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Nick Barton vor einer weißen Tafel

"Die Evolution bleibt unvorhersehbar"

Wie hat sich das Leben auf der Erde zu einer solchen Vielfalt entwickelt? Diese Frage versucht Nick Barton zu beantworten. Der Evolutionsbiologe vom Institute of Science and Technology in Klosterneuburg wurde nun für seine Arbeiten zur Entstehung von Arten mit der Mendel-Medaille ausgezeichnet.

Biologie 20.09.2013

"Als ich mit meiner wissenschaftlichen Karriere begann, hätte ich mir nie vorstellen können, theoretisch oder mathematisch zu arbeiten – ich wollte hinaus ins Feld gehen, am liebsten in den Alpen, und habe mir deshalb eine Doktorarbeit gesucht, für die ich einen hochalpinen Grashüpfer untersuchen konnte", sagt Nick Barton im Gespräch mit science.ORF.at. Doch es kam anders als er dachte - heute arbeitet Barton in erster Linie mit mathematischen Modellen, um der Evolution ihre Geheimnisse zu entlocken.

Auszeichnung:

Nick Barton ist seit 2008 Professor am IST Austria in Klosterneuburg. Die Mendel-Medaille wurde 1965 zu Ehren Gregor Mendels (1822-1884), dem Begründer der Vererbungslehre, gestiftet. Mit der Auszeichnung würdigt die Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina in Halle (Deutschland) Pionierleistungen auf dem Gebiet der allgemeinen und molekularen Biologie oder Genetik.

Ö1 Sendungshinweis:

Dem Thema widmet sich auch ein Beitrag in Dimensionen – die Welt der Wissenschaft.: 20.09., 19:05 Uhr.

Wie sich herausstellen sollte, waren die Grashüpfer für die Evolutionsforschung sehr gut geeignet. Sie bestanden aus zwei Gruppen, die räumlich voneinander getrennt lebten, und deren Chromosomen in unterschiedlichen Konstellationen angeordnet waren.

Diese Gruppen trafen in einem schmalen Korridor von nur 800 Metern Breite aufeinander, wo sie sich paarten und Nachkommen produzierten, die beide Chromosomensorten besaßen. Indem Barton über einen langen Zeitraum beobachtete, welche der Genvarianten sich in diesen Zonen durchsetzten, konnte er Evolutionsmechanismen erkennen, deren Erforschung im Labor fast unmöglich gewesen wäre.

Sex als Triebfeder der Evolution

Die Grashüpfer sollten nicht die einzigen Spezies bleiben, die Barton in solchen Hybridzonen untersuchte. Bekannt wurde er mit seiner Arbeit über zwei nah verwandten Krötenarten in Großbritannien, die sich wie die Grashüpfer nur in dem schmalen Grenzbereich ihrer Lebensräume paarten.

Anhand dieser Modellorganismen konnte Barton zeigen, welchen Einfluss sexuelle Fortpflanzung auf die Anpassungsfähigkeit einer Spezies hat. Bei dieser Art der Vermehrung werden die Chromosomen beider Partner miteinander vermischt, es Entstehen völlig neue Kombinationen, die den Nachkommen entscheidende Vorteile sichern können. Sex ist daher eine treibende Kraft der Evolution. Dabei scheint es zunächst verwunderlich, dass sich Lebewesen überhaupt verändern, so Barton.

Ein Fehler alle tausend Milliarden Buchstaben

Denn lebende Organismen sind Meister der Replikation. Wenn eine Zelle sich teilt, erzeugt sie mit erstaunlicher Präzision eine Kopie von sich selbst. Das zeigt sich besonders eindrucksvoll in dem Duplikat ihrer DNA: Beim Kopieren dieser riesigen Moleküle, in die mit den genetischen Buchstaben A, C, G und T die Baupläne des Lebens eingraviert sind, unterläuft der Zelle nur einmal alle tausend Milliarden Buchstaben ein Fehler. Die meisten dieser Fehler bleiben unbemerkt, einige enden auch tödlich für den Organismus.

Wenige Fehler führen jedoch zu einer Verbesserung, die dem Organismus einen Vorteil gegenüber anderen verschafft. Es sind genau diese Fehler, die die Grundlage für die Evolution bieten. Über enorme Zeiträume hinweg kann sich eine solche genetische Variante dann in einer Population von Organismen ausbreiten und alle anderen verdrängen. Oder es entwickelt sich daraus eine neue Art, die sich von denjenigen abspaltet, die diese Veränderung nicht in ihrer DNA trägt.

Fortschritt der Sequenziertechniken entscheidend

Als Nick Barton Mitte der siebziger Jahre damit begann, solche DNA-Veränderungen in Populationen zu untersuchen, hatte er noch mit gewaltigen technischen Hürden zu kämpfen. Die Methoden der DNA-Sequenzierung, also des Lesens der genetischen Buchstaben, steckten damals noch in den Kinderschuhen.

Um an genügend Daten zu kommen, die seine theoretischen Modelle untermauern, war ein enormer finanzieller und zeitlicher Aufwand nötig. Inzwischen ist das Sequenzieren kompletter Genome so schnell und billig geworden, dass nun die Bearbeitung der Datenflut die größte Herausforderung darstellt. Doch die modernen Sequenziermethoden haben auch die Möglichkeiten für Bartons Forschung revolutioniert.

Nicht alles berechenbar

Denn die Rechenmodelle, die Barton anhand seiner Modellorganismen aufstellte, beschreiben nicht nur einzelne Genvarianten, sondern ganze Netzwerke von Genen und Ihre Ausbreitung in einer Population von Organismen.

Es bleibt eine Rechnung mit vielen Variablen: Ob eine Genvariante einen Vorteil bietet oder nicht, hängt auch stark von zufälligen Veränderungen der Umwelt ab. Ereignisse wie der Einschlag eines Kometen am Ende der Kreidezeit, wären durch kein mathematisches Modell vorhersagbar gewesen. Nick Barton konnte mit seinen Berechnungen zwar grundlegende Mechanismen der Evolution aufdecken. Doch ihren Ausgang vorherzusagen, wird wohl unmöglich bleiben, so der Forscher.

Wolfgang Däuble, Ö1 Wissenschaft

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