Was ist Evo Devo?

DEFINIEREN VON EVO DEVO

NOVA: Es gibt so viel Wirbel um Evo Devo. Was ist die Grundidee und warum ist es so aufregend?

Cliff Tabin: Evolutionsbiologie, oder „evo devo“, ist ein weit gefasster Begriff, der eine Menge Dinge umfasst. Und verschiedene Leute verwenden den Begriff etwas anders, und auch was ihn für sie interessant macht, ist von Wissenschaftler zu Wissenschaftler verschieden.

Für mich beginne ich mit einem Blick auf die Entwicklungsseite. Die Revolution in der Entwicklungsbiologie und die Revolution in den biologischen Wissenschaften insgesamt hat uns an einen Punkt gebracht, an dem wir anfangen zu verstehen, wie Gene einen Embryo so formen, wie er es tut, warum sich überhaupt ein Glied bildet und warum der Arm anders ist als das Bein, warum sich das Herz, das als Röhre in der Mitte beginnt, nach links und nicht nach rechts faltet. Wir fangen an, diese Art von wirklich grundlegenden Fragen zu verstehen, und das ist an sich schon erstaunlich.

Wir kommen auch an den Punkt, an dem wir nicht nur verstehen können, wie eine Gliedmaße entsteht, sondern auch, wie der Prozess auf wirklich subtile Weise verändert werden kann, so dass die Gliedmaße die Form eines Fledermausflügels oder einer menschlichen Hand oder einer Flosse annimmt. Und das ist für mich enorm spannend.

Der grundlegende Aspekt der Evo-Devo ist für mich also das Verständnis, wie die Entwicklung im Laufe der Evolution verändert wird.

Eine der wichtigsten Entdeckungen auf dem Gebiet der Evo-Devo ist, wie ähnlich unsere Gene denen aller anderen Tiere sind, richtig?

Ja. Eine der erstaunlichsten Überraschungen, die ich in meiner wissenschaftlichen Laufbahn erlebt habe, war die Erkenntnis, dass die Gene, die an der Entstehung so unterschiedlicher Tiere wie einer Fruchtfliege und eines Menschen beteiligt sind, im Grunde genommen dieselben Gene sind. Als wir vor 20 Jahren über solche Dinge nachdachten, musste man annehmen, dass die Gene für die Herstellung einer Fruchtfliege auch Anweisungen für Flügel enthalten würden, Gene, die wir nicht brauchen. Umgekehrt hätten wir Gene für die Herstellung menschlicher Gliedmaßen oder Herzen, die eine Fliege nie haben würde. Die verblüffende Erkenntnis war, dass in erster Näherung dieselben Gene in beiden vorhanden sind und in beiden verwendet werden.

Es ist der schönste Prozess, zu sehen, wie eine Organisation entsteht.

Nun, im Nachhinein, erkennen wir natürlich, dass Fliegen und Menschen beide Tiere sind. Wir hatten einen gemeinsamen Vorfahren. Vielleicht war es ein unscheinbares kleines wurmähnliches Ding, aber dieses kleine wurmähnliche Ding hatte bereits eine Reihe von Genen, die seinen Kopf von seinem Schwanz und seinen Darm von seinem Herzen unterschieden. Damit sich dieser Wurm zu einer Fliege oder schließlich zu einem Menschen entwickeln konnte, wurden diese Gene auf unterschiedliche Weise, in unterschiedlichen Kombinationen und zu unterschiedlichen Zeitpunkten eingesetzt.

Grundsätzlich war der genetische Werkzeugkasten, wie wir ihn nennen, bereits beim gemeinsamen Vorfahren vorhanden. Und dieser Satz von Genen war stark und vielseitig genug, um das Material für die verschiedenen Formen tierischen Lebens zu liefern, die wir heute auf der Erde sehen. Das war etwas, was niemand erwartet hatte, und es hat das Studium der verschiedenen Organismen sehr tiefgreifend gemacht. Das bedeutet, dass das, was man aus dem Studium der Entwicklung einer Fliege lernt, wirklich direkte Auswirkungen auf das Verständnis unserer eigenen Entwicklung hat, denn so unterschiedlich eine Fliege von einem Menschen auch ist und so lange es her ist, dass wir uns voneinander unterschieden haben, wir benutzen im Grunde die gleichen Gene, um das Gleiche zu tun – nämlich die Organisation in einem Embryo entstehen zu lassen.

Und Sie und andere Biologen haben es nicht kommen sehen.

Ich hätte alles darauf gesetzt, dass das nicht der Fall sein würde. Ich hätte gedacht, dass die Gene, die eine Fliege ausmachen, anders sind als die, die einen Menschen ausmachen. Ich hätte auch gedacht, dass es viel mehr fundamentale Gene innerhalb dieses Werkzeugkastens braucht, um einen Menschen zu machen. Ich hätte gedacht, dass die Gene, mit denen man die Bildung eines Herzens auslöst, völlig anders sind als die, die man für die Bildung eines Knochens braucht, die wiederum völlig anders sind als die, mit denen man die Vorderseite eines Embryos von der Rückseite eines Embryos unterscheidet, und so weiter.

Es stellt sich heraus, dass das gleiche Gen oder die gleichen Gene immer wieder verwendet werden, nur auf unterschiedliche Weise und in Kombination mit anderen Genen in einer Zelle. Und wir verwenden eine, wie ich finde, lächerlich kleine Anzahl von Genen.

Alles über den Embryo

Die Tatsache, dass wir alle einen gemeinsamen Satz von Genen haben, ist im Embryonalstadium leicht zu erkennen, nicht wahr? Sehr früh in ihrer Entwicklung sehen sich alle Tiere weitgehend ähnlich.

Ja. Eines der Dinge, die seit den 1800er Jahren diskutiert werden, ist, dass, wenn man sich Embryonen verschiedener Wirbeltiere anschaut – egal ob Fisch, Salamander, Frosch, Huhn, Maus oder Mensch -, sie in frühen Stadien sehr ähnlich aussehen. Sie durchlaufen sogar Stadien, in denen sie nahezu ununterscheidbar sind. Ein Fachmann, der sie unter dem Mikroskop genau betrachtet, kann natürlich fast von Anfang an Unterschiede feststellen. Aber die Ähnlichkeit in den frühen Stadien ist wirklich bemerkenswert.

Einer der Gründe, warum das so ist, liegt darin, dass die frühen Aspekte, wie das Anbringen der Beine an der richtigen Stelle, die Unterscheidung des Kopfes vom Körper, diese sehr frühen und sehr grundlegenden Dinge in einem bestimmten Maßstab stattfinden müssen, der durch den Bereich bestimmt wird, in dem Schlüsselmoleküle wirken können. Wenn wir also alle ungefähr gleich groß sind, ob Schweinswal, Mensch oder Affe, laufen die gleichen Prozesse ab. Danach werden dann die Unterschiede herausgearbeitet. In den frühen Stadien ist es also nicht nur ein Laie, der denkt, dass sie ähnlich aussehen; in grundlegender Hinsicht sind sie wirklich ähnlich.

Einer der großen Momente in der Geschichte der Evolution ist, als sich eine Flosse zum ersten Mal zu einer Gliedmaße entwickelte.

Es ist erstaunlich, einen Zeitraffer eines sich entwickelnden Embryos zu sehen, egal von welchem Tier. Sie müssen einen tollen Job haben.

Eines der großartigsten Dinge in meinem Bereich ist die Möglichkeit, die Entwicklung von Embryonen zu beobachten. Es ist der schönste Prozess, wenn man sieht, wie sich eine Organisation entwickelt, egal ob man sie in Zeitrafferaufnahmen oder unter dem Mikroskop betrachtet. Es ist atemberaubend schön, das zu beobachten, und der ganze Prozess selbst ist so grundlegend schön, dass die Ästhetik in Verbindung mit der Logik einfach überwältigend ist.

Schnabelentstehung

Warum haben Sie sich entschieden, die Schnabelentstehung bei Darwins Finken zu untersuchen?

Nun, mit dem technologischen Fortschritt und dem zunehmenden Wissen über die Entwicklung wurde es realistisch, zu versuchen zu verstehen, wie die Entwicklungsanweisungen angepasst wurden, um in der Natur Vielfalt zu erzeugen. Wir wollten uns nicht mit sehr unterschiedlichen Tieren befassen, denn dann gäbe es eine Menge Unterschiede zwischen ihnen, und es wäre zu schwierig, herauszufinden, was wirklich vor sich geht. Wir wollten uns Tiere ansehen, die sehr eng miteinander verwandt sind und im Idealfall nur eine einzige Struktur haben, die sich in einer sehr wichtigen Weise zwischen den Arten unterscheidet.

Darwins Finken auf den Galapagos-Inseln sind ein gutes Beispiel dafür. Es sind Vögel, die im Wesentlichen der gleiche Organismus sind, aber sie haben Schnäbel, die sehr unterschiedlich geformt sind. Diese Vielfalt in der Schnabelform hat es ihnen ermöglicht, sehr unterschiedliche Lebensweisen zu führen. Ein Schnabel ist eine grundlegend wichtige Struktur – er hat eine große ökologische Bedeutung – und diese verschiedenen Finkenarten waren vor einer Million Jahren nur eine einzige Vogelart. Das ist also ein Grund, warum Darwins Finken für uns sehr interessant waren.

Und was haben Sie herausgefunden?

Vor unserer Forschung war es möglich, dass völlig unterschiedliche Gene an der Herstellung von unterschiedlich geformten Schnäbeln beteiligt waren. Nach dem, was wir darüber wussten, wie Gene die Entwicklung steuern, hielten wir das nicht für wahrscheinlich, aber es war möglich. Was wir fanden, bestätigte das allgemeine Bild, das sich abzeichnete: Dieselben Gene sind an der Bildung eines scharfen, spitzen Schnabels oder eines großen, breiten, nussknackenden Schnabels beteiligt. Der Unterschied liegt darin, wie stark man ein Gen anschaltet, wann man es anschaltet und wann man es ausschaltet – die subtilen Unterschiede in der Regulierung. Bestimmte Gene sind für die Bildung eines Schnabels unerlässlich, aber es ist die Einstellung – die Menge des Gens, der Zeitpunkt des Gens, die Dauer des Gens -, die den Trick ausmacht.

EIN ARM UND EIN BEIN

Geht es bei der Bildung von Gliedmaßen genauso zu?

Ja, und an diesem Punkt verstehen wir auf sehr grundlegende Weise einen großen Teil der molekularen Regulierung, der Gene, die den Gliedmaßen sagen, wie sie sich bilden sollen. Wir verstehen, wie eine frühe Masse von Zellen Informationen erhält, die einer Gruppe sagen, dass sie zu einer bestimmten Struktur werden soll, und einer Gruppe, dass sie zu einer anderen werden soll. Wir verstehen, wie Gewebe beginnt, einen Knochen zu bilden und nicht etwa eine Sehne. In einer sehr grundlegenden Weise kennen wir jetzt die Gene, die dafür verantwortlich sind, dass eine Gliedmaße so wird, wie sie ist.

Sie machen zum Beispiel einen Arm im Gegensatz zu einem Bein?

Richtig. Wie ich bereits sagte, wird die grundlegende Struktur eines Gliedes, die wir zum Beispiel in unserem Arm sehen, mit einigen Variationen in verschiedenen Tieren rekapituliert, um als Flügel oder als Flosse zu dienen. Aber auch in unserem eigenen Körper gibt es Variationen in der Struktur eines Gliedes. Ein Arm und ein Bein sind grundsätzlich ähnliche Strukturen – von der Schulter oder der Hüfte bis zu den Fingern oder Zehen gibt es zum Beispiel einen einzelnen Knochen im oberen Glied, gefolgt von zwei Knochen im unteren Glied und dann vielen Knochen, die die fünf Ziffern bilden. Die vordere und die hintere Gliedmaße sind nach dem gleichen Bauplan aufgebaut.

Ich glaube nicht, dass man sich Natursendungen ansehen muss, um von der Vielfalt des Lebens auf der Erde überwältigt zu sein.

Wir wissen jetzt, dass es bestimmte Gene gibt, die in der hinteren Gliedmaße, im Bein, aktiviert sind, die in der vorderen Gliedmaße, dem Arm, nicht aktiviert sind. Wenn sie eingeschaltet sind, bekommt die frühe Gliedmaßen-Knospe eher den Charakter eines Beins. Es gibt andere Gene, die nur in der Vordergliedmaße oder dem Arm in den frühen Stadien der Gliedmaßenknospe vorhanden sind. Der Unterschied zwischen einem Arm und einem Bein lässt sich also im Wesentlichen auf Unterschiede in den Genen innerhalb der frühen Gliedmaßenknospe zurückführen. Diese für die vorderen oder hinteren Gliedmaßen spezifischen Gene beeinflussen die allgemeinen Anweisungen für die Gliedmaßen, die von anderen Genen festgelegt werden, so dass das Ergebnis ein Arm oder ein Bein ist.

Wir halten unsere Gliedmaßen für selbstverständlich, aber die Entwicklung der Gliedmaßen aus der Flosse eines Fisches vor langer Zeit war ein riesiger Sprung nach vorn, nicht wahr?

Einer der großen Momente in der Geschichte der Evolution ist die erste Entwicklung einer Flosse zu einer Gliedmaße. Das geschah bei einem Fisch, der im flachen Wasser lebte und lernte, sich im flachen Wasser zurechtzufinden. Er entwickelte eine Struktur, die sich drehen konnte und Segmente hatte, die sich unabhängig voneinander bewegen konnten und in Zehen endeten, was diesem Fisch die großartige Fähigkeit verlieh, sich im Schlamm zu bewegen. Es stellte sich heraus, dass dieses Grundmerkmal ein enormes Potenzial und eine enorme Flexibilität bot.

Wir sehen, dass der Grundplan dieser Gliedmaßen – ein Knochen in der oberen Gliedmaße, zwei Knochen in der unteren Gliedmaße, Handgelenke, die sich drehen, eine Reihe von fünf oder weniger Ziffern – ausgearbeitet wurde, um alles zu erhalten, vom Fledermausflügel für den Segelflug über die Flosse eines Schweinswals zum Schwimmen und Navigieren auf den Ozeanen bis hin zu einer Hand zum Greifen oder Klavierspielen und dem Glied eines Maulwurfs zum Graben. Die enormen Unterschiede in der Nutzung der Gliedmaßen haben es den nachfolgenden Tieren – Amphibien, Reptilien, Vögeln, Säugetieren – ermöglicht, sich zu einer außergewöhnlichen Vielfalt an Lebensformen zu entwickeln.

EINE EVOLUTION REVOLUTION

Das Feld der Evo-Devo explodiert geradezu, nicht wahr?

Es ist einfach erstaunlich. Das schnelle Tempo, denke ich, ist mehr als alles andere, was ich nicht erwartet hätte. Ich denke, ich hätte vorausgesagt, dass wir irgendwann an den Punkt gelangen würden, an dem wir uns befinden, was das Verständnis angeht; ich hätte nur nie gedacht, dass es so schnell gehen würde. Es gab technologische Revolutionen – die Sequenzierungsrevolution, die es uns ermöglichte, ganze Genome zu sequenzieren, die Technologie, um riesige Mengen an Informationen gleichzeitig zu verarbeiten und Dinge zu sortieren. Es ist unglaublich, was man alles machen kann und wie viel einfacher und schneller es heute geht als zu meiner Anfangszeit. Ich hätte nie gedacht, dass es so schnell gehen würde.

Wie schaffen Sie es, auf dem Laufenden zu bleiben?

Es ist sehr schwierig, auf dem Laufenden zu bleiben, wenn sich das Wissen so schnell verändert. Ich denke, man muss sich mit den Dingen beschäftigen, die einen am meisten interessieren. Als ich in der Biologie anfing, habe ich alles gelesen, was es auf dem Gebiet der Molekularbiologie gab, denn im Vergleich zu heute wurde damals relativ wenig getan. Man konnte zwei oder drei Zeitschriften lesen und war im Grunde genommen in der Lage, über Zellbiologie, Physiologie, Immunologie, Entwicklungsbiologie und Krebsbiologie auf dem Laufenden zu bleiben. Heute kann man sich nicht einmal mehr über Entwicklungsbiologie oder Evolutionsbiologie auf dem Laufenden halten. Man sucht sich seine Gebiete, seine Themen und seine Fragen aus und bleibt im Grunde bei dem, was einen am meisten interessiert.

Und die Vielfalt des Lebens, wie sie sich in der Evo-Devo zeigt, ist das, was Sie wirklich begeistert.

Ich glaube nicht, dass man sich Natursendungen ansehen muss, um von der Vielfalt des Lebens auf der Erde überwältigt zu sein. Man kann einfach zu Hause einen Spaziergang machen. Man sieht Vögel, Eichhörnchen, Hunde. Sie kommen nach Hause und umarmen Ihr Kind. Das sind Dinge, die man als selbstverständlich ansieht. Aber wenn man einen Schritt zurücktritt und sich anschaut, wie erstaunlich der Vogel im Flug ist, das Eichhörnchen, das so perfekt angepasst ist und den Baum hinauf- und hinunterläuft, und so weiter, dann ist es einfach eine erstaunliche Welt. Und das Unglaubliche an dieser Zeit in der Geschichte ist, dass wir aus wissenschaftlicher Sicht in der Lage sein werden, diese Vielfalt zu verstehen, und das macht es noch aufregender. Es entmystifiziert sie nicht. Es macht es nur noch magischer.