Paul Layer

Das letzte halbe Jahrhundert hat einen unvergleichlichen Siegeszug der Molekularbiologie erlebt, zu dem die Genomik, die molekulare Zell- und Entwicklungsbiologie, die Epigenetik sowie Erkenntnisse der Stammzellbiologie als tragende Säulen beigetragen und die Biowissenschaften insgesamt in die sogenannte postgenomische Ära geführt haben. Anstelle eines verengten Blicks in den Kern der Zelle und seiner DNA hat sich das Visier von Biologen auf eine sich dynamisch verändernde Zellumgebung hin geöffnet. Wechselwirkungen zwischen molekularen, zellulären, organismischen bis hin zu ökologischen Hierarchieebenen, stets aufwärts und abwärts interagierend (bottom-up und top-down), bestimmen das Bild postgenomischer Naturbetrachtung. Dieses erweiterte Gesichtsfeld führte einerseits weg von einem strikten Gen-gesteuerten Determinismus hin zu Systemdenken und zur Systembiologie. Zum anderen rückten auf diesem Weg wieder Lücken in der klassischen neodarwinistischen Lehre in den Fokus, die nach einer erweiterten Synthese der Standardlehre der Evolution rufen. So hat das neue Forschungsfeld Evo-Devo (Akronym für Evolutionary Developmental Biology) erstmals molekulare Mechanismen für die sprunghafte Entstehung von Merkmalen aufgezeigt, die die Grundlage für die Entstehung neuer Baupläne (Makroevolution) bildeten.

Der Kugel als Grundbauform des Lebens begegnen wir im gesamten Organismenreich, angefangen von sphärischen einzelligen Lebewesen wie der Namibperle (Thiomargaritha namibiensis), einem großen marinen Bakterium, über kugelige, vielzellige Algen wie der Süßwasseralge Volvox, marinen Rippenquallen wie der Seestachelbeere (Pleurobrachia) und den frühen Entwicklungsstadien tierischer Vielzeller (Metazoa). Alle diese kugeligen Gestalten finden wir fast ausschließlich in wässrigem Milieu. An Land sind die Pflanzen hingegen generell langgestreckt. Tiere haben spätestens beim Auszug aus einer aquatischen Umgebung die Kugelform aufgegeben. Diese Beobachtung führt zur Frage nach den grundlegenden Prinzipien der Bauplanevolution im Zusammenhang mit dem Landgang der Tiere und Pflanzen. Beim Landgang konnte auf bereits im aquatischen Milieu entwickelte Grundformen zurückgriffen werden. Bei den Pflanzen waren es die von Algen bekannten Zellfäden, aus denen die bipolare Langform hervorging. Mit dem einen Ende dem mineralischen Untergrund verhaftet und mit dem anderen in die Atmosphäre reichend, schufen sie die Grundlagen für terrestrische Tiere. Der Schritt ans Land vollzog sich bei Tieren mehrfach und ging von einer größeren Zahl von Bauplänen aus. Wie die evolutionäre Entwicklungsbiologie (EvoDevo) nahelegt, gingen diese auf kleine Abwandlungen in der Embryonalentwicklung zurück, die in kurzen Zeiträumen große Entwicklungsschritte (Makrosprünge) möglich machen. Entsprechend rasch konnten sich die Tiere auch an terrestrische Bedingungen anpassen.

Molecular developmental biology has expanded our conceptions of gene actions, underpinning that embryonic development is not only governed by a set of specific genes, but as much by space–time conditions of its developing modules. Typically, formation of cellular spheres, their transformation into planar epithelia, followed by tube formations and laminations are modular steps leading to the development of nervous tissues. Thereby, actions of organising centres, morphogenetic movements, inductive events between epithelia, tissue polarity reversal, widening of epithelia, and all these occurring orderly in space and time, are driving forces of emergent laminar neural tissues, e.g. the vertebrate retina. Analyses of self-organisational formation of retina-like 3D structures from dispersed cells under defined cell culture conditions demonstrate that not only particular genetic networks, but—at least as important—the applied culture conditions define phenotypes of emergent tissues. Such in vitro approaches allow assigning emerging tissue formation to ground-laying genetic networks separately from contributions by conditional constraints.

Physiologie und Struktur komplexer Gehirne lassen sich durch Betrachtung evolutions- und entwicklungsbiologischer Abläufe analysieren, was der Hirnforschung tiefe Einblicke bis zur molekularen Ebene erlaubt. In knappster Form werden grundlegende Aspekte der Stammes- und Individualentwicklung (Phylo- und Ontogenese) von Gehirnen im Tierreich beschrieben, bis hin zum menschlichen Gehirn, dessen Grobgliederung skizziert wird. Das Lernvermögen insbesondere von Kleinkindern ist aufgrund postnataler Hirnplastizität erklärbar. Systematische Unterschiede zwischen einzelnen Zellen und Neuronenverbänden sind für selbstorganisierende Bewußtseinsprozesse bedeutsam. Am Beispiel der stufenweisen visuellen Signalverarbeitung wird die mögliche Wahrnehmung von Bildern diskutiert, um danach gängige Theorien zur Bewußtseinsfrage einander gegenüber zu stellen. Schließlich wird auf das Qualia-Problem eingegangen, was vom Autor als Unerklärbarkeit des Bewußtseinsinhalts und als Urfrage des Leib-Seele-Problems verstanden wird. Sie kann wohl auch durch modernste biologische Forschung nicht beantwortet werden.

Nicht Stabilität, sondern Instabilität sei der Grundcharakter der Natur, so hören wir von Jan Schmidt als Auftakt zu seinem Buch „Das Andere der Natur“ (Hirzel-Verlag, 2015). „Das Eine der Natur“, welches reduktionistisch zu erfassen ist, soll durch ein „Anderes“ ergänzt werden. Von dieser anderen Seite her zeigt sich „Natur ... auch (als) instabil, komplex, chaotisch, zufällig, emergent...“, und aus dieser Sicht des Naturgeschehens heraus will der Autor eine Philosophie der Instabilität entwerfen. Der gelernte Physiker und Philosoph lehrt an der Hochschule Darmstadt (hda) Wissenschafts- und Technikphilosophie. Sein Buch beleuchtet das Thema „Instabilitäten“ aus vielen Blickwinkeln. Was sind Instabilitäten, was Selbstorganisation, was ist Zeit, was Zufall, was Kausalität? Diese Erkenntnisse bezieht der Autor dann auf den Kosmos, auf die Evolution bis hin zum menschlichen Gehirn und seinen Leistungen. Mit dieser Rezension gehe ich ausführlich auf dieses lesenswerte Buch ein.

Die Frage nach der Vererbung von Eigenschaften bei Lebewesen beschäftigt den Menschen seit alters her: das ist Genetik. Auch lange schon beschäftigen sich Biologen mit der Frage, wie sich die vielen Tierarten im Laufe einer langen Stammesgeschichte herausbilden konnten: das ist Evolution. Wie wird Konstantes über Generationen bewahrt und Diverses/Neues eingeführt? Die überragenden Erfolge der Genetik haben uns im Glauben eingelullt, wir hätten diese Prozesse vollständig verstanden. Mit dem Aufkommen der so genannten Epigenetik kommen Grundlagen sowohl der Individual-, wie auch der Stammesentwicklung jedoch wieder ins Schwanken. In diesem Artikel will ich einen kleinen Einblick in das Feld der Epigenetik und ihre gesellschaftliche Relevanz geben.

Never was dogmatic reductionism helpful in conceiving the phenomenon of life. The post-genomic era has made it clear that genes alone cannot explain the functioning of whole organisms. Already each cell represents a unique, non-recurring individual. Recent progress in developmental biology has conveyed new perspectives both on the makings of individual organisms (ontogeny), as on evolutionary change (Evo-Devo). The genome (the entirety of all genes) of an animal remains constant from fertilization onwards in each cell. The realization of genes requires molecular environments, in particular pertinent to the cytoplasm of the unfertilized egg. Individuality of an organism therefore is not only determined by its genome, but is shaped through developmental processes (it needs time!). Organisms can only exist through mutual interplays with their respective (molecular and cellular) environments at all levels of organization. Thus, life can be conceived of as endless networks of communication, e.g. as a mutual continuum, connecting all individuals, all species and all generations within their given environments. Evolutionarily, nature does not select fitting genes, but rather viable traits. The presented concepts render it unlikely that it was genes that founded our living world, but rather that distinct environments shaped “genes” (of whatever chemical nature) which proved to be “life-suitable”.

Berge von brennenden Tieren, Bilder vom „Keulen“, Bilder vom geklonten Menschen. Aber auch Euphorisches: nach der Aufklärung des menschlichen Genoms schöpfen Krebs- und AIDS-Kranke, Querschnittsgelähmte und Alzheimer-Patienten neue Hoffnung. Bilder auch von Börsenkursen: vom neuen Markt der Informations- und Biotechnologien hängt unsere ökonomische Zukunft ab. Hinter allem stecken die „Life Sciences“, und oft wird man mit schrägem Blick gefragt, was das für Leute sind, diese Bio- bzw. Lebenswissenschaftler? Die Frage nach den Möglichkeiten und dem wahren Wert des biomedizinischen Fortschritts, nach seiner Kontrolle, nach seiner Verantwortung, nach seiner gesellschaftlichen Bindung wird lauter.

Seit der Aufklärung versucht der Mensch, Gott abzuschaffen. Dabei fällt der Zufälligkeit, und damit auch der Ziellosigkeit in der darwinistischen Sicht der Evolution besonderes Gewicht zu. Diese weithin akzeptierten Dogmen stehen diametral gegen jahrtausendealte Vorstellungen, die letztlich in allen Kulturen und Religionen hervorgebracht wurden, daß die Natur eine Schöpfung Gottes sei, in der der Mensch das höchste, Gott-ebenbildliche Wesen sei. Nach Erkenntnissen der klassischen Genetik schienen Gene an die Stelle von Gott getreten zu sein: sie haben absolute Gewalt und beherrschen die belebte Natur. Sie haben je einen eindeutigen Befehl, sind unbeugsam und gerecht, wie Gott im AT. Das Produkt Mensch ist nur einer ihrer zahllosen Spielbälle, existiert vorübergehend, ein Zigeuner in einer verlassenen Ecke des Kosmos (Monod, 1992). Diese neodarwinistische Sicht, die nicht zuletzt zum Niedergang der Kirchen bei uns beiträgt, wird von neuen Erkenntnissen der Entwicklungsbiologie (EvoDevo) infrage gestellt.

The role of acetylcholinesterase (AChE) in neurotransmission is well known. But long before synapses are formed in vertebrates, AChE is expressed in young postmitotic neuroblasts that are about to extend the first long tracts. AChE histochemistry can thus be used to map primary steps of brain differentiation. Preceding an possibly inducing AChE in avian brains, the closely related butyrylcholinesterase (BChE) spatially fore-shadows AChE-positive cell areas and the course of their axons. In particular, before spinal motor axons grow, their corresponding rostral sclerotomes and myotomes express BChE, and both their neuronal source and myotomal target cells express AChE. Since axon growth has been found inhibited by acetylcholine, it is postulated that both cholinetsreases can attract neurite growth cones by neutralizing the inhibitor. Thus, the early expression of both cholinesterases that is at least partially independent from classical cholinergic synaptogenesis, sheds new light on the developmental and medical significance of these enzymes.

Darwin´s Erkenntnis über die Abstammung der Arten durch Mutation und Selektion sind in aller Munde, dass aber darüber im Detail noch viel Unklarheit herrscht, ist weniger bekannt. Es sind Fortschritte der Entwicklungsbiologie, die erst seit wenigen Jahren uns molekulare Erklärungsmuster an die Hand geben, mit denen die Entstehung neuer Arten besser verständlich wird. Es handelt sich um die Aufklärung der Wirkungsweise von Genen und ihren molekularen Produkten, die während der embryonalen Entwicklung von Tier und Mensch dafür sorgen, daß der Organismus sich normal entwickelt. Treten Veränderungen (Mutationen) in einem dieser Mastergene auf, so wird dies zur Missbildung oder gar zum Absterben des betreffenden Embryos führen. Aber in seltenen Fällen kann so auch eine neue Tierart begründet werden. Gerade im Darwin-Jahr werden die Lehrbücher zur Evolutionsbiologie um ein wesentliches Kapitel erweitert. Es ist mit EvoDevo überschrieben und will damit ausdrücken, daß Evolutionary Theory ohne Developmental Biology keinen Sinn macht. Die bisherigen Lücken im Verständnis des Evolutionsgeschehens und die neue Sicht von EvoDevo wird im Folgenden dargestellt werden.

Bei der Suche nach dem rätselhaften Ursprung des Phänomens „Leben“ wird hier zunächst die zelluläre Ebene betrachtet. Im Grundaufbau zeigen alle Zellen viel Konstantes, aber gleichzeitig stellt jede Zelle ein einmaliges Individuum dar. Leben von Zellen gibt es nur als gegenseitiges Wechselspiel mit ihrer jeweiligen Umwelt. Das Genom (die Gesamtheit aller Gene) bleibt ab der Befruchtung in jeder Zelle eines Individuums konstant. Aber auch die Verwirklichung der Gene braucht eine „molekulare Umwelt“, besonders die vom Muttertier vorbereitete Umwelt im Zytoplasma des Eies. Individualität eines Organismus (z.B. des Menschen) wird also nicht allein vom Genom festgelegt, sondern ist durch Entwicklungsprozesse bedingt (braucht Zeit!). „Leben“ kann (muß?) somit begriffen werden als ein wechselseitiges Kontinuum, welches alle Individuen, alle Spezies und alle Generationen miteinander und ihren Umwelten verbindet. Wie phylogenetisch betrachtet die allererste Zelle aus abiotischen Umständen entstehen konnte, wird hier nicht behandelt. Das Gesagte legt allerdings nahe, dass es nicht Gene waren, die sich eine belebte Welt erschufen, sondern bestimmte (Um-)Welten „erschufen“ sich Gene, die „lebenstauglich“ waren.

Der erste Teil dieses Aufsatzes befasst sich mit der Tatsache, dass neben der Stammesgeschichte des Menschen (Phylogenese) und seiner je individuellen genetischen Ausstattung für seine Persönlichkeitsentwicklung besonders wichtig ist, dass sein Gehirn bei der Geburt noch unausgereift ist. In dieser Phase kommen Umwelteinflüsse (Lernen jeglicher Art) besonders stark zum Tragen, so daß die „Freiheit des Menschen“ hier wesentlich begründet wird. Soviel uns das Studium der Frühentwicklung des Gehirns (Ontogenese) über seine Organisation und seine Funktionen hat verstehen lassen, bleibt doch fraglich, inwieweit die Hirnforschung uns in Fragen nach den seelisch-geistigen Fähigkeiten des Menschen, oder gar nach Gott und Gottesbildern weiterbringen kann. Im 2. Teil wird daher am Beispiel der Hirnfunktionen und der Frage nach dem Bewusstsein erläutert, warum menschliche Erkenntnisfähigkeit begrenzt ist. Die Naturwissenschaft behandelt Wenn-Dann-Fragen und liefert Gründe für das Dann. Sie kann jedoch weder Wesensfragen klären, noch den letzten Urgrund alles Seienden festmachen. Weil aber alles einen Grund haben muß, kann es ein absolutes Nichts niemals gegeben haben, oder geben. Daraus folgend wird im 3. Teil erläutert, dass es gerade rational Sinn macht, als Urgrund der Welt eine letzte Allmacht, also Gott zu denken. Religion kann demnach als höchste, weil freiheitlichste und damit menschlichste Leistung unseres Hirns verstanden werden. Die Evolution hat mit dem menschlichen Gehirn nicht nur die Stufe der Selbst-, sondern auch der Gottesreflexion erreicht. Dies könnte biologisch mit dem theologischen Begriff der Gottesebenbildlichkeit gemeint sein.

Nach neodarwinistischem Verständnis der Evolution entstehen neue Organismen letztlich durch rein zufällige Mutationsprozesse auf genetischer Ebene. Ihre Überlebenschancen werden dann durch die jeweilig herrschende Umwelt begünstigt oder unterdrückt. Die Evolution ist demnach nur vom reinen Zufall geleitet. Neuere Einsichten aus Entwicklungsbiologie (EvoDevo) und Epigenetik haben unsere Sicht der Evolutionsabläufe jedoch deutlich erweitert. Dabei kommt der Umwelt eine lenkende Rolle zu, der reine Zufall verliert an Bedeutung. Damit lässt sich naturwissenschaftliches Verständnis wieder besser mit herkömmlichen Schöpfungsbildern versöhnen.