Experimentelle Biologie: Evolution in Flaschen

HEIDELBERG. Vor 50 000 Generationen sah die Welt noch sehr anders aus: Der moderne Mensch hatte die Szenerie noch nicht betreten, verschiedene Frühmenschenarten besiedelten die Welt. Seitdem mutierten alte Gene und entstanden neue und über hunderte Jahrtausende entwickelte sich unsere Art, Homo sapiens. Die Details dieses Vorgangs aufzuklären ist der heilige Gral der Evolution: Nur zu gerne würden Wissenschaftler die einzelnen Schritte auf diesem Weg nachvollziehen.

Die Evolutionsbiologie ist eine historische Wissenschaft. Wie Kommissare, die an den Ort eines Verbrechens kommen und aus den Spuren den Ablauf der Tat rekonstruieren, schließen Forscher aus anatomischen und genetischen Merkmalen und ihrer geografischen Verteilung, wie die Arten wurden, was sie sind. In einigen Fällen beobachten sie heute auch evolutionäre Abläufe auf Zeitskalen von Jahren und Jahrzehnten, doch auch dort können Wissenschaftler Evolution nur beschreiben. Verwehrt bleibt ihnen, was in den harten Naturwissenschaft selbstverständlich ist: das reproduzierbare Experiment.

Zwölf Reihen von Flaschen

Richard Lenski von der Michigan State University allerdings allerdings hat sich mit Raffinesse und Beharrlichkeit ein solches Fenster in den Maschinenraum der Evolution geschaffen. Seit zwei Jahrzehnten wachsen in seinem Institut 12 Stämme des Bakteriums Escherichia coli unter kontrollierten Bedingungen in Kulturflaschen heran. Sie bilden das Long Term Evolution Experiment, mit dem Lenski 1988 die experimentelle Evolutionsbiologie begründet hat, die seither viele Nachahmer gefunden hat. Doch niemand kann so weit in die Vergangenheit eines Organismus zurückblicken wie Lenski, der im Februar 2010 die fünfzigtausendste Bakteriengeneration feierte.

Jeden Tag spielt sich dort für jeden einzelnen Stamm das gleiche Ritual ab: In einer frischen Kulturflasche setzen Forscher 9,9 Milliliter neues Nährmedium an und geben 0,1 Milliliter der einen Tag alten Kultur hinzu. In der frischen Nährlösung können sich die Bakterien explosionsartig vermehren. Nach 24 Stunden bereiten die Forscher eine neue Kulturflasche vor und übertragen wiederum einen Zehntelmilliliter der Bakterienkultur. Die alte Kultur frieren sie zur Sicherheit ein - falls beim Übertragen etwas schief geht. Jeder der zwölf Stämme repräsentiert eine ununterbrochene Kette von Flaschen, die sich in die Vergangenheit erstreckt.

Die Bakterien im Long Term Evolution Experiment entwickeln sich unter sehr speziellen Bedingungen. Sie haben alle Nährstoffe, die sie zum Wachsen brauchen, eingeschränkt ist ihre Vermehrung jedoch durch die Menge Glukose in der Nährlösung, ihrer einzigen Kohlenstoffquelle. Mit jedem Zyklus transferieren die Wissenschaftler eine kleine Probe der Population in ein neues Nährmedium, so dass sich die Bakterien für kurze Zeit vermehren können, bis der Nährstoff aufgebraucht ist und sie bis zum nächsten Zyklus hungern müssen.

Dadurch haben in jedem Zyklus aufs Neue jene Bakterien einen Vorteil, die Glukose effektiver verwerten als andere - sie reichern sich in der Population an, so dass die Bakterien im Verlauf der Generationen Glukose immer besser verwerten: Evolution. Insgesamt 45 Mutationen fanden die Forscher bis zur 20 000sten Generation - von denen viele nach der Theorie ihren Trägern einen Vorteil verschaffen sollten.