Das Leben in der Wüste ist hart. Aber die Wüsten-Buschratte (Neotoma lepida) kennt einen Trick: Sie kann Gift fressen. Das putzige Nagetier wächst und gedeiht in der Mojave-Wüste im Westen der USA, wo es sich von toxischen Kreosotbüschen ernährt. Dabei ist diese Fertigkeit gar nicht in seinem Genom angelegt. Stattdessen verzehrt es den Kot anderer Buschratten und erbt dadurch deren entgiftende Darmbakterien.

Die Wüsten-Buschratte ist kein Einzelfall für die Fähigkeit von Lebewesen, ihre eigene Evolution durch ihr Verhalten zu beeinflussen. In den letzten Jahren hat sich gezeigt, wie zahlreiche Organismen nichtgenetische Merkmale ausbilden, die der natürlichen Selektion unterliegen. Das stellt das von Charles Darwins Evolutionstheorie geprägte Denken infrage, wonach Veränderung von Organismen allein auf zufälligen genetischen Mutationen beruht. Mehr noch: Nichtgenetische Anpassungen könnten erklären, weshalb einige Arten eine höhere »Evolvierbarkeit« besitzen, sich also schneller und effektiver verändern und entwickeln können als andere.

In Zeiten des Klimawandels hat das unmittelbare Konsequenzen. Arten müssen sich rasch anpassen – oder sie sterben aus. Es mehren sich die Belege dafür, dass Verhaltensweisen wie die der Wüsten-Buschratte Organismen vor diesem Schicksal bewahren können. Das verändert auch den Blick auf uns Menschen: Aufgrund unserer komplexen Kultur verläuft die menschliche Evolution ganz anders und viel schneller als bei den meisten anderen Arten. Durch unsere ungewöhnliche, beschleunigte Evolvierbarkeit können wir unsere eigene Zukunft viel entscheidender mitgestalten, als wir vielleicht ahnen.

Da die natürliche Selektion an den Genen ansetzt, gingen Evolutionsbiologen lange davon aus, dass sich Organismen mit nahezu gleicher Geschwindigkeit von Generation zu Generation verändern. Wie sich allerdings erst in den letzten Jahren herauskristallisierte, wandeln sich manche Arten und ihre Merkmale stärker als andere. Bislang hat man die Gründe dafür vor allem in den Genen gesucht – wo sich zweifellos einige Erklärungen hierfür finden. Doch inzwischen ist klar: Auch nichtgenetische Effekte spielen dabei eine Rolle.

Ich gehöre zu einer wachsenden Gruppe von Evolutionsbiologen, die überzeugt sind, dass hierbei eine Vielzahl an Prozessen beteiligt ist; zu den drei wichtigsten zählen Epigenetik, Symbionten und Kultur. Diese Phänomene verhalten sich nicht nur analog zur biologischen Evolution – sie sind ein Teil davon. Sie ermöglichen es Organismen, Lebensräume zu erobern, mit Veränderungen und Stress umzugehen, neue Phänotypen zu entwickeln und so lange zu überleben, bis adaptive genetische Mutationen auftreten.

Epigenetische Mechanismen ermöglichen schnelle Anpassung

Betrachten wir zunächst die Epigenetik. Die DNA ist in den Zellen mit zahlreichen chemischen Anhängseln versehen, die darüber entscheiden, ob benachbarte Gene abgelesen werden oder nicht. Hierbei auftretende Veränderungen bezeichnet man als epigenetisch, weil sie lediglich die Aktivität der Gene betreffen, nicht aber das Genom selbst. Als besonders gut untersucht gilt die DNA-Methylierung, also die Kopplung von CH₃-Gruppen an Bausteine des Erbmaterials. Sie wirken als physische Barrieren, welche die Genaktivität verhindern. Umgekehrt erlaubt ihre Entfernung, dass das Gen abgelesen werden kann. Wird ein Regulatorgen von einer Methylgruppe blockiert, dann verändert sich entsprechend die Aktivität der von ihm kontrollierten Erbfaktoren.

Teilweise steuert die DNA die Bildung solcher Barrieren selbst. Andere wiederum entstehen zufällig oder aufgrund von äußeren Faktoren wie Ernährung oder Umweltbelastungen. Teilen sich die Zellen, werden auch die Methylgruppen kopiert. Deshalb können Zellgruppen in Geweben unterschiedliche Gene exprimieren, obwohl sie dasselbe Erbmaterial besitzen. Bei Säugetieren werden fast alle epigenetischen Markierungen während der Produktion der Geschlechtszellen oder im Embryo gelöscht. Manche Tiere geben sie jedoch regelmäßig an ihre Nachkommen weiter. Auch Pflanzen vererben viele umweltbedingte epigenetische Veränderungen.

Bis vor Kurzem war die Idee umstritten, dass epigenetische Variationen der natürlichen Selektion unterliegen. Das änderte sich 2018 mit einem Experiment an der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), der »Laborratte« unter den Pflanzen. Ein Team um den Pflanzengenetiker Ueli Grossniklaus von der Universität Zürich hatte eine sich rasch verändernde Umwelt simuliert. Aus den dort aufgezogenen Gewächsen wählten die Forscherinnen und Forscher nur diejenigen aus, die sich besonders erfolgreich vermehrten, und züchteten diese weiter. Nach nur fünf Generationszyklen hatten sich die Blühzeiten und das Wachstum an die neue Situation angepasst, ohne dass sich die Gensequenz der Pflanzen verändert hätte. Stattdessen beruhte der Prozess auf der Selektion der passenden epigenetischen Variationen.

Weitere Forschungsergebnisse aus dem folgenden Jahr untermauerten die Idee, dass Epigenetik zu einer adaptiven Evolution führen kann. Wissenschaftler um Lars Jansen von der britischen University of Oxford beobachteten, wie sich Hefen an eine giftige Chemikalie anpassten. Die für das Experiment verwendeten Hefepopulationen waren zwar genetisch identisch, aber manche hatten die Forscher so manipuliert, dass sie nur ein geringes Maß an epigenetischer Vererbung aufwiesen. Die meisten dieser veränderten Populationen starben durch den Giftcocktail aus, während andere überlebten und gediehen, da sie sich offenbar kurzfristig durch epigenetische Veränderungen anpassen konnten. So öffnete sich für sie ein Zeitfenster, das langsamer ablaufende genetische Adaptationen ermöglichte.

Die Epigenetik kann Populationen vor dem Aussterben bewahren

Das ist für zahlreiche, von der globalen Erwärmung bedrohte Lebewesen von existenzieller Bedeutung. Die sich rasch verändernde Umwelt übt einen starken Selektionsdruck auf Populationen aus und kann deren genetische Vielfalt reduzieren. Das mindert ihre Chancen, durch genetische Anpassungen zu überleben. Führen jedoch epigenetische Modifikationen zu unterschiedlichen Merkmalsausprägungen, kann ein Teil der Population lange genug überdauern, um sich genetisch anzupassen. Hinzu kommt: Da einige epigenetische Veränderungen umweltbedingt sind, können sie – anders als genetische Mutationen – bei mehreren Individuen gleichzeitig in identischer Form auftreten. Damit sinkt das Risiko, dass nützliche Eigenschaften durch Zufälle wieder verschwinden. Auf diese Weise kann die Epigenetik Populationen vor dem Aussterben bewahren.

Ideale Starthilfe dank vererbter Symbionten

Schauen wir uns nun die Vererbung von Symbionten an. Symbiosen kommen in der Natur häufig vor und können sehr verschiedene Formen annehmen. So wimmelt es in höheren Organismen nur so von Mikroben – man denke etwa an die Darmflora. Die oben genannte Wüsten-Buschratte, die aufgrund ihrer Darmbakterien giftige Pflanzen fressen kann, liefert ein anschauliches Beispiel dafür, wie solche Beziehungen die Evolutionsfähigkeit verändern.

Symbiontische Vererbung ist deshalb so wirkungsvoll, weil sie auch zwischen nicht verwandten Individuen und sogar unterschiedlichen Arten stattfindet

Symbiontische Vererbung ist deshalb so wirkungsvoll, weil sie nicht von den Eltern auf die Nachkommen weitergegeben werden muss, sondern auch zwischen nicht verwandten Individuen und sogar unterschiedlichen Arten stattfinden kann. So tun sich auf geothermischen Böden wachsende Pflanzen gern mit dem hitzetoleranten Schimmelpilz Curvularia zusammen und gedeihen mit seiner Hilfe besser unter Hitzestress. Gleichfalls gehen salztolerante Pilze symbiontische Beziehungen ein und ermöglichen es nicht angepassten Gewächsen, an salzhaltigen Standorten zu wachsen. Aus wirtschaftlicher Sicht ungünstig erscheint die Pestizidresistenz von Insekten aufgrund einer Symbiose mit Bakterien, die das Insektizid abbauen. Und die Borkenkäferspezies Dendroctonus valens entwickelte sich zum gefürchteten Schädling, als sie in China zusammen mit einem Pilz auftrat, woraufhin hier Millionen an Kiefern eingingen.

Hunde profitierten ebenfalls von symbiontischer Vererbung. Ihre wilden Vorfahren waren vorwiegend Fleischfresser, doch als sie zum Haustier wurden, begnügten sie sich auch mit stärkehaltigem Futter aus landwirtschaftlichen Produkten. So wie wir Menschen besitzen die heutigen Vierbeiner zusätzliche Kopien der Gene AMY1 und AMY2 für Enzyme, die im Speichel und der Bauchspeicheldrüse ausgeschüttet werden, um Stärke zu verdauen. Wie die DNA-Analyse von fossilen Hunden und ihrem Kot ergab, besaßen jene Tiere vor 3500 Jahren zwar noch nicht diese genetische Anpassung, aber sie beherbergten symbiontische Bakterien, die das Polysaccharid abbauen konnten. Offenbar haben sich Hunde das stärkereiche Futter also in zwei Schritten erschlossen: zunächst durch ihre mikroskopischen Untermieter und dann – Tausende Jahre später – durch genetische Veränderungen.

Weitere Beispiele für symbiontische Vererbung finden sich beim Menschen. So ist für Japaner die geleeartige Substanz Agar verdaulich, für aus dem Westen stammende Personen dagegen nicht. Das liegt daran, dass erstere über spezielle Darmbakterien verfügen, die das Enzym Agarase besitzen. Und an diese Mikroben gelangten die Japaner vermutlich durch den Verzehr von Algen.

Vor etwa 7000 Jahren trat bei Milchbauern eine Genvariante auf, die es Erwachsenen ermöglichte, Laktose zu spalten. Manche Menschen vertragen jedoch den Milchzucker, obwohl ihnen die genetische Voraussetzung dafür fehlt. Durch landwirtschaftliche Arbeit sind sie in Kontakt mit einem Bakterium gekommen, das den Job für sie übernimmt.

Wie wichtig Symbionten für unser eigenes Überleben sind, sieht man gleichfalls am Blinddarm: Lange als verkümmertes Organ ohne Funktion verkannt, gilt er vielen Fachleuten inzwischen als Speicher für nützliche Darmbakterien, die unseren Verdauungstrakt nach einer Infektion neu besiedeln.

Evolution ist auch eine Frage der Kultur

Was uns Menschen aber so außergewöhnlich anpassungsfähig macht, beruht vor allem auf Kultur. Ihr entspringen hochkomplexe Anpassungen, die der Selektion unterliegen können, wie das Beispiel der Landwirtschaft zeigt. Als noch spannender erweist sich die Erkenntnis, dass Kultur ebenfalls bei Tieren vorkommt – und zwar bei erstaunlich vielen, wie die Forschungen der letzten fünf Jahrzehnte ergaben. Bei zahllosen Spezies geben Individuen erworbenes Wissen durch Nachahmung und andere Formen des sozialen Lernens an ihre Artgenossen und Nachkommen weiter. Das betrifft etwa das Aufspüren von Nahrungsquellen, spezielle Lautäußerungen wie Gesänge, Strategien zur Abwehr von Fressfeinden oder bestimmte Wanderungsrouten.

Kultur kommt ebenfalls bei Tieren vor – und zwar bei erstaunlich vielen

Schwertwale (Orcinus orca) liefern ein gutes Beispiel dafür, wie Kultur die Evolution prägt. So erzeugen einige Orca-Populationen Wellen, um Robben von Eisschollen ins Meer zu treiben. Andere hingegen preschen auf Strände vor, um ihre Beute zu erlegen. Beides basiert nicht etwa auf genetischen Veränderungen, sondern auf innovativem Verhalten und sozialem Lernen – und hat doch biologische Folgen: Wale mit verschiedenen Jagdtechniken paaren sich nicht untereinander, selbst wenn sie dicht beieinander leben. Dadurch haben sie sich auch genetisch auseinanderentwickelt und weisen unterschiedliche morphologische und physiologische Eigenschaften auf, wie verschiedene Gesichtsformen oder Verdauungsenzyme.

Wie epigenetische Anpassungen können kulturelle Adaptationen Arten vor dem Aussterben bewahren, da sich die Kultur meist schneller verändert als das Erbgut. Lebewesen, die über eine reiche Kultur verfügen, haben dadurch vermutlich bessere Chancen, sich dem Klimawandel anzupassen. Viele bedrohte Tiere reagieren wahrscheinlich zunächst mit kulturellen Innovationen, um zu überleben. Das sollte man beachten, wenn man Strategien zum Artenschutz entwickelt.

Fazit: Was Lebewesen tun, beeinflusst ihre Selektion, also wie sie stattfindet und ob sie überhaupt stattfindet. Epigenetik, Symbiose und Kultur sind einige der wichtigsten, aber nicht die einzigen nichtgenetischen Mechanismen, welche die evolutionäre Anpassungsfähigkeit erhöhen (siehe »Phänotypische Plastizität und Nischenkonstruktion«). Das verleiht der darwinschen Evolutionstheorie eine ganz neue Dimension – schließlich sind jene Verhaltensweisen, welche die Evolution prägen, ebenfalls das Resultat natürlicher Selektion. Der gesamte Prozess wirkt somit auf sich selbst zurück. Seit dem Ursprung des Lebens beeinflussten Organismen durch ständige interaktive Zyklen ihre eigene Evolution und wurden umgekehrt von letzterer geformt.

Menschliche Entwicklung neu gedacht

Diese Sichtweise verändert gleichfalls den Blick auf unsere eigene Geschichte. Evolutionsbiologen haben stets argumentiert – auch um sich von Kreationisten abzusetzen –, dass die Entwicklung des Menschen genau wie bei Taufliegen oder Hefen auf zufälligen Mutationen und natürlicher Selektion beruht. Einigen Leuten leuchtet diese simple Darstellung nicht ein, was so manchen Widerstand gegen die Evolutionstheorie erklären könnte. Die neuen Erkenntnisse zeigen: Unsere Entwicklung verlief tatsächlich sehr ungewöhnlich, weil die Evolutionsfähigkeit davon abhängt, was man tut – und menschliche Aktivitäten unterscheiden sich stark von denen anderer Arten.

Unsere Entwicklung verlief tatsächlich sehr ungewöhnlich

Was Symbolik, Technik und Informationsreichtum angeht, kann uns keine andere Spezies das Wasser reichen. Die Tragweite unserer kulturellen Entwicklung wird deutlich, wenn man sie weniger als analoges Gegenstück zur biologischen Evolution betrachtet, sondern vielmehr als Schlüssel zu einer beschleunigten evolutionären Anpassung. Unsere Evolvierbarkeit ist daher weitaus größer als die der meisten anderen Arten, und wir haben zusätzlich unser evolutionäres Schicksal in der eigenen Hand. Unsere Entscheidungen wirken sich allerdings nicht nur auf uns selbst aus, sondern haben weitreichende Folgen für die gesamte Umwelt. Das verleiht uns eine enorme Macht über die Zukunft allen Lebens auf diesem Planeten – zum Guten wie zum Schlechten.