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In den 80er Jahren saß ein Biologe namens Richard Lenski an der Michigan State University in seinem Büro und dachte nach. Er fragte sich, wie man wohl der Evolution bei ihrer alltäglichen Arbeit über die Schulter schauen könnte.

Das Problem der meisten Arten auf diesem Planet ist jedoch, dass es die zeitlichen Abstände zwischen zwei Generationen relativ groß sind. Beim Menschen könnte man dafür zum Beispiel ungefähr 30 Jahre ansetzen. Natürlich würde man nach einigen tausend Jahren intensiver Beobachtung auch an Menschen gewisse genetische Veränderungen feststellen können. Allerdings hatte Lenski weder die Lust auf ein solches Experiment – er hätte schließlich nichts von den Ergebnissen – noch war diese Idee zielführend. Denn da evolutionäre Prozesse auf zielloser Mutation und Selektion beruhen benötigt eine evolutionäre Veränderung nicht nur tausende, sondern hunderttausende bis Millionen von Jahren. Je nach Umfang des evolutionären Projekts.

Eines Tages kam ihm die großartige Idee, einfach das Haustierchen der Mikrobiologen zu nutzen: Escherichia coli. Es ist einer der am besten untersuchten Organismen, was die Forschung enorm erleichtert. Und weil es ein Bakterium ist, kann es sich viel schneller vermehren als die meisten anderen Lebensformen. Etwa alle 20 Minuten kann sich jedes einzelne E. coli unter optimalen Bedingungen Teilen, so könnte Lenski innerhalb von Tagen mehrere Generationen erhalten und anschließend untersuchen. Außerdem ernährt sich E. coli hauptsächlich von Zucker, was seine Haltung vergleichsweise kostengünstig gestaltet.

Im Jahre 1988 schließlich begann er sein Experiment. Ausgehend von einem einzelnen E. coli wurden insgesamt zwölf Kolonien gegründet und anschließend voneinander getrennt in zwölf einzelnen Flaschen untergebracht. In die Flaschen wurde zunächst etwas Glukose geben und diese anschließend in einen Bakterienschüttler gestellt. Um das evolutionäre Wechselspiel aus Mutation und Selektion zu fördern, war die Menge an Glukose so bemessen, dass sie bereits gegen Nachmittag aufgebraucht war. Die Forscher überließen E. coli bis zum nächsten Morgen ihrem Schicksal. Dann entnahmen sie aus jeder Flasche eine kleine Probe, gaben diese in eine neue Flasche mit neuer Glukose und stellten diese wieder in den Bakterienschüttler. Das taten sie jeden Morgen und genau genommen tun sie das immer noch.

Um die Unterschiede zwischen den Generationen nachvollziehen zu können wählte Lenski eine einfach geniale Methode. Er hat einige der ursprünglichen Bakterien, sowie weitere alle 500 Generationen aus ihrer Kolonie entrissen und kaltgestellt. So konnte er jederzeit die neusten Varianten seiner E. colis mit den ursprünglichen Bakterien vergleichen. Ausgehend von den gängigen Theorien über Evolution würden in einzelnen Bakterien Mutationen auftreten. Wahrscheinlich würden die meisten Mutationen die betroffenen Bakterien töten, oder sie zumindest langsamer wachsen lassen. Einige wenige der Mutationen würden den jeweiligen Bakterien zu einem Selektionsvorteil verhelfen, durch den sie schneller als ihre Kollegen wachsen würden. Daher würden sie die Kolonie relativ schnell dominieren, zumindest solange bis ein Bakterium, mit einer anderen Mutation, einen besseren Selektionsvorteil vorweisen könnte.

Tatsächlich konnte Lenski in seinem Experiment beobachten, dass die Bakterien anfingen schneller zu wachsen. Einzelne Kolonien konnten sogar um bis zu 75% schneller als ihre ursprünglichen Vorfahren wachsen, allerdings nur wenn sie – wie im Experiment – auf eine Glukose Diät gesetzt waren. In ähnlichen Nährmedien mit anderen Zuckern, unterlagen sie in Bezug auf das Wachstum deutlich ihren Vorfahren. Genau wie es sein sollte.

Dann passierte etwas. Nachdem insgesamt schon 33.127 Generationen durch Lenskis Bakterienschüttler zu größtmöglichem Wachstum angehalten wurden, beobachtete der Forscher etwas eigentlich Ärgerliches. Der Inhalt einzelner seiner Flaschen trübten sich. Das passiert in der Regel nur dann, wenn sich in den Flaschen Bakterien aufhalten, die das enthaltene Citrat auffuttern. Viele Bakterien können das, E. coli allerdings nicht. Ihnen fehlt leider die Fähigkeit das Citrat durch ihre Zellmembran zu transportieren, sodass es keinen Eingang in ihren Stoffwechsel finden kann. Diese Eigenschaft ist so charakteristisch für E. coli, dass es als eines der definierenden Kriterien dieser Art festgelegt wurde.

Also kamen die Forscher zu dem Schluss, das die entsprechenden Flaschen durch irgendwelche fremden Bakterien kontaminiert waren. Daher wurden die jeweiligen Flaschen verworfen und die letzte unkontaminierte Generation aus der Eiszeit geholt und wieder in der Flasche angesiedelt. So hatte man zwar ein paar Generationen verloren, konnte das Experiment aber trotzdem weiterführen.

Nun folgt das erstaunliche: Es geschah immer wieder. Also bemühte man sich sorgfältiger um die Versuchsbedingungen. Doch früher oder später geschah es wieder und wieder. Den Forschern fiel einfach keine Möglichkeit ein, wie die Kolonien hätten kontaminiert werden können. Das Problem: E. coli kann bekanntermaßen kein Citrat umsetzen, wie also konnte sich die Flasche trüben?

Nach langen Diskussionen entschied sich Lenski zu einem radikalen Schritt: Man entnahm eine kleine Probe aus einer der kontaminierten Flasche und gab sie in eine neue Flasche. Dies enthielt jedoch anstatt von Glukose oder anderen Nährmedien nur Citrat. Hier könnten praktisch gesehen nur die für das Problem verantwortlichen Bakterien überleben, also wäre es ein leichtes den Übeltäter zu identifizieren. Alles oder nichts. Es kam wie erhofft, in der speziellen Probe konnte man Bakterien beim Wachstum beobachten. Das Erstaunen war gigantisch, als man feststellte um welches Bakterium es sich in dieser Probe handelte: Niemand geringeres als E. coli. Doch war das nicht unmöglich?

Kein einziges E. coli der Welt kann von sich aus Citrat umsetzen, einzig und alleine die in Lenskis Kolonien lebenden Bakterien konnten dies. Er und seine Helfer führten zahlreiche weitere Versuche durch und konnte ausschließen, dass die E. colis des Experiments die Fähigkeit zur Verstoffwechselung von Citrat durch Plasmide von anderen Bakterien erhalten hatten. Es war also etwas absolut Unerwartetes passiert, durch zufällige Mutation und Selektion hatte sich das Genom von E. coli so sehr verändert, dass es plötzlich die Fähigkeit entwickelt hatte Citrat umzusetzen. Außerdem konnten die Forscher durch Sequenzanalysen nachweisen, dass die sich die Mutationen der verschiedenen Kolonien voneinander unterschieden. Sie hatten keinen gemeinsamen genetischen Ursprung, sondern sich unabhängig voneinander entwickelt.

Aus dem Versuch – der übrigens immer noch läuft – lassen sich nun unter anderem folgende Erkenntnisse ziehen: Durch zufällige Mutation und Selektion können im Rahmen der Evolution unter nahezu identischen Bedingungen, praktisch gleiche evolutionäre Prozesse ablaufen. Hier in dem Beispiel entwickelte sich gleich mehrfach – und unabhängig voneinander – die Fähigkeit zur Verstoffwechselung von Citrat.

Das würde bedeuten, dass die Evolution ein Prozess ist der in gewissem Rahmen reproduzierbar ist – Lenski und sein Team forschen bereits daran und versuchen diese Entwicklung wieder und wieder zu reproduzieren. Tatsächlich gelingt ihnen dies sogar, natürlich immer mit gewissen Einschränkungen. Aber offenbar scheint es vom Prinzip her zu funktionieren.

Und eine weitere – für die Bakterien eher bedeutende – Frage wirft sich auf: Wenn also E. coli laut allgemeiner Meinung kein Citrat umsetzen kann, hat Lenski dann in seinem Experiment eine neue Art erzeugt? Insbesondere über diese Frage wird zur Zeit in entsprechenden Kreisen heftig gestritten, was insbesondere dadurch erleichtert wird, dass sich das traditionelle Konzept der Arten auf Bakterien nur sehr unzureichend anwenden lässt.

Via Spreeblick. Und von The Loom.

Der Beitrag wurde am Donnerstag, den 5. Juni 2008 um 20:57 Uhr veröffentlicht und wurde unter Lehrbuch abgelegt. du kannst die Kommentare zu diesen Eintrag durch den RSS 2.0 Feed verfolgen. du kannst einen Kommentar schreiben, oder einen Trackback auf deiner Seite einrichten.