Philosophie der Naturwissenschaften

Philosophische Probleme der Theoretischen Biologie

Das Problem der Natur von Vererbung und Variabilität in der Entwicklung der Genetik

Die Haupttendenz der biologischen Entwicklung im 20. Jahrhundert war das Streben nach theoretischer Verallgemeinerung des gesammelten Faktenmaterials, das mit dem Aufkommen neuer Disziplinen entstand, die verschiedene Organisationsebenen des Lebendigen untersuchen – die Zelle und ihre Bestandteile, Organe, Embryonen und Populationen. Die Zelltheorie des Aufbaus des Lebendigen, die eine konzeptionelle Basis für biologische Forschungen bietet, verschärft die Frage nach den Gesetzmäßigkeiten der Fortpflanzung lebender Organismen und der Zelle selbst.

In Darwins Evolutionskonzept waren die Vorstellungen von Vererbung sehr vage, das Hauptproblem bezog sich auf die Prinzipien der Artbildung, Fragen der Variabilität, des Überlebenskampfes und der natürlichen Selektion. Die „vorläufige Hypothese des Pangenesismus“, die Darwin im letzten Kapitel seines Werkes „Variation domestizierter Tiere und Kulturpflanzen“ (1868) aufstellte, nahm die Bildung besonderer Partikel – der Gamulen – in jeder Zelle eines Organismus an. Diese Partikel sollten sich im Organismus ausbreiten und in Zellen sammeln, die für sexuelle oder vegetative Fortpflanzung dienen. Die Gamulen einzelner Zellen könnten sich während der Ontogenese jedes Individuums verändern und zu veränderten Nachkommen führen. Darwins Annahme der Vererbung erworbener Eigenschaften wurde experimentell von F. Galton (1871) widerlegt.

Eine weitere Hypothese über die Natur der Vererbung wurde vom Botaniker K. Nägeli in der Arbeit „Mechanisch-physiologische Theorie der Evolution“ (1884) vorgeschlagen. Nägeli nahm an, dass Erbanlagen nur durch einen Teil der Zellsubstanz weitergegeben werden, die er Idioplasma nannte. Der restliche Teil (Stereoplasma) trage keine Erbinformationen. Er vermutete, dass das Idioplasma aus Molekülen besteht, die zu langen fadenförmigen Strukturen – Myzellen – verbunden sind, die sich zu Bündeln gruppieren und ein Netzwerk bilden, das alle Zellen des Organismus durchzieht. Nägelis Hypothese bereitete die Biologen auf die Vorstellung einer komplexen Struktur der materiellen Träger der Vererbung vor.

Die Wissenschaft von den Mechanismen der Vererbung und Variabilität lebender Organismen entwickelte sich zu Beginn des 20. Jahrhunderts. Der Begriff Genetik (von griech. γένεσις, genesis – Geburt, Entstehung) wurde 1906 vom englischen Wissenschaftler W. Bateson vorgeschlagen. Die konzeptionelle Grundlage der Genetik bildeten: die Gen-Theorie, die Chromosomentheorie der Vererbung und die Mutationstheorie.

Die Entwicklung der Genetik lässt sich in drei Phasen unterteilen: klassisch (1900–1930), neoklassisch (1930–1953) und synthetisch (gegenwärtig). Die klassische Phase begann mit der Wiederentdeckung von Mendels Gesetzen, die Johann Gregor Mendel bereits 1865 formulierte, als er die Nachkommen der Kreuzung kontrastierender Erbsensorten analysierte. Mendel zeigte, dass vererbte Anlagen sich nicht vermischen, sondern von den Eltern auf die Nachkommen in Form separater Einheiten übertragen werden, und formulierte die Prinzipien der Unabhängigkeit der Kombination dieser Elementareinheiten bei Kreuzungen.

Die Forscher der klassischen Phase der Genetik klärten die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten der Vererbung und bewiesen, dass die Erbfaktoren in den Chromosomen konzentriert sind. In den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts wurde das Konzept der diskreten Erbanlagen durch eine Vielzahl von Experimenten mit Pflanzen, Tieren, Mikroorganismen und durch Beobachtungen der menschlichen Vererbung bestätigt. Einen großen Beitrag zur klassischen Phase der Genetik leistete der englische Wissenschaftler W. Bateson (1861–1926), der zeigte, dass die von Mendel formulierten Gesetze nicht nur für Pflanzen, sondern auch für Tiere gelten. 1909 führte der dänische Wissenschaftler Wilhelm Johannsen (1857–1927) den Begriff „Gen“ ein, um die diskrete Einheit zu bezeichnen, die für die Vererbung eines bestimmten Merkmals verantwortlich ist. 1912 zeigte T. H. Morgan, dass Gene in Chromosomen lokalisiert sind.

Eine der wichtigsten Eigenschaften von Genen ist die Kombination aus hoher Stabilität (Unveränderlichkeit über viele Generationen hinweg) mit der Fähigkeit zu vererbbaren Veränderungen, die die Grundlage der Variabilität von Organismen bilden und damit Material für die natürliche Selektion bereitstellen. Die Gesamtheit aller Gene (oder Anlagen) eines Organismus bildet ein komplex interagierendes System, das als Genotyp bezeichnet wird.

Johannsen stellte die natürliche Selektion als Hauptfaktor dar, der den Genotyp auf der Grundlage vererbbarer Variabilität unter dem formenden Einfluss der Umwelt verändert. So entstand die Lehre von Phänotyp und Genotyp eines Organismus. Unter dem Phänotyp versteht man die Gesamtheit aller Merkmale, die ein Organismus besitzt; der Genotyp beschreibt die genetische Ausstattung, die diese Merkmale bestimmt. Auf Grundlage dieser Lehre, insbesondere durch die Bildung genotypischer Linien von Pflanzen- und Tierpopulationen, entwickelten sich analytische Methoden der Züchtung.

Die Verbesserung der optischen Eigenschaften von Mikroskopen Ende des 19. Jahrhunderts ermöglichte experimentelle hybridologische und zytologische Untersuchungen. 1875 wies Hertwig darauf hin, dass bei der Befruchtung von Seeigel-Eiern die Verschmelzung zweier Zellkerne stattfindet (Spermakern und Eizellenkern). Flemming beschrieb 1882 das Verhalten spezieller Kernstrukturen während der Mitose (asexuelle Zellteilung). Um diese gut beobachtbaren Kernstrukturen, die eine bestimmte Rolle bei der Zellteilung spielen, zu bezeichnen, führte W. Waldeyer 1888 den Begriff „Chromosom“ ein.

Die Idee der ungleichen Vererbung der Zellkerne eines sich entwickelnden Embryos wurde 1883 von V. Rou vorgeschlagen. Zeitgleich erkannte A. Weismann die Existenz von zwei klar getrennten Zelltypen im Organismus – Keimzellen und somatische Zellen. Erstere gewährleisten die kontinuierliche Weitergabe von Erbinformationen, sind „potenziell unsterblich“ und können einen neuen Organismus hervorbringen. Die zweiten besitzen diese Eigenschaften nicht. Die Unterscheidung dieser beiden Zellkategorien war für die weitere Entwicklung der Genetik von großer Bedeutung. Die Annahme der linearen Anordnung der Erbfaktoren (Chromatingranen nach Rou, Id nach Weismann) und ihrer Längsteilung während der Mitose leitete die Chromosomentheorie der Vererbung voraus.

In den 1870er und 1880er Jahren wurden Mitose und das Verhalten der Chromosomen während der Zellteilung beschrieben. Dies führte zur Erkenntnis, dass diese Strukturen für die Weitergabe vererbbarer Eigenschaften von der Mutterzelle auf die Tochterzellen verantwortlich sind. Die Teilung des Chromosomenmaterials in zwei gleiche Teile sprach für die Hypothese, dass das genetische Gedächtnis in den Chromosomen konzentriert ist. Untersuchungen von Chromosomen bei Tieren und Pflanzen ergaben, dass jede Tierart eine genau bestimmte Zahl von Chromosomen aufweist.

Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckten Wissenschaftler, die lebende Zellen untersuchten, materielle Strukturen, deren Rolle und Verhalten eindeutig mit den von Mendel erkannten Gesetzmäßigkeiten in Verbindung gebracht werden konnten (W. Sutton, 1903). Hypothetische Vorstellungen über Erbfaktoren, über die Existenz eines einfachen Satzes von Faktoren in den Gameten (Keimzellen) und eines doppelten Satzes in den Zygoten (befruchteten Zellen) erhielten experimentelle Bestätigung. Anfang des 20. Jahrhunderts demonstrierte T. Boveri (1902) die wichtige Rolle des Zellkerns bei der Regulation der Entwicklung erblicher Merkmale eines Organismus und lieferte Beweise für die Beteiligung der Chromosomen an der Vererbung, indem er zeigte, dass die normale Entwicklung eines Seeigels nur bei Anwesenheit aller Chromosomen möglich ist.

Mit der Feststellung, dass die Chromosomen die Träger der Erbinformation sind, legten W. Sutton und T. Boveri den Grundstein für eine neue experimentelle Richtung in der Biologie – die Erforschung der Chromosomen auf Basis von hybridologischer und zytologischer Analyse. Experimentelle Ergebnisse aus zytologischen Untersuchungen bestätigten die Diskretheit des Faktors, der das Erbmaterial trägt. Es entstand das Bild, dass die Erbeinheit (Gen) für die Entwicklung eines einzelnen Merkmals verantwortlich ist und bei Kreuzungen als unteilbares Ganzes weitergegeben wird.

In der Formulierung und Begründung der Chromosomentheorie der Vererbung gebührt Thomas Hunt Morgan (1866–1945) große Verdienste. Nach der Chromosomentheorie trägt jedes Chromosom einen Faktor, jedes Faktor-Paar ist in einem Paar homologer Chromosomen lokalisiert. Da die Zahl der Merkmale eines Organismus vielfach größer ist als die unter dem Mikroskop sichtbare Zahl der Chromosomen, muss jedes Chromosom viele Faktoren enthalten.

Anfang des 20. Jahrhunderts formulierte Morgan die Theorie der Kopplung von Genen in Chromosomen. Er bewies experimentell, dass Gene, die sich auf demselben Chromosom befinden, bei Kreuzungen gemeinsam vererbt werden. Die Zahl der Kopplungsgruppen entspricht der Zahl der Chromosomenpaare. Durch die Beobachtung der Gene im Nachwuchs bestimmter Männchen und Weibchen bestätigte Morgan die Annahme der Genkopplung eindrucksvoll.

1934 wurden unter dem Lichtmikroskop riesige Chromosomen entdeckt, die abwechselnd dunkle und helle Querstreifen aufwiesen. Künstlich konnte man verschiedene phänotypische Anomalien hervorrufen, die mit bestimmten Veränderungen im Streifenmuster einhergingen. Ein deutliches Beispiel dafür, dass phänotypische Merkmale eines Organismus mit der Chromosomenstruktur verknüpft sind, ist der Unterschied zwischen den Geschlechtern. Gene, die sich auf den Geschlechtschromosomen befinden, werden als geschlechtsgebunden bezeichnet. Diese spezielle Form der Kopplung erklärte unter anderem die Vererbung von Merkmalen wie frühzeitigem Haarausfall oder Hämophilie, die einem bestimmten Geschlecht zugeordnet sind.

Die Grundlagen der Gen-Theorie waren Anfang der 1930er Jahre weitgehend ausgearbeitet. Das von Morgan entdeckte Phänomen der Unterbrechung der Genkopplung durch Austausch von Chromosomenabschnitten (Crossing-over) bestätigte die Unteilbarkeit der Gene. In der Folge wurde das Gen als elementare Einheit der Vererbung verstanden, die eine klar definierte Funktion besitzt – es verändert sich beim Crossing-over als Ganzes. Als Einheit des Austauschs (zwischen Chromosomenabschnitten) erhielt das Gen einen neuen Status als Einheit vererbbarer Variabilität.

Variabilität

In der Biologie versteht man unter Variabilität die Gesamtheit der Unterschiede in einem bestimmten Merkmal zwischen Organismen einer Population oder Art. Die morphologische Vielfalt innerhalb einer Art beeindruckte einst Darwin und Wallace und war Impuls für Mendels Forschungen, die die vorhersehbare, gesetzmäßige Weitergabe von Unterschieden über Generationen aufzeigten. Beobachtete phänotypische Unterschiede zeigen zwei Formen der Variabilität: diskrete (qualitative) und kontinuierliche (quantitative).

Diskrete Variabilität ist klar ausgeprägt, und dazwischen existieren keine Zwischenformen. Beispiele hierfür sind das Geschlecht bei Tieren und Pflanzen, die Blutgruppe beim Menschen oder die Flügellänge bei der Fruchtfliege. Merkmale der diskreten Variabilität werden durch eine begrenzte Anzahl von Varianten kontrolliert, meist durch ein oder zwei Hauptgene, die mehrere Allele haben können. Äußere Bedingungen beeinflussen solche Merkmale kaum. So hat beispielsweise das Klima keinen Einfluss auf die Blutgruppe des Menschen.

Kontinuierliche (quantitative) Variabilität bestimmt die beobachtbaren Unterschiede in einer Population (Größe, Gewicht, Form, Färbung). Die Mehrheit der Individuen liegt im mittleren Bereich der statistischen Kurve, die die Verteilung der kontinuierlichen Variabilität beschreibt. Extreme Unterschiede treten nur bei wenigen Individuen auf. Merkmale kontinuierlicher Variabilität beruhen auf dem Zusammenspiel vieler Gene und Umweltfaktoren. Der Hauptfaktor, der jedes phänotypische Merkmal bestimmt, ist der Genotyp, der bereits bei der Befruchtung festgelegt wird. Die weitere Umsetzung des genetischen Potenzials hängt wesentlich von den äußeren Entwicklungsbedingungen ab, jedoch kann die Umwelt den Phänotyp niemals über die genetischen Grenzen hinaus beeinflussen.

Neoklassische Phase der Genetik

Die neoklassische Phase der Genetik (1930–1950) ist geprägt von molekularen und biochemischen Untersuchungen der Mechanismen vererbbarer Variabilität. Ein entscheidendes Ereignis war die Entdeckung von Mutationen – plötzlich auftretenden Veränderungen, die vererbbar sind. Die systematische Untersuchung von Mutationen begann mit den Arbeiten des niederländischen Wissenschaftlers Hugo de Vries, der 1901 den Begriff „Mutation“ prägte.

Ein herausragender Erfolg war die Entdeckung, dass Mutationen künstlich durch verschiedene physikalische und chemische Faktoren ausgelöst werden können. Es wurde festgestellt, dass jede ionisierende Strahlung Mutationen hervorruft. In der Genetik entstand die Lehre von Reparaturenzymen, die durch Strahlung oder chemische Behandlung verursachte Schäden an genetischen Strukturen korrigieren. Für die Entdeckung der künstlichen Mutagenese wurde H. Muller 1946 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Mitte der 1930er Jahre wurde die Theorie entwickelt, die die kinetischen Zusammenhänge von aktivierendem und mutagenem Effekt ionisierender Strahlung beschreibt (Zieltheorie). Die wichtigsten Experimente, die dieser Theorie zugrunde liegen, wurden in den Jahren 1931–1937 von N. W. Timofejew-Ressowski, M. Delbrück, R. Zimmer und weiteren Forschern durchgeführt.

Im Zuge der Untersuchungen chemischer Faktoren im Mutationsprozess wurde die starke mutagene Wirkung bestimmter chemischer Substanzen entdeckt, wodurch ein neues Forschungsfeld der Genetik entstand – der chemische Mutagenese. Heute ist eine Vielzahl von Stoffen bekannt, die den Mutationsprozess verstärken. Theorien über die Wirkungsweise mutagener Verbindungen auf Erbgutstrukturen wurden entwickelt, ebenso wie die Untersuchung der Spezifität von Mutagenen intensiv vorangetrieben.

Arten von Mutationen

Die umfangreichen Erkenntnisse über Variabilität ermöglichten eine Klassifikation von Mutationstypen. Es wurden drei Arten von Mutationen identifiziert: genische, chromosomale und genomische. Genische Mutationen betreffen nur ein einzelnes Gen. Dabei kann entweder die Funktion des Gens vollständig verloren gehen oder die Genfunktion verändert werden. Chromosomale Mutationen betreffen die Struktur von Chromosomen und können unterschiedliche Folgen haben. Abschnitte eines Chromosoms können verdoppelt oder verdreifacht werden (Duplikation), ein abgetrennter Abschnitt kann invertiert innerhalb desselben Chromosoms wieder eingefügt werden (Inversion), oder es kann ein Abschnitt fehlen (Deletion). Alle Arten chromosomaler Umbauten werden unter dem Sammelbegriff „chromosomale Aberrationen“ zusammengefasst. Genomische Mutationen verändern die Anzahl der Chromosomen.

In der neoklassischen Phase der Genetik traten erstmals Zweifel an der Unteilbarkeit des Gens auf. 1928 entdeckte N. P. Dubinin in der Laborarbeit von A. S. Serebrowski am K. A. Timirjasew-Biologischen Institut eine ungewöhnliche Mutation, die zeigte, dass ein Gen keine unteilbare Struktur ist, sondern einen Bereich des Chromosoms darstellt, dessen Abschnitte unabhängig voneinander mutieren können. Dieses Phänomen wurde als stufenweise Allelomorphismus bezeichnet. Die experimentelle Bestätigung der Mutationsfähigkeit von Genabschnitten gelang erst 1938 und wurde endgültig durch die Arbeiten von M. Green (1949), E. Lewis (1951) und G. Pontecorvo (1952) erbracht, die überzeugend zeigten, dass das Gen nicht als unteilbar betrachtet werden kann.

Molekulare Biologie

Die moderne Phase der Genetik begann in den 1950er Jahren mit der Etablierung der Molekularbiologie. Der Begriff „Molekulare Biologie“ wurde von W. Astbury geprägt, der grundlegende Arbeiten zur Untersuchung von Proteinen vorlegte. In den 1940er Jahren dominierte die Vorstellung, dass Gene spezielle Proteine seien. 1944 zeigte sich jedoch, dass genetische Funktionen in der Zelle nicht von Proteinen, sondern von den makromolekularen Desoxyribonukleinsäuren (DNA) ausgeführt werden. Die Etablierung der Rolle der Nukleinsäuren bei der Vererbung leitete ein neues Forschungsfeld ein – die Molekularbiologie. 1953 identifizierten F. Crick (England) und J. Watson (USA) die räumliche Struktur der DNA und erstellten ihr Modell in Form einer Doppelhelix, deren Elemente sich in strikter Sequenz wiederholen.

Innerhalb kurzer Zeit wurden die Natur des Gens und die Prinzipien seiner Organisation, Reproduktion und Funktion geklärt, der genetische Code entschlüsselt sowie Mechanismen und Hauptwege der Proteinsynthese in der Zelle untersucht. Die Molekularbiologie legte die Prinzipien der Organisation subzellulärer Strukturen, von Viren und deren Biogenese in der Zelle dar.

Gentechnik und molekulare Genetik

Auf der Basis der Molekularbiologie entwickelten sich in den 1970er Jahren Methoden der Gentechnik (Einführung gewünschter Information in Zellen) sowie Verfahren zur Isolierung von DNA-Fragmenten – die molekulare Genetik. In den 1980er Jahren wurde der Prozess der Genisolierung und der Gewinnung verschiedener DNA-Ketten automatisiert. Gentechnik in Verbindung mit Mikroelektronik eröffnet neue Möglichkeiten zur Erforschung und Steuerung der Gesetze lebender Materie. In den Medien wurden Debatten über die künstliche Zeugung von Kindern („Reagenzglasbaby“) geführt. Große Aufmerksamkeit erhielten Experimente zum Klonen, darunter der erste Versuch mit dem Schaf Dolly im Jahr 1997.

Intragenische Mutationen

Eines der wesentlichen Ergebnisse der molekularen Genetik ist die Bestimmung der minimalen Genabschnittslänge, die bei Crossing-over (in der molekularen Genetik „Rekombination“), Mutationen und für eine einzelne Funktion übertragen wird. Unter intragenischen Mutationen unterscheidet S. Benzer zwei Klassen: Punktmutationen (Mutationen minimaler Ausdehnung) und Deletionen (Mutationen, die einen größeren Genabschnitt betreffen). Nachdem Benzer das Vorhandensein von Punktmutationen festgestellt hatte, definierte er die minimale DNA-Länge, die bei Rekombination übertragen wird, den sogenannten Rekon. Dieser Abschnitt umfasst nur wenige Nukleotide. Anschließend bestimmte er die minimale DNA-Länge, deren Veränderung für eine Mutation ausreicht, und nannte sie Muton. Nach Benzer entspricht diese Größe wenigen Nukleotiden. Später wurde festgestellt, dass die Länge eines Mutons nicht größer als ein Nukleotid ist.

Ein weiterer wichtiger Schritt in der Erforschung des genetischen Materials war die Unterteilung aller Gene in zwei Typen: regulatorische Gene, die Informationen über den Aufbau regulatorischer Proteine liefern, und strukturelle Gene, die den Aufbau der übrigen Polypeptidketten codieren. Der experimentelle Beweis dieser Idee gelang F. Jacob und J. Monod im Jahr 1961.

Die Festlegung der Hauptfunktion eines Gens als Träger der Information über den Aufbau einer bestimmten Polypeptidkette stieß auf das Problem der Speicherung genetischer Information und des Mechanismus ihrer Übertragung von genetischen Strukturen (DNA) zu den morphologischen Strukturen der Zelle.

Die Entschlüsselung des genetischen Codes

Nach dem Watson-Crick-Modell wird die genetische Information in der DNA durch die Abfolge der Basen bestimmt. Somit enthält die DNA vier Elemente genetischer Information. Gleichzeitig wurde in Proteinen die Existenz von 20 Aminosäuren festgestellt. Es galt herauszufinden, wie die Sprache der vier Basen der DNA in die Sprache der 20 Aminosäuren der Proteine übersetzt werden kann. Der Physiker G. Gamow nahm an, dass für die Codierung einer Aminosäure eine Kombination aus drei DNA-Nukleotiden verwendet wird. Diese elementare Einheit des Erbmaterials, die eine Aminosäure codiert, erhielt den Namen Codon.

Gamows Annahme der dreinukleotidigen Zusammensetzung des Codons konnte lange Zeit experimentell nicht nachgewiesen werden. Erst Ende 1961 veröffentlichte eine Forschungsgruppe in Cambridge unter der Leitung von F. Crick Arbeiten, die den Typ des genetischen Codes ermittelten und seine allgemeine Natur erklärten. Sie bewiesen, dass jedes Gen einen genau festgelegten Startpunkt besitzt, von dem das Enzym, das die RNA synthetisiert, beginnt, das Gen „zu lesen“, und dass es in einer Richtung und kontinuierlich abgelesen wird. Außerdem wurde nachgewiesen, dass die Größe des Codons tatsächlich drei Nukleotide beträgt und dass die in der DNA gespeicherte genetische Information vom Startpunkt des Gens „ohne Kommas oder Leerzeichen“ gelesen wird.