Sonntag, 23.09.2018
 
StartseiteWissenschaft im BrennpunktDas Langzeit-Evolutions-Experiment des Richard Lenski09.09.2018

Experimentelle BiologieDas Langzeit-Evolutions-Experiment des Richard Lenski

Seit 1988 gibt es in einem Labor an der Michigan State University ein besonderes Experiment. Dort wachsen Bakterien unter genau kontrollierten Bedingungen – inzwischen in der 70.000 Generation. Die Ergebnisse dieses "Long-Term-Evolution-Experiments" bieten tiefe Einblicke in die Arbeitsweise der Evolution.

Von Dagmar Röhrlich

Zwei Hände fassen eine Petrischale mit Bakterienkulturen zur Genvermehrung. (dpa / picture alliance / Michael Rosenfeld)
Petrischalen mit Bakterienkulturen zur Genvermehrung (dpa / picture alliance / Michael Rosenfeld)
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Experimentelle Evolution Richard E. Lenski und das Long Term Evolution Experiment

 Similar Data, Different Conclusions

Evolution kennt keine Grenzen E.coli-Bakterien werden im Experiment immer fitter

Am 24. Februar 1988 begann Richard Lenski in seinem Labor an der Michigan State University ein Langzeitexperiment. Er setzte zwölf identische, aus einem einzelnen Bakterium geklonte Populationen von Escherichia coli auf. Inzwischen sind bereits rund 70.000 Generationen herangewachsen - unter genau kontrollierten und genau gleichen Bedingungen.

"One of the goals of which was to study the repeatability of evolution." 

Evolution im Reagenzglas

Es geht darum, die Wiederholbarkeit der Evolution zu erforschen, erläutert Zachary Blount, der seit mehr als 14 Jahren an den Kulturen forscht. Seit jenem 24. Februar spielt sich im Labor jeden Tag das gleiche Ritual ab: Die Wissenschaftler setzen in einer Kulturflasche 9,9 Milliliter frische Nährlösung an und geben 0,1 Milliliter der alten Kultur hinzu. Dann haben die Colibakterien 24 Stunden Zeit, sich zu vermehren.

"Sie leben von ein bisschen Glukose, die wir dem Nährmedium zusetzen. Die Lösung enthält auch große Mengen Citrat. Allerdings kann E. coli - anders als nahe verwandte Darmbakterien - Citrat nur dann als Kohlenstoffquelle nutzen, wenn kein Sauerstoff vorhanden ist."  
 
Da in den Kulturflaschen Sauerstoff ist, müssen die Colibakterien hungern, sobald die Glukose aufgebraucht ist. Das verschafft denen einen Vorteil, die Glukose effektiver nutzen als andere.  Und so konnten die Forscher im Lauf der Generationen Dutzende Mutationen im Erbgut der Bakterien nachweisen, von denen viele ihren Trägern einen Vorteil verschaffen sollten. In den Flaschen lief Evolution:

"Wenn nun die Evolution rein nach dem Prinzip Konvergenz ablaufen würde und komplett wiederholbar wäre, müssten sich alle zwölf Populationen genau gleich entwickeln. Falls jedoch der Zufall dominiert, wie Stephen Jay Gould es gesehen hat, müsste jede etwas vollkommen anderes machen. Doch in Wirklichkeit sehen wir eine Mischung aus beidem."

Evolution sucht nicht nach einer optimalen Lösung

Der Vergleich mit den älteren, eingefrorenen Bakteriengenerationen zeigt, dass alle zwölf Glukose besser nutzen als ihre Ahnen, dass sie sich schneller vermehren und mit der Zeit größer geworden sind: 

"Über alle Bakterienpopulationen hinweg sind die gleichen Gene mutiert, manchmal sogar in ganz ähnlicher Art und Weise. Die Populationen scheinen sich also in vielerlei Hinsicht gleich anzupassen. auf der Makroskala läuft alles sehr ähnlich ab. Doch bei genauerem Hinsehen zeigt sich: Es gibt leichte Unterschiede bei den Mutationen, und diese leichten Unterschiede könnten leicht unterschiedliche Auswirkungen haben."

Das beweise die Lehrmeinung, dass die Evolution das Machbare erzeuge und nicht nach einer optimalen Lösung suche. Doch nach 15 Jahren passierte etwas Unerwartetes:

"Als Anfang 2003 die Kulturen wie an jedem Tag in eine frische Flasche überführt werden sollte, war eine sehr viel trüber als die anderen. Der Grund: Die Colibakterien dieser Population hatten eine neue Fähigkeit entwickelt: Sie konnten Citrat verarbeiten - und zwar in Anwesenheit von Sauerstoff. Damit stand ihnen plötzlich sehr viel mehr Nahrung zur Verfügung, und sie vermehrten sich sehr viel schneller."

Viele kleine Zufälle führten hier also über Generationen zu einer völlig neuen Eigenschaft – vielleicht sogar bald zu einer neuen Art.

Über einen möglichen Namen haben die Forscher schon nachgedacht: Escherichia gouldiae - nach Stephen Jay Gould.

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