgart/Kornwestheim) -(idw) Der Kornwestheimer Anlagenexporteur Hezinger GmbH will künftig weltweit als Lieferant für Photobioreaktoren zur Algenzucht auftreten, um - alternativ zur Verwendung von Weizen, Raps und Mais - die Gewinnung von Biodiesel aus dem Pflanzenöl der Algen voranzutreiben. In Zusammenarbeit mit renommierten Partnern wurde eine verfahrenstechnisch optimierte Reaktoranlage zur Massenzucht von Algen entwickelt, die die Kosten der Herstellung von Biodiesel erheblich reduzieren wird. Das Ende letzten Jahres gegründete Unternehmen Hezinger Algaetec GmbH soll das neue System im kommenden Herbst auf den Markt bringen.

“Unser Ziel ist es, die industrielle Zucht von Mikroalgen wesentlich günstiger zu gestalten, als das bisher möglich ist”, sagt Steffen Hezinger. Zwar könne man Algen mit derzeitigen Systemen wie Röhren- oder Flachplattenreaktoren züchten, allerdings noch nicht in den wirtschaftlich rentablen Mengen, wie man sie für die Biodieselherstellung benötigt. “Wenn ich 40 Fußballfelder mit Reaktoren voll stellen muss, ist so ein System einfach nicht effektiv zu betreiben, Wirtschaftlichkeit ist aber das A und O, wenn ich am Markt für Biodiesel langfristig Erfolg haben will.”

Auf der Suche nach einer effizienten Lösung setzt der Diplom-Kaufmann deshalb auf geballte Kompetenz in den Bereichen Anlagenbau, Design und Lichttechnik. Dafür holte er sich international renommierte und weltmarktführende Partner in den Bereichen Algenbiologie und Anlagenplanung mit ins Boot.

Das Resultat der Branchen übergreifenden Zusammenarbeit ist ein Photobioreaktor, mit dem sich Produktionsflächen nicht nur horizontal, sondern auch vertikal nutzen lassen. Der Kerngedanke ist, das Licht ins System und an die Alge zu bringen - statt umgekehrt. Die Idee sei zwar nicht wirklich neu, so Steffen Hezinger, entscheidend sei aber die verfahrenstechnische Optimierung. “Der Schlüsselfaktor ist die innovative Lichttechnik, die es möglich macht, einen Reaktor von sechs Metern Höhe und 30 Metern Innendurchmesser nahezu ohne Fremdenergie zu betreiben.”

Noch kann die Hezinger Algaetec GmbH zwar nicht mit genauen Zahlen aufwarten - doch der Prototypentest unter Serienbedingungen ist erfolgreich angelaufen; aussagefähige Ergebnisse sind ab Mitte des Jahres zu erwarten.