Langzeitversuch Experiment stellt Evolution im Reagenzglas nach

21 Jahre lang ließen US-Wissenschaftler Bakterien im Labor gedeihen. In dieser langen Zeit lebten 40.000 Generationen der Einzeller. Über diesen Zeitraum analysierten die Forscher das Erbgut - und erlebten zwei dicke Überraschungen.

E.Coli-Bakterien (Mikroskopaufnahme): 40.000 Generationen in 21 Jahren
Rocky Mountain Laboratories / NIAID / NIH

E.Coli-Bakterien (Mikroskopaufnahme): 40.000 Generationen in 21 Jahren


Hätten Richard Lenski, Jeffrey Barrick und ihre Kollegen das Experiment beim Menschen gemacht, es hätte über eine Million Jahre gedauert. In dieser Zeit entwickelte sich der Homo erectus zum Homo sapiens.

Die Molekulargenetiker von der Michigan State University aber verfolgten nicht die Evolution des Menschen, sondern die von Escherichia-Coli-Bakterien - über 40.000 Generationen hinweg. Weil sich Leben und Sterben dieser Bakterien viel schneller abspielt als das des Menschen, dauerte der Langzeitversuch der Forscher nur 21 Jahre. Nichtsdestotrotz ist es damit eines der längsten Laborexperimente, die je in der Evolutionsforschung durchgeführt wurden.

Im Fachmagazin "Nature" beschreiben die Forscher, wie sie im Jahr 1988 zwölf Stämme des Darmbakteriums ansetzten und bis heute wachsen ließen. Über all die Jahre hielten sie dabei die Umweltbedingungen für die Bakterienkolonien konstant. Das Futter - der Zucker - war der hauptsächlich limitierende Faktor und wurde den Einzellern kurz gehalten.

Nach einer bestimmten Anzahl Generationen froren sie jeweils einige Bakterien ein - in der Hoffnung auf zukünftige Fortschritte in der Genomforschung, die es ihnen erlauben würden, die DNA der Bakterien genauestens zu analysieren. So machten die Forscher Erbgut-Schnappschüsse bei Generation 2.000, 5.000, 10.000, 15.000, 20.000 und 40.000. Das Vertrauen in die Technik zahlte sich aus - 1997 wurde das erste komplette Genom von Escherichia Coli veröffentlicht. Mittlerweile ist die Entzifferung eines Erbguts Routine und wird immer schneller und billiger.

Mutationen nahmen konstant zu, nicht aber die Vermehrungsraten

Lenski und seine Kollegen konnten so die Mutationen in der Bakterien-DNA über die Generationen hinweg zählen und analysieren. Lange Zeit verlief alles so, wie es nach Darwins Evolutionslehre zu erwarten war: Bis zu Generation 20.000 nahm die Zahl der Mutationen langsam und konstant zu - die Forscher zählten bis zu diesem Zeitpunkt 45 Veränderungen im Erbgut der Bakterien. Was die Wissenschaftler aber sehr überraschte: Die Vermehrungsrate der Bakterien stieg in der gleichen Zeit nicht gleichmäßig an, sondern am Anfang stark und am Ende immer schwächer.

Die Forscher schließen daraus, dass sich Mutationen mit vorteilhaften Effekten, die also beispielsweise zu einer effizienteren Futterverwertung oder einer Erhöhung der Lebensdauer der Bakterien führten, gehäuft in den ersten Generationen auftraten und dann immer seltener wurden.

Die zweite Überraschung: In der Evolution mehrerer der zwölf Bakterienstämme gab es einen bedeutsamen Einschnitt nach etwa 20.000 Generationen. Im Gen mutT trat eine Veränderung auf. Diese Genveränderung katapultierte die Mutationsrate um das 50 bis 100fache nach oben, schreiben die Forscher. Nach 40.000 Generationen zählten die Forscher so insgesamt 653 Mutationen im Erbgut der Bakterien. Die Mehrheit der späten Mutationen jedoch, so spekulieren Lenski und seine Kollegen, war wohl nicht von Vorteil für die Bakterien, sondern ohne Effekt.

Alles in allem seien die Zusammenhänge zwischen Mutationsraten und Anpassungsgrad komplexer als angenommen, schließen die Forscher aus ihrem Langzeitexperiment. Die Ergebnisse sind jedoch wichtig für die Evolutionsforschung und könnten womöglich auch einmal bei der Therapie von Krebs eine Rolle spielen. Denn die Entwicklung der Zellen in einem Tumor vollziehe sich nach den gleichen fundamentalen evolutionären Prozessen, so Jeffrey Barrick.

lub



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