2.
Das Gen

Auf dem Prüfstand der Zeit

Ich habe zwei Töchter und vier Enkelkinder. Alle sind sie wunderbar einzigartig. Beispielsweise ist Sarah, eine meiner Töchter, Fernsehproduzentin und Emily, die andere, Physikprofessorin. Aber es gibt auch Merkmale, die sie miteinander, mit ihren Kindern, mit mir und mit meiner Frau Anne gemeinsam haben. Familienähnlichkeiten können stark oder schwach sein – Größe, Augenfarbe, die Form von Mund oder Nase, bestimmte Eigenarten oder Gesichtsausdrücke. Es gibt auch viele Unterschiede, aber an der Kontinuität zwischen den Generationen kann kein Zweifel bestehen.

Das Vorhandensein von Ähnlichkeiten zwischen Eltern und Nachkommen ist ein definierendes Merkmal aller lebenden Organismen. Das erkannten Aristoteles und andere Denker des klassischen Altertums schon vor langer Zeit, trotzdem blieb die Grundlage der biologischen Vererbung ein Rätsel. Im Laufe der Jahre wurden verschiedene Erklärungen vorgeschlagen, von denen einige heute etwas seltsam klingen. Beispielsweise vermutete Aristoteles, Mütter beeinflussten die Entwicklung ihrer ungeborenen Kinder nicht nachhaltiger als sich die Beschaffenheit eines bestimmten Bodens auf die Entwicklung einer Pflanze aus einem Samenkorn auswirke. Andere glaubten, die Ähnlichkeit entstehe durch eine »Mischung des Blutes«; da findet sich schon die Idee, dass Kinder eine gleichmäßige Kombination der Merkmale ihrer beider Eltern erben.

Erst mit der Entdeckung des Gens wurde der Weg frei für ein realistischeres Verständnis der Vererbungsprozesse. Dabei verdanken wir den Genen nicht nur, dass wir besser verstehen, warum sich in Familien bestimmte Merkmale überdurchschnittlich häufig ausprägen, sondern sie erweisen sich auch als die entscheidende Informationsquelle, die das Leben nutzt, um Zellen zu bilden, zu erhalten, zu reproduzieren und damit auch Organismen aus Zellen zu erschaffen.

Gregor Mendel, Abt des heute in der Tschechischen Republik gelegenen Kapuzinerklosters Brno (Brünn), hat als Erster etwas Licht in die Geheimnisse der Vererbung gebracht. Aber das gelang ihm nicht durch die Beobachtung der häufig verblüffenden Vererbungsmuster in menschlichen Familien. Vielmehr führte er sorgfältig durchdachte Experimente mit Erbsen aus und wurde zum Wegbereiter für die Ideen, die schließlich zur Entdeckung jener Erbträger führten, die wir heute Gene nennen.

Mendel war weder der Erste, der versuchte, Fragen zur Vererbung durch wissenschaftliche Experimente zu beantworten, noch der Erste, der die Antworten bei Pflanzen suchte. Diese frühen Pflanzenzüchter hatten beschrieben, wie einige Pflanzenmerkmale kontraintuitiv von einer Generation an die nächste vererbt wurden. Manchmal sahen die Nachkommen einer Kreuzung von zwei verschiedenen Elternpflanzen wie eine Mischung der beiden aus. So konnte die Kreuzung einer lila blühenden mit einer weiß blühenden Pflanze eine rosafarben blühende Pflanze ergeben. Dagegen schienen andere Merkmale immer in einer bestimmten Generation zu dominieren. So hatten in diesen Fällen manchmal die Nachkommen einer lila blühenden und einer weiß blühenden Pflanze alle lila Blüten. Die frühen Pioniere der Vererbungslehre sammelten viele faszinierende Hinweise, aber keinem von ihnen gelang es, eine plausible Erklärung für die genetischen Vorgänge bei der Vererbung in Pflanzen vorzuschlagen – geschweige denn, wie sie prinzipiell bei allen Lebewesen, einschließlich des Menschen, funktioniert. Mit Mendels Forschung an Erbsen jedoch begann sich dieser Schleier endlich zu lüften.

Mitten im Kalten Krieg begab ich mich auf meine eigene Wallfahrt zum Augustinerkloster in Brno, um mir anzuschauen, wo Mendel gearbeitet hatte. Das war lange bevor es zu der Touristenattraktion wurde, die es heute ist. Der damals ziemlich verwilderte Garten war überraschend groß. Mühelos konnte ich mir die vielen Reihen mit Erbsenpflanzen vorstellen, die Mendel dort züchtete. Er hatte an der Universität Wien unter anderem Physik studiert, scheiterte aber an der Lehramtsprüfung. Doch etwas von seiner naturwissenschaftlichen Ausbildung blieb wohl haften, denn ihm war klar, dass er eine riesige Datenmenge brauchte: Bei großen Stichproben ist es wahrscheinlicher, dass sich wichtige Muster zeigen. Für einige seiner Experimente verwendete er 10 000 verschiedene Erbsenpflanzen. Kein Pflanzenzüchter vor ihm hatte mit einem so strengen, ausgeprägt quantitativen Ansatz gearbeitet.

Um seine Experimente etwas zu vereinfachen, beschränkte Mendel sich auf Merkmale, die deutliche Unterschiede zeigten. Mehrere Jahre lang zeichnete er die Ergebnisse der von ihm vorgenommenen Kreuzungen sorgfältig auf und entdeckte Muster, die andere übersehen hatten. Vor allem aber beobachtete er, dass die Erbsenpflanzen, die Träger oder Nichtträger auffälliger Merkmale wie bestimmter Blütenfarben oder Samenformen waren, in genau definierten Zahlenverhältnissen zueinander standen. Eine entscheidende Leistung Mendels bestand darin, diese Verhältnisse durch eine mathematische Reihe auszudrücken. Daraus leitete er die These ab, dass der männliche Pollen und die weiblichen Samenanlagen in den Erbsenblüten Gebilde – »Elemente« nannte er sie – enthielten, die mit den verschiedenen Merkmalen der Elternpflanzen verknüpft seien. Wenn diese Elemente durch die Befruchtung zusammenkämen, würden sie die Merkmale der nächsten Pflanzengeneration beeinflussen. Doch Mendel wusste nicht, worum es sich bei diesen Elementen handelte und worauf ihre Wirkung beruhte.

Dank eines unglaublichen Zufalls untersuchte Charles Darwin, ein anderer berühmter Biologe, etwa zur gleichen Zeit wie Mendel Pflanzenkreuzungen an Löwenmäulchen (Antirrhinum majus). Dabei beobachtete er ähnliche Zahlenverhältnisse, allerdings ohne sich Gedanken über ihre Bedeutung zu machen. Auf jeden Fall wurde Mendels Forschung von den Zeitgenossen kaum zur Kenntnis genommen. Es verging noch eine ganze Generation, bis ihn jemand ernst nahm.

Um 1900 begannen andere Biologen, unabhängig voneinander, Mendels Versuche zu wiederholen, sie weiterzuentwickeln und zur Frage, wie die Vererbung vor sich gehen könnte, konkretere Annahmen zu formulieren. Diese Untersuchungen führten zu der nach dem wegweisenden Mönch benannten Theorie des Mendelismus und der Geburt der Genetik. Jetzt horchte die Welt auf.

Nach Mendels Theorie werden ererbte Merkmale durch das Vorhandensein physischer Teilchen bestimmt, die paarweise existieren. Diese »Teilchen« sind Mendels »Elemente«; wir nennen sie heute Gene. Mendel konnte wenig über die Teilchen sagen, aber er beschrieb sehr genau, wie sie vererbt werden. Vor allem aber kristallisierte sich heraus, dass diese Schlussfolgerungen nicht nur für Erbsen gelten, sondern für alle sich sexuell reproduzierenden Arten, von der Hefe bis zum Menschen und für alle Organismen dazwischen. Jedes Ihrer Gene liegt als Paar vor; Sie haben jeweils eins von ihren beiden biologischen Eltern geerbt. Weitergegeben wurden sie von der Samen- und der Eizelle, die im Augenblick der Empfängnis miteinander verschmolzen.

Während des letzten Drittels des 19. Jahrhunderts, als Mendels Entdeckungen brachlagen, stand die Wissenschaft natürlich nicht still. Insbesondere hatte man eine klarere Vorstellung davon bekommen, was mit Zellen während der Teilung geschieht. Als man diese Beobachtungen schließlich mit den von Mendel postulierten Erbteilchen verknüpfte, zeichnete sich deutlicher ab, wie bedeutsam das Gen für das Leben ist.

Ein früher Hinweis war die Entdeckung von mikroskopischen Strukturen innerhalb der Zellen, die wie dünne Fäden aussahen. Zuerst wurden sie in den 1870er Jahren von Walther Flemming beobachtet, der zunächst Militärarzt war und dann Zellbiologe wurde. Unter Verwendung der besten Mikroskope seiner Zeit beschrieb er, wie ungewöhnlich sich diese winzigen Fäden verhielten: Wenn sich eine Zelle zur Teilung bereitmachte, spalteten die Fäden, also die Chromosomen, sich der Länge nach auf, bevor sie kürzer und dicker wurden. Während sich die Zelle in zwei Hälften aufteilte, wurden die Fäden getrennt, wobei je eine Hälfte in eine der beiden neu gebildeten Tochterzellen gelangte.

Was Flemming sah, aber damals nicht ganz verstand, war die physische Manifestation der Gene, die von Mendel postulierten Erbteilchen. Die Gebilde, die Flemming als »Fäden« bezeichnete, nennen wir heute Chromosomen. Sie sind die in allen Zellen vorhandenen Strukturen, die die Gene enthalten.

Etwa zur selben Zeit ergab sich ein entscheidender Hinweis aus einer anderen, vollkommen überraschenden Quelle: den befruchteten Eizellen parasitischer Spulwürmer. Als der belgische Biologe Édouard van Beneden die frühesten Entwicklungsstadien von Spulwürmern genau betrachtete, entdeckte er unter seinem Mikroskop, dass die erste Zelle jedes gerade befruchteten Embryos vier Chromosomen enthielt. Sie erhielt genau zwei von der Eizelle und zwei von der Samenzelle.

Das deckte sich exakt mit den Vorhersagen des Mendelismus – zwei gepaarte Gensätze, die im Augenblick der Befruchtung zusammengebracht werden. Seither sind van Benedens Ergebnisse immer wieder bestätigt worden. In Eizelle und Samenzelle befindet sich jeweils die Hälfte der Chromosomen, und die vollständige Zahl der Chromosomen bildet sich, wenn die beiden zu einer befruchteten Eizelle verschmelzen. Wir wissen heute, dass das, was für die sexuelle Fortpflanzung von Spulwürmern gilt, auch auf alle anderen eukaryotischen Lebensformen, einschließlich des Menschen, zutrifft.

Die Zahl der Chromosomen variiert erheblich: Erbsenpflanzen...