2. Einleitung
4. Unerklärliche Beobachtungen?
6. Erklärung des Unerklärlichen
7. Laborversuche zur Beeinflussung epigenetischer Mechanismen
2. Einleitung
Schon lange beschäftigt die Menschen die Frage, welche Prozesse das Leben und dessen Entwicklung auf der Erde steuern. Erste Anfänge dieser Gedankengänge finden sich bereits in der Schöpfungsgeschichte der Bibel und den Schöpfungsmythen verschiedener anderer Religionen.
Bereits Hippokrates vermutete, dass wir kleine Stücke von allen Teilen unserer Eltern erben und postulierte damit eine Vererbung an nachfolgende Generationen (Johannsen 1917).
Jean-Baptiste de Lamarck (1744-1829) war der Erste, der eine ausformulierte Evolutionstheorie als Grundlage der Entwicklung des Lebens vorlegte (de Lamarck 1809). Dabei ging er davon aus, dass das Bemühen von Individuen, sich im Laufe ihres Lebens an ihre Umgebung anzupassen, zu Veränderungen führt und diese an nachfolgende Generationen weitervererbt werden. Nach dieser Theorie würden Eigenschaften, welche bei der Bewältigung von Widrigkeiten der Umwelt gezielt erworben werden, weitervererbt. Man spricht daher von einer Evolution auf Basis einer gerichteten Anpassung.
Charles Darwin (1809-1882) entwickelte später eine Evolutionstheorie (Darwin 1859), bei der er davon ausging, dass zufällige Variationen in einer Population durch Selektion zu einer evolutionären Entwicklung führen. Diese Evolutionstheorie ist bis heute in den Grundlagen gleich geblieben, auch wenn sie mehrfach mit neuen Erkenntnissen ergänzt wurde und heute als synthetische Evolutionstheorie bekannt ist.
In der synthetischen Evolutionstheorie wird davon ausgegangen, dass der grundlegende Mechanismus zur Steuerung, Ausprägung und der Vererbung von Eigenschaften auf der Genetik basiert. Abgesehen von zufälligen Mutationen des Genoms durch Kopierfehler bei der Mitose oder äußeren Faktoren wie Strahlung existieren verschiedene molekulare Mechanismen, die zusätzlich Veränderungen am Genom hervorrufen können.
Beim Crossing-over während der Meiose werden gezielt die auf den Chromosomen vorhandenen Allele rekombiniert und so die Vielfältigkeit eines Genoms wesentlich stärker erhöht als Mutationen dies alleine möglich machen würden. Welche Allelkombination dabei entsteht, hängt von den mütterlichen und den väterlichen Allelen ab und davon, an welchen Stellen eines Chromosoms das Crossing-over stattfindet.
Ein weiterer Faktor, der zu neuen Variationen im Genom führen kann, sind Transposons (McClintock 1950). Diese Elemente des Genoms haben die Möglichkeit, ihren Ort im Genom zu verändern oder im Fall von replikativen Transposons eine Kopie von sich an anderer Stelle im Genom einzubauen. Bei beiden Prozessen kann es dazu kommen, dass ein Transposon in ein Gen eingebaut wird und es damit bis zum Weiterwandern des Transposons inaktiviert. Beim Herausspringen aus dem Gen kann durch die Zielstellenverdopplung auch eine dauerhafte Veränderung am Gen entstehen, die dessen Inaktivierung oder eine Funktionsänderung zur Folge haben kann. Replikative Transposons können nicht wieder aus einem Gen heraus springen. Sie fertigen Kopien von sich an, welche an anderer Stelle in das Genom eingebaut werden können, ihr ursprünglicher Genlocus bleibt jedoch ebenfalls existent. Daher führen replikative Transposons beim Springen in ein Gen dauerhaft zu besonders starken Veränderungen der entsprechenden Gene und meist zu deren Inaktivierung. Da springende Transposons ein hohes Risiko für das Erbgut darstellen, werden sie von der Zelle stark reguliert und springen unter normalen Bedingungen nur selten.
Der Prozess des Crossing-overs findet an Punkten statt, deren Wahl von zufälligen Faktoren beeinflusst wird, auch wenn diese Punkte eine gewisse Präferenz für ähnliche Sequenzen aufweisen. Ebenso spielt bei Transposons der Zufall eine Rolle. So bestimmen vom Zufall beeinflusste Faktoren, ob ein Transposon springt und wohin es springt. Die Auswirkungen, die eine solche Veränderung am Genom beim Phaenotyp hat, sind daher auch zufällig und ungerichtet. Aus diesem Grund spricht man von einer Evolution auf Basis einer ungerichteten Anpassung.
Ob und wie sich eine solche ungerichtete Anpassung als nützlich erweist und sich in der Evolution durchsetzen kann, wird von Drift und Selektion bestimmt.
Unter Drift wird dabei das zufällige Aussortieren von Individuen durch Ereignisse in ihrer Umwelt zusammengefasst. Bei dieser zufälligen Gendrift können genetische Variationen verloren gehen, obwohl sie eine nützliche Anpassung darstellen.
Im Gegensatz zur Drift ist die Selektion nicht zufällig, sondern bewertet den Nutzen einer Anpassung am Überlebens- und Reproduktionserfolg der jeweiligen Individuen und deren Nachkommen.
In der Vergangenheit wurde immer wieder Kritik an der Evolutionstheorie geübt. Es wurde gesagt, sie könne nicht alle Prozesse erklären und viele komplexe Organismen könnten nicht nur durch die zufälligen Ereignisse und ungerichteten Anpassungen der Evolutionstheorie erklärt werden. Viele Kritikpunkte konnten durch neu gewonnene Erkenntnisse erklärt werden, doch es werden weiterhin immer wieder Zweifel an der Evolutionstheorie geäußert.
Aus dem Forschungsbereich der Epigenetik wurden nun Beobachtungen bekannt, die die Evolutionstheorie auf den ersten Blick zu widerlegen scheinen.
Es handelt sich um die Beobachtung von Eigenschaften, welche sich durch spezifische Umwelteinflüsse verändern. In einigen Fällen konnte sogar beobachtet werden, dass diese veränderten Eigenschaften an die Nachkommen weitervererbt wurden, obwohl die verursachenden Umwelteinflüsse abgeklungen waren. Es handelt sich also um eine Art gerichtete Anpassung, die auch an nachfolgende Generationen weitervererbt werden kann. Hatte Lamarck mit seiner Aussage also doch recht?
Aber damit nicht genug, die Ursache scheint dabei keine Veränderung am Genom gewesen zu sein. Also wie erklärt man diese Beobachtungen und die Vererbung an nachfolgende Generationen ohne eine genetische Mutation?
Zuletzt bleibt die Frage nach dem allgegenwärtigen Warum. Warum hat sich ein solcher Mechanismus auf Basis der Epigenetik im Laufe der Evolution gebildet und was ist der Sinn dieses Mechanismus?
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