Molekulare Uhr Beispiel Essay

Zur Person

Jens Reich, Jg. 1939, war einer der führenden DDR-Bürgerrechtler. Er war Professor für Biomathematik und Molekularbiologie. 1994 nominierten ihn die Grünen als Kandidaten für das Amt des Bundespräsidenten. Seit 2008 gehört Reich dem Deutschen Ethikrat an. Unser Text zur "Zukunft des Menschen als biologisches Wesen" basiert auf einem Vortrag, den Reich vor der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften hielt. (fr)

In die Zukunft der Menschheit zu blicken, ist eine ehrwürdig alte Beschäftigung. Seit jeher erforderte es eine paradoxe Verdrehung: Was kommen wird, ist vollständig bestimmt von dem, was ist, wie es jedoch bestimmt ist, das ist offen und leer, und so bewegt sich der Vorhersagende mit negativem Zeitpfeil zurück in die Vergangenheit, nimmt mit positivem Zeitpfeil Anlauf von weit her, zeichnet nach, wie alles abgelaufen und vergangen ist und verlängert den Lauf mit Schwung in eine imaginierte Zukunft.

Die Zeitskala dieses historischen Laufes zieht sich kontinuierlich zusammen. In grauer Vorzeit scheint alles langsam, geradezu gemächlich abgelaufen zu sein, wurde immer kurzzeitiger bis zu den Stunden und Sekunden kurz vor der Gegenwart, und obwohl die Zeit im gegebenen Augenblick gerade still steht, projiziert man eine enorme Beschleunigung in die Zukunft hinein.

Auf dem Gebiet der Informationstechnik kann man diese Bewegung mit ihren sich kontrahierenden Zeit-, Raum- und Materialdimensionen sehr gut veranschaulichen. Alles beschleunigte, miniaturisierte und verfeinerte sich seit 50 Jahren auf logarithmischer Skala, und das Mooresche Gesetz prognostiziert nun die Verlängerung dieses Ablaufs bis zu dem Zeitpunkt, wo in der Informationstechnik Zeit und Raum auf elementare Quanten geschrumpft sein werden und für den niemand mehr sich vorstellen kann, wohin die ultraschnelle und ultramassive Informationsbewegung führt.

Der Futurologe Ray Kurzweil erwartet dann (und zwar sehr bald) die ultimative "Singularität", ein von der abstrakten Mathematik verrätseltes Phänomen, auf das alles zuläuft und in dem nichts mehr so ist, wie es war. Bei Kurzweil übernimmt die Maschine die Herrschaft, der Mensch mit seinem Gehirn gehört der vergangenen Vorgeschichte an.

Dies ist freilich eine spezielle Extrapolationsschiene aus dem immer schneller gewordenen Gegenwärtigen in die ungewisse Zukunft. Sie setzt voraus, dass die biologische Konstitution sich nicht einschneidend ändern wird, dass unser Körper aber an Roboter und Computer angeflanscht wird. Technik statt Körper - wie gehabt: Wo uns keine Flügel wachsen, bauen wir Fluggeräte. Wo das Gehirn an seine kapazitiven Grenzen stößt, werden wir den Zugang zu ihm und den Ausgang aus ihm radikal öffnen und Computer als Peripherie anschließen, oder sogar als zentrale Arbeitsstation.

<2>Ein weiterer Ansatz, alle Mauern um den menschlichen Körper und insbesondere um sein Gehirn zum Fallen zu bringen, konzentriert sich auf die Nanotechnologie. Unser Körper ist von einer Haut umschlossen, die äußerst wählerisch ist bei dem, was sie an Substanzen hindurch lässt. Alle inneren Organe, soweit sie von außen zugänglich sind, sind mit einer Epithelschicht ausgekleidet. Über die Lungen kommen so nur gasförmige Partikel in den Körper, alles andere wird abgefangen und hinausbefördert oder von Fresszellen aufgenommen. Das Epithel des Verdauungstrakts ist ebenso hoch selektiv bei dem, was es ins Innere lässt, und als Wachstation ist da noch die Leber dahinter geschaltet. Gelangen Teile der Außenwelt dann doch ins Blut, dann sorgt jede der Billionen Zellen des Körpers mit ihren spezifischen Rezeptoren dafür, dass nur einwandfrei "anerkannte" Substanzen ins Innere gelangen.

Zwischen Blut und Gehirn gibt es noch eine spezielle Schranke. Alle diese Mauern schützen uns (zum Beispiel vor zahlreichen Viren, wenn sie durch die "Drehtüren" nicht hindurch kommen), sie beschränken jedoch entscheidend die Zugriffsmöglichkeit medizinischer Therapien, weil Wirkstoffe (wachstumshemmende Pharmaka gegen Krebszellen etwa) nicht in die richtigen Zellen gelangen. Da träumt man dann von maßgeschneiderten wirkstoffbeladenen Nanopartikeln, die in Zukunft als molekulare Fähren erwünschte Wirkung ebenso wie unerfreuliche Nebenwirkung in das für sie weit offene Körperinnere tragen werden - auch ins Gehirn.

Noch radikaler ist freilich das Konzept, die Konstitution des menschlichen Organismus selbst zu verändern und nicht lediglich die Verbindung und die Wechselwirkung mit der äußeren Welt. Da jeder menschliche Organismus ebenso wie alle anderen tierischen sich aus einer ursprünglichen Zelle in einem zielgerichteten Entwicklungsprozess entfaltet, müssen die seit einigen Jahrzehnten existierenden molekulargenetischen und zellbiologischen Arsenale zielgerecht geschneidert werden.

Soeben hat der amerikanische Forscher, Unternehmer und Entertainer Craig Venter mit großem Aufwand vermeldet, dass ihm die Synthese von Leben gelungen sei. Er hat zwar nur Mikroorganismen umgebaut und nicht neu synthetisiert, sondern die vorhandenen Strukturen mit einer neuen genetischen "Software" versehen, nämlich der eigens entworfenen DNS-Information. Trotzdem zeigt sein technischer Erfolg, dass die prinzipiellen Voraussetzungen für die gezielte Umkonstruktion der körperlichen Konstitution auch des Menschen vorhanden sind.

Die prometheische Tat der Herstellung und Formung von Menschen ist nicht länger eine sehnsüchtige Phantasmagorie (wie in Lucas Cranachs Gemälde eines Jungbrunnens) noch eine Fiktion der spekulativen Alchemie (wie die Erschaffung des Homunkulus in der Laboratoriumsszene des "Faust"), sondern ein entwurfsfähiges reales Projekt, auch wenn seine Realisierung auf enorme Schwierigkeiten treffen wird, auf technische Schwierigkeiten wegen der enormen Komplexität der Aufgabe ebenso wie ethische und politische Hindernisse wegen der besorgniserregenden Grenzüberschreitung von einer Phase der Umkonstruktion der uns umgebenden Natur in das Zeitalter der Neukonstruktion des Menschen selbst.

<SEITENWECHSEL>Alle drei skizzierten Eingriffskonzepte wollen den menschlichen Körper radikal durchlässig machen: mit den Nanopartikeln alle membranösen Strukturen mit Wirkstoffen durchqueren, mittels Neuroimplantaten das Gehirn für elektrisch kodierte Information zugänglich machen und mit molekularen Technologien chemisch kodierte Information in die Körperzellen einbauen. Sie erlauben eindrucksvolle Visionen der Zukunft der menschlichen Natur. Sie überbrücken jedoch phantasievoll die enormen Schwierigkeiten und sind auch taub für die prinzipiellen Einwände, die die damit einhergehende radikale Veränderung des Bildes und des Begriffes vom Menschen ablehnen.

Die technischen Schwierigkeiten sind ganz erheblich. Überschwemmt man zum Beispiel den Körper mit Nanopaketen samt ihrem Inhalt, dann öffnet man die Pandorabüchse von guten Wirkungen und unerwünschten Nebenwirkungen, wie sie bisher überhaupt nicht möglich waren.

Man kann zwar elektrische Impulse auf entsprechend reizbare Nervenstrukturen geben und damit die natürlichen Impulse von Sinnesorganen imitieren, wie es erfolgreich bei Cochlea-Implantaten geschieht, bei gehörlosen Patienten, deren Hörnerv noch intakt ist. Jedoch ist die Kodierung von Signalen in anderen Fällen so komplex, dass es beispielsweise trotz intensiver Versuche immer noch nicht gelungen ist, passende elektrische Impulsmuster auf die Netzhaut zur Weitergabe auf den Sehnerven und zu sinnvoller Erkennung im Gehirn zu leiten. Hyperkomplex ist schließlich jede Signalkodierung im zentralen Gehirn, und so nimmt es nicht wunder, dass realistische Prognosen die "Öffnung" des Gehirns durch einen Computer-Anschluss an Hirnfunktionen für reine Science Fiction erklären.

Auch die Durchlässigkeit der gut verpackten genetischen Zellstrukturen für manipulative Eingriffe ist zwar technisch gelöst, jedoch ist auch hier die Komplexität der Netzwerke so enorm, dass für die meisten denkbaren Anwendungen unklar bleibt, sowohl was genau man erreichen will als auch wie man es erreichen soll.

So lautet bei nüchterner Analyse die Schlussfolgerung, dass Homo sapiens bis auf weiteres mit der biologischen Ausstattung auskommen muss, die er in den mehreren Millionen Jahren der Trennung und Fortentwicklung von seinen Vorfahren erworben hat. Man hat diese Art als biologisches Mängelwesen charakterisiert, das seine evolutionären Errungenschaften, den aufrechten Gang, die geschickte Hand mit dem vor die Handfläche stellbaren Daumen und vor allem das hochleistungsfähige Großhirn, mit einer Reihe von unvermeidbaren Kompromissen bezahlt hat, die der nicht rücknehmbaren Spezialisierung ferner Vorfahren an weit ältere evolutionäre Umwelten geschuldet sind. Hinzu kommt, dass genetische Ausstattung und entwicklungsbiologische und biochemische Anpassung an die einstige erste Natur (das war zumeist die afrikanische Savanne) für die zweite Natur, die der Mensch sich mit seiner Lebens- und Ernährungsweise geschaffen hat, nicht mehr optimal sind. Stoffwechselkrankheiten, Krebs und degenerative Prozesse sind zwar nicht neu erworben, aber bei Menschen durch seine längere Lebenserwartung und die verzerrte natürliche Auslese weit häufiger als bei anderen frei lebenden Säugetieren. Man kann darüber spekulieren, ob die Spezies Homo sapiens die Vitalität hat, sich an diese selbst gewählten Umweltbedingungen neu anzupassen oder ob sie bereits auf dem Wege zum Aussterben ist, den jede Spezies auf lange Sicht beschreitet. Aber das kann sich erst nach vielen Hunderttausenden oder gar Millionen Jahren herausstellen, denn so "ruhig" verläuft nun einmal die ungestörte natürliche Evolution, wenn die Population so groß ist, dass sie mehr als zehntausend Generationen Verbreitungsfrist von neuen Mutationen hat.

Allerdings haben moderne Technologien der Menschheit den Weg eröffnet, die natürliche Evolution mit ihren langfristigen Prozessen von Variation und Auslese außer Kraft zu setzen und eine rasant beschleunigte künstliche Evolution mittels biotechnischer Selbstkonstruktion in Gang zu setzen. Den Beweis der Möglichkeit hat die moderne Biologie erbracht: "Es wird ein Mensch gemacht" (Faust II) - ist nicht mehr länger eine unmögliche Utopie, sondern ein wie auch immer schwierig in den Einzelheiten ein erreichbares und gestaltbares Zukunftsbild.

Es stellen sich daher unabweisbar die Fragen, wie die Menschheit auf diese Zukunft zugehen wird, in welche Richtung und wie weit. Den Planeten Erde haben wir bislang so einschneidend umgebaut, so sehr, dass Paläontologen vorgeschlagen haben, die letzten zehntausend Jahre als das von Menschen gemachte Erdzeitalter, als "Anthropozän" zu benennen.

Die Biosphäre auf diesem Planeten haben wir mit solcher Plötzlichkeit verändert (auf der geologischen Zeitskala gemessen), wie vor uns lediglich einige vulkanische Großereignisse und asteroide Einschläge. Neuerdings steht dem Homo faber auch noch die eigene, innere Natur zum Basteln zur Verfügung. Wir werden auch von diesen Früchten am Baume der Erkenntnis kosten - davon bin ich überzeugt. Ob das weise ist und gut ausgeht, für diese Aussage haben wir noch nicht die Urteilsgründe. Wir werden sie auf dem Wege ins Unbekannte finden müssen.

Erste grundlegende Entscheidungen wird die jetzt heranwachsende Generation fällen müssen. Einschlägige Themen sind die endgültige Trennung von Sexualität und Fortpflanzung und das neuro- und biotechnische Management beider Sphären, die genetische Optimierung der Nachkommenschaft (zunächst noch als Elimination von schädlichen Mutationen, später als gezielte "Verbesserung"), ferner die verbreitete Nutzung von Drogen zum Gehirn"doping", sowie der Tiefeneingriff elektrischer Verfahren in menschliche Gehirnstrukturen.

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Molekulare Uhr

Die molekulare Uhr ist eine Metapher für eine Methode der Genetik, mit der anhand von DNA-Sequenzierung der Zeitpunkt der Aufspaltung zweier Arten von einem gemeinsamen Vorfahren abgeschätzt wird. Je mehr Mutationen (Unterschiede in der DNA-Sequenz) nach der Aufspaltung entstanden sind, desto länger war die Entwicklungszeit (Evolutions­dauer) seit diesem Zeitpunkt. Schwierig ist es, die Mutationsrate (die Häufigkeit von Mutationen) zu bestimmen und damit die „Ganggeschwindigkeit“ der molekularen Uhr zu kalibrieren.

Die Technik der molekularen Uhr ist ein wichtiges Werkzeug der Molekulargenetik zur Datierung von Evolutionsereignissen und zur Klassifizierung der Lebewesen.

Forschung und Kalibrierung

Die Bezeichnung molekulare Uhr wurde von Emile Zuckerkandl und Linus Pauling eingeführt. Ihnen war 1962 aufgefallen, dass die Aminosäuren des Hämoglobins immer unterschiedlicher wurden, je länger die getrennte Evolutionsdauer zweier Arten war. Sie verallgemeinerten ihre Beobachtung zur Hypothese, dass die Mutationsrate von beliebigen Proteinen während der Evolution zeitlich konstant sei.

1967 wandten Allan Wilson und Vincent Sarich diese Hypothese insbesondere auf die Evolution der Hominini (Mensch und dessen unmittelbare fossilen Vorfahren) an.[1] Deren Zeitskala wurde 2012 in einer Neuberechnung insbesondere für die Entwicklung des Homo sapiens deutlich zum Älteren verschoben.[2][3]

Ein zeitweise erhöhter Selektionsdruck kann jedoch zur Folge haben, dass sich Mutationen rascher in einer Population durchsetzen und sich somit – bei konstanter Mutationsrate – die Ganggeschwindigkeit der molekularen Uhr beschleunigt. Motoo Kimura beobachtete 1968, dass viele Mutationen zwar die DNA-Sequenzen ändern, aber sich nicht im Phänotyp auswirken (Neutrale Theorie) und somit nicht der Selektion unterliegen. Diese evolutionär „neutralen“ Unterschiede können zur Zeitmessung benutzt werden. Zur Kalibrierung benutzte man als Referenz Arten, bei denen der Zeitpunkt ihrer Aufspaltung durch Fossilfunde bekannt war.

Francisco J. Ayala listete 1999 fünf Faktoren auf, die die Ganggeschwindigkeit der molekularen Uhr beeinflussen:

  • Generationsdauer (je kürzer die Generationsdauer, desto schneller werden Mutationen fixiert)
  • Populationsgröße (je größer die Population, desto mehr Mutationen werden ausselektiert)
  • artspezifische Unterschiede
  • Funktion eines Proteins
  • Änderung der natürlichen Selektion (Änderung der Auslesebedingungen)

Laut Ayala kommen Forscher auf sehr unterschiedliche Ergebnisse, abhängig von den verwendeten Organismen und Genen. Die verschiedenen molekularen Uhren gingen trotz genauerer Analyse und besserer Daten zu ungenau. Die Taktgeschwindigkeiten seien noch unverstanden.

Beispiele

  • Die Entstehung des Humanen Immundefizienz-Virus (HIV): Der Virustyp HIV-1 sprang im frühen 20. Jahrhundert auf den Menschen über, HIV-2 erst in den 1930er Jahren.[4]

Literatur

  • Emile Zuckerkandl, Linus Pauling: Molecular disease, evolution, and genetic heterogeneity. In: Albert Szent-Györgyi: Horizons in Biochemistry. Academic Press, New York 1962.
  • Emile Zuckerkandl, Linus Pauling: Evolutionary divergence and convergence in proteins. In: H. V. Bryson: Evolving Genes and Proteins. Academic Press, New York 1965, S. 97–166.
  • Motoo Kimura: Evolutionary Rate at the Molecular Level. In: Nature. London 217.1968, S. 624–626. ISSN 0028-0836
  • Francisco J. Ayala: Vagaries of the molecular clock. In: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS). Washington 94.1997, S. 7776–7783. ISSN 0027-8424
  • Francisco J. Ayala: Molecular clock mirages. In: Bioessays. Hoboken NJ 21.1999, S. 71–75. ISSN 0265-9247
  • Emmanuel J. P. Douzery, M. J. Frederic Delsuc, D. Huchon Stanhope: Local molecular clocks in three nuclear genes: divergence times for rodents and other mammals, and incompatibility among fossil calibrations. In: Journal of molecular evolution (J. Mol. Evol.). New York 57.1999, S. 201–213. ISSN 0022-2844

Weblinks

Einzelnachweise

  1. ↑ Vincent M. Sarich, Allan C. Wilson: Immunological time scale for hominid evolution. In: Science. Bd 158. New York 1967, S.1200–1203. doi:10.1126/science.158.3805.1200ISSN 0036-8075
  2. ↑ Aylwyn Scally, Richard Durbin: Revising the human mutation rate: implications for understanding human evolution. In: Nature Reviews Genetics. Band 13, 2012, S. 745-753, doi:10.1038/nrg3295
  3. ↑ Ewen Callaway: Studies slow the human DNA clock. In: Nature. Band 489, Nr. 7416, 2012, S. 343–344 doi:10.1038/489343a
  4. Der Werdegang des HI-Virus. Auf: wissenschaft.de vom 27. Juli 2008

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