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Die Grundlagen des Wissens

Molekularbiologie: Die Uhr in den Genen

Wie sich aus der Analyse der Erbsubstanz DNS die Geschichte der menschlichen Evolution rekonstruieren lässt.

Eine neue Technik hat in den vergangenen 25 Jahren die Erforschung der Menschheitsgeschichte revolutioniert: die molekulare Analyse der Erbsubstanz DNS. Indem Forscher bestimmte genetische Bausteine vergleichen, können

sie sagen, wie eng zwei Lebewesen miteinander verwandt sind und wer von wem abstammt. Seit es zudem möglich ist, Erbsubstanz aus jahrzehntausendealten Knochen zu gewinnen, lassen sich in diesen Vergleich sogar die Gene längst ausgestorbener Menschenarten einbeziehen.

Es ist eine Technik, die es quasi gestattet, in die Erdgeschichte zurückzureisen. Mit ihrer Hilfe können die Forscher unter anderem ermitteln, wann sich eine Art in zwei aufgespalten hat – etwa wann sich Homo sapiens und Neandertaler voneinander trennten – und wie viel Zeit seither vergangen ist.

Und so hat die genetische Analyse (auch „molekulare Uhr“ genannt) bereits etliche neue Erkenntnisse geliefert:

- Der letzte gemeinsame Vorfahr von Mensch und Schimpanse muss vor fünf bis sieben Millionen Jahren gelebt haben.

- Alle heutigen Menschen sind eng miteinander verwandt und stammen von einer „Ur-Eva“ ab, die vor rund 200 000 bis 150 000 Jahren in Afrika lebte. Eine kleine Gruppe dieser frühen Afrikaner verließ später den Kontinent und wurde zu den Ahnen der heutigen Europäer, Asiaten und Australier.

- Neandertaler haben sich offenbar vor mindestens 80 000 Jahren im Nahen Osten mit dort ebenfalls lebenden Vertretern der Art Homo sapiens vermischt.

- In einer Epoche irgendwann vor 48 000 bis 30 000 Jahren lebte im Altai-Gebirge in Zentralasien ein Mensch,

der einer noch unbekannten Spezies angehörte. Von dem Individuum wurde bislang nur ein Fingerknochen in der sibirischen Denisova-Höhle gefunden. Die Erkenntnis nach Analyse der Erbsubstanz: Die neu entdeckte Spezies muss sich vor rund einer Million Jahren von jenen Urmenschen abgetrennt haben, deren Entwicklung später zum Homo sapiens und zum Neandertaler führte.

Mutationen im Erbgut lassen sich als Zeitmesser verwenden

Doch wie kommen die Forscher zu solchen Aussagen? Ein Mensch trägt in fast jeder Zelle seines Körpers das gesamte Erbgut. Es besteht aus rund 23 000 Genen und etwa drei Milliarden genetischen Bausteinen (oder „genetischen Buchstaben“). Bei jeder Zellteilung und Vermehrung von Lebewesen muss die riesige Anzahl an Bausteinen der DNS kopiert werden.

Und wie bei der Abschrift eines Buches können sich dabei Fehler einschleichen: Buchstaben können ausgetauscht, weggelassen oder hinzugefügt werden. Biologen sprechen von Mutationen. Sie nehmen an, dass solche Fehler mit einer gewissen Regelmäßigkeit auftreten und damit eine Art Takt vorgeben, der sich als Uhr verwenden lässt.

Solange eine Gruppe von Lebewesen sich sexuell fortpflanzt und in dem gleichen Gebiet lebt, werden alle entstehenden Mutationen ständig durchmischt. Sobald sich aber zwei Gruppen voneinander trennen, startet die Uhr.

Die Mutationen häufen sich nun in jeder Gruppe separat an und führen zu Unterschieden zwischen ihnen. Diese Unterschiede werden immer größer, je länger die beiden Populationen voneinander getrennt sind. Analysieren Forscher nun die DNS zweier Lebewesen und vergleichen sie, können sie aus der Anzahl der Unterschiede zurückrechnen, wann sich die Vorfahren der beiden getrennt haben.

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Für eine Erbgutanalyse lassen sich einzelne Genfragmente sichtbar machen - und vergleichen

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Allerdings ist das in der Praxis ungemein schwierig, denn die genetische Uhr kann an unterschiedlichen Stellen des Erbgutes unterschiedlich schnell ticken. Betrifft eine Mutation zum Beispiel ein lebenswichtiges Gen, stirbt der entsprechende Träger. Nachteilige Mutationen werden also durch die natürliche Auslese schnell wieder herausgesiebt und können sich nicht anhäufen. Andere Abschnitte auf dem Erbgut haben dagegen keine erkennbare Funktion; hier zeigen die Mutationen keine Wirkung; sie können sich langsam und stetig ansammeln.

Zudem befindet sich ein kleiner Teil der Erbsubstanz nicht im Zellkern, sondern in den Mitochondrien, den Kraftwerken der Zelle, die zu Hunderten im Zellplasma vorkommen und eine eigene, recht kurze DNS haben. Weil bei ihnen die Reparatur von Kopierfehlern nicht so gut funktioniert wie im Zellkern, häufen sich die Fehler dort viel stärker an –

die Uhr läuft schneller.

Zudem existiert die Mitochondrien-DNS in vielen Kopien in jeder Zelle. Deshalb ist die Wahrscheinlichkeit groß, auch in sehr alten Knochenrelikten, deren Erbkern-DNS bereits ihre Struktur verloren hat, noch intakte Exemplare davon aufzuspüren. Es war deshalb Mitochondrien-DNS, die Molekularbiologen erstmals aus den Knochen eines mehr als 30 000 Jahre alten Neandertalers gewinnen konnten. Das 1997 veröffentlichte Ergebnis: Neandertaler und Homo sapiens haben sich vor rund 600 000 Jahren voneinander getrennt.

Im Mai 2010 schaffen Forscher eine bahnbrechende Wende

Doch als die Technik dann so weit voranschritt, dass es auch möglich wurde, das komplette Erbgut (Genom) von Neandertalern zu analysieren, bahnte sich im Mai 2010 eine sensationelle Wende an: Der Vergleich von drei 38 000 bis 44 000 Jahre alten Neandertal-Genomen aus Kroatien mit fünf heutigen Menschen zeigte: Einige genetische Sequenzen zwischen Neandertalern, Europäern und Asiaten stimmen stark überein.

Noch verblüffender: Es gibt offenbar keinerlei genetische Vermischungen zwischen den Neandertalern und heutigen afrikanischen Bevölkerungen. Daraus schließen die Forscher: Vor etwa 80 000 Jahren trafen im Nahen Osten Neandertaler mit jenen Homo-sapiens-Gruppen zusammen, die aus Afrika ausgewandert waren. Es gab einige sexuelle Kontakte, sodass Neandertaler-DNS in das Erbe dieser modernen Menschen geriet.

Die Nachfahren der Homo-sapiens-Siedler aus dem Nahen Osten breiteten sich dann über die restliche Erde aus und wurden zu den Ahnen der Europäer, Asiaten und Australier – während die in Afrika verbliebenen Homo-sapiens-Gruppen keinen Kontakt zu den Neandertalern hatten. So hinterließen die Urmenschen ihre genetischen Spuren in einem Teil der heutigen Menschheit, während sie selbst einige Jahrzehntausende später ausstarben.

Das Ergebnis der Analyse wirft eine brisante Frage auf: Wenn sich der Urmensch und der moderne Mensch vermischen konnten, gehörten sie derselben Art an. Müssen die Forscher also aus der Art Homo neanderthalensis wieder eine Unterart des modernen Menschen machen, ihn also Homo sapiens neanderthalensis nennen?

Diese Erkenntnis wird sicher nicht die letzte sein, mit der die Molekularbiologie die Sicht auf die Menschheitsevolution verändert. Denn die Analysetechniken werden immer einfacher, exakter und schneller und erlauben es, immer ältere Relikte von Urmenschen zu erkunden.

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