Der Fisch in uns: Eine Reise durch die 3,5 Milliarden Jahre alte Geschichte unseres Körpers [2 ed.] 3100720040, 978-3-10-072004-7 [PDF]

Zitiervorschau

Neil Shubin

Der Fisch in uns Eine Reise durch die 3,5 Milliarden Jahre alte Geschichte unseres Körpers Aus dem Amerikanischen von Sebastian Vogel

S. Fischer

2. Auflage: November 2008 Die amerikanische Originalausgabe erschien 2008 unter dem Titel »Your Inner Fish« im Verlag Pantheon Books, New York © 2008 by Neil Shubin Für die deutsche Ausgabe: © 2008 S. Fischer Verlag GmbH, Frankfurt am Main Satz: Fotosatz Amann, Aichstetten Druck und Bindung: CPI – Clausen & Bosse, Leck Printed in Germany ISBN 978-3-10-072004-7

Inhalt

Vorwort

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1. Wie man einen inneren Fisch findet

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Fossilien ausgraben – und uns selbst sehen . . . . . . . . . 2. Die Sache in den Griff bekommen

Den Fisch sehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fische mit Fingern und Handgelenken . . . . . . . . . . . . 3. Nützliche Gene

Hände erzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Rezept in der DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Den Haien eine Hand geben . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Zähne, Zähne, Zähne

Harte Sachen: Zähne und Knochen . . . . . . . . . . . . . . Zähne, Drüsen und Federn . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Vorwärtskommen

Das Chaos im Kopf . . . . . . . . . . Das Wesentliche im Embryo . . . . . Unser innerer Hai . . . . . . . . . . . Kiemenbogengene . . . . . . . . . . Der Weg der Köpfe: Vom kopflosen Vorfahren mit Köpfen . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wunder zu . . . . . . .

29 34 38 47 50 55 58 64 80 84 87 88 92 97 100

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . unseren . . . . . . 101

104 Der große Plan: Embryonen vergleichen . . . . . . . . . . . 105 Experimente mit Embryonen . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

6. Die besten (Körper)baupläne

Von Fliegen und Menschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 DNA und der Organisator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Eine innere Seeanemone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 125

7. Abenteuer beim Körperbau

Habeas Corpus: Zeig’ mir deinen Körper, und dir, wer du bist . . . . . . . . . . . . . . . . Körper werden ausgegraben . . . . . . . . . . . . Unser eigener Körper als Beleg . . . . . . . . . . Körper-Bau für Klumpen . . . . . . . . . . . . . Ein Unwetter und die Entstehung des Körpers .

ich . . . . . . . . . .

sage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8. Düfte

126 128 132 139 146 149

159 Lichtsammelnde Moleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Gewebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 Gene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

9. Sehen

169 Das Mittelohr und die drei Ohrknochen . . . . . . . . . . . 170 Das Innenohr: bewegliches Gel und gebogene Haare . . . 175 Quallen und der Ursprung von Augen und Ohren . . . . . 183

10. Ohren

185 Ein (längerer) Rundgang durch den Zoo . . . . . . . . . . . 191 Der Zoo in uns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

11. Was das alles bedeutet

12. Warum Geschichte uns krank macht

Unsere Vergangenheit als Jäger und Sammler: Übergewicht, Herzkrankheiten und Hämorrhoiden . . . . . Unsere Vergangenheit als Primaten: Reden ist nicht billig . Unsere Vergangenheit als Fische und Kaulquappen: der Schluckauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unsere Vergangenheit als Haie: Eingeweidebrüche . . . . . Unsere Vergangenheit als Mikroorganismen: Mitochondrienerkrankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

198 200 202 203 207 211

Epilog

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Anmerkungen und Literaturangaben

217 217 219 219 221 221 223 225 226 227 229 230 232 232

Kapitel 1: Wie man einen inneren Fisch findet . Kapitel 2: Die Sache in den Griff bekommen . . Kapitel 3: Nützliche Gene . . . . . . . . . . . . . Kapitel 4: Zähne, Zähne, Zähne . . . . . . . . . . Kapitel 5: Vorwärtskommen . . . . . . . . . . . . Kapitel 6: Die besten Körper(bau)pläne . . . . . Kapitel 7: Abenteuer beim Körperbau . . . . . . Kapitel 8: Düfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kapitel 9: Sehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kapitel 10: Ohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kapitel 11: Was das alles bedeutet . . . . . . . . Kapitel 12: Warum Geschichte uns krank macht Online-Quellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Danksagung

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Vorwort

Dieses Buch ist einem außergewöhnlichen Umstand in meinem Leben zu verdanken. Ich musste vertretungsweise den Anatomiekurs an der medizinischen Fakultät der Universität Chicago leiten. Das ist die Lehrveranstaltung, in der nervöse Medizin-Studienanfänger Leichen sezieren und dabei die Namen und den Aufbau der meisten Organe, Körperhöhlen, Nerven und Blutgefäße lernen. Es ist ihr glorreicher Einstieg in die Welt der Medizin, ein prägendes Erlebnis auf dem Weg zum Arztberuf. Auf den ersten Blick hätte man sich für die Aufgabe, die nächste Medizinergeneration auszubilden, keinen schlechteren Kandidaten vorstellen können: Ich bin Paläontologe und hatte meine Berufslaufbahn zum größten Teil damit zugebracht, Fische zu untersuchen. Aber wie sich herausstellte, hat man als Paläontologe einen großen Vorteil, wenn man die Anatomie des Menschen unterrichtet. Warum? Weil die besten Landkarten für die Wege zum menschlichen Körper in anderen Tieren liegen. Wie die Nerven im Kopf eines Menschen verlaufen, bringt man den Studenten am besten bei, indem man ihnen die Verhältnisse bei Haien vor Augen führt. Der beste Weg zu den Gliedmaßen führt über die Fische. Reptilien sind eine große Hilfe, wenn es um den Aufbau des Gehirns geht. Das alles hat einen besonderen Grund: Der Körperbau dieser Tiere ist eine einfachere Version unseres eigenen. Als ich den Kurs im zweiten Jahr leitete, arbeitete ich während der Sommerferien mit Kollegen in der Arktis. Dort entdeckten wir Fische, die uns weitreichende neue Aufschlüsse über die Besiedelung des trockenen Landes vor rund 375 Millionen Jahren lieferten. Diese Entdeckung und mein Ausflug in die Arbeit eines Anatomiedozenten waren für mich der Anlass, mich genauer mit einem tiefgreifenden Zusammenhang zu beschäftigen. Aus dieser Beschäftigung ging das vorliegende Buch hervor.

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1. Wie man einen inneren Fisch findet

Seit ich erwachsen bin, verbringe ich den Sommer meistens in Schnee und Schneematsch: Ich hämmere Steine an Klippen, die sich weit nördlich des Nordpolarkreises befinden. Meistens ist mir kalt, ich bekomme Blasen und finde absolut nichts. Aber manchmal habe ich auch Glück, und dann stoße ich auf Knochen urzeitlicher Fische. Für die meisten Menschen mag sich das nicht gerade nach einem Schatz anhören, aber für mich ist es kostbarer als Gold. Die Knochen vorzeitlicher Fische können uns helfen, mehr darüber in Erfahrung zu bringen, wer wir sind und warum wir so sind. Kenntnisse über unseren Körper gewinnen wir aus scheinbar bizarren Quellen, von fossilen Würmern und Fischen, die aus Gestein aus der ganzen Welt ans Licht kommen, bis zu der DNA in praktisch allen heutigen Lebewesen. Aber das erklärt noch nicht, warum ich so sicher bin, dass Skelettreste aus der Vergangenheit – und zwar gerade auch die Überreste von Fischen – Aufschlüsse über den grundlegenden Aufbau unseres Körpers liefern. Wie können wir uns Ereignisse vor Augen führen, die sich vor vielen Millionen oder in manchen Fällen sogar Milliarden Jahren abgespielt haben? Augenzeugen gibt es nicht – damals war noch keiner von uns auf der Welt. Während eines großen Teils jener Zeit lebte noch nichts, was sprechen konnte, was einen Mund oder auch nur einen Kopf gehabt hätte. Und was noch schlimmer ist: Die Tiere, die damals die Erde bevölkerten, sind schon so lange tot und begraben, dass ihr Körper nur in den seltensten Fällen erhalten geblieben ist. Man muss es sich einmal klarmachen: Über 99 Prozent aller biologischen Arten, die jemals gelebt haben, sind ausgestorben; nur ein sehr kleiner Prozentsatz von ihnen ist in Form von

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Fossilien erhalten geblieben, und von diesen wird wiederum nur ein sehr kleiner Teil gefunden. Eigentlich ist also jeder Versuch, unsere Vergangenheit zu betrachten, von vornherein zum Scheitern verurteilt.

Fossilien ausgraben – und uns selbst sehen

Zum ersten Mal sah ich einen unserer inneren Fische an einem Julinachmittag im Schnee. Ich untersuchte das 375 Millionen Jahre alte Gestein auf der Ellesmere-Insel, die auf mehr als 80 Grad nördlicher Breite liegt. Meine Kollegen und ich waren in diesen abgelegenen Winkel der Erde gereist, weil wir eine der entscheidenden Übergangsformen aus der Entwicklung der Fische zu Landlebewesen finden wollten. An einer Stelle ragte ein Fischmaul aus dem Felsen. Es war nicht irgendein Fisch, sondern einer mit flachem Kopf. Als wir ihn sahen, wussten wir, dass wir eine heiße Spur hatten. Wenn wir im Gestein der Klippe noch mehr von diesem Skelett fanden, würden wir daraus etwas über die Geschichte unseres eigenen Kopfes, unseres Halses und sogar unserer Gliedmaßen erfahren. Was besagt der flache Kopf über den Übergang vom Meer zum Land und über unsere eigene Vergangenheit? Und, was für meine persönliche Sicherheit und mein Wohlbefinden noch wichtiger war: Warum befand ich mich in der Arktis und nicht auf Hawaii? Um solche Fragen zu beantworten, muss man wissen, wie wir Fossilien finden und wie wir mit ihrer Hilfe unsere eigene Vergangenheit entschlüsseln. Wenn wir mehr über uns selbst erfahren wollen, bilden Fossilien eine der wichtigsten Indizienketten. (Andere sind Gene und Embryonen – auf sie werde ich später zu sprechen kommen.) Was die meisten Menschen nicht wissen: Die Fossilsuche ist häufig eine erstaunlich präzise, berechenbare Angelegenheit. Wir leisten zu Hause die Vorarbeit und schaffen so die größtmöglichen Erfolgsaussichten für die Tätigkeit im Freiland. Dann verlassen wir uns auf das Glück.

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Den paradoxen Zusammenhang zwischen Planung und Zufall beschrieb niemand so gut wie der frühere US-Präsident Dwight D. Eisenhower in seiner Bemerkung über den Krieg: »Ich habe festgestellt, dass Planung für die Vorbereitung von Schlachten unentbehrlich ist, aber Pläne sind nutzlos.« Genauso verhält es sich, kurz gesagt, auch mit der paläontologischen Freilandarbeit. Wir machen alle möglichen Pläne, um an vielversprechende Fossilfundstätten zu gelangen, und wenn wir dann dort sind, werfen wir oft sämtliche Planungen über Bord. Die irdischen Tatsachen können die besten Pläne zunichtemachen. Immerhin können wir aber Expeditionen so anlegen, dass sie uns die Beantwortung gezielter wissenschaftlicher Fragen ermöglichen. Mit ein paar einfachen Überlegungen, die ich noch genauer erläutern werde, können wir recht genau voraussagen, wo wir wichtige Fossilien finden werden. Natürlich gelingt es nicht immer, aber wir haben immerhin so oft Erfolg, dass die Sache interessant bleibt. Genau auf diese Weise habe ich Karriere gemacht: Ich habe frühe Säugetiere gefunden und damit wichtige Fragen nach dem Ursprung dieser Tiergruppe beantwortet. Mit Hilfe der ersten Frösche habe ich Fragen nach der Herkunft der Frösche beantwortet, und mit Hilfe einiger früher Arten mit Gliedmaßen habe ich Erkenntnisse über die Entstehung der landlebenden Tiere gewonnen. Für uns Freilandpaläontologen ist es heute in vielerlei Hinsicht einfacher als je zuvor, neue Fundstätten aufzuspüren. Durch die geologischen Untersuchungen der nationalen Behörden sowie der Gas- und Ölkonzerne wissen wir heute mehr über die geologischen Verhältnisse der einzelnen Regionen. Das Internet verschafft uns schnellen Zugang zu Landkarten, den Ergebnissen der Landvermessung und Luftaufnahmen. Mit meinem Laptop kann ich in Ihrem Garten nach vielversprechenden Fossilfundstätten suchen. Und die Krönung des Ganzen: Mit Bildgebungsgeräten und Strahlenmessinstrumenten können wir sogar in manche Gesteinsarten hineinblicken und die Knochen in ihrem Inneren sichtbar machen. Trotz solcher Fortschritte läuft die eigentliche Suche nach wichtigen Fossilien heute noch fast genauso ab wie vor hundert Jahren. Immer noch müssen die Paläontologen sich das Gestein ansehen

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und ganz buchstäblich darauf herumkriechen, und die Fossilien muss man häufig von Hand daraus befreien. Bei der Erkundung und Bergung fossiler Knochen muss man viele Entscheidungen treffen, denn alle diese Vorgänge lassen sich kaum automatisieren. Außerdem macht die Fossilsuche auf dem Computerbildschirm einfach nicht so viel Spaß wie wenn man tatsächlich nach Fossilien gräbt. Schwierig wird die Sache, weil Fossilfundstätten dünn gesät sind. Um die Erfolgschancen zu vergrößern, achten wir darauf, dass drei Dinge zusammenkommen: An den Orten, nach denen wir suchen, muss das Gestein das richtige Alter haben, es muss sich um eine Gesteinsform handeln, in der Fossilien erhalten bleiben, und das Gestein muss an der Oberfläche frei liegen. Und dann kommt noch ein weiterer Faktor hinzu: der glückliche Zufall. Ein Beispiel dafür, wie man diese Regeln bei der Fossilsuche anwendet, handelt von einem der großen Übergänge in der Geschichte des Lebendigen: die Besiedelung des trockenen Landes durch die Fische. Viele Millionen Jahre lang spielte sich das Leben ausschließlich im Wasser ab. Dann, vor rund 365 Millionen Jahren, wurde auch das Land besiedelt. Das Leben sieht in diesen beiden Umfeldern völlig unterschiedlich aus. Die Atmung erfordert im Wasser ganz andere Organe als an Land. Das Gleiche gilt für Ausscheidung, Nahrungsaufnahme und Fortbewegung. Ein ganz neuer Körperbau musste entstehen. Auf den ersten Blick scheint die Kluft zwischen den beiden Lebensräumen fast unüberbrückbar zu sein. Aber wenn wir uns die Belege ansehen, ändert sich alles: Was unmöglich erscheint, hat sich tatsächlich abgespielt. Wenn wir nach Gestein mit dem richtigen Alter suchen, kommt uns eine bemerkenswerte Tatsache zu Hilfe. Die Fossilien verteilen sich nicht nach dem Zufallsprinzip auf die Felsen der ganzen Welt. Wo solche Felsen liegen und was sie enthalten, entspricht einer genauen Ordnung, und anhand dieser Ordnung können wir unsere Expeditionen planen. In den Jahrmilliarden des ständigen Wandels wurde auf der ganzen Welt eine Gesteinsschicht auf die andere gehäuft. Deshalb lautet eine erste, vorläufige Annahme, die sich leicht überprüfen lässt: Gestein, das oben liegt, ist jünger als Gestein, das sich darunter befindet. Diese Regel gilt vor allem in

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Gebieten wie dem Grand Canyon, in denen die Gesteinsschichten einfach wie die Schichten einer Torte übereinandergestapelt sind. Aber durch die Bewegungen der Erdkruste können auch Brüche entstehen, sodass sich die Lagen gegeneinander verschieben und ältere Schichten über jüngeren liegen. Kennt man aber die Brüche, kann man häufig dennoch die ursprüngliche Reihenfolge der Schichten rekonstruieren. Auch die Fossilien liegen in diesen Gesteinsschichten in einer ganz bestimmten Abfolge: Tiefere Schichten enthalten ganz andere biologische Arten als höhere. Könnten wir eine einzige Gesteinssäule ausgraben, in der die gesamte Geschichte des Lebendigen enthalten ist, so würden wir darin ein ungeheuer breites Spektrum verschiedener Fossilien finden. Die untersten Schichten würden kaum erkennbare Spuren von Leben enthalten, und solche, die sich ein wenig höher befinden, beherbergen Abdrücke von einer breiten Vielfalt quallenähnlicher Lebewesen. In noch höheren Schichten wären Lebewesen mit Skelett, Körperanhängen und verschiedenen Organen (zum Beispiel Augen) anzutreffen. Darüber kämen dann die ersten Schichten mit Tieren, die eine Wirbelsäule haben, und so weiter. Die Schichten mit den ersten Menschen lägen in noch größerer Höhe. Natürlich gibt es eine solche Säule, in der die gesamte Erdgeschichte abgebildet ist, in Wirklichkeit nicht. An jedem einzelnen Ort der Erde entspricht das Gestein nur einem kleinen Abschnitt der gesamten Vergangenheit. Wenn wir das Gesamtbild sehen wollen, müssen wir das Gestein selbst und die darin eingeschlossenen Fossilien vergleichen und so die Einzelteile zusammensetzen wie bei einem riesigen Puzzle. Dass in einer Gesteinssäule nacheinander verschiedene Fossilien auftauchen, ist vermutlich keine große Überraschung. Weniger naheliegend ist der Gedanke, dass wir durch Vergleiche mit heutigen Tierarten recht genau voraussagen können, wie die biologischen Arten in den einzelnen Schichten vermutlich aussahen. Mit Hilfe solcher Informationen können wir dann prophezeien, was für Fossilien wir in alten Gesteinsschichten finden werden. Wir können sogar die gesamte Abfolge der Fossilien im Gestein der ganzen Welt voraussagen, indem wir uns selbst mit den Tieren in einem Zoo oder Aquarium vergleichen.

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Was nützt uns ein Spaziergang durch den Zoo, wenn wir wissen wollen, wo wir im Gestein am besten nach wichtigen Fossilien suchen sollen? Im Zoo sehen wir viele ganz unterschiedliche Tiere. Aber für die Unterschiede interessieren wir uns in diesem Fall nicht; wenn wir nützliche Voraussagen machen wollen, müssen wir uns auf ihre Gemeinsamkeiten konzentrieren. Anhand der gemeinsamen Merkmale können wir dann Gruppen von Tieren mit ähnlichen Eigenschaften erkennen. Man kann alle Lebewesen nach dem Prinzip der russischen Puppen einteilen, mit kleineren Tiergruppen, die in größeren Tiergruppen enthalten sind. Wenn wir das tun, gewinnen wir eine sehr grundsätzliche Erkenntnis über die Natur. Alle Tierarten in Zoo und Aquarium haben einen Kopf und zwei Augen. Diese Arten wollen wir einmal als »Alle« bezeichnen. Ein Teil von ihnen hat außer Kopf und Augen auch noch Gliedmaßen. Diese nennen wir »Alle mit Gliedmaßen«. Wiederum eine Untergruppe der mit Kopf und Gliedmaßen ausgestatteten Tiere hat ein sehr großes Gehirn, geht aufrecht und kann sprechen: Das sind wir, die Menschen. Nach dem gleichen Prinzip könnten wir natürlich noch viel mehr Untergruppen abgrenzen, aber schon diese Dreiteilung ist für Vorhersagezwecke nützlich. Für die Fossilien in den Gesteinen der Erde gilt in der Regel die gleiche Einteilung, und diese Tatsache können wir bei der Expeditionsplanung nutzen. Kehren wir noch einmal zu unserem Beispiel zurück: Das erste Mitglied der Gruppe »Alle«, ein Tier mit Kopf und zwei Augen, finden wir als Fossil lange vor dem ersten »Alle mit Gliedmaßen«. Oder genauer gesagt: Der erste Fisch (ein typisches Mitglied von »Alle«) taucht vor dem ersten Amphibium (einem »Alle mit Gliedmaßen«) auf. Natürlich verfeinern wir diese Beobachtung: Wir betrachten mehr Tierarten und viel mehr gemeinsame Eigenschaften der einzelnen Gruppen; außerdem versuchen wir das Alter des Gesteins selbst zu ermitteln. Genau solche Analysen machen wir in unseren Labors, allerdings mit Tausenden und Abertausenden von Tierarten und Eigenschaften. Wir sehen uns jedes nur denkbare anatomische Detail an, und oft untersuchen wir auch lange DNA-Abschnitte. Dabei gewinnen wir so viele Daten, dass oft nur ein leistungsfähiger

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Computer uns die in Gruppen eingebetteten Gruppen zeigen kann. Dieses Verfahren ist das Fundament der Biologie, denn mit seiner Hilfe können wir Hypothesen über die Verwandtschaftsverhältnisse zwischen den Lebewesen aufstellen. Durch jahrhundertelanges Sammeln von Fossilien haben wir nicht nur die Gruppeneinteilung der Lebewesen immer weiter verfeinert, sondern wir verfügen auch über eine gewaltige Bibliothek oder einen Katalog für die Zeitalter der Erde und ihrer Lebewesen. Wir kennen heute allgemeine Zeitabschnitte, in denen sich wichtige Veränderungen abspielten. Sie interessieren sich für die Entstehung der Säugetiere? Dann halten Sie sich an Gestein aus der Zeit, die man als frühes Mesozoikum bezeichnet; es ist, wie wir aus geochemischen Analysen wissen, rund 210 Millionen Jahre alt. Sie möchten etwas über die Ursprünge der Primaten wissen? Dann müssen Sie in der Gesteinssäule ein Stück höher steigen, bis zur Kreidezeit, deren Gestein etwa 80 Millionen Jahre alt ist. Die Reihenfolge der Fossilien in den Gesteinen auf der ganzen Welt ist ein stichhaltiger Beleg dafür, dass wir mit allen anderen Lebewesen in Verbindung stehen. Wenn wir bei Grabungen in 600 Millionen Jahre alten Felsen die ältesten Quallen unmittelbar neben dem Skelett eines Murmeltiers finden würden, müssten wir unsere Lehrbücher neu schreiben. Dann wäre das Murmeltier in den Fossilfunden früher aufgetaucht als die ersten Säugetiere, Reptilien und auch Fische – ja sogar vor dem ersten Wurm. Außerdem würde unser uraltes Murmeltier uns auch sagen, dass das meiste, was wir über die Geschichte der Erde und des Lebens zu wissen glauben, falsch ist. Aber obwohl Menschen mittlerweile seit über 150 Jahren auf allen Kontinenten der Erde und in praktisch allen zugänglichen Gesteinsschichten suchen, hat man so etwas nie beobachtet. Kehren wir nun zu unserer früheren Frage zurück: Wie finden wir die ersten Verwandten der Fische, die an Land gingen? In unserem Ordnungsschema stehen diese Lebewesen irgendwo zwischen »Alle« und »Alle mit Gliedmaßen«. Stellen wir das in Zusammenhang mit unseren Kenntnissen über Gesteinsformen, so deuten stichhaltige geologische Indizien darauf hin, dass die Zeit vor 380 Millionen bis 365 Millionen Jahren der entscheidende Zeitraum ist.

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Ein Spaziergang durch den Zoo spiegelt die Anordnung der Fossilien in den Gesteinen auf der ganzen Welt wider.

Jüngeres, etwa 360 Millionen Jahre altes Gestein enthält verschiedene fossile Tiere, in denen man Amphibien oder Reptilien erkennen kann. Meine Kollegin Jenny Clack von der Universität Cambridge und andere entdeckten Amphibien in Gestein aus Grönland, das rund 365 Millionen Jahre alt ist. Sie haben einen Hals, Ohren und vier Beine, das heißt, sie sehen überhaupt nicht wie Fische aus. In 385 Millionen Jahre altem Gestein dagegen findet man ganze Fische, und die sehen – nun ja – eben wie Fische aus: Sie haben Flossen, einen spitz zulaufenden Kopf, Schuppen und keinen Hals. Wenn wir die Übergangsformen zwischen Fischen und landleben-

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den Tieren finden wollen, sollten wir uns also auf Gestein mit einem Alter von ungefähr 375 Millionen Jahren konzentrieren. Nun haben wir uns für unsere Forschung einen Zeitraum ausgesucht, und wir wissen auch, welche Schichten der geologischen Säule wir untersuchen wollen. Als Nächstes müssen wir nach Gestein suchen, das unter den richtigen Bedingungen entstanden ist und Fossilien einschließen konnte. Gestein kann unter ganz unterschiedlichen Umweltbedingungen entstehen, und diese Anfangsbedingungen hinterlassen in den Gesteinsschichten charakteristische Spuren. Vulkangestein bleibt in der Regel außen vor: Man kennt keinen Fisch, der in Lava überleben kann. Und selbst wenn es einen solchen Fisch gäbe, hätten seine Knochen die extreme Hitze bei der Entstehung von Basalt, Rhyolit, Granit und anderen Vulkangesteinen nicht überstanden. Ebenso können wir metamorphes Gestein wie amorphen Schiefer und Marmor außer Acht lassen, denn die haben seit ihrer Entstehung ebenfalls große Hitze oder extremen Druck erlebt. Alle Fossilien, die sie vielleicht früher einmal enthalten haben, sind längst nicht mehr vorhanden. Ideale Voraussetzungen für die Erhaltung von Fossilien bieten dagegen die Sedimentgesteine: Kalkstein, Sandstein, Schluffstein und Schieferton. Diese entstehen im Vergleich zu Vulkan- und metamorphem Gestein durch wesentlich sanftere Prozesse, beispielsweise durch das Wirken von Flüssen, Seen und Meeren. Solche Umfelder sind nicht nur beliebte Lebensräume für Tiere, sondern wegen der Sedimentationsvorgänge bleiben Fossilien auch eher erhalten. In einem Ozean oder See zum Beispiel setzen sich ständig Teilchen aus dem Wasser ab, bleiben am Boden liegen und werden im Laufe der Zeit durch später abgelagerte Schichten zusammengepresst. Durch den steigenden Druck in Verbindung mit chemischen Prozessen, die sich über lange Zeit hinweg im Inneren des Gesteins abspielen, bestehen für die in den Sedimenten enthaltenen Skelette gute Aussichten, zu Fossilien zu werden. Ähnliche Prozesse spielen sich auch in und an Wasserläufen ab. Eine allgemeine Regel besagt: Je langsamer ein Bach oder Fluss fließt, desto besser eignet er sich für die Fossilbildung. Jeder Stein, der auf der Erde liegt, kann eine eigene Geschichte erzählen: Er berichtet darüber, wie die Welt aussah, als er ent-

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standen ist. Im Inneren des Gesteins liegen Anhaltspunkte für das Klima und die Umwelt früherer Zeiten, und die unterscheiden sich oftmals gewaltig von den heutigen Verhältnissen. Manchmal könnte die Trennung zwischen Früher und Heute krasser gar nicht sein. Ein Extrembeispiel ist der Mount Everest: Nicht weit von seinem Gipfel, in mehr als acht Kilometern Höhe, liegt Gestein von einem vorzeitlichen Meeresboden. Begibt man sich an die Nordflanke des Berges in Sichtweite der berühmten Hillary-Stufe, so findet man die fossilen Gehäuse von Meerestieren. Ganz ähnlich auch in unserem Arbeitsgebiet in der Arktis, wo die Temperaturen im Winter bis auf minus 60 Grad sinken können: In manchen Gesteinen dieser Region findet man die Überreste eines tropischen Flussdeltas aus der Vorzeit, das fast aussieht wie die Gegend am Amazonas, mit fossilen Pflanzen und Fischen, die nur in einer warmen, tropischen Umwelt gedeihen konnten. An Wärme angepasste Tiere in Regionen, die heute in extremer Höhe oder weit im Norden liegen, sind der augenfällige Beleg dafür, wie stark unser Planet sich wandeln kann: Berge steigen hoch und sinken ab, das Klima wird wärmer und kälter, die Kontinente verschieben sich. Nachdem wir begriffen haben, wie lang die Zeiträume sind und welch außerordentliche Veränderungen die Erde schon erlebt hat, können wir mit Hilfe solcher Erkenntnisse auch neue Expeditionen zur Fossilsuche planen. Wenn wir verstehen wollen, wie die ersten Tiere mit Gliedmaßen entstanden sind, können wir uns jetzt mit unserer Suche auf Gestein beschränken, das rund 375 bis 380 Millionen Jahre alt ist und sich in Meeren, Seen oder Flüssen gebildet hat. Vulkanisches und metamorphes Gestein können wir ausschließen, und damit kristallisiert sich ein klareres Bild von vielversprechenden Stellen heraus. Aber damit haben wir erst einen Teil des Weges zur Planung einer neuen Expedition hinter uns. Wenn unser vielversprechendes Sedimentgestein tief in der Erde liegt, oder wenn sich darüber Gras, ein Einkaufszentrum oder eine Stadt befindet, haben wir nichts gewonnen. Dann würden wir blind graben. Man kann es sich leicht vorstellen: Wenn wir ein Loch bohren, um ein Fossil zu finden, sind die Erfolgsaussichten sehr gering – es ist, als

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würden wir Dartpfeile auf eine Zielscheibe werfen, die hinter einer Schranktür aufgehängt ist. Am besten suchen wir in Regionen, in denen wir kilometerweit über das Gestein wandern können, bis wir Stellen finden, an denen die Knochen durch Verwitterung freigelegt werden. Fossile Knochen sind häufig härter als das umgebende Gestein; deshalb verwittern sie etwas langsamer und bilden dann an der Gesteinsoberfläche ein erhabenes Profil. Am besten ist es also, wenn wir über nacktes Muttergestein gehen, bis wir an der Oberfläche die Umrisse von Knochen entdecken; an dieser Stelle fangen wir dann an zu graben. Um eine Fossilexpedition zu planen, geht man also folgendermaßen vor: Man sucht Gestein des richtigen Typs (Sedimentgestein) und mit dem richtigen Alter, das außerdem auch noch frei liegt, und schon kann man anfangen. An idealen Fossilfundstätten ist das Gestein kaum von Erde und Pflanzenwuchs bedeckt, und es wurde bisher möglichst wenig von Menschen verändert. Ist es da verwunderlich, dass ein beträchtlicher Teil der Entdeckungen in Wüstengebieten gemacht wird? In der Wüste Gobi. In der Sahara. In Utah. Und in arktischen Wüsten wie Grönland. Das klingt alles völlig logisch, aber wir dürfen auch den Zufall nicht vergessen. Tatsächlich brachte ein glücklicher Zufall unser Team auf die Spur unseres inneren Fisches. Die ersten wichtigen Entdeckungen machten wir nicht in einer Wüste, sondern an einem Straßenrand mitten in Pennsylvania, wo die Chancen schlechter kaum sein konnten. Und die Krönung des Ganzen: Wir suchten dort nur deshalb, weil wir nicht viel Geld hatten. Wenn man nach Grönland oder in die Sahara reisen will, braucht man viel Zeit und Geld. Für ein Projekt in der näheren Umgebung jedoch muss man keine großen Forschungsmittel auftreiben, sondern nur das Geld für Benzin und Straßengebühren. Für einen jungen Doktoranden oder einen frischgebackenen Collegedozenten sind solche Kriterien von entscheidender Bedeutung. Als ich meine erste Stelle in Philadelphia antrat, ließen wir uns von einer Felsgruppe in Pennsylvania anlocken, die als Catskill-Formation bekannt ist. Die Formation wurde schon seit über 150 Jahren eingehend erforscht. Ihr Alter war gut bekannt: Es beinhaltete das

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späte Devon. Außerdem eignete sich das Gestein hervorragend für die Erhaltung von Tieren mit Gliedmaßen und ihren engsten Verwandten. Um das zu verstehen, sollte man sich einmal ausmalen, wie Pennsylvania im späten Devon aussah. Dazu schlägt man sich Philadelphia, Pittsburgh oder Harrisburg am besten aus dem Kopf und denkt stattdessen an das Amazonasdelta. Im östlichen Teil des heutigen US-Bundesstaates befand sich eine Hochebene. Das Wasser floss über mehrere Flüsse von Osten nach Westen aus dem Gebirge ab, und die mündeten ungefähr da, wo heute die Stadt Pittsburgh liegt, in ein großes Meer. Bessere Voraussetzungen für die Fossilsuche kann man sich eigentlich kaum wünschen – nur ist die Mitte von Pennsylvania mit Ortschaften, Wäldern und Feldern übersät. Freiliegendes Gestein gibt es vor allen an den Stellen, wo das Verkehrsministerium des Bundesstaates sich zum Bau großer Straßen entschlossen hat. Wenn eine Straße gebaut wird, finden Sprengungen statt. Wenn gesprengt wird, liegt anschließend Gestein frei. Es sind nicht immer die besten Stellen, aber wir nehmen, was wir bekommen können. In der billigen Wissenschaft bekommt man das, was man bezahlt hat. Außerdem gibt es auch glückliche Zufälle ganz anderer Art. Im Jahr 1993 kam Ted Daeschler zu uns, um unter meiner Leitung Paläontologie zu studieren. Die Partnerschaft sollte unser beider Leben verändern. Mit unserem unterschiedlichen Temperament ergänzten wir uns hervorragend: Ich habe ständig Ameisen im Hintern und bin auf dem Sprung, um am nächsten Ort zu suchen, Ted dagegen ist geduldig und weiß genau, wann man an einer Stelle bleiben muss, um ihre Reichtümer zu erkunden. Gemeinsam machten wir uns an eine Vermessung des Devongesteins in Pennsylvania, denn wir hofften, dass wir dabei auf Anhaltspunkte für die Entstehung der Gliedmaßen stoßen würden. Zunächst fuhren wir im östlichen Teil des Bundesstaates praktisch zu allen großen Straßenbaustellen. Schon kurz nachdem wir mit den Untersuchungen begonnen hatten, fand Ted zu unserer Überraschung einen ausgezeichneten Schulterknochen. Dem Tier, zu dem er gehörte, gaben wir den Namen Hynerpeton – das Wort kommt aus dem Griechischen und bedeutet »kleines Kriechtier aus Hyner«.

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Hyner in Pennsylvania war die nächstgelegene Ortschaft. Hynerpeton hatte eine kräftige Schulter, ein Indiz, dass diese Tiere auch über gut ausgeprägte Gliedmaßen verfügten. Leider fanden wir nie das vollständige Skelett des Tiers; dazu waren die Stellen mit freiliegendem Gestein zu klein. Warum? Leicht zu erraten: Pflanzenbewuchs, Häuser und Einkaufszentren. Nachdem wir in diesem Gestein Hynerpeton und andere Fossilien entdeckt hatten, waren Ted und ich ganz erpicht auf bessere freiliegende Gesteinsaufschlüsse. Wenn wir uns mit unserem ganzen Forschungsprojekt nur auf einzelne Bruchstücke stützen konnten, würden wir auch nur sehr begrenzte Fragen beantworten können. Also gingen wir bei der Suche nach Gestein des richtigen Typs mit dem richtigen Alter in Wüstenregionen wie im Lehrbuch vor, das

An den Straßen von Pennsylvania befanden wir uns in einem alten Flussdelta ähnlich dem heutigen Amazonas-Mündungsgebiet. Der US-Bundesstaat Pennsylvania (unten) mit der Geländeform im Devon (oben)

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heißt, ohne ein einführendes Lehrbuch der Geologie hätten wir die größte Entdeckung unserer Laufbahn nicht gemacht. Ursprünglich liebäugelten wir mit Alaska und der Yukon-Region als Expeditionsziel, und zwar vor allem deshalb, weil andere Arbeitsgruppen dort bereits bedeutende Entdeckungen gemacht hatten. Am Ende verzettelten wir uns in hitzigen Diskussionen über geologische Details, und in der Hitze des Gefechts griff einer von uns auf dem Schreibtisch nach dem glückbringenden Buch. Als wir es durchblätterten und feststellen wollten, wer von uns recht hatte, stießen wir auf ein Diagramm. Die Zeichnung ließ uns den Atem stocken: Sie zeigte alles, wonach wir gesucht hatten. Die Diskussion war beendet, und die Planung für eine neue Freilandexpedition begann. Aufgrund früherer Funde aus geringfügig jüngerem Gestein waren wir überzeugt, dass vorzeitliche Süßwasserflüsse das beste Umfeld für den Beginn unserer Suche darstellten. Das Diagramm zeigte drei Regionen mit Süßwassergestein aus dem Devon – in allen diesen Fällen handelte es sich um Flussdeltas. Die erste liegt an der Ostküste Grönlands. Dort wurde das Jenny-Clack-Fossil gefunden, ein sehr altes Lebewesen mit Gliedmaßen und einer der ersten bekannten Vierbeiner. Die zweite ist der Osten Nordamerikas, die Heimat von Hynerpeton, in der wir bereits gearbeitet hatten. Und dann gibt es ein drittes großes Gebiet, das sich von Osten nach Westen quer durch die kanadische Arktis zieht. In der Arktis gibt es keine Bäume, keine Erde und keine Städte. Dort bestehen gute Aussichten, Gestein des richtigen Typs und mit dem richtigen Alter zu finden, das außerdem sehr gut frei liegt. Die Gesteinsaufschlüsse Kanadas sind insbesondere bei den kanadischen Geologen und Paläobotanikern, die sie bereits kartiert haben, bestens bekannt. Ashton Embry, der Leiter der Arbeitsgruppe, die einen großen Teil dieser Arbeiten durchgeführt hat, sieht zahlreiche Gemeinsamkeiten zwischen den geologischen Verhältnissen in kanadischem Gestein aus dem Devon und denen in Pennsylvania. In dem Augenblick, als Ted und ich diesen Satz gelesen hatten, wollten wir nur noch die Koffer packen. Was wir an den Landstraßen von Pennsylvania gelernt hatten, konnte uns nun im hohen Norden Kanadas helfen.

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Die Karte, mit der alles anfing. Die Darstellung Nordamerikas zeigt in gedrängter Form alles, wonach wir gesucht hatten. Die verschiedenen Schattierungen machen deutlich, wo Gestein aus dem Devon als Meeres- oder Süßwassersediment frei liegt. Drei frühere Mündungsgebiete von Flüssen sind mit Namen gekennzeichnet. Verändert nach Abb. 13.1, R. H. Dott und R. L. Batten, Evolution of the Earth (New York: McGraw-Hill 1988). Wiedergabe mit Genehmigung der McGraw Hill Companies.

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Interessanterweise ist das Gestein in der Arktis sogar noch älter als die fossilführenden Schichten in Grönland oder Pennsylvania. Die Region erfüllt also voll und ganz unsere drei Kriterien: Alter, Typ und freiliegende Stellen. Und was noch besser war: Wirbeltierpaläontologen kannten sie bisher nicht und hatten deshalb dort nicht nach Fossilien gesucht. Jetzt standen wir vor einer ganz anderen Herausforderung als zuvor in Pennsylvania. An den Landstraßen dieses Bundesstaates hatten wir riskiert, während der Fossilsuche von den vorüberbrummenden Lastwagen überfahren zu werden. In der Arktis lauerten ganz andere Gefahren: Wir konnten von Eisbären gefressen werden, der Proviant konnte uns ausgehen oder wir konnten ins im schlechten Wetter verirren. Jetzt war es nicht mehr möglich, einfach ein paar belegte Brote ins Auto zu packen und zu den fossilführenden Schichten zu fahren. Stattdessen waren für jeden Tag im Freiland acht Tage der Planung notwendig, denn die Fundstellen waren nur aus der Luft zu erreichen, und die nächste Möglichkeit, Nachschub zu beschaffen, lag 400 Kilometer entfernt. Mit dem Flugzeug konnten wir gerade ausreichend Lebensmittel und Ausrüstung für unser Team einschließlich einer gewissen Sicherheitsreserve mitnehmen; und was am wichtigsten war: Wegen der strengen Gewichtsbeschränkungen konnten wir nur einen kleinen Teil der gefundenen Fossilien nach Hause bringen. Wenn man dann noch bedenkt, dass man in der Arktis jeden Sommer nur während eines kurzen Zeitraumes arbeiten kann, so wird deutlich, dass wir uns hier mit ganz neuen, furchteinflößenden Schwierigkeiten herumschlagen mussten. Jetzt kam mein Doktorvater ins Spiel, Dr. Farish A. Jenkins Jr. von der Harvard University. Farish hatte über viele Jahre hinweg Expeditionen nach Grönland geleitet und verfügte über die nötige Erfahrung, um ein solches Vorhaben durchzuziehen. Damit war das Team vollständig. Es umfasste drei Akademikergenerationen: meinen früheren Studenten Ted, meinen Doktorvater Farish und mich selbst. Gemeinsam wollten wir in die Arktis reisen und uns Mühe geben, Belege für den Übergang von den Fischen zu den Landlebewesen zu entdecken.

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Ein Handbuch für die paläontologische Arbeit in der Arktis gibt es nicht. Was die Ausrüstung anging, erhielten wir Ratschläge von Freunden und Kollegen, außerdem lasen wir Bücher – aber dabei wurde uns nur klar, dass wir uns auf das eigentliche Erlebnis nicht vorbereiten konnten. Und nie spürt man das so eindringlich wie in dem Augenblick, wenn man vom Hubschrauber ganz allein in einem gottverlassenen Winkel der Arktis abgesetzt wird. Der erste Gedanke gilt den Eisbären. Ich weiß nicht mehr, wie oft ich den Blick über die Landschaft schweifen ließ und nach beweglichen weißen Punkten suchte. Die Angst kann einem vieles vorgaukeln. Während unserer ersten Woche in der Arktis sah einer aus unserer Gruppe einen weißen Fleck, der sich bewegte. Er sah aus wie ein rund 400 Meter entfernter Eisbär. Eilig griffen wir nach Gewehren, Leuchtpistolen und Pfeifen, aber dann stellten wir fest, dass es sich in Wirklichkeit um einen 60 Meter entfernten Schneehasen handelte. In der Arktis, wo keine Bäume oder Häuser beim Schätzen der Entfernung helfen, verliert man leicht die richtigen Maßstäbe. Die Arktis ist riesengroß und öde. Das Gestein, für das wir uns interessierten, lag in einem rund 1500 Kilometer breiten Gebiet frei. Die Tiere, nach denen wir suchten, waren einen guten Meter lang. Irgendwie mussten wir uns auf einen kleinen Gesteinsabschnitt beschränken, in dem sich unsere Fossilien erhalten hatten. Gutachter, die Forschungsgelder bewilligen, können sehr unangenehm sein und fragen ständig nach solchen Schwierigkeiten. Am besten konnte es einer, der den Antrag für eine von Farishs ersten Arktisexpeditionen beurteilen sollte: Er schrieb in seinem Gutachten über den Antrag (und das, so sollte ich hinzufügen, in nicht gerade freundschaftlichem Ton), die Aussicht, in der Arktis neue Fossilien zu finden, sei »geringer als bei der sprichwörtlichen Nadel im Heuhaufen«. Wir brauchten vier Expeditionen zur Ellesmere-Insel im Laufe von sechs Jahren, dann hatten wir unsere Nadel gefunden. So viel zum Thema glückliche Zufälle. Wir fanden das Gesuchte durch Ausprobieren und Fehlschläge, aus denen wir lernten. Die ersten Untersuchungsstellen, die wir in der Freilandsaison 1999 aufsuchten, befanden sich auf der Melville-Insel ganz im Westen der Arktis. Was wir damals noch nicht

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wussten: Wir hatten uns an der Küste eines vorzeitlichen Ozeans absetzen lassen. Das Gestein war voller Fossilien, und wir fanden mehrere Fischarten. Das Problem war nur, dass es sich bei allen um Tiefseebewohner handelte, und mit denen würde man in den flachen Flüssen oder Seen, aus denen die landlebenden Tiere hervorgingen, nicht rechnen. Auf der Grundlage von Ashton Embrys geologischen Befunden entschlossen wir uns im Jahr 2000, das Expeditionsgebiet in östlicher Richtung zur Ellesmere-Insel zu verlegen, denn dort enthielt das Gestein alte Flussbetten. Es dauerte nicht lange, dann hatten wir die ersten, wenige Zentimeter großen Bruchstücke fossiler Fischknochen gefunden. Den eigentlichen Durchbruch erlebten wir gegen Ende der Freilandsaison des Jahres 2000. Es war kurz vor dem Abendessen, ungefähr eine Woche bevor wir abgeholt werden sollten. Die ganze Mannschaft war wieder im Lager, und wir gingen unseren üblichen Feierabendtätigkeiten nach: die tagsüber gesammelten Stücke ordnen, Expeditionsprotokolle schreiben, Abendessen zubereiten. Nur Jason Downs, damals ein Paläontologie-begeisterter Collegestudent, war nicht pünktlich ins Lager zurückgekehrt. Das war ein Anlass zur Sorge, denn normalerweise gehen wir immer zu mehreren ins Freiland, und wenn wir uns trennen, machen wir eine genaue Uhrzeit aus, zu der wir uns wieder treffen. In der Gegend gab es Eisbären, und häufig zogen unerwartete Unwetter auf – wir durften kein Risiko eingehen. Ich weiß noch, wie ich mit den anderen im Hauptzelt saß – die Sorge um Jason wuchs mit jeder Minute. Als wir gerade überlegten, wie wir die Suche organisieren sollten, hörte ich den Reißverschluss des Zelteingangs. Zuerst sah ich nur Jasons Kopf. In seinem Blick lag etwas Wildes, und er völlig außer Atem. Als er ins Zelt trat, wussten wir, dass wir es nicht mit einem Eisbärenüberfall zu tun hatten: Die Schrotflinte hing noch an seiner Schulter. Der Grund seiner Verspätung wurde klar, als er mit immer noch zitternden Händen einen fossilen Knochen nach dem anderen hervorzog. Er hatte sämtliche Taschen damit vollgestopft: Manteltaschen, Hosentaschen, Sweatshirt, Tagesrucksack. Ich glaube, er hätte auch noch Schuhe und Strümpfe mit Fossilien gefüllt, wenn er dann noch hätte laufen können. Alle diese kleinen fossilen Knochen hatten ungefähr eineinhalb Kilometer vom Lager entfernt

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Die Arktis ist weit und öde. Unser Lager (oben) wirkt in der gewaltigen Landschaft winzig. Mein Sommerferienhaus (unten) ist ein kleines Zelt, das meist durch aufgehäufte Steine vor dem Wind, der mit bis zu 80 Stundenkilometern weht, geschützt ist. Fotos vom Autor.

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auf einem kleinen Areal, nicht größer als der Parkplatz für einen Kleinwagen, an der Oberfläche gelegen. Das Abendessen musste warten. Da es im arktischen Sommer rund um die Uhr hell ist, brauchten wir uns keine Sorgen um die hereinbrechende Dunkelheit zu machen. Also schnappten wir uns ein paar Schokoriegel und machten uns zu Jasons Fundstelle auf den Weg. Sie lag an einem Berghang zwischen zwei hübschen Flusstälern und war, wie Jason entdeckt hatte, dicht bei dicht mit fossilen Fischknochen übersät. Ein paar Stunden lang sammelten wir die Bruchstücke ein, machten Fotos und schmiedeten Pläne. Diese Stelle sah ganz so aus, als böte sie genau das, was wir suchten. Als wir am nächsten Tag wieder hinkamen, hatten wir ein neues Ziel: Wir wollten ganz genau feststellen, welche Gesteinsschicht die Knochen enthielt. Das war entscheidend: Wir mussten wissen, woher Jasons viele Knochenbruchstücke stammten – nur so bestand die Aussicht, vollständige Skelette zu finden. Das Problem dabei waren die arktischen Bedingungen. Die Temperatur sinkt jeden Winter auf unter minus 50 Grad. Im Sommer, wenn die Sonne nie untergeht, kann sie bis auf plus zehn Grad ansteigen. Durch das abwechselnde Gefrieren und Auftauen zerbröckelt das Gestein an der Erdoberfläche: Im Winter kühlt es sich ab und zieht sich zusammen, im Sommer erwärmt es sich und dehnt sich aus. Wenn es auf diese Weise an der Oberfläche über Jahrtausende hinweg jedes Jahr größer und kleiner wird, zerfallen die Knochen. Die Folge: Wir standen vor einer Riesenmenge von Knochen, die über den ganzen Berg verstreut waren, aber aus welcher Gesteinsschicht sie stammten, war nicht klar. Mehrere Tage lang folgten wir den Spuren der Knochenfragmente, gruben probeweise Löcher und setzten unsere Geologenhämmer gewissermaßen als Wünschelruten ein, um festzustellen, an welcher Stelle des Felsens die Knochen ans Licht kamen. Nach vier Tagen legten wir die Schicht schließlich frei, und nun fanden wir ein fossiles Fischskelett nach dem anderen – oft lagen sie zu mehreren übereinander. In zwei aufeinanderfolgenden Jahren verbrachten wir jeweils einen großen Teil des Sommers damit, diese Fische auszugraben.

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Unser Arbeitsgebiet: die Ellesmere-Insel im Nunavut-Territorium in Kanada, 1500 Kilometer nördlich des Polarkreises.

Dann folgte der nächste Fehlschlag: Bei allen Fischen, die wir fanden, handelte es sich um längst bekannte Arten; ähnlich alte Exemplare hatte man schon an mehreren Stellen in Osteuropa gefunden. Und zu allem Überfluss waren diese Fische nicht sonderlich eng mit landlebenden Tieren verwandt. Im Jahr 2004 entschlossen wir uns, es noch einmal zu versuchen. Es war eine Situation nach dem Motto »jetzt oder nie«. Die Arktisexpeditionen waren sehr teuer, und wenn wir nichts aufsehenerregendes entdeckten, würden wir sie einstellen müssen. Anfang Juli 2004 brachten vier aufeinanderfolgende Tage den Umschwung. Ich hämmerte auf den Boden des Steinbruchs, musste dabei aber häufiger auf Eis schlagen als auf Gestein. Als ich wieder einmal das Eis beseitigte, bot sich mir ein Anblick, den ich nie mehr vergessen werde: ein geschupptes Stück, das ganz anders aussah als alles, was uns hier bisher begegnet war. Es wies uns den

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Weg zu einem anderen eisbedeckten Klumpen. Er sah aus wie zwei Kieferknochen, und auch die waren ganz anders als alle Fischkiefer, die ich bis dahin gesehen hatte. Ich hatte den Eindruck, als hätten sie zu einem flachen Kopf gehört. Am nächsten Tag schlug mein Kollege Steve Gatesy weiter oben im Steinbruch das Gestein auf. Als er einen Brocken von der Größe einer kleinen Faust entfernte, starrte ihm die Schnauze eines Tiers entgegen. Es hatte wie mein eisbedeckter Fisch am Boden der Grube einen flachen Kopf. Damit war es etwas Neues, eine wichtige Entdeckung. Aber im Gegensatz zu meinem Fisch hatte der von Steve echtes Potenzial. Zu sehen war nur das Vorderende, und wenn wir Glück hatten, steckte das übrige Tier noch fest im Gestein. Den ganzen restlichen Sommer brachte Steve damit zu, den

Ein Fossilfund beginnt mit einer Gesteinsmasse, die im Laufe der Zeit freigelegt wird. Die Bilder zeigen den Weg eines Fossils vom Freiland ins Labor, wo es vorsichtig herauspräpariert wird. Am Ende hat man das Skelett des Tiers vor sich. Foto links oben vom Autor, übrige Fotos mit freundlicher Genehmigung von Ted Daeschler, Academy of Natural Sciences of Philadelphia.

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Felsen Stückchen für Stückchen zu entfernen, bis wir schließlich das ganze Skelett ins Labor bringen und reinigen konnten. Steves meisterhafte Arbeit an diesem Fund hatte dazu geführt, dass wir eines der bis heute schönsten Fossilien aus der Zeit des Überganges vom Wasser ans Land entdeckt hatten. Bei den Stücken, die wir nach Hause ins Labor brachten, handelte es sich eigentlich nur um Felsbrocken mit eingeschlossenen Fossilien. Im Laufe von zwei Monaten wurde das Gestein von den Präparatoren im Labor Stück für Stück entfernt, häufig mit Zahnarztwerkzeugen oder kleinen Pickeln. Jeden Tag kam ein neuer Teil der Anatomie unseres fossilen Lebewesens ans Licht. Fast jedes Mal, wenn wir einen größeren Abschnitt freigelegt hatten, erfuhren wir etwas Neues über die Entstehung der landlebenden Tiere. Was aus diesen Felsen im Herbst 2004 nach und nach ans Licht kam, war ein wunderschönes Mittelding zwischen einem Fisch und einem Landbewohner. Fische und landlebende Tiere unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht. Fische haben einen spitz zulaufenden Kopf, bei den ersten landlebenden Tieren dagegen sah er eher aus wie bei einem Krokodil: flach und mit den Augen auf der Oberseite. Fische haben keinen Hals: Ihre Schultern sind über eine Reihe von Knochenplatten unmittelbar mit dem Kopf verbunden. Die ersten landlebenden Tiere dagegen besaßen wie alle ihre Nachkommen durchaus einen Hals, das heißt, sie konnten den Kopf unabhängig von den Schultern bewegen. Darüber hinaus gibt es weitere große Unterschiede. Fische sind ganz und gar mit Schuppen bedeckt, landlebende Tiere nicht. Und was ebenso wichtig ist: Fische haben Flossen, Landbewohner verfügen über Gliedmaßen mit Fingern, Zehen, Hand- und Fußgelenken. Wir könnten die Vergleiche fortsetzen und eine lange Liste mit Unterschieden zwischen Fischen und landlebenden Tieren zusammenstellen. Aber unser neu entdeckter Fisch passte nicht zu dieser Trennung der beiden Tiergruppen. Wie alle Fische hatte er Schuppen auf dem Rücken und Flossen mit Flossenhäuten. Aber der Kopf war wie bei Landbewohnern flach, und einen Hals hatte das Tier auch. Und als wir das Innere der Flosse untersuchten, fanden wir Knochen, die dem Ober- und Unterarm sowie Teilen des Handgelenks ent-

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sprachen. Auch die anderen Gelenke waren vorhanden: Wir hatten einen Fisch mit Schulter, Ellenbogen und Handgelenk vor uns, alles innerhalb einer Flosse mit Flossenhaut. Praktisch alle Merkmale, die dieses Tier mit den Landbewohnern gemeinsam hat, sehen sehr urtümlich aus. Der »Oberarmknochen« beispielsweise erinnert mit seiner Form und seinen Verdickungen sowohl an Fische als auch an Amphibien. Das Gleiche gilt für die Form des Schädels und der Schultern. Sechs Jahre hatte es gedauert, bis wir dieses Fossil entdeckt hatten, aber nun bestätigte es eine Voraussage der Paläontologie: Der neue Fisch war nicht nur eine Zwischenstufe zwischen zwei Tiergruppen, sondern wir hatten ihn auch im richtigen Abschnitt der Erdgeschichte und in der richtigen vorzeitlichen Umgebung entdeckt. Er stammte aus 375 Millionen Jahre altem Gestein, das in einem vorzeitlichen Wasserlauf entstanden war. Als Entdecker des neuen Tiers hatten Ted, Farish und ich das Vorrecht, ihm einen offiziellen wissenschaftlichen Namen zu geben. In der Bezeichnung, so unser Wunsch, sollte sich die Herkunft des Fisches aus dem Nunavut-Territorium in der Arktis wi-

Dieses Bild sagt alles. Tiktaalik steht in der Mitte zwischen Fischen und einfachen Landbewohnern.

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derspiegeln, und er sollte auch zeigen, dass wir den dort ansässigen Inuit zu Dank verpflichtet waren, weil sie uns die Grabungsgenehmigung erteilt hatten. Also baten wir den Ältestenrat von Nunavut, offiziell Inuit Qaujimajatuqangit Katimajiit genannt, einen Namen in der Inuktitut-Sprache vorzuschlagen. Natürlich war ich besorgt, ein Gremium namens Inuit Qaujimajatuqangit Katimajiit könne einen Namen nennen, den wir nicht aussprechen konnten. Ich schickte ihnen ein Bild des Fossils, woraufhin die Ältesten uns zwei Vorschläge unterbreiteten: Siksagiaq und Tiktaalik. Wir entschieden uns für Tiktaalik, weil das Wort auch für Menschen, die des Inuktitut nicht mächtig sind, relativ einfach auszusprechen ist, und weil es »großer Süßwasserfisch« bedeutet. Einen Tag nachdem wir den Fund im April 2006 bekannt gegeben hatten, wurde Tiktaalik in mehreren Zeitungen zur Spitzenmeldung, und selbst Blätter wie die New York Times widmeten ihm Schlagzeilen an prominenter Stelle der Titelseite. Diese Aufmerksamkeit leitete eine Woche ein, wie ich sie in meinem sonst so ruhigen Leben noch nicht erlebt hatte. Der größte Augenblick während des ganzen Medienrummels war allerdings nicht einer, in dem ich politische Karikaturen sah oder Leitartikel und hitzige Diskussionen in Blogs las. Er ereignete sich vielmehr in der Vorschule meines Sohnes. Mitten in dem Presserummel fragte mich der Vorschullehrer meines Sohnes, ob ich das Fossil nicht mitbringen und beschreiben könne. Pflichtschuldigst brachte ich einen Abguss von Tiktaalik in Nathaniels Klasse, wobei ich mich auf ein großes Durcheinander gefasst machte. Aber als ich erzählte, wie wir in der Arktis gearbeitet und das Fossil gefunden hatten, und als ich dann die spitzen Zähne des Tiers zeigte, benahmen sich die zwanzig Vier- und Fünfjährigen erstaunlich gut. Anschließend fragte ich sie, was das wohl für ein Tier sei. Die Hände gingen nach oben. Das erste Kind meinte, es sei ein Krokodil oder Alligator. Als ich fragte, wie er darauf kam, erwiderte der Junge, es habe wie ein Krokodil oder eine Eidechse die Augen oben am Kopf. Außerdem hatte es schließlich große Zähne. Aber nun äußerten andere Kinder ihr Missfallen. Als ich eines, das die Hand gehoben hatte, ansprach, hörte ich: »Nein, das ist doch kein Krokodil, das ist ein Fisch. Es hat doch Schuppen

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und Flossen.« Und wieder ein anderes Kind schrie: »Vielleicht ist es ja beides.« Die Botschaft von Tiktaalik ist so einfach, dass sogar Vorschulkinder sie begreifen. In unserem Zusammenhang können wir aus Tiktaalik eine noch weiter reichende Lehre ziehen. Dieser Fisch sagt uns nicht nur etwas über Fische, sondern er enthält auch ein Stück von uns. Und die Suche nach diesem Zusammenhang war der Anlass, der mich überhaupt erst in die Arktis geführt hatte. Wie kann ich so sicher sein, dass dieses Fossil etwas über meinen eigenen Körper aussagt? Betrachten wir einmal den Hals von Tiktaalik. Bei allen früheren Fischen war der Schädel mit mehreren Knochen an der Schulter verankert, und jedes Mal, wenn das Tier den Körper bog, bewegte sich auch der Kopf. Bei Tiktaalik ist es anders. Der Kopf ist völlig von der Schulter getrennt. Die gleiche Anordnung findet man auch bei Amphibien, Reptilien, Vögeln und Säugetieren einschließlich unserer selbst. Den ganzen Übergang kann man auf den Verlust weniger kleiner Knochen bei einem Fisch wie Tiktaalik zurückführen.

Die Entwicklung der Armknochen von den Fischen bis zum Menschen.

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Ähnliche Analysen kann man auch für die Handgelenke, Rippen, Ohren und andere Teile unseres Skeletts vornehmen – alle diese Merkmale lassen sich auf einen Fisch wie unseren zurückführen. Das Fossil, das wir hier vor uns hatten, ist ebenso ein Teil unserer Vergangenheit wie die afrikanischen Hominiden, beispielsweise Australopithecus afarensis, die berühmte »Lucy«. Wenn wir Lucy sehen, verstehen wir, dass wir hoch entwickelte Primaten sind. Sehen wir Tiktaalik, wird klar, dass auch Fische zu unserer Vergangenheit gehören. Was können wir daraus lernen? Unsere Welt ist so genau geordnet, dass wir aufgrund eines Rundganges im Zoo voraussagen können, was für Fossilien rund um die Welt in verschiedenen Gesteinsschichten liegen. Und solche Voraussagen führen dann unter Umständen zur Entdeckung von Fossilien, die uns etwas über längst vergangene Ereignisse aus der Geschichte des Lebendigen erzählen. Die Spuren dieser Ereignisse tragen wir noch heute in uns – sie sind ein Teil unseres Körperbaues. Etwas anderes habe ich noch nicht erwähnt: Wir können die Vergangenheit auch in unseren Genen zurückverfolgen, in der DNA. Diese Spuren unserer Vergangenheit liegen nicht im Gestein, sondern in uns. Sowohl die Fossilien als auch die Gene werden wir nutzen, um unsere Geschichte zu erzählen, die Geschichte von der Entstehung unseres Körpers.

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2. Die Sache in den Griff bekommen

Wer einmal im anatomischen Seziersaal einer medizinischen Fakultät war, wird die Eindrücke nie mehr vergessen. Stellen wir uns vor, wir betreten einen Raum und bringen dann mehrere Monate damit zu, einen menschlichen Körper Schicht für Schicht, Organ für Organ auseinanderzunehmen, um dabei Zehntausende von Namen für die verschiedenen Körperbestandteile zu lernen. Als ich zum ersten Mal eine Leiche sezieren sollte, stellte ich mich monatelang darauf ein: Ich versuchte mir auszumalen, was ich sehen, wie ich reagieren und was ich empfinden würde. Aber dann stellte sich heraus, dass meine Fantasien mich auf das tatsächliche Erlebnis in keiner Weise vorbereitet hatten. Der Augenblick, als wir das Laken zurückzogen und die Leiche zum ersten Mal sahen, war bei weitem nicht so belastend, wie ich es mir vorgestellt hatte. Wir sollten den Brustkorb sezieren, also legten wir ihn frei, während Kopf, Arme und Beine in mit Konservierungsmittel getränktem Verbandmull eingepackt blieben. Das Gewebe sah nicht besonders menschlich aus. Die Leiche war mit mehreren Konservierungsmitteln behandelt worden und blutete nicht, als wir hineinschnitten. Haut und innere Organe hatten eine gummiähnliche Konsistenz. Mir kam der Gedanke, dass die Leiche eigentlich nicht wie ein Mensch, sondern eher wie eine Puppe aussah. Im Laufe einiger Wochen legten wir die Organe in Brust und Bauchraum frei. Langsam kam ich mir schon vor wie ein Profi: Ich hatte die meisten inneren Organe gesehen und mir wegen meiner Erfahrungen ein eitles Selbstbewusstsein zugelegt. Meine erste Sektion lag hinter mir, ich hatte meine Schnitte gesetzt und die Anatomie der wichtigsten Organe gelernt. Es war alles sehr mechanisch, abgehoben, wissenschaftlich.

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Aber meine angenehmen Illusionen erhielten einen kräftigen Dämpfer, als ich mich mit der Hand beschäftigte. Ich wickelte den Verbandmull von den Fingern, sah zum ersten Mal die Gelenke, Fingerspitzen und Fingernägel – und entdeckte in mir plötzlich Gefühle, die während der vergangenen Wochen verborgen geblieben waren. Das hier war keine Puppe, kein Modell; das war einmal ein lebendiger Mensch gewesen, der mit dieser Hand Dinge getragen und andere Menschen gestreichelt hatte. Plötzlich wurde die mechanische Tätigkeit des Sezierens zu etwas zutiefst Emotionalem und Persönlichem. Bis zu diesem Augenblick war ich für meine Verbindung zu der Leiche blind gewesen. Ich hatte bereits den Magen, die Gallenblase und andere Organe herauspräpariert; aber welcher geistig gesunde Mensch empfindet beim Anblick einer Gallenblase schon Verbundenheit? Warum erscheint uns gerade eine Hand wie der Inbegriff des Menschlichen? Auf irgendeiner Ebene muss die Antwort lauten: Die Hand steht in einer erkennbaren Verbindung zu uns selbst; sie ist ein Zeichen dafür, wer wir sind und was wir erreichen können. In diesem Gebilde aus Knochen, Nerven und Blutgefäßen liegt unsere Fähigkeit, zu greifen, zu bauen und unsere Gedanken zu verwirklichen. Eines fällt sofort auf, wenn man das Innenleben einer Hand betrachtet: Es ist ungeheuer kompakt. Der Daumenballen, auch »Thenar« genannt, enthält vier verschiedene Muskeln. Wackeln Sie einmal mit dem Daumen und beugen Sie die Hand: Dabei arbeiten zehn Muskeln und mindestens sechs Knochen in Einklang zusammen. Im Handgelenk befinden sich mindestens acht kleine Knochen, die gegeneinander beweglich sind. Wenn wir das Handgelenk beugen, wird eine Reihe von Muskeln tätig, die im Unterarm ansetzen, und die Sehnen, in die sie übergehen, ziehen sich durch das Handgelenk bis in die Hand. Schon die einfachste Bewegung erfordert ein kompliziertes Wechselspiel zwischen vielen Einzelteilen, die alle auf engstem Raum verpackt sind. Der Zusammenhang zwischen Komplexität und Menschsein, der sich in unseren Händen verkörpert, fasziniert die Wissenschaftler schon seit langem. Der bekannte schottische Chirurg Sir Charles Bell verfasste 1822 ein klassisches Werk über die Anatomie der

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Hände. Schon der Titel sagt alles: The Hand, Its Mechanism and Vital Endowments as Evincing Design (»Die Hand, ihr Mechanismus und ihre unentbehrliche Ausstattung als Zeigeinstrument«). Bell hielt den Aufbau der Hand für »vollkommen«, weil sie so komplex gebaut ist und sich ideal für unsere Lebensweise eignet. Diese perfekte Konstruktion, so glaubte er, müsse göttlichen Ursprungs sein. Zu den führenden wissenschaftlichen Köpfen bei der Suche nach göttlicher Ordnung im Körperbau gehörte der große Anatom Sir Richard Owen. Er hatte Glück, dass er seinen Beruf Mitte des 19. Jahrhunderts ausübte, als man in abgelegenen Regionen der Erde noch ganz neue Tierarten entdecken konnte. Als die Bewohner des Abendlandes immer größere Teile der Welt erkundeten, fanden alle möglichen exotischen Lebewesen den Weg in die Labors und Museen. Owen beschrieb den ersten Gorilla, den eine Expedition aus Zentralafrika mitgebracht hatte. Er prägte den Namen »Dinosaurier« für eine neue Gruppe fossiler Tiere, die man in Gestein in England entdeckt hatte. Durch seine Untersuchung dieser bizarren Tiere gewann er ganz besondere Erkenntnisse: Vor seinen Augen kristallisierten sich in der scheinbar chaotischen Vielfalt des Lebendigen wichtige Gesetzmäßigkeiten heraus. Owen stellte fest, dass unsere Arme und Beine, unsere Hände und Füße sich in ein größeres Schema einordnen lassen. Er erkannte, was die Anatomen auch früher schon gewusst hatten: Das Knochengerüst unserer Arme ist nach einer Gesetzmäßigkeit aufgebaut. Ein Knochen im Oberarm, zwei Knochen im Unterarm, eine Reihe kleiner Knochen im Handgelenk und dann fünf Stäbe, die die Finger bilden. Das gleiche Schema gilt auch für die Beinknochen: Ein Knochen, zwei Knochen, viele Knöchelchen, fünf Zehen. Als Owen diese Verteilung mit vielfältigen Skeletten aus der ganzen Welt verglich, machte er eine interessante Entdeckung. Owens geniale Leistung bestand darin, dass er sich nicht auf die Unterschiede zwischen den Skeletten konzentrierte. Was er entdeckte und später in einer ganzen Reihe von Vorträgen und Büchern beschrieb, war die auffällige Ähnlichkeit bei ganz unterschiedlichen Lebewesen, beispielsweise bei Fröschen und Menschen. Alle Lebewesen mit Gliedmaßen sind gleich konstruiert: ob es sich bei

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Der Bauplan aller Gliedmaßen: ein Knochen, dann zwei Knochen, dann kleine Knöchelchen und schließlich Finger oder Zehen.

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diesen Gliedmaßen um Flügel, Flossen oder Arme und Beine handelt, spielt keine Rolle. Immer ist ein Knochen – im Arm der Oberarmknochen, im Bein der Oberschenkelknochen – über ein Gelenk mit zwei Knochen verbunden, und an deren anderem Ende folgen mehrere kleine Knöchelchen, an denen Finger oder Zehen ansetzen. Nach diesem Schema sind alle Gliedmaßen aufgebaut. Ein Fledermausflügel? Da sind die Finger besonders lang. Ein Pferd? Da sind die Mittelfinger und die mittleren Zehen verlängert, alle anderen sind geschrumpft und die äußeren völlig verschwunden. Oder wie wäre es mit einem Froschbein? Da müssen die Beinknochen nur länger werden und teilweise verschmelzen. Die Unterschiede zwischen den Tieren betreffen die Form und Länge der Knochen sowie die Zahl der Knöchelchen, Finger und Zehen. Obwohl die Gliedmaßen ganz unterschiedliche Aufgaben haben und unterschiedlich aussehen, gilt für alle der gleiche Bauplan. Für Owen war die Entdeckung, dass die Gliedmaßen gleich gebaut sind, nur der Anfang: Das Gleiche stellte er auch fest, als er Schädel und Wirbelsäule untersuchte, ja sogar als er sich schließlich mit dem gesamten Körperbau beschäftigte. Das Skelett aller Tiere folgt einem grundlegenden Konstruktionsprinzip. Frösche, Fledermäuse, Menschen und Eidechsen sind Variationen des gleichen Themas. Und dieses Thema, so glaubte Owen, sei der Plan des Schöpfers. Kurz nachdem Owen diese Beobachtungen in seinem klassischen Werk On the Nature of Limbs (»Über die Natur der Gliedmaßen«) veröffentlicht hatte, lieferte Charles Darwin dafür eine elegante Erklärung. Dass die Skelette von Fledermausflügeln und Menschenarmen nach den gleichen Prinzipien gebaut sind, liegt daran, dass Fledermäuse und Menschen einen gemeinsamen Vorfahren haben. Das Gleiche gilt für die Arme der Menschen und die Flügel der Vögel, oder für unsere Beine und Froschbeine – für alle Tiere, die Gliedmaßen haben. Zwischen Owens und Darwins Theorie besteht ein entscheidender Unterschied: Mit Hilfe von Darwins Theorie können wir sehr genaue Voraussagen machen. Wir rechnen damit, dass Owens Bauplan eine Geschichte hat, die man auch bei Tieren ohne Gliedmaßen erkennen kann. Wo sollen wir also nach Spuren dieser Geschichte der Gliedmaßen suchen? Die Antwort: bei den Fischen und dem Skelett ihrer Flossen.

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Den Fisch sehen

Zu Zeiten von Owen und Darwin schien zwischen Flossen und Gliedmaßen eine unüberbrückbare Kluft zu bestehen. Auf den ersten Blick haben Fischflossen keinerlei Ähnlichkeit mit Armen und Beinen. Von außen betrachtet, bestehen sie meist vor allem aus Haut. Damit haben unsere Gliedmaßen und auch die aller anderen heutigen Tiere keine Gemeinsamkeit. Und auch wenn man die Haut entfernt und die darunterliegenden Knochen betrachtet, wird der Vergleich nicht einfacher. Die meisten Fische haben nichts, was an Owens Schema »Ein Knochen – zwei Knochen – Knöchelchen – Finger« erinnern würde. Ihr ganzes Skelett sieht völlig anders aus. In der Regel befinden sich im Inneren des Flossenansatzes mindestens vier Knochen. Aber gegen Mitte des 19. Jahrhunderts erfuhren die Anatomen erstmals von rätselhaften Fischen, die auf der südlichen Erdhalbkugel lebten. Einen der ersten entdeckten deutsche Zoologen in Südamerika. Er sah mit seinen Flossen und Schuppen wie ein normaler Fisch aus, aber hinter dem Hals lagen zwei große, von Blutgefäßen durchzogene Säcke: eine Lunge. Die Entdecker waren so verwirrt, dass sie das Tier auf den Namen Lepidosiren paradoxa tauften – »paradox geschupptes Kriechtier«. Wenig später fand man in Afrika und Australien noch andere Fische mit einer Lunge. Einen davon brachten Entdecker aus Afrika zu Owen. Wissenschaftler wie Thomas Huxley und der Anatom Carl Gegenbaur stellten fest, dass es sich bei den Lungenfischen um ein Mittelding zwischen Fischen und Amphibien handelte. Den Einheimischen schmeckten sie köstlich. Einen weitreichenden Einfluss auf die Wissenschaft hatte ein scheinbar triviales Detail an den Flossen dieser Fische. Am Flossenansatz der Lungenfische befindet sich ein einzelner Knochen, der mit der Schulter verbunden ist. Für Anatomen lag die Parallele auf der Hand: Auch unser Oberarm enthält einen einzigen Knochen, und der setzt ebenfalls an der Schulter an. Die Lungenfische sind also Fische mit einem Oberarmknochen. Und seltsamerweise sind das nicht irgendwelche Fische, sondern Fische, die auch eine Lunge besitzen. Zufall?

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Als man im 19. Jahrhundert eine Handvoll solcher Fischarten kennenlernte, kamen auch aus einer anderen Richtung neue Indizien hinzu. Und wie man vielleicht schon vermuten kann, handelte es sich dabei um Fische aus der Vorzeit. Eines der ersten derartigen Fossilien stammte von der Küste der Gaspé-Halbinsel in der kanadischen Provinz Quebec. Das Gestein, in dem man es gefunden hatte, war 380 Millionen Jahre alt. Der Fisch erhielt den zungenbrecherischen Namen Eusthenopteron und zeigte eine erstaunliche Mischung der Merkmale von Fischen und Amphibien. Aus Owens »Ein-Knochen-zwei-KnochenKnöchelchen-Finger«-Bauplan besaß er den Teil mit einem und zwei Knochen, der sich aber in einer Flosse befand. Demnach hatten manche Fische also Strukturen wie Tiere mit Gliedmaßen, und Owens Typenunterteilung war keine göttlich gegebene, ewige Eigenschaft alles Lebendigen. Sie hatte vielmehr eine Geschichte, und diese Geschichte war in Gestein aus der Devonzeit festgehalten, das 360 bis 390 Millionen Jahre alt war. Diese weitreichende Erkenntnis wurde zum Ausgangspunkt für eine ganz neue Forschungsrichtung mit ganz neuen Zielen: Irgendwo im Gestein aus dem Devon würde man auch den Ursprung von Fingern und Zehen entdecken. Anfang der 1920er Jahre war das Gestein für weitere Überraschungen gut. Der junge schwedische Paläontologe Gunnar SaveSoderberg erhielt die außergewöhnliche Gelegenheit, an der Ostküste Grönlands nach Fossilien zu suchen. Es war eine völlig unerforschte Region, aber Save-Soderberg erkannte, dass sich dort gewaltige Gesteinsablagerungen aus dem Devon befanden. Er wurde zu einem herausragenden Freiland-Paläontologen: Mit seinem kühnen Entdeckergeist und seiner Detailversessenheit entdeckte er während seiner kurzen Berufslaufbahn zahlreiche bemerkenswerte Fossilien. (Leider starb er schon in jungen Jahren kurz nach seinen ungeheuer erfolgreichen Expeditionen an Tuberkulose.) Zwischen 1929 und 1934 machte Save-Soderbergs Arbeitsgruppe auf mehreren Expeditionen eine Entdeckung, die damals als wichtiges fehlendes Bindeglied bezeichnet wurde. Der Fund machte auf der ganzen Welt Schlagzeilen; seine Bedeutung wurde in Leitartikeln erörtert, und er wurde in Karikaturen verulkt. Bei den fraglichen Fossilien handelte es sich um echte Mischungen: Kopf und

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Bei den meisten Fischen (z. B. beim Zebrafisch, oben) bestehen die Flossen aus großen Flossenhäuten, und am Ansatz befinden sich viele Knochen. Die Lungenfische weckten das Interesse, weil bei ihnen am Ansatz der Körperanhänge nur ein Knochen liegt. An Eusthenopteron erkennt man, wie Fossilien die Lücke füllen: Er hatte bereits Knochen, die sich mit unserem Ober- und Unterarm vergleichen lassen. Acanthostega besaß Finger und Zehen, am Ansatz der Extremitäten sieht das Skelett aber ähnlich aus wie bei Eusthenopteron.

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Schwanz ähnelten dem von Fischen, sie besaßen aber auch vollständig ausgebildete Gliedmaßen (einschließlich Fingern und Zehen) und ausgesprochen Amphibien-ähnliche Wirbel. Nach SaveSoderbergs Tod wurden die Fossilien von seinem Freund und Kollegen Erik Jarvik beschrieben, und der taufte eine der neuen Arten zu Ehren seines Freundes auf den Namen Ichthyostega soderberghii. In unserem Zusammenhang ist Ichthyostega allerdings eine ziemliche Enttäuschung. In den meisten Eigenschaften von Kopf und Rücken ist er zwar tatsächlich eine bemerkenswerte Zwischenstufe, aber über die Entstehung der Gliedmaßen sagt er sehr wenig aus, denn er verfügt wie alle Amphibien bereits über Finger und Zehen. Die wahren Erkenntnisse lieferte Jahrzehnte später ein anderes Tier, das zu der Zeit, als Save-Soderberg darüber berichtete, relativ wenig Aufmerksamkeit erregte. Dieses zweite, ebenfalls mit Gliedmaßen ausgestattete Tier blieb bis 1988 rätselhaft; erst dann suchte meine Paläontologenkollegin Jenny Clack, die uns bereits im ersten Kapitel begegnet ist, noch einmal Save-Soderbergs Fundstätten auf und fand weitere einschlägige Fossilien. Jetzt zeigte sich, dass dieses Lebewesen, das man in den zwanziger Jahren auf der Grundlage von Save-Soderbergs bruchstückhaften Funden als Acanthostega bezeichnet hatte, ebenfalls über vollständige Gliedmaßen mit Fingern und Zehen verfügte. Darüber hinaus hatte es aber eine echte Überraschung parat: Wie Jenny feststellte, waren die Gliedmaßen wie Flossen geformt – sie erinnerten an die Paddel einer Robbe. Das veranlasste sie zu der Vermutung, dass die ersten Gliedmaßen den Tieren nicht beim Gehen, sondern beim Schwimmen halfen. Dies war ein bedeutsamer Fortschritt, aber immer noch blieb ein Problem: Acanthostega besaß vollständig ausgebildete Gliedmaßen mit einem echten Gelenk und ohne Flossenhäute. Diese Gliedmaßen waren zwar sehr einfach gebaut, aber Hände und Füße, Handund Fußgelenke mussten noch früher entstanden sein. Das war der Stand der Dinge im Jahr 1995.

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Fische mit Fingern und Handgelenken

Eines Tages im Jahr 1995 kamen Ted Daeschler und ich von einer längeren Autofahrt zurück in sein Haus nach Philadelphia; wir hatten in der Mitte Pennsylvanias überall nach neuen Straßenbaustellen gesucht. Eine schöne Stelle hatten wir an der Route 15 nördlich von Williamsport gefunden: Dort hatte das Verkehrsministerium des Bundesstaates einen Graben in ein riesiges, rund 365 Millionen Jahre altes Sandsteingebirge gesprengt. Beiderseits der Landstraße waren große Haufen von Felsbrocken liegen geblieben. Für uns war das ein ideales Fossilien-Sammelrevier: Wir hielten an und kletterten über die Steine, von denen viele ungefähr so groß waren wie ein kleiner Mikrowellenofen. Manche enthielten verstreute Fischschuppen, und so entschlossen wir uns, ein paar Brocken mit nach Hause nach Philadelphia zu nehmen. Als wir bei Ted eintrafen, kam seine vierjährige Tochter uns schon entgegengelaufen: Sie wollte ihren Papa begrüßen und wissen, was wir gefunden hatten. Als wir Daisy einen der Brocken zeigten, fiel uns plötzlich auf, dass aus ihm ein Stück einer großen Fischflosse herausragte. Das hatten wir draußen an der Fundstelle völlig übersehen. Und wie wir außerdem bald erkannten, war es keine gewöhnliche Fischflosse: In ihrem Inneren befanden sich zahlreiche Knochen. Ungefähr einen Monat brauchten die Mitarbeiter im Labor, bis sie die Flosse aus dem Gestein befreit hatten – und damit hatten sie zum ersten Mal einen Fisch mit dem von Owen prophezeiten Körperbau freigelegt. Nahe am Rumpf befand sich ein einzelner Knochen, und an diesem setzten zwei weitere Knochen an. Am Rand der Flosse fanden wir acht Knochenstäbe. Jetzt waren alle überzeugt, dass wir einen Fisch mit Fingern vor uns hatten. Unsere Flosse war mit Flossenhaut, Schuppen und sogar einer fischähnlichen Schulter ausgestattet, aber in ihrem Inneren lagen Knochen, die in vielerlei Hinsicht dem Skelett der »normalen« Gliedmaßen entsprachen. Leider bestand der Fund nur aus einer einzelnen Flosse. Als Nächstes mussten wir eine Stelle finden, an der wir den vollständigen Körper eines solchen Tieres freilegen konnten. Mit einer einzelnen Flosse ließen sich die wichtigsten Fra-

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gen nicht beantworten: Wozu benutzte dieses Tier seine Flossen? Funktionierten die darin eingeschlossenen Gelenke wie bei uns? Dies konnten wir nur an vollständigen Skeletten feststellen. Bis wir sie fanden, mussten wir fast 10 Jahre suchen. Und dann erkannte ich auch nicht als Erster, was wir vor uns hatten. Dies gelang den beiden professionellen Fossilpräparatoren Fred Mullison und Bob Masek. Ihre Aufgabe war es, mit Zahnarztinstrumenten das Gestein von unseren Freilandfunden zu kratzen und die darin enthaltenen Fossilien freizulegen. Bis ein Präparator einen großen Felsbrocken voller Fossilien in einen schönen, für die Forschung geeigneten Fund verwandelt hat, vergehen manchmal Monate oder sogar Jahre.

Unser verblüffender Fund. Leider entdeckten wir nur dieses eine Exemplar. Schemazeichnung mit freundlicher Genehmigung von Scott Rawlins, Arcadia University. Foto vom Autor.

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Von unserer Expedition im Jahr 2004 hatten wir drei Gesteinsbrocken mitgebracht, von denen jeder ungefähr so groß war wie ein Reisekoffer. Sie stammten aus Schichten aus dem Devon von der Ellesmere-Insel. Jeder von ihnen enthielt ein Tier mit flachem Kopf: Den einen hatte ich im Eis am Boden des Steinbruchs gefunden, der zweite war Steves Fund, und einen dritten hatten wir in der letzten Woche der Expedition entdeckt. Wir hatten im Freiland die Köpfe geborgen und das Gestein darum herum so weit unversehrt gelassen, dass wir darin im Labor nach dem restlichen Körper suchen konnten. Für den Heimweg wurden die Steine in Gips verpackt. Eine solche Gipsverpackung im Labor auseinanderzunehmen, ist etwas Ähnliches, wie wenn man eine Zeitkapsel öffnet. Sie enthält Stücke und Brocken aus der arktischen Tundra, aber auch unsere Notizen, die wir auf den Fund gekritzelt hatten. Sogar der Geruch der Tundra steigt noch auf, wenn wir die Gipspackungen öffnen. Fred in Philadelphia und Bob in Chicago kratzten ungefähr zur gleichen Zeit an zwei verschiedenen Brocken aus der Arktis. Aus einem davon hatte Bob einen besonders kleinen Knochen freigelegt, der zu einer großen Flosse des Fisches gehörte (den Namen Tiktaalik hatten wir ihm zu diesem Zeitpunkt noch nicht gegeben). Der winzige, würfelförmige Knochen unterschied sich in einer Hinsicht von allen anderen Knochen der Flossen: Er trug an einem Ende ein Gelenk, das vier anderen Knochen Platz bot. Mit anderen Worten: Er sah auffällig nach einem Handgelenksknochen aus – aber die Flossen waren in dem Block, den Bob präparierte, bunt durcheinandergewürfelt, und deshalb konnten wir keine sichere Aussage machen. Das nächste Indiz kam eine Woche später aus Philadelphia. Fred, der mit seinen Zahnarztwerkzeugen wie ein Zauberkünstler umgehen konnte, entdeckte in seinem Block eine vollständige Flosse, und die enthielt genau diesen Knochen an der richtigen Stelle: am Ende der Unterarmknochen. Außerdem setzten genau an diesen Knochen vier weitere an. Wir hatten einen 375 Millionen Jahre alten Fisch vor uns und starrten auf den Ursprung eines unserer eigenen Körperteile. Wir hatten einen Fisch mit einem Handgelenk gefunden.

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Im Laufe der nächsten Monate bekamen wir auch den Rest dieser Extremität zum größten Teil zu sehen. Sie war halb Flosse, halb Arm. Unser Fisch besaß Flossenhäute, aber darunter verbarg sich eine urtümliche Version von Owens Ein-Knochen-zwei-Knochen-viele-Knöchelchen-viele-Knochen-Anordnung. Es war genau so, wie man es nach Darwins Theorie vorausgesagt hätte: Wir hatten zur richtigen Zeit am richtigen Ort ein Mittelding zwischen zwei offenkundig unterschiedlichen Tierarten gefunden. Der Flossenfund war nur der Anfang der Entdeckungsgeschichte. Richtig erfreulich wurde es für Ted, Farish und mich, als wir begriffen, welche Aufgaben die Flosse hatte und wie sie funktionierte; außerdem konnten wir nun Vermutungen darüber anstellen, warum sich überhaupt ein Handgelenk entwickelt hatte. Die Antwort auf diese Frage liegt im Aufbau der Knochen und Gelenke selbst. Als wir die Flosse von Tiktaalik auseinandernahmen, stellten wir etwas wirklich Bemerkenswertes fest: Alle Gelenkflächen waren ausgezeichnet erhalten. Tiktaalik hat eine Schulter, einen Ellenbogen und ein Handgelenk, die aus den gleichen Oberarm-, Unterarm- und Handgelenksknochen bestanden wie bei Menschen. Als wir den Aufbau dieser Knochen untersuchten und uns eine Vorstellung davon verschaffen wollten, wie die Knochen sich gegeneinander bewegten, stellten wir fest, dass Tiktaalik sich auf eine recht ungewöhnliche Funktion spezialisiert hatte: Er war zu Liegestützen in der Lage.

Die Knochen am Vorderende von Tiktaalik : ein Fisch mit einem Handgelenk.

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Wenn wir Liegestütze machen, drücken wir die Handflächen flach auf den Boden, die Ellenbogen sind gebeugt, und wir bewegen uns mit der Brustmuskulatur auf und ab. Das alles konnte auch Tiktaalik. Sein Ellenbogen konnte sich beugen wie unserer, und das Handgelenk konnte sich so biegen, dass die »Handfläche« des Fisches flach auf dem Boden anlag. Und was die Brustmuskulatur anging, so war Tiktaalik reichlich damit ausgestattet. Betrachtet man die Schulter und die Unterseite des Armknochens an der Stelle, wo beide verbunden waren, so findet man kräftige Knochenvorsprünge und Vertiefungen, an denen die großen Brustmuskeln ansetzten. Dem Befehl »runter und 20 Liegestütze« hätte Tiktaalik ohne weiteres nachkommen können. Warum soll ein Fisch Liegestütze machen? Um diese Frage zu beantworten, sollte man sich das ganze Tier ansehen. Mit seinem flachen Kopf, den Augen auf der Oberseite und seinen Rippen war Tiktaalik so gebaut, dass er auf dem Boden seichter Wasserläufe oder Tümpel herumkriechen und sich sogar auf dem Schlamm am Ufer fortbewegen konnte. Flossen, die den Körper tragen konnten, waren äußerst nützlich für einen Fisch, der in einer solchen Umgebung zurechtkommen musste. Diese Interpretation passt auch zu den geologischen Verhältnissen an der Stelle, an der wir die Fossilien von Tiktaalik gefunden hatten. Der Aufbau der Gesteinsschichten und die Anordnung der Gesteinskörner sind charakteristisch für ein Sediment, das sich ursprünglich in einem flachen, von großen jahreszeitlichen Überschwemmungsgebieten umgebenen Wasserlauf bildete. Aber warum lebte er überhaupt in einer solchen Umwelt? Was kann einen Fisch dazu veranlassen, ein Gewässer zu verlassen oder sich ganz an seinem Rand anzusiedeln? Malen wir es uns einmal aus: Praktisch alle Fische, die vor 375 Millionen Jahren in solchen Wasserläufen schwammen, waren in irgendeiner Form Räuber. Manche von ihnen waren bis zu fünf Meter lang, fast doppelt so groß wie die größten Exemplare von Tiktaalik. Die Fischart, die wir außer Tiktaalik am häufigsten fanden, war über zwei Meter lang und hatte einen Kopf von der Größe eines Basketballs. Die Zähne sind Stacheln, so groß wie die Nägel in Eisenbahnschwellen. Wer

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würde schon in einem solchen vorzeitlichen Gewässer schwimmen wollen? Die Aussage, dass die Welt zu jener Zeit ein Haifischbecken war, ist nicht übertrieben. Um in einem solchen Umfeld Erfolg zu haben, brauchte man eine naheliegende Strategie: Man musste größer werden, sich einen Panzer zulegen oder das Wasser verlassen. Unsere entfernten Vorfahren gingen offensichtlich dem Kampf lieber aus dem Weg. Für uns hat diese Konfliktvermeidung noch eine tiefergehende Bedeutung. Viele Teile unserer eigenen Gliedmaßen können wir

Körper (oben) und Flossen (unten) von Tiktaalik in lebensgroßen Modellen. Die Knochen der Flosse entsprechen genau dem Original. Diese Flossen mit Schulter, Ellenbogen und einfachem Handgelenk ermöglichten es dem Fisch, Liegestütze zu machen.

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auf die Flossen dieser Fische zurückführen. Wir brauchen nur einmal das Handgelenk hin und her zu biegen oder die Faust zu öffnen und zu schließen. Dabei bedienen wir uns der Gelenke, die erstmals in den Flossen von Fischen wie Tiktaalik auftauchten. Vorher gab es diese Gelenke nicht. Später finden wir sie in den Gliedmaßen. Gehen wir nun den Weg von Tiktaalik zu den Amphibien, zu verschiedenen Reptilienarten und schließlich bis zu den Säugetieren, so wird eines immer wieder mehr als deutlich: Das erste Lebewesen, das die Knochen unseres Ober- und Unterarms, ja sogar unseres Handgelenks und unserer Handfläche besaß, hatte auch Schuppen und Flossenhäute. Dieses Lebewesen war ein Fisch. Was sollen wir demnach von dem Ein-Knochen-zwei-KnochenKnöchelchen-Finger-Bauplan halten, den Owen einem Schöpfer zuschrieb? Manche Fische, beispielsweise die Lungenfische, haben einen Knochen am Flossenansatz. Andere, darunter Eusthenopteron, besitzen die Anordnung »Ein-Knochen-zwei-Knochen«. Und dann gibt es Tiere wie Tiktaalik mit einem-Knochen-zwei-KnochenKnöchelchen. In unseren Gliedmaßen steckt nicht nur ein einziger Fisch; in ihnen steckt ein ganzes Aquarium. Owens Bauplan wurde im Körper von Fischen zusammengestellt. Nun war Tiktaalik vielleicht zu Liegestützen in der Lage, aber er konnte nie einen Ball werfen, Klavier spielen oder auf zwei Beinen gehen. Von Tiktaalik bis zum Menschen war es noch ein weiter Weg. Die bedeutsame und häufig erstaunliche Tatsache dabei: Die meisten wichtigen Knochen, die uns Menschen das Gehen, Werfen oder Greifen ermöglichen, findet man bei Tieren schon vor Dutzenden oder Hunderten von Jahrmillionen. Die ersten Stücke unserer Oberarme und Beine gab es schon bei 380 Millionen Jahre alten Fischen wie Eusthenopteron. An Tiktaalik erkennt man die ersten Evolutionsstadien von Handgelenk, Handfläche und Fingern. Die ersten echten Finger und Zehen beobachtet man bei 365 Millionen Jahre alten Amphibien wie Acanthostega. Und die vollständige Ausstattung mit Hand- und Fußgelenkknochen war bei Reptilien bereits vor mehr als 250 Millionen Jahren vorhanden. Das Grundgerüst unserer Hände und Füße entwickelte sich über meh-

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rere hundert Millionen Jahre hinweg zuerst bei Fischen, später bei Amphibien und Reptilien. Aber welche wichtigen Veränderungen versetzten uns in die Lage, die Hände zu gebrauchen oder auf zwei Beinen zu gehen? Wie kam es zu diesem Wandel? Um solche Fragen zu beantworten, wollen wir uns zwei einfache Beispiele ansehen. Wie viele andere Säugetiere, so können auch wir Menschen den Daumen relativ zum Ellenbogen drehen. Diese einfache Funktion ist für den Gebrauch der Hände im Alltagsleben sehr wichtig. Stellen wir uns einmal vor, wir könnten die Hand nicht drehen und wollten essen, schreiben oder einen Ball werfen. Die Fähigkeit besitzen wir, weil ein Unterarmknochen, die Speiche, um einen Drehpunkt im Ellenbogengelenk rotiert. Das Ellenbogengelenk ist im Hinblick auf diese Funktion hervorragend konstruiert. Der Oberarmknochen trägt an seinem unteren Ende eine Kugel, und das Ende der Speiche, das dort ansetzt, passt mit einer kleinen Gelenkpfanne sehr gut dazu. Dieses Kugelgelenk ermöglicht die Drehung der Hand, die so genannte Pronation und Supination. Wo finden wir die Anfänge dieser Fähigkeit? Bei Lebewesen wie Tiktaalik: Sein Oberarmknochen endet in einer Verdickung, die zu einer Vertiefung im Speichenknochen passt. Wenn Tiktaalik den Ellenbogen beugte, drehte sich das Ende der Speiche im Verhältnis zum Gelenk. In verfeinerter Form beobachtet man den gleichen Mechanismus bei Amphibien und Reptilien: Ihr Oberarmknochen trägt am Ende bereits ganz ähnlich wie der unsere eine richtige Kugel. Auch wenn wir die Hintergliedmaßen betrachten, finden wir ein wichtiges Merkmal, das uns das Gehen ermöglicht und das wir mit anderen Säugetieren gemeinsam haben. Anders als bei Fischen und Amphibien weisen Knie und Ellenbogen bei uns in entgegengesetzte Richtungen. Dies ist von entscheidender Bedeutung – man stelle sich nur einmal vor, man wollte mit nach hinten gerichteten Kniescheiben gehen. Ganz andere Verhältnisse herrschen bei Fischen wie Eusthenopteron, wo die Entsprechungen zu Knien und Ellenbogen mehr oder weniger gleich orientiert sind. Die Drehung des Knies relativ zum Ellenbogen, die für unsere Art des Gehens so wichtig ist, findet während der Entwicklung im Mutterleib statt.

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Zu Anfang sind die kleinen Gliedmaßen ganz ähnlich orientiert wie bei Eusthenopteron, das heißt Ellenbogen und Knie weisen in die gleiche Richtung. Während der weiteren Entwicklung drehen sie sich dann, bis der Zustand erreicht ist, den wir von heutigen Menschen kennen. Wenn wir auf zwei Beinen gehen, tun wir dies mit Bewegungen unserer Hüften, Knie, Fußgelenke und Fußknochen. Anders als bei Tieren wie Tiktaalik mit ihrer liegenden Körperhaltung schieben sie uns in aufrechter Haltung vorwärts. Ein großer Unterschied betrifft die Position der Hüften. Unsere Beine stehen nicht seitlich ab wie bei Krokodilen, Amphibien oder Fischen, sondern sie führen unterhalb des Rumpfes senkrecht zum Boden. Diese veränderte Haltung wird durch Veränderungen von Hüftgelenken, Beckenknochen und Oberschenkel möglich: Unser Becken nahm die Form einer Schüssel an, das Hüftgelenk wurde tiefer, und am Oberschenkelknochen entwickelte sich der charakteristische Gelenkhals, jenes Merkmal, durch das die Beine nach unten und nicht zur Seite weisen. Bedeuten diese Erkenntnisse über unsere Vorgeschichte, dass die Menschen keine ganz besonderen oder einzigartigen Lebewesen sind? Natürlich nicht. In Wirklichkeit wird unser Dasein dadurch, dass wir etwas über die uralten Ursprünge der Menschheit wissen, nur noch bemerkenswerter: Alle unsere ungewöhnlichen Fähigkeiten erwachsen aus Grundbestandteilen, die sich während der Evolution uralter Fische und anderer Lebewesen gebildet haben. Aus Teilen, die wir mit ihnen gemeinsam haben, entstand eine einzigartige Konstruktion. Wir sind von der übrigen Welt des Lebendigen nicht getrennt, sondern gehören zu ihr – und das nicht nur bis in die Knochen, sondern, wie wir in Kürze noch genauer erfahren werden, auch bis in unsere Gene. Im Rückblick war der Augenblick, als ich zum ersten Mal das Handgelenk eines Fisches sah, für mich von ebenso großer Bedeutung wie die Erfahrung, im anatomischen Seziersaal die Finger einer Leiche auszupacken. Beide Male entdeckte ich eine tief greifende Verbindung zwischen meinem Menschsein und einem anderen Lebewesen.

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3. Nützliche Gene

Im Juli 2004, während meine Kollegen und ich in der Arktis das erste Exemplar von Tiktaalik ausgruben, schwitzte Randy Dahn, ein Wissenschaftler in meinem Institut, im Süden von Chicago über genetischen Experimenten mit Embryonen von Haien und Rochen. Die schwarzen Eier dieser Fische – sie sehen aus wie kleine Taschen – hat vermutlich fast jeder am Strand schon einmal gesehen. In einer solchen Tasche liegt das Ei mit dem Dotter, das sich zu einem Hai- oder Rochen-Embryo entwickelt. Randy hatte im Laufe der Jahre viele hundert Stunden mit den Embryonen in diesen Eihüllen experimentiert und dabei häufig bis lange nach Mitternacht gearbeitet. In dem schicksalhaften Sommer 2004 spritzte Randy eine besondere Form des Vitamins A in die Eier. Anschließend ließ er ihre Entwicklung über mehrere Monate laufen, bis die Jungtiere schließlich schlüpften. Den großen Teil eines Jahres mit einem solchen Experiment zu verbringen, mag bizarr erscheinen, insbesondere wenn es sich um einen jungen Wissenschaftler handelt, der noch Karriere machen möchte. Warum gerade Haie? Und warum eine Form von Vitamin A? Um den Sinn hinter diesen Experimenten zu erkennen, müssen wir sie ein wenig distanzierter betrachten und uns fragen, was man damit vielleicht erklären könnte. Das Thema dieses Kapitels ist das in unserer DNA niedergeschriebene Rezept, das für den Aufbau unseres Körpers aus einer einzigen Eizelle sorgt. Eine Eizelle, die durch eine Samenzelle befruchtet wurde, enthält anschließend beispielsweise keine winzigen Hände. Die Hände entstehen vielmehr aufgrund der Informationen, die in dieser einzelnen Zelle enthalten sind. Damit sind wir bei einem schwerwiegenden Problem.

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Die Knochen in unseren Händen mit den Knochen in einer Fischflosse zu vergleichen, ist gut und schön; aber wie sieht die Sache aus, wenn man das genetische Rezept zum Aufbau unserer Hände mit dem Rezept zum Aufbau einer Fischflosse vergleicht? Um Antworten auf diese Frage zu finden, wollen wir uns wie Randy auf einen Weg der Entdeckungen begeben, der uns von unseren Händen über die Flossen der Haie bis zu den Flügeln von Fliegen führt. Eines wissen wir bereits: Wenn wir die Tiere entdecken, die eine abgewandelte, häufig einfachere Form unseres Körpers in sich tragen, eröffnet sich ein wunderschöner, direkter Blick in unsere entfernte Vergangenheit. Aber die Arbeit mit Fossilien unterliegt einer wichtigen Beschränkung. Mit Tieren, die schon lange tot sind, kann man keine Experimente machen. Experimente sind aber ein großartiges Hilfsmittel: Man kann etwas verändern und die Folgen beobachten. Deshalb gibt es in meinem Institut zwei Abteilungen: Die eine ist den Fossilien gewidmet, die andere den Embryonen und der DNA. Manchmal ist das Leben in meinem Institut ganz schön schizophren. Der Schrank, in dem Tiktaalik eingeschlossen ist, steht unmittelbar neben der Kühltruhe, die unsere kostbaren DNA-Proben enthält. Experimente mit der DNA bieten gewaltige Möglichkeiten, den inneren Fisch zu erkennen. Wie wäre es, wenn man den Embryo eines Fisches in einem Experiment mit verschiedenen Chemikalien behandeln könnte, bis sich sein Körperbau so verändert, dass ein Teil der Flosse tatsächlich wie eine Hand aussieht? Und was wäre, wenn man nachweisen könnte, dass die Entstehung der Fischflossen praktisch von den gleichen Genen in Gang gesetzt wird wie die Entwicklung unserer Hände? Betrachten wir zunächst einmal ein scheinbares Rätsel. Unser Körper besteht aus Hunderten von verschiedenen Zelltypen. Diese vielgestaltigen Zellen verleihen unseren Geweben und Organen ihre charakteristischen Formen und Funktionen. Die Zellen, aus denen unsere Knochen, Nerven, Verdauungsorgane und so weiter aufgebaut sind, sehen unterschiedlich aus und verhalten sich unterschiedlich. Dennoch besteht zwischen allen Zellen unseres Körpers eine grundlegende Gemeinsamkeit: Alle enthalten genau die

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gleiche DNA. Aber die DNA enthält doch die Informationen für den Aufbau des Körpers mit seinen Geweben und Organen. Wie kann es da sein, dass in den so unterschiedlich gebauten Zellen von Muskeln, Nerven und Knochen genau die gleiche DNA enthalten ist? Um diese Frage zu beantworten, muss man wissen, welche Abschnitte der DNA (das heißt welche Gene) in einer einzelnen Zelle jeweils eingeschaltet sind. Eine Hautzelle unterscheidet sich von einer Nervenzelle, weil in jeder Zelle andere Gene aktiv sind. Wird ein Gen eingeschaltet, lässt es ein Protein entstehen, das dann Einfluss auf Aussehen und Verhalten der Zelle hat. Wenn man verstehen will, warum eine Zelle im Auge anders ist als eine Zelle in den Handknochen, muss man also die genetischen Schalter kennen, die in den einzelnen Zellen und Geweben die Aktivität der Gene steuern. Das Entscheidende: Diese genetischen Schalter lassen uns entstehen. Bei der Befruchtung besteht jeder Mensch aus einer einzigen Zelle, und diese Zelle enthält die gesamte DNA, die für den Aufbau des Körpers notwendig ist. Verwirklicht wird der Körperbauplan durch die Umsetzung der in der DNA enthaltenen Anweisungen. Um von der Eizelle zum vollständigen Menschen mit seinen Billionen spezialisierten, genau richtig organisierten Zellen

Gene sind DNA-Abschnitte. Sie befinden sich in jeder einzelnen Zelle unseres Körpers.

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zu gelangen, müssen ganze Batterien von Genen genau in den richtigen Entwicklungsstadien ein- und ausgeschaltet werden. Wie eine Symphonie, in der viele einzelne Töne von vielen Instrumenten gespielt werden, so ist auch unser Körper eine Komposition aus einzelnen Genen, die während der Entwicklung in den einzelnen Zellen tätig oder untätig sind. Diese Erkenntnis ist eine Fundgrube für alle, die unseren Körper besser verstehen wollen: Wir können jetzt die Aktivität verschiedener Gene vergleichen und auf diese Weise feststellen, was für Veränderungen sich bei der Entstehung neuer Organe abspielen. Betrachten wir beispielsweise noch einmal die Gliedmaßen. Wenn wir uns genauer ansehen, welche Genkombinationen bei der Entwicklung einer Fischflosse und bei der Entstehung einer menschlichen Hand aktiv sind, können wir die genetischen Unterschiede zwischen Flossen und Gliedmaßen aufspüren. Bei solchen Vergleichen stößt man auf mutmaßliche Ursachen – auf die genetischen Schalter, die sich vermutlich während der Entstehung der Gliedmaßen verändert haben. Nun kann man untersuchen, welche Wirkung diese Gene im Embryo haben und wie sie sich gewandelt haben könnten. In Experimenten kann man sogar die Gene manipulieren und dann beobachten, wie sich der Körperbau unter bestimmten Bedingungen oder auf bestimmte Reize hin verändert. Wenn wir sehen wollen, welche Gene unsere Hände und Füße aufbauen, müssen wir vorgehen wie in der Fernsehserie CSI – Den Tätern auf der Spur: Wir müssen mit dem Körper beginnen und uns von außen nach innen vorarbeiten. Zunächst betrachten wir den Aufbau unserer Gliedmaßen, und dann vergrößern wir das Bild immer stärker bis hinab zu den Geweben, Zellen und Genen.

Hände erzeugen

Unsere Gliedmaßen sind dreidimensionale Gebilde: Es gibt bei ihnen ein Oben und Unten, die Kleinfinger- und die Daumenseite, Ansatzstelle und Spitze. Die Knochen an der Spitze, in den Fingern, sind anders gebaut als die am Schultergelenk. Ebenso unter-

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scheiden sich rechte und linke Hand. Die kleinen Finger sind anderes geformt als die Daumen. Die große Frage der Entwicklungsbiologie lautet: Welche Gene sorgen für die Unterschiede zwischen den Knochen, und wie wird die Entwicklung in den drei Dimensionen gesteuert? Welche Gene sind dafür verantwortlich, dass ein kleiner Finger anders aussieht als ein Daumen? Wie kommen die Unterschiede zwischen Finger- und Armknochen zustande? Wenn wir wissen, welche Gene solche Muster regulieren, kennen wir das Rezept, nach dem wir entstehen. Alle genetischen Schalter, die Finger, Armknochen und Zehen entstehen lassen, entfalten ihre Wirkung zwischen der dritten und achten Schwangerschaftswoche. Die Gliedmaßen sind zu Beginn ihrer Entwicklung kleine Knospen, die sich am Körper des Embryos vorwölben. Im Laufe von zwei Wochen werden sie immer größer, dann entsteht an der Spitze eine Art Paddel. In dem Paddel befinden sich Millionen Zellen, und aus denen gehen letztlich das Skelett, die Nerven und Muskeln hervor, die uns während unseres ganzen Lebens erhalten bleiben. Wenn wir herausfinden wollen, wie dieser Körperbau entsteht, müssen wir Tierembryonen betrachten und manchmal auch in ihre Entwicklung eingreifen; nur so können wir einschätzen, was sich im Einzelnen abspielt, wenn etwas schiefgeht. Ebenso müssen wir Mutanten mit ihrem inneren Aufbau und ihren Genen untersuchen, und dazu muss man häufig durch gezielte Züchtung ganze mutierte Populationen erzeugen. Menschen kann man mit solchen Methoden natürlich nicht untersuchen. Die große Herausforderung für die Pioniere dieses Forschungsgebietes bestand darin, die Tiere zu finden, die uns nützliche Erkenntnisse über unsere eigene Entwicklung liefern. Die ersten Embryologen, die sich in den Dreißiger- und Vierzigerjahren des 20. Jahrhunderts für die Entwicklung der Gliedmaßen interessierten, standen vor mehreren Schwierigkeiten. Sie brauchten ein Tier, dessen Gliedmaßen sich für Beobachtungen und Experimente eigneten. Es musste schon als Embryo so groß sein, dass man daran chirurgische Eingriffe vornehmen konnte. Was besonders wichtig war: der Embryo musste an einem geschützten Ort heranwachsen, das heißt in einem Behälter, in dem er vor Stößen und anderen äußeren Beeinträchtigungen

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Die Entwicklung einer Extremität; hier handelt es sich um einen Hühnerflügel. Die entscheidenden Entwicklungsstadien durchläuft das Flügelskelett im Ei.

sicher war. Und, ganz entscheidend: Die Embryonen mussten das ganze Jahr über in großer Zahl zur Verfügung stehen. Die naheliegende Lösung für diese wissenschaftliche Notwendigkeit findet sich in jedem Lebensmittelladen: Hühnereier. In den Fünfziger- und Sechzigerjahren machten mehrere Biologen, unter anderem Edgar Zwilling und John Saunders, kreative Experimente mit Hühnereiern. Sie wollten herausfinden, wie das Skelett seine Form erhält. Es war eine Zeit, in der man alles auseinandernahm oder in Scheiben schnitt: Die Embryonen wurden zerschnitten, und verschiedene Gewebe wurden an andere Stellen verpflanzt; anschließend beobachtete man dann, wie sich solche Manipulationen auf die Embryonalentwicklung auswirkten. Die Methode erforderte heikle mikrochirurgische Eingriffe – man musste Gewebestückchen von nicht mehr als einem Millimeter Dicke handhaben. Durch Verpflanzung von Gewebe innerhalb der entstehenden Gliedmaßen entdeckten Saunders und Zwilling einige entscheidende Mechanismen, durch die ganz unterschiedliche Gliedmaßen entstehen: die Flügel der Vögel, die Flossen der Wale und die Hände des Menschen.

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Wie sie entdeckten, wird der Aufbau der Extremitätenknochen im Wesentlichen von zwei kleinen Gewebeabschnitten gesteuert. Entscheidend für die gesamte Entwicklung der Gliedmaßen ist ein Gewebestreifen an ihrem äußersten Ende. Entfernt man ihn, kommt die Entwicklung zum Stillstand. Beseitigt man ihn schon in einem frühen Entwicklungsstadium, bleibt nur ein Oberarm oder ein Teil des Armes. Entnimmt man ihn ein wenig später, ist am Ende ein Ober- und Unterarm vorhanden. Findet der Eingriff noch später statt, bildet sich der Arm nahezu vollständig, nur die Finger sind kurz oder missgebildet. Ein anderes Experiment, das Mary Gasseling als Erste in John Saunders’ Institut machte, war der Beginn einer wichtigen neuen Forschungsrichtung. Sie entnahm in einem frühen Entwicklungsstadium ein kleines Gewebestück aus der späteren Kleinfingerseite einer Extremitätenknospe und verpflanzte es auf die gegenüberliegende Seite knapp unterhalb der Stelle, an der sich später der Zeigefinger bildete. Anschließend entwickelte das Küken sich weiter und bildete Flügel. Über das Ergebnis wunderten sich fast alle. Der Flügel sah fast normal aus, nur hatte er eine vollständige, doppelte Ausstattung mit Fingern. Noch erstaunlicher war die Anordnung der Finger: Sie standen spiegelbildlich zu der ersten Grup-

Durch Verpflanzung eines kleinen, als ZPA bezeichneten Gewebeabschnitts kann man doppelte Finger erzeugen.

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pe. Offensichtlich konnte irgendein Bestandteil des Gewebestücks, irgendeine Substanz oder ein Gen, die Entwicklung der Fingeranordnung steuern. Dieser Befund wurde zum Anlass für eine Fülle neuer Experimente. Wie sich herausstellte, lässt sich der gleiche Effekt auch mit anderen Mitteln hervorrufen. Man kann beispielsweise ein wenig Vitamin A auf die Extremitätenknospe eines Hühnerembryos tupfen, oder man spritzt das Vitamin A einfach in das Ei, und wartet dann die weitere Entwicklung ah. Hat man das Vitamin A in der richtigen Konzentration und im richtigen Entwicklungsstadium aufgebracht, erhält man die gleiche spiegelbildliche Verdoppelung wie in den Transplantationsexperimenten von Gasseling, Saunders und Zwilling. Der fragliche Gewebeabschnitt wurde als Zone der polarisierenden Aktivität (ZPA) bezeichnet. Das bedeutet: Dieser Gewebeabschnitt sorgt dafür, dass sich die Kleinfingerseite von der Daumenseite unterscheidet. Die Finger werden durchnummeriert, wobei der kleine Finger dem Finger oder Zeh Nummer 5 bei anderen Tieren und der Daumen dem Finger oder Zeh Nummer 1 entspricht. Die ZPA weckte das Interesse, weil sie in irgendeiner Form die Entstehung von Fingern und Zehen steuert. Aber wie? Manche Fachleute vermuteten, dass die Zellen der ZPA spezielle Moleküle produzieren, die sich in dem Arm oder Bein ausbreiten und den Zellen die Anweisung zur Ausbildung unterschiedlicher Finger erteilen. Entscheidend war dabei die Vermutung, dass es auf die Konzentration dieser noch namenlosen Substanz ankommt. In der Nähe der ZPA liegt sie in hoher Konzentration vor, und dort reagieren die Zellen mit der Bildung eines kleinen Fingers. Auf der anderen Seite der entstehenden Hand, wo die Moleküle sich in größerer Entfernung von der ZPA stärker verteilt haben, lassen die Zellen einen Daumen entstehen. Dazwischen sprechen die Zellen ebenfalls auf die unterschiedliche Konzentration an und bringen dann den zweiten, dritten und vierten Finger hervor. Diese Idee von der Konzentrationsabhängigkeit konnte man überprüfen. Im Jahr 1979 brachte Dennis Summerbell ein winziges Stückchen Folie zwischen der ZPA und dem übrigen Extremitätengewebe an. Dahinter stand der Gedanke, dass eine solche Barriere

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alle Moleküle daran hindern würde, von der ZPA auf die andere Seite zu diffundieren. Anschließend untersuchte Summerbell, wie sich die Zellen beiderseits der Schranke verhielten. Das Ergebnis: Auf der Seite, auf der sich auch die ZPA befand, brachten sie Finger hervor. Auf der anderen blieb die Entwicklung der Finger entweder völlig aus, oder die Finger waren stark missgebildet. Was das bedeutete, lag auf der Hand: Von der ZPA geht irgendetwas aus, das darüber bestimmt, wie sich die Finger bilden und wie sie aussehen. Um dieses Etwas zu identifizieren, musste man sich die DNA genauer ansehen.

Das Rezept in der DNA

Dieses Vorhaben blieb einer neuen Wissenschaftlergeneration vorbehalten. Die genetischen Hintergründe für die Wirkung der ZPA konnte man erst in den 1990er Jahren aufklären, als neue molekularbiologische Methoden zur Verfügung standen. Einen wichtigen Durchbruch brachte das Jahr 1993: Damals machten sich Wissenschaftler unter Leitung von Cliff Tabin auf die Suche nach den Genen, die für die Steuerung der ZPA verantwortlich sind. Sie wollten wissen, mit welchen molekularen Mechanismen die ZPA dafür sorgt, dass der kleine Finger anders aussieht als der Daumen. Als man sich in dem Institut Anfang der Neunzigerjahre an die Arbeit machte, hatte man bereits die von mir zuvor beschriebenen Experimente angestellt, und deshalb vermutete man, dass Moleküle für den Effekt verantwortlich sind. Es war eine großartige Theorie, aber um was für Moleküle es sich handelt, wusste niemand. Eine Substanz nach der anderen wurde unter die Lupe genommen, und jedes Mal stellte sich heraus, dass sie aus diesem oder jenem Grund nicht in Frage kam. Schließlich kam Tabins Arbeitsgruppe auf eine neue Idee, und die ist eng mit dem Thema dieses Buches verknüpft. Die Antwort liegt bei den Fliegen. In den 1980er Jahren hatte man durch genetische Experimente erfahren, was für ein großartiges Muster von Genaktivitäten aus einer einzigen befruchteten Eizelle eine Fliege entstehen lässt. Der

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Körper einer Taufliege ist in Längsrichtung genau organisiert: vorn der Kopf, hinten die Flügel. Während ihrer Embryonalentwicklung werden ganze Genbatterien ein- und ausgeschaltet, und dieses Genaktivitätsmuster grenzt die verschiedenen Körperabschnitte gegeneinander ab. Was Tabin zu jener Zeit nicht wusste: In zwei anderen Instituten, in den Arbeitsgruppen von Andy McMahon und Phil Ingham, war man unabhängig davon auf die gleiche Idee gekommen. In der Folge kam es zwischen den drei Wissenschaftlerteams zu einer ungeheuer erfolgreichen Zusammenarbeit. Alle drei Arbeitsgruppen waren auf das gleiche Fliegengen aufmerksam geworden. Wie sie feststellten, sorgt es dafür, dass die beiden Enden jedes einzelnen Körpersegments unterschiedlich aussehen. Und dieses Gen, das Fliegengenetiker auf den Namen hedgehog getauft hatten, erfüllt bei Fliegen eine ganz ähnliche Funktion wie die ZPA, die den kleinen Finger anders aussehen lässt als den Daumen: Es sorgt dafür, dass verschiedene Körperabschnitte sich unterscheiden. Die Parallele entging den drei Arbeitsgruppen nicht. Also machten sie sich an die Arbeit und suchten bei Hühnern, Mäusen, Fischen und anderen Tieren ebenfalls nach dem hedgehog-Gen. Da die Struktur des Fliegen-hedgehog-Gens bereits bekannt war, hatten die drei Wissenschaftlerteams eine Vorlage, die ihnen die Suche bei Hühnern erleichterte. Jedes Gen hat eine charakteristische Sequenz, und nach der Sequenz des hedgehog-Gens konnten die Wissenschaftler nun in der Hühner-DNA mit verschiedenen molekularbiologischen Hilfsmitteln suchen. Nach vielen fehlgeschlagenen Versuchen wurden sie schließlich fündig. Paläontologen haben das Recht, neue Tierarten zu benennen, und Genetiker benennen neue Gene. Das Gen hedgehog (»Igel«) hatte von seinen Entdeckern diesen Namen erhalten, weil eine Mutation in seiner Sequenz bei den Fliegen kleine Borsten entstehen lässt, die an einen Igel erinnern. Die bei Hühnern gefundene Version tauften Tabin, McMahon und Ingham nach dem Videospiel von Sega Genesis auf den Namen Sonic hedgehog. Nun stellte sich die entscheidende Frage: Wie wirkt Sonic hedgehog in den Gliedmaßen? Wissenschaftler aus Tabins Gruppe koppelten einen Farbstoff an Moleküle, die sich an das Gen heften

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konnten; auf diese Weise konnten sie verfolgen, an welchen Stellen in Armen und Beinen das Gen aktiv ist. Zu ihrer großen Überraschung stellten sie fest, dass eine solche Genaktivität nur in den Zellen eines winzigen Gewebeabschnitts vorhanden ist: in der ZPA. Was als Nächstes kommen musste, war klar: Das Aktivitätsmuster von Sonic hedgehog musste ähnlich aussehen wie die Aktivität des ZPA-Gewebes selbst. Wie gesagt: Wenn man die Extremität mit Retinsäure (Vitamin A) behandelt, wird auf der gegenüberliegenden Seite eine ZPA aktiv. Nun lässt sich leicht erraten, welches Ergebnis man erhält, wenn man eine Extremität mit Retinsäure behandelt und dann untersucht, an welchen Stellen Sonic hedgehog aktiv ist: auf beiden Seiten, genau wie die ZPA. Nachdem man nun den Aufbau von Sonic hedgehog bei Hühnern kannte, konnten andere Wissenschaftler diesen Befund nutzen und auch bei allen anderen Tieren, die Finger besitzen – von Fröschen bis zum Menschen –, danach suchen. Alle Tiere, die Gliedmaßen haben, besitzen auch das Gen Sonic hedgehog. Und bei allen Arten, die man untersuchte, war Sonic hedgehog im Gewebe der ZPA aktiv. Wird das Gen beim Menschen nicht in der achten Schwangerschaftswoche ordnungsgemäß aktiviert, entwickeln sich entweder zusätzliche Finger, oder Daumen und kleiner Finger sehen gleich aus. Hin und wieder läuft mit der Funktion von Sonic hedgehog etwas schief: Dann sehen die Hände am Ende aus wie breite Paddel mit bis zu zwölf gleich gebauten Fingern. Wie wir heute wissen, ist Sonic hedgehog nur eines von mehreren Dutzend Genen, die zum richtigen Zeitpunkt ein- und ausgeschaltet werden und so den Gliedmaßen von der Schulter bis zur Fingerspitze ihre Form verleihen. Interessanterweise führten dabei Untersuchungen an Hühnern, Fröschen und Mäusen zu genau dem gleichen Ergebnis. Das Rezept in der DNA, das für den Aufbau von Ober- und Unterarmen, Handgelenken und Fingern sorgt, ist bei allen Lebewesen, die Gliedmaßen besitzen, praktisch genau gleich. Wie weit können wir Sonic hedgehog und andere DNA-Abschnitte, die Gliedmaßen entstehen lassen, in der Vergangenheit zurückverfolgen? Sind sie auch am Aufbau der Knochen in den Fischflos-

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sen beteiligt? Oder sind Hände genetisch etwas völlig anderes als Flossen? Den inneren Fisch haben wir in der Anatomie unserer Arme und Hände wiedererkannt. Wie steht es mit der DNA, die ihn aufbaut? Hier kommt Randy Dahn mit seinen Haifischeiern ins Spiel.

Den Haien eine Hand geben

Randy Dahn kam mit einer einfachen, aber sehr eleganten Idee in mein Institut: Er wollte mit Embryonen von Rochen das Gleiche machen, was Cliff Tabin mit Hühnereiern gemacht hatte. Sein Ziel war es, an Rochen alle Experimente nachzuvollziehen, die andere Biologen an Hühnereiern angestellt hatten, von Saunders und Zwilling mit ihren Gewebeverpflanzungen bis zu Cliff Tabin mit seinen genetischen Experimenten. Rochen entwickeln sich in einem Ei, das eine Art Hülle und einen Dotter besitzt. Außerdem sind die Embryonen genau wie die von Hühnern vergleichsweise groß. Das war günstig, denn auf diese Weise konnten wir bei den Rochen viele genetische und experimentelle Methoden anwenden, die man ursprünglich für die Untersuchungen an Hühnern entwickelt hatte. Welche neuen Erkenntnisse konnten wir gewinnen, wenn wir die Entwicklung der Flosse eines Verwandten des Rochens, eines Hais, mit der eines Hühnerbeins verglichen? Und was noch wichtiger war: was konnten wir daraus über uns selbst lernen? Hühner sind ein erstaunlich gutes Modell für unsere eigenen Gliedmaßen, das hatten Saunders, Zwilling und Tabin eindeutig nachgewiesen. Alles, was Saunders und Zwilling mit ihren Transplantationsexperimenten und Tabin mit seinen DNA-Analysen nachgewiesen hatten, gilt auch für unsere Gliedmaßen: Wir besitzen eine ZPA, wir besitzen Sonic hedgehog, und beide haben große Auswirkungen auf unser Wohlbefinden. Wie bereits erwähnt, kann eine Funktionsstörung der ZPA oder eine Mutation von Sonic hedgehog zu schweren Fehlbildungen an den Händen eines Menschen führen.

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Randy wollte herausfinden, wie stark sich der Mechanismus, der unsere Hände entstehen lässt, von dem anderer Tiere unterscheidet. Wie eng ist unsere Verbindung zu allen anderen Lebewesen? Werden unsere Hände nach einem ganz neuen Rezept aufgebaut, oder hat auch diese Anleitung tiefe Wurzeln im Tierreich? Und wenn ja, wie tief reichen sie? Die Haie und ihre Verwandten wie z. B. Rochen waren die ersten Tiere, die Flossen mit einem Skelett im Inneren besaßen. Um Randys Frage zu beantworten, müsste man im Idealfall einen 400 Millionen Jahre alten fossilen Hai ins Labor holen und zerkleinern, um dann seinen genetischen Aufbau zu untersuchen. Anschließend müsste man mit seinen Embryonen experimentieren und herausfinden, ob Sonic hegdehog in der gleichen allgemeinen Region aktiv war und dort die gleiche Wirkung hatte wie in unseren heutigen Gliedmaßen. Das wäre ein großartiges Experiment, aber es ist natürlich unmöglich. Aus derart alten Fossilien kann man keine DNA gewinnen, und selbst wenn das möglich wäre, würde man niemals die Embryonen der fossilen Tiere finden, mit denen man experimentieren müsste. Das zweitbeste Objekt sind die heutigen Haie und ihre Verwandten. Niemand würde eine Haiflosse mit einer menschlichen Hand verwechseln – zwei unterschiedlichere Körperteile kann man sich kaum vorstellen. Haie und Menschen sind nur sehr weitläufig verwandt, und auch das Knochengerüst ihrer Extremitäten sieht nicht gerade ähnlich aus. Im Inneren der Haiflosse findet man nichts, was auch nur entfernt an Owens Ein-Knochen-zwei-Knochen-viele-Knöchelchen-Finger-Muster erinnern würde. Die Knochen sind vielmehr wie lange und kurze, dicke und dünne Stäbe geformt. Wir bezeichnen sie als Knochen, obwohl sie ausschließlich aus Knorpel bestehen (Haie und Rochen heißen sogar Knorpelfische, weil ihr Skelett keine richtigen Knochen enthält). Angenommen, man will wissen, ob Sonic hedgehog seine Funktion ausschließlich bei Tieren mit Gliedmaßen erfüllt: Warum soll man dann nicht eine Spezies untersuchen, die in nahezu jeder Hinsicht anders ist? Und warum nicht die Spezies, die unter allen heutigen Fischen mit paarweise angeordneten Körperanhängen, ob Flossen oder Gliedmaßen, die urtümlichste ist? Beides trifft auf die Haie genau zu.

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Unser erstes Problem war einfach. Wir brauchten eine zuverlässige Quelle für die Embryonen von Haien und Rochen. Haie einigermaßen regelmäßig zu beschaffen, erwies sich als schwierig, aber bei den Rochen, ihren engen Verwandten, sah das ganz anders aus. Also fingen wir mit Haien an, und wenn unsere Vorräte zur Neige gingen, wichen wir auf Rochen aus. Wir fanden einen Lieferanten, der uns alle ein bis zwei Monate 20 bis 30 Eihüllen mit den darin befindlichen Embryonen zur Verfügung stellte. Wie die Anhänger eines Cargo-Kultes warteten wir jeden Monat auf unsere Lieferung mit den kostbaren Eihüllen. Durch die Arbeiten von Tabins Gruppe und anderen verfügte Randy bereits über wichtige Anhaltspunkte dafür, wo er mit seiner Suche beginnen sollte. Seit 1993, als Tabin seine Befunde veröffentlicht hatte, war Sonic hedgehog bei einer ganzen Reihe von Tierarten gefunden worden – das Spektrum reichte von Fischen bis zu Menschen. Da Randy wusste, wie das Gen aufgebaut ist, konnte er in der gesamten Hai- und Rochen-DNA danach suchen. Schon nach kurzer Zeit hatte er es gefunden: das Sonic hedgehog-Gen der Haie. Nun lag die nächste Frage sofort auf der Hand: An welchen Stellen im Körper ist Sonic hedgehog aktiv und – noch wichtiger – welche Wirkung hat es dort? An den Eihüllen machte Randy sichtbar, wo und wann Sonic hedgehog in der Entwicklung der Rochen aktiv wird. Zuerst untersuchte er, ob das Gen während der Entwicklung der Flossen zum gleichen Zeitpunkt eingeschaltet wird wie in den Gliedmaßen der Hühner. Ja, das ist der Fall. Dann stellte er die Frage, ob es am hinteren Ende der Flosse in dem Gewebeabschnitt aktiv wird, der unserem kleinen Finger entspricht. Auch das war der Fall. Jetzt machte er das Experiment mit dem Vitamin A. Es war der entscheidende Augenblick. Behandelt man die Gliedmaßen von Hühnern oder Säugetieren mit dieser Verbindung, so setzt die Aktivität von Sonic hedgehog auf der gegenüberliegenden Seite ein, und das ist mit einer Verdoppelung der Knochen verbunden. Randy spritzte das Vitamin in das Ei, wartete ungefähr einen Tag und sah dann nach, ob die Substanz wie bei Hühnern dafür gesorgt hatte, dass Sonic hedgehog auf der gegenüberliegenden Seite der Extremität eingeschaltet wurde. Es war der Fall. Nun begann das lange Warten.

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Wir wussten, dass Sonic hedgehog sich in den Flossen von Haien und Rochen genauso verhält wie in unseren Händen. Aber wie würde es sich bei den Fischen auf das Skelett auswirken? Auf die Antwort mussten wir zwei Monate warten. In den halb durchsichtigen Eihüllen entwickelten sich die Embryonen. Wir wussten nur, dass die Tiere am Leben waren; aber das Innere der Flosse konnten wir nicht sehen. Als wir das Ergebnis schließlich kannten, hatten wir einen erstaunlichen Fall von Ähnlichkeit zwischen Menschen, Haien und Rochen. Wir fanden eine spiegelbildlich gebaute Flosse. Die Rückenflossen hatten sich in ihrer Anordnung von vorn nach hinten wunderschön verdoppelt. Es war das gleiche Prinzip, wie wir es auch in unseren Experimenten mit Gliedmaßen beobachtet hatten. In den Gliedmaßen verdoppelt sich die Gliedmaßenstruktur. In den Flossen der Haie verdoppelt sich die Haiflossenstruktur, und bei Rochen ist es genauso. Sonic hedgehog hat selbst im Skelett von Körperanhängen, die den unseren unter allen auf der Erde am wenigsten ähneln, die gleiche Wirkung. Wie bereits erwähnt wurde, bewirkt Sonic hedgehog auch, dass die Finger sich voneinander unterscheiden. Im Zusammenhang mit der ZPA hatten wir erfahren, dass die Entwicklung der einzelnen Finger davon abhängt, wie weit diese von dem aktiven Sonic hedgehog entfernt sind. Eine normale, ausgewachsene Rochenflosse enthält viele Knochenstäbe, die alle gleich aussehen. Konnten wir dafür sorgen, dass diese Stäbe sich wie unsere Finger unterschiedlich entwickelten? Randy pflanzte zwischen die identischen Skelettstäbe ein kleines Kügelchen ein, das mit dem von Sonic hedgehog produzierten Protein getränkt war. Das Entscheidende dabei: Er verwendete das Sonic hedgehog-Produkt von Mäusen. Das Ganze war eine seltsame Konstruktion: ein Rochenembryo mit einem eingepflanzten Kügelchen, das nach und nach das Sonic hedgehogProtein von Mäusen abgab. Würde das Mäuseprotein bei Haien oder Rochen auch nur die geringste Wirkung haben? Für das Ergebnis eines solchen Experiments gibt es zwei extreme Möglichkeiten. Erstens könnte es sein, dass überhaupt nichts geschieht. Das würde bedeuten, dass Rochen und Mäuse sich sehr stark unterscheiden, sodass das Sonic hedgehog-Protein der einen

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Spezies bei der anderen keine Wirkung entfaltet. Das zweite Extrem wäre ein verblüffender Beweis für unseren inneren Fisch: Es wäre denkbar, dass die Knochenstäbe sich unterschiedlich entwickeln, womit bewiesen wäre, dass Sonic hedgehog bei Rochen und uns ganz ähnliche Effekte hat. Und dabei darf man nicht vergessen, dass Randy ja das Protein eines Säugetiers verwendete: Das bedeutet, dass die genetischen Rezepte einander sehr, sehr stark ähneln. Am Ende sahen die Stäbe nicht nur unterschiedlich aus, sondern sie sprachen auch ganz ähnlich wie Finger unterschiedlich stark auf Sonic hedgehog an, je nachdem, wie weit sie von dem proteingetränkten Kügelchen entfernt waren: Diejenigen, die ihm näher standen, hatten eine andere Form als jene, die weiter entfernt waren. Die Krönung war, dass das Protein aus Mäusen bei Rochen einen derart starken Effekt hatte.

Normale Flossen (links) und Flossen nach Randys Behandlung. Bei den behandelten Flossen erkennt man genau wie bei den Hühnerflügeln eine Verdoppelung. Foto mit freundlicher Genehmigung von Randall Dahn, University of Chicago.

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Der »innere Fisch«, den Randy gefunden hatte, war kein einzelner Knochen und auch kein Teil eines Skeletts. Er lag in den biologischen Mechanismen, die für den Aufbau der Flossen sorgen. Experimente an ganz unterschiedlichen Lebewesen – an Mäusen, Haien und Fliegen – zeigen immer wieder, dass Teile dieses Rezeptes bei ihnen allen vorhanden sind. Tiere sind in einem sehr realen Sinn immer wieder Variationen des gleichen Themas. Und dieses Thema liegt in dem Rezept, nach dem wir aufgebaut werden. Je mehr sich unsere Kenntnisse über dieses Rezept durch die Untersuchung immer neuer DNA-Abschnitte erweitern, desto stärker stellen wir fest, dass die bei Sonic hedgehog gefundenen Gesetzmäßigkeiten ganz allgemein gültig sind. Alle Körperanhänge, ob Flossen oder Gliedmaßen, werden von ähnlichen Genen aufgebaut. Was bedeutet das für die Frage, die wir in den ersten beiden Kapiteln gestellt haben – für die Verwandlung der Fischflossen in Arme und Beine? Die Antwort lautet: Dieser große entwicklungsgeschichtliche Wandel erforderte nicht die Entstehung neuer DNA. Zu einem großen Teil wurden dabei alte Gene, beispielsweise die für die Entwicklung der Haiflossen, zu neuen Zwecken wieder verwendet: Sie ließen nun Gliedmaßen mit Fingern und Zehen entstehen. Aber hinter den Experimenten mit Gliedmaßen und Flossen stand auch eine tiefere Ästhetik. Tabins Arbeitsgruppe ging von Befunden an Fliegen aus, um bei Hühnern ein Gen zu finden, das Aufschlüsse über Geburtsfehler beim Menschen liefert. Randy nutzte die Befunde der Gruppe von Tabin, um etwas über unsere Verbindung mit Rochen herauszufinden. Eine »innere Fliege« half mit, ein »inneres Huhn« zu finden, mit dessen Hilfe Randy am Ende den »inneren Rochen« entdeckte. Die Verbindungen zwischen den Lebewesen reichen tief in die Vergangenheit.

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4. Zähne, Zähne, Zähne

Im Anatomieunterricht werden die Zähne meist sehr kurz abgehandelt: Wir halten uns gerade einmal fünf Minuten mit ihnen auf. Auf der Liste der Lieblingsorgane – sie zusammenzustellen, überlasse ich jedem Einzelnen – schaffen sie es nur selten unter die ersten fünf. In Wirklichkeit besagen sie aber so viel über unsere Verbindung zu allen anderen Lebewesen, dass man unseren Körper nahezu überhaupt nicht verstehen kann, wenn man nicht etwas über sie weiß. Auch für mich persönlich haben Zähne eine besondere Bedeutung: Um nach ihnen zu suchen, lernte ich, wie man Fossilien findet und wie man eine Fossil-Expedition leitet. Zähne haben die Aufgabe, große Lebewesen in kleine Stücke zu zerlegen. Wenn sie sich an einem beweglichen Kiefer befinden, können sie zerschneiden, zermahlen und zermalmen. Ein Mund hat nur eine begrenzte Größe, und erst mit Hilfe der Zähne können die Tiere auch Objekte verzehren, die größer sind als ihr Maul. Insbesondere gilt das für Arten, die nicht über Hände oder Klauen verfügen, mit denen sie die Dinge zerreißen oder zerschneiden können, bevor sie sie zum Mund führen. Es stimmt zwar, dass große Fische häufig kleine Fische fressen. Aber Zähne können auch zum großen Gleichmacher werden: Wenn kleine Fische gute Zähne haben, können sie sich an größeren Fischen gütlich tun. Kleine Fische können ihre Zähne benutzen, um Schuppen abzukratzen, Nahrungsteilchen zu fressen oder aus größeren Fischen ganze Fleischbrocken herauszubeißen. Man kann über ein Tier eine Menge lernen, wenn man seine Zähne betrachtet. Die Höcker, Vertiefungen und Leisten auf den Zähnen sind oft ein Spiegelbild der Ernährung. Fleischfres-

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ser, beispielsweise die Raubkatzen, zerteilen das Fleisch mit messerförmigen Backenzähnen, im Maul der Pflanzenfresser dagegen stehen flachere Zähne, mit denen sie Blätter und Nüsse zermalmen. Dass Zähne so viele Aufschlüsse liefern, entging auch den großen Anatomen der Wissenschaftsgeschichte nicht. Der berühmte französische Forscher George Cuvier prahlte einmal, er könne anhand eines einzelnen Zahnes das gesamte Skelett eines Tieres rekonstruieren. Das ist zwar ein wenig übertrieben, aber die allgemeine Aussage stimmt. Zähne sagen viel über die Lebensweise aus. Der Mund der Menschen zeigt, dass wir Allesfresser sind: Wir besitzen unterschiedlich geformte Zähne. Die Schneidezähne sind als flache Messer auf das Schneiden spezialisiert. Die hinteren Backenzähne, auch Molaren genannt, sind flacher und haben charakteristische Höcker, mit denen sie das Gewebe von Pflanzen und Tieren zerkleinern können. Die dazwischenstehenden Prämolaren sind auch in ihrer Funktion ein Mittelding zwischen Schneidezähnen und Molaren. Das Bemerkenswerteste an unserem Mund ist, dass wir so präzise kauen können. Wenn wir den Mund öffnen und schließen, treffen die Zähne immer in der gleichen Stellung aufeinander, wobei die oberen und unteren Zähne genau zusammenpassen. Mit ihren Höckern, Vertiefungen und Leisten, die einander genau entsprechen, können wir unsere Nahrung mit maximaler Effizienz zerkleinern. Wenn obere und untere Zähne nicht mehr richtig zusammenpassen, werden sie unter Umständen sogar zerstört, was dann das Einkommen der Zahnärzte mehrt. Für Paläontologen sind Zähne eine großartige Informationsquelle. Sie sind die härtesten Teile unseres Körpers; das liegt daran, dass der Zahnschmelz den Mineralstoff Hydroxyapatit in großen Mengen enthält – der Anteil ist sogar noch größer als in den Knochen. Deshalb sind Zähne häufig die am besten erhaltenen Teile fossiler Tiere. Das ist ein glücklicher Umstand, denn die Zähne liefern viele Aufschlüsse über die Ernährung eines Tieres, sodass wir an den Fossilien eine Menge darüber ablesen können, was die Tiere früherer Zeiten gefressen haben. Insbesondere gilt das für die Geschichte der Säugetiere: Während verschiedene Reptilien recht

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ähnliche Zähne besitzen, findet man bei den Säugetieren charakteristische Unterschiede. Der Teil eines paläontologischen Praktikums, der den Säugetieren gewidmet ist, hat durchaus Ähnlichkeit mit einem Einführungskurs für Zahnärzte. Bei den heutigen Reptilien – Krokodilen, Eidechsen, Schlangen – fehlen die meisten Merkmale, die das Maul der Säugetiere zu etwas Besonderem machen. Die Zähne eines Krokodils beispielsweise sind wie Messer geformt und sehen alle ähnlich aus; der einzige Unterschied besteht darin, dass manche von ihnen größer und andere kleiner sind. Auch die genaue Okklusion – die Passform zwischen oberen und unteren Zähnen –, die für Menschen und andere Säugetiere typisch ist, findet man bei Reptilien nicht. Und während die Zähne im Leben eines Säugetiers nur einmal erneuert werden, erhalten Reptilien meist während ihres ganzen Lebens immer wieder Besuch von der Zahnfee, die ihre abgenutzten oder abgebrochenen Zähne ersetzt. Eine unserer grundlegenden Eigenschaften – die typische präzise Kaubewegung der Säugetiere – taucht erstmals bei Fossilien auf, die vor 225 Millionen bis 195 Millionen Jahren an vielen Stellen der Erde entstanden sind. Ganz unten, in dem älteren Gestein aus diesem Zeitraum, findet man zahlreiche Reptilien, die oberflächlich wie ein Hund aussehen. Sie gingen auf vier Beinen, hatten einen großen Schädel und in vielen Fällen auch scharfe Zähne. Aber damit ist die Ähnlichkeit auch zu Ende. Anders als bei den Hunden bestand der Kiefer dieser Reptilien aus vielen Knochen, und die Zähne passten nicht besonders gut zusammen. Außerdem wurde das Gebiss wie bei typischen Reptilien immer wieder ersetzt: Während der gesamten Lebenszeit eines Tieres wuchsen ständig neue Zähne nach. Steigt man in den Gesteinsschichten ein wenig höher, so findet man etwas ganz anderes: Die typischen Merkmale von Säugetieren tauchen auf. Die Kieferknochen wurden kleiner und wanderten zum Ohr. Man erkennt erste Anhaltspunkte, dass obere und untere Zähne exakt aufeinander abgestimmt sind. Auch die Form des Kiefers verändert sich: Was bei den Reptilien ein einfacher Knochenstab war, sieht bei Säugetieren eher wie ein Bumerang aus. Gleichzeitig wurden die Zähne wie bei uns nur noch einmal im Le-

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ben ersetzt. Alle diese Veränderungen kann man an den Fossilien nachvollziehen, insbesondere an Funden von bestimmten Stellen in Europa, Südafrika und China. Die Gesteinsschichten aus der Zeit vor rund 200 Millionen Jahren enthalten nagetierähnliche Lebensformen wie Morganucodon und Eozostrodon, die erstmals wie Säugetiere aussehen. Schon diese Tiere, die nicht größer waren als eine Maus, beherbergten in ihrem Inneren wichtige Teile von uns. Wie wunderschön diese frühen Säugetiere gebaut waren, lässt sich mit Bildern nicht angemessen vermitteln. Für mich war es wirklich spannend, sie zum ersten Mal leibhaftig vor Augen zu haben. Als ich mit meiner Promotion begann, wollte ich frühe Säugetiere erforschen. Ich entschied mich für die Harvard University, weil dort Farish A. Jenkins Jr. lehrte, den wir bereits im ersten Kapitel kennengelernt haben. Er leitete Expeditionen in den Westen der Vereinigten Staaten, wo er im Gestein systematisch nach Anzeichen dafür suchte, wie sich bei den Säugetieren die charakteristische Fähigkeit zum Kauen entwickelt hatte. Es waren echte Entdeckerreisen; Farish und seine Arbeitsgruppe begaben sich nicht zu Stellen, die andere Wissenschaftler bereits entdeckt hatten, sondern sie suchten nach völlig neuen Fundstätten. Farish hatte eine Gruppe talentierter Fossilsammler zusammengestellt, darunter Mitarbeiter aus dem Museum für Vergleichende Zoologie der Harvard University und einige freiberufliche Honorarkräfte. Herausragende Gestalten waren Bill Amaryl, Chuck Schaff und der verstorbene Will Downs. Diese Forscher machten mich mit der Welt der Paläontologie bekannt. Farish und sein Team hatten nach eingehendem Studium geologischer Karten und zahlreicher Luftaufnahmen vielversprechende Gebiete ausgemacht, in denen man mit der Entdeckung früher Säugetiere rechnen konnte. Jeden Sommer stiegen sie in ihre Geländewagen und machten sich auf den Weg in die Wüsten von Wyoming, Arizona und Utah. Als ich 1983 zu ihnen stieß, hatten sie bereits eine ganze Reihe wichtiger neuer Säugetiere und bedeutende Fundstätten entdeckt. Ich staunte über die Qualität ihrer Voraussagen: Allein durch die Lektüre wissenschaftlicher Fachaufsätze und Bücher konnte Farishs Arbeitsgruppe herausfinden, wie

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wahrscheinlich oder unwahrscheinlich die Entdeckung früher Säugetiere an bestimmten Stellen war. Meine paläontologische Feuertaufe erlebte ich, als ich mit Chuck und Bill durch die Wüste Arizonas wanderte. Anfangs schien mir das ganze Unternehmen ausschließlich vom Zufall geleitet zu sein. Ich hatte mit einer Art militärischem Feldzug gerechnet, mit einer organisierten, koordinierten Erkundung des gesamten Gebietes. Was ich dann zu sehen bekam, schien das genaue Gegenteil zu sein. Die Gruppe stürzte sich auf einen bestimmten Felsen, und dann schwärmten die Leute in alle Richtungen aus, um an der Oberfläche nach Knochenbruchstücken zu suchen. Während der ersten Wochen meiner ersten Expedition ließen sie mich in Ruhe. Ich hatte mich ebenfalls auf Fossilsuche begeben und musterte systematisch jeden Stein, um dort vielleicht ein Stückchen Knochen zu finden. Wenn wir dann abends nach Hause kamen, zeigten wir uns gegenseitig, was wir gefunden hatten. Chuck schleppte mehrere Beutel voller Knochen heran. Auch Bill leistete seinen Beitrag, der in der Regel in einem kleinen Schädel oder einem anderen Prachtstück bestand. Und ich stand mit leeren Händen da: Mein leerer Beutel erinnerte mich daran, wie viel ich noch zu lernen hatte. Ein paar Wochen ging das so, dann kam ich auf die Idee, Chuck auf seinem Gang zu begleiten. Mir schien, als habe er jeden Tag den vollsten Beutel, warum also sollte ich mir nicht von dem Experten ein paar Anregungen geben lassen? Chuck nahm mich sehr gern mit und erzählte mir von seiner langen Laufbahn auf dem Gebiet der Paläontologie. Er ist Texaner mit Brooklyn-Einschlag: Cowboystiefel und Wertvorstellungen aus dem Westen, dazu ein New Yorker Akzent. Er fesselte mich mit seinen Berichten über frühere Expeditionen, gleichzeitig war das Ganze für mich aber auch ein demütigendes Erlebnis. Zunächst einmal sah Chuck sich überhaupt nicht jeden Stein an, und wenn er einen näher betrachtete, war es mir ein völliges Rätsel, warum er gerade diesen ausgesucht hatte. Aber der eigentlich peinliche Aspekt war ein anderer: Chuck und ich starrten auf dasselbe Stück Boden. Ich sah nichts außer Gestein – nackten Wüstenboden. Chuck dagegen erkannte fossile Zähne, Kieferknochen und sogar Schädelbruchstücke.

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In einer Luftaufnahme hätte man zwei Menschen gesehen, die einsam mitten durch eine scheinbar endlose Ebene wanderten, wo kilometerweit nichts anderes zu sehen war als staubig rote und grüne Sandsteinflächen, Felsspitzen und Ödland. Aber Chuck und ich starrten die ganze Zeit auf das Geröll am Wüstenboden. Die Fossilien, nach denen wir suchten, waren winzig, nicht mehr als ein paar Zentimeter groß, und wir bewegten uns in einer kleinen Welt. Diese intime Umwelt stand in krassem Gegensatz zu dem gewaltigen Panorama, das uns umgab. Mein Begleiter kam mir vor wie der einzige Mensch auf dem ganzen Planeten, und mein ganzes Dasein kreiste um Geröllbrocken. Fast während unserer gesamten Wanderung ging ich Chuck mit meinen Fragen auf die Nerven, aber er hatte außerordentlich viel Geduld mit mir. Ich wollte von ihm genau wissen, wie man Knochen findet. Immer wieder erklärte er, man müsse nach »etwas anderem« suchen, nach etwas, das nicht die Beschaffenheit von Stein, sondern von Knochen hatte, das in der Sonne glitzerte wie Zähne, das nicht wie ein Stück Sandstein, sondern wie ein Armknochen aussah. Es hörte sich einfach an, aber ich begriff einfach nicht, was er mir sagen wollte. Trotz aller Mühe kehrte ich jeden Abend mit leeren Händen zurück. Es wurde immer peinlicher, denn Chuck, der sich genau die gleichen Steine angesehen hatte, brachte einen vollen Beutel nach dem anderen nach Hause. Schließlich, ich war wieder einmal mit Chuck unterwegs, sah ich zum ersten Mal einen Zahn in der Wüstensonne glitzern. Er lag zwischen ein wenig Sandsteingeröll, war aber ganz deutlich zu erkennen. Der Zahnschmelz hatte einen Glanz wie kein anderer Stein; so etwas hatte ich noch nie gesehen. Nun, eigentlich stimmte das nicht – solche Dinge hatte ich hier jeden Tag angestarrt. Das Neue war nur, dass ich es jetzt zum ersten Mal wirklich gesehen hatte, dass ich den Unterschied zwischen Gestein und Knochen erkannte. Der Zahn glitzerte, und als ich das sah, fielen mir seine Höcker auf. Der ganze Zahn war nicht größer als eine kleine Münze, die aus seiner Unterseite herausragenden Zahnwurzeln nicht mitgerechnet. Aber für mich war er so prachtvoll wie der größte Dinosaurier in einem Museumssaal.

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Plötzlich war der Wüstenboden mit Knochen übersät; wo ich zuvor nur Steine gesehen hatte, erkannte ich plötzlich überall kleine Fossilbruchstücke, als hätte ich eine neue Brille aufgesetzt und als würde ein Scheinwerfer die Knochenstücke beleuchten. Neben dem Zahn lagen andere Knochenfragmente, dann sah ich weitere Zähne. Ich fand einen Kiefer, der an der Oberfläche durch Verwitterung freigelegt und zerbrochen war. Von jetzt an kam auch ich jeden Abend mit einem kleinen Beutel voller Funde zurück. Nachdem ich nun selbst die Knochen gesehen hatte, wirkte das, was zuvor wie eine chaotische Gruppenaktivität ausgesehen hatte, plötzlich völlig geordnet. Die Leute schwärmten nicht einfach zufällig über die Wüste aus, sondern sie ließen sich von ungeschriebenen Gesetzen leiten. Gesetz Nummer eins: Geh’ zu den Felsen, die am produktivsten aussehen, und entscheide dich dabei nach den geistigen Bildern oder Vorstellungen, die du aufgrund früherer Erfahrungen im Kopf hast. Gesetz Nummer zwei: Laufe nicht anderen hinterher, sondern erkunde neue Gebiete (Chuck hatte mir großzügig erlaubt, diese Regel zu übertreten). Und Gesetz Nummer drei: Wenn in deinem Lieblingsgebiet bereits jemand unterwegs ist, suche dir ein neues Gebiet oder nimm dir eine weniger vielversprechende Stelle vor. Wer zuerst kommt, mahlt zuerst. Nach und nach lernte ich auch die visuellen Indizien für andere Knochen kennen: lange Knochen, Kieferknochen, Schädelbruchstücke. Wenn man solche Dinge einmal gesehen hat, verlernt man nie mehr, sie zu finden. Genau wie ein guter Fischer, der das Wasser betrachtet und die darin schwimmenden Fische erkennt, so hat auch der Fossilfinder einen Katalog von Suchbildern im Kopf, die dazu führen, dass die Fossilien aus den Felsen ins Auge zu springen scheinen. Allmählich erwarb ich meine eigenen visuellen Eindrücke davon, wie fossile Knochen in verschiedenen Gesteinsarten und unter unterschiedlichen Lichtverhältnissen aussehen. Fossilien in der Morgensonne zu finden, ist ganz etwas anderes als wenn man nachmittags danach sucht, weil die Lichtstrahlen dann ganz anders auf dem Boden spielen. Zwanzig Jahre sind seither vergangen. Heute weiß ich, dass ich jedes Mal wieder ähnliche Erfahrungen sammeln muss, wenn ich in einer neuen Region nach Fossilien suche, von Gestein aus dem

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Trias in Marokko bis zum Devon auf der Ellesmere-Insel. Ein paar Tage lang habe ich Mühe, ganz ähnlich wie damals vor 20 Jahren, als ich mit Chuck in Arizona war. Es gibt nur einen Unterschied: Heute bin ich zuversichtlich, dass das Suchbild sich irgendwann einstellt. Auf unseren Erkundungsgängen verfolgten Chuck und ich das Ziel, eine Stelle mit so vielen Knochen zu finden, dass wir dort auf eine fossilreiche Schichtung schließen und diese freilegen konnten. Als ich mich der Gruppe anschloss, hatte Farishs Team bereits eine solche Stelle gefunden. Es handelte sich um einen rund 30 Meter langen Gesteinsabschnitt, aus dem ein kleines Tierskelett nach dem anderen zum Vorschein kam. Farishs Fossilien-Steinbruch befand sich in sehr feinkörnigem Tonstein. Um dort erfolgreich arbeiten zu können, musste man sich klarmachen, dass die Fossilien aus einer sehr dünnen, höchstens einen Millimeter dicken Schicht stammten. Hatte man diese Oberfläche freigelegt, bestanden gute Aussichten, Knochen zu sehen. Sie waren winzig, nicht mehr als drei bis fünf Zentimeter lang, und schwarz; deshalb wirkten sie in dem braunen Gestein fast wie Schmutzflecken. Bei den kleinen Tieren, die wir dort fanden, handelte es sich um Frösche (einige der ersten Formen), Amphibien ohne Beine, Eidechsen und andere Reptilien und – besonders wichtig – einige der ältesten Säugetiere. Entscheidend ist dabei, dass die ersten Säugetiere klein waren. Sehr klein. Ihre Zähne waren nicht länger als zwei Millimeter. Wenn man sie finden wollte, musste man sehr sorgfältig vorgehen und in vielen Fällen auch großes Glück haben. War ein Zahn von einem Gesteinskrümel oder auch nur von ein paar Sandkörnern bedeckt, konnte man ihn nicht mehr sehen. Das eigentlich Faszinierende war für mich der Anblick dieser ältesten Säugetiere. Ich legte die fossilführende Schicht frei und musterte dann die gesamte Oberfläche mit meiner zehnfach vergrößernden Lupe. Die ganze Zeit rutschte ich auf allen vieren herum, das Gesicht und die Lupe höchstens fünf Zentimeter über dem Boden. Die Tätigkeit nahm mich derart in Anspruch, dass ich oft vergaß, wo ich war, und gelegentlich kam ich dann meinem Nachbarn in die Quere; in solchen Fällen erinnerte mich eine über mei-

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nem Kopf ausgeschüttete Tüte mit Erde sehr nachdrücklich daran, dass ich mich auf mein Revier beschränken sollte. Hin und wieder zog ich das große Los und erkannte zum ersten Mal eine grundlegende biologische Verbindung. Die Zähne sahen aus wie kleine Messer mit Höckern und Wurzeln. Die Höcker auf diesen winzigen Zähnen offenbarten uns etwas ganz Besonderes. Jeder von ihnen war auf der Fläche, an der obere und untere Zähne aufeinandertrafen, nach einem ganz bestimmten Muster abgenutzt. Vor mir hatte ich also den ersten Beleg für unsere Methode des präzisen Kauens, und das bei einem winzigen, 190 Millionen Jahre alten Säugetier. Es waren eindringliche Augenblicke, die ich nie mehr vergessen werde. Hier, wo ich im Dreck kniete und Steine aufschlug, entdeckte ich Gegenstände, die das Zeug hatten, die Denkweise der Menschen zu verändern. Der Gegensatz zwischen meiner geradezu kindischen und sogar demütigenden Tätigkeit und dieser großen intellektuellen Bemühung ließ mich nie mehr los. Jedes Mal, wenn ich heute etwas Neues ausgrabe, versuche ich, ihn mir in Erinnerung zu rufen. Als ich in jenem Herbst an die Universität zurückkehrte, schwelgte ich in Gedanken über Expeditionen. Ich wollte selbst eine Expedition leiten, aber für eine große Unternehmung fehlten mir die Mittel, und so machte ich mich in Connecticut an die Untersuchung von Gestein, das rund 200 Millionen Jahre alt war. Man hatte die Schichtungen im neunzehnten Jahrhundert bereits eingehend untersucht, und sie waren der Schauplatz mehrerer wichtiger Fossilfunde gewesen. Ich stellte mir vor, ich müsse die gleichen Felsen nur mit meiner kleinen Lupe und meinem so erfolgreichen Suchbild für frühe Säugetiere mustern, und schon würde ich eine Menge großartiger Dinge finden. Ich mietete mir einen Kleinbus, packte ein paar Sammeltüten ein, und los ging’s. Aber auch dieses Mal gab es etwas zu lernen: Ich fand nichts. Also musste ich wieder von vorn anfangen, und zwar in der Bibliothek des Instituts für Geologie. Ich brauchte eine Stelle, wo das 200 Millionen Jahre alte Gestein frei lag; in Connecticut war das aber nur an frisch gesprengten Straßenböschungen der Fall. Ideal wäre eine Stelle an der Küste, wo

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die Brandung ständig Felsen abbrechen ließ, sodass frische Bruchflächen zur Verfügung standen. Ein Blick auf die Landkarte, dann hatte ich meine Entscheidung gefällt: In Kanada, genauer gesagt in der Provinz Nova Scotia, lag Gestein aus Trias und Jura (das heißt aus der Zeit vor rund 200 Millionen Jahren) an der Oberfläche frei. Hinzu kam noch, dass Reiseführer für das Gebiet die größten Gezeitenunterschiede der Welt ankündigten, manchmal mehr als 15 Meter. Ich konnte mein Glück überhaupt nicht fassen. Als Nächstes rief ich den Fachmann für dieses Gestein an, Paul Olsen, der gerade seine Lehrtätigkeit an der Columbia University aufgenommen hatte. War ich vor meinem Gespräch mit Paul wegen der Aussichten auf Fossilfunde schon aufgeregt gewesen, so bebte ich anschließend geradezu vor Erregung. Nach seiner Schilderung herrschten in dem Gebiet ideale geologische Voraussetzungen für die Entdeckung kleiner Säugetiere oder Reptilien: vorzeitliche Wasserläufe und Dünen, die genau die richtigen Eigenschaften für die Erhaltung winziger Knochen besaßen. Zu allem Überfluss hatte er selbst an einem Strandstück nicht weit von der Ortschaft Parrsboro in Nova Scotia bereits die Knochen und Fußabdrücke von Dinosauriern gefunden. Paul und ich brüteten einen Plan aus: Wir wollten gemeinsam nach Parrsboro reisen und den Strand nach kleinen Fossilien absuchen. Paul legte damit eine ungeheure Großzügigkeit an den Tag: Er hatte sich bereits ein Anrecht auf die Region erworben und hätte es überhaupt nicht nötig gehabt, mir zu helfen, von einer Zusammenarbeit ganz zu schweigen. Ich weihte Farish in meine Pläne ein, und er bot mir nicht nur Geld an, sondern schlug auch vor, ich solle die Fossilienexperten Bill und Chuck mitnehmen. Geld, Bill, Chuck, Paul Olsen, ausgezeichnetes Gestein und gute, freiliegende Stellen – was hätte ich mir sonst noch wünschen sollen? Im folgenden Sommer leitete ich meine erste eigene Fossilsucher-Expedition. In einem gemieteten Kleintransporter fuhr ich mit meinen Mitarbeitern Bill und Chuck zu den Stränden von Nova Scotia. Das Ganze war natürlich ein Witz. Mit Bill und Chuck an meiner Seite, die gemeinsam mehr Jahre an Freilanderfahrung vorweisen konnten, als ich Geburtstage hatte, war ich nur auf dem Papier der Expeditionsleiter. Sie hatten bei der Fossilsuche das Sagen, ich bezahlte das Abendessen.

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Bei dem freiliegenden Gestein in Nova Scotia handelte es sich um gewaltige, orangefarbene Sandsteinklippen an der Fundybay. Zweimal am Tag zog sich das Wasser mit den Gezeiten fast einen Kilometer weit zurück und legte riesige Flächen aus orangefarbenem Muttergestein frei. Es dauerte nicht lange, dann fanden wir an vielen verschiedenen Stellen die ersten Knochen. Die kleinen weißen Gebilde lugten einfach aus den Klippen hervor. Paul entdeckte überall Fußspuren, sogar auf den Flächen, die jeden Tag von Ebbe und Flut freigegeben wurden. Zwei Wochen lang wühlten Chuck, Bill, Paul und ich in den Felsen von Nova Scotia. Immer wieder fanden wir Splitter und Bruchstücke von Knochen, die aus dem Gestein ragten. Bill, der Fossilpräparator unserer Gruppe, hielt mir ständig Vorträge, ich solle im Freiland nicht viel von den Knochen freilegen, sondern sie mit dem umgebenden Sandstein einpacken, sodass er sie im Labor unter dem Mikroskop und unter besser kontrollierten Bedingungen

Paul Olsen findet in den Gezeitenebenen von Nova Scotia uralte Fußspuren. Bei Flut stand das Wasser an den Klippen links. Der Pfeil kennzeichnet die Stelle, an der wir stundenlang auf den Klippen warten mussten, wenn wir für unseren Ausflug nicht den richtigen Zeitpunkt erwischten.

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herauspräparieren konnte. So machten wir es auch, aber ich muss gestehen, dass ich von der Ausbeute, die wir nach Hause brachten, enttäuscht war: Ein paar Schuhkartons voller Steine, an denen hier und da ein kleines Stück Knochen zu sehen war. Ich weiß noch, was mir auf dem Heimweg durch den Kopf ging: Wir hatten zwar nicht viel gefunden, aber es war ein großartiges Erlebnis gewesen. Dann nahm ich eine Woche Urlaub; Chuck und Bill kehrten ins Labor zurück. Als ich wieder nach Boston kam, waren Chuck und Bill gerade zum Mittagessen gegangen. Ein paar Kollegen waren im Museum; als sie mich sahen, kamen sie auf mich zu, schüttelten mir die Hand, gratulierten und klopften mir auf die Schulter. Ich wurde behandelt wie ein siegreich heimkehrender Eroberer, aber ich hatte keine Ahnung, warum; es kam mir vor wie ein makabrer Scherz, als wollten sie ihren Schabernack mit mir treiben. Sie erklärten, ich solle ins Labor gehen und mir die Trophäe ansehen. Ich wusste nicht, was ich davon halten sollte, aber ich lief los. Unter Bills Mikroskop lag ein kleiner Unterkiefer, kaum länger als einen Zentimeter mit mehreren winzigen Zähnen besetzt. Er hatte eindeutig zu einem Reptil gehört, denn die Zähne hatten am unteren Ende nur eine einzige Wurzel, bei Säugetieren dagegen sind es viele. Aber auf den Zähnen konnte ich sogar mit bloßem Auge kleine Höcker und Leisten erkennen. Eine noch größere Überraschung erlebte ich, als ich sie unter das Mikroskop legte: An den Höckern erkannte ich kleine abgenutzte Flächen. Ich hatte ein Reptil mit präziser Okklusion vor mir. Mein Fossil war halb Reptil und halb Säugetier. Ohne dass ich davon wusste, hatte Bill einen unserer Steinbrocken ausgepackt, ein kleines Stück Knochen gesehen und den Kiefer mit einer Nadel unter dem Mikroskop herauspräpariert. Keiner von uns hatte es geahnt, als wir unterwegs waren, aber unsere Expedition war ein voller Erfolg. Und alles dank Bill. Was hatte ich in jenem Sommer gelernt? Erstens: Ich sollte auf Chuck und Bill hören. Zweitens: Die meisten großen Entdeckungen ereignen sich nicht im Freiland, sondern unter den Händen der Fossilpräparatoren. Aber die größte Lektion in Sachen Freilandarbeit stand mir noch bevor.

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Das Reptil, das Bill gefunden hatte, gehörte zu den Tritheledonten, einer Gruppe, die man nicht nur aus Nova Scotia, sondern auch aus Südafrika kannte. Tritheledonten waren sehr selten, deshalb wollte ich im folgenden Sommer auf jeden Fall noch einmal nach Nova Scotia fahren, um weitere Exemplare zu finden. Den ganzen Winter über wartete ich in gespannter Vorfreude. Hätte ich das winterliche Eis zerschlagen und darunter Fossilien finden können, ich hätte es getan. Im Sommer des folgenden Jahres, 1985, machten wir uns erneut auf den Weg zu der Stelle, an der wir den Tritheledonten gefunden hatten. Die fossilführende Schicht lag auf Höhe des Strandes; ein paar Jahre zuvor war dort eine Klippe abgebrochen. Die Uhrzeit für unsere täglichen Besuche musste wir ad hoc festlegen: bei Flut war die Stelle unzugänglich, weil das Wasser an einer Felsecke, die wir umrunden mussten, zu hoch stieg. Ich werde nie vergessen, wie aufgeregt ich war, als wir am ersten Tag die Felsnase umrundeten und unser kleines Stück leuchtend orangefarbenes Gestein sahen. Denkwürdig war das Erlebnis vor allem, weil etwas fehlte: Den größten Teil des Gebietes, in dem wir im letzten Jahr gearbeitet hatten, gab es nicht mehr. Er war vermutlich im vergangenen Winter weggespült worden. Unsere hübsche Fossilfundstätte mit den wunderschönen Tritheledonten war vom Meer verschluckt. Die gute Nachricht, wenn man sie denn so nennen kann, lautete: Entlang des Strandes gab es noch ein wenig mehr orangefarbenen Sandstein. Der größte Teil der Klippen und auch die Felsnase, die wir morgens umrunden mussten, bestanden aus dem Basalt eines 200 Millionen Jahre alten Lavastromes. Dass dort keine Fossilien zu finden waren, wussten wir genau: Es ist geradezu ein Naturgesetz, dass in solchem Gestein, das früher einmal sehr heiß war, keine Knochen erhalten bleiben. An den nächsten fünf Tagen begaben wir uns zu den von Ebbe und Flut vorgegebenen Zeiten in unsere Suchreviere, kratzten an dem orangefarbenen Sandstein – und fanden nicht das Geringste. Den Durchbruch erlebten wir erst, als der Präsident des örtlichen Lion’s Club uns eines Abends in unserem Ferienhaus aufsuchte: Er suchte Wertungsrichter für einen lokalen Schönheitswettbewerb, der den krönenden Abschluss der Miss Old Home Week von Parrs-

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boro bilden sollte. Diese zweifelhafte Ehre überließ man in dem Ort stets auswärtigen Besuchern, denn bei einem solchen Ereignis schlagen die Wellen der Leidenschaft häufig sehr hoch. Die gewohnten Wertungsrichter, ein älteres Paar aus Quebec, waren in diesem Jahr nicht zu Besuch gekommen, und so wurden meine Mitarbeiter und ich gebeten, bei der Veranstaltung auszuhelfen. Unsere Jurytätigkeit bei dem Schönheitswettbewerb und die Diskussionen über die Wertung führten dazu, dass wir abends viel zu lange aufblieben. Am nächsten Morgen vergaßen wir die Gezeiten, und am Ende saßen wir hinter einer Biegung der Basaltklippen fest. Ungefähr zwei Stunden lang mussten wir auf einem kleinen, etwa 15 Meter breiten Felsvorsprung ausharren. Solches Vulkangestein würde man sich niemals für eine Fossilsuche auswählen. Wir drehten Steine um, bis es langweilig wurde, und warfen dann einen Blick auf die Felsen: Vielleicht konnten wir ja interessante Kristalle oder Mineralien finden. Bill verschwand um eine Ecke, und ich sah mir ein Stück des Basalts hinter uns an. Nach ungefähr einer Viertelstunde hörte ich, wie jemand meinen Namen rief. Ich werde nie Bills Tiefstapelei vergessen: »He, Neil, hast du Lust, mal rüberzukommen?« Als ich um die Ecke bog, erkannte ich sofort die Aufregung in seinem Blick. Dann sah ich die Steine zu seinen Füßen. Aus den Brocken ragten Tausende von kleinen weißen Bruchstücken heraus. Fossile Knochen, buchstäblich Tausende. Eine Fundstelle mit kleinen Knochen – genau danach hatten wir gesucht. Wie sich herausstellte, war das Vulkangestein nicht ausschließlich vulkanischen Ursprungs: Die Klippe war von Sandsteinschichten durchsetzt, die im Zusammenhang mit dem Vulkanausbruch durch einen vorzeitlichen Schlammstrom entstanden waren. Und in dem urzeitlichen Schlamm steckten die Fossilien. Von diesen Steinen brachten wir mehrere Tonnen mit nach Hause. In ihnen fanden wir weitere Tritheledonten, ein paar einfach gebaute Krokodile und andere, eidechsenähnliche Reptilien. Die Tritheledonten waren natürlich unsere Prunkstücke, denn an ihnen war zu erkennen, dass manche Reptilienarten sich bereits die gleiche Art des Kauens zu eigen gemacht hatten wie die Säugetiere. Bei frühen Säugetieren, wie Farishs Arbeitsgruppe sie zum Beispiel in Arizona entdeckt hatte, funktionierte die Okklusion sehr

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präzise. Kratzer an den Höckern eines oberen Zahnes passen genau zu spiegelbildlichen Kratzern auf dem zugehörigen unteren Zahn. Diese Abnutzungsmuster sind so exakt, dass man verschiedene Tierarten anhand ihrer Zahnabnutzungs- und Okklusionsmuster unterscheiden kann. Bei Farishs Säugetieren aus Arizona sind die Zahnhöcker ganz anders angeordnet als bei ebenso alten Tieren aus Südamerika, Europa oder China. Könnten wir diese Fossilien ausschließlich mit den heute lebenden Reptilien vergleichen, würde die Entstehung der säugetiertypischen Fressweise wie ein großes Rätsel wirken. Wie bereits erwähnt, passen die oberen und unteren Zähne von Krokodilen und Eidechsen nicht besonders gut zusammen. Aber an dieser Stelle kommen die Tritheledonten und ähnliche Tiere ins Spiel. Dringt man in die Vergangenheit vor, in Gestein, das wie in Nova Scotia rund zehn Millionen Jahre älter ist, findet man Tritheledonten mit den Anfängen dieses Gebissmerkmals. Die Zahnhöcker greifen bei ihnen nicht so präzise ineinander wie bei den Säugetieren, sondern die gesamte Innenfläche der oberen Zähne schabt fast wie bei einer Schere an der Außenfläche der unteren Zähne entlang. Natürlich spielte sich diese Veränderung der Okklusion nicht im luftleeren Raum ab. Es sollte uns nicht wundern, dass die ersten Tiere, die wie Säugetiere kauten, den Säugetieren auch in vielen Eigenschaften von Unterkiefer, Schädel und Skelett ähnelten. Da Zähne als Fossilien so gut erhalten bleiben, wissen wir sehr genau darüber Bescheid, wie sich die Mechanismen des Kauens – und die Fähigkeit zur Nutzung neuer Nahrungsquellen – im Laufe der Zeit entwickelt haben. Die Geschichte der Säugetiere ist eine Geschichte neuer Methoden zur Nahrungsverarbeitung. Ein wenig später als die Tritheledonten begegnen uns in den Fossilfunden alle möglichen neuen Säugetierarten mit neuartigen Zähnen, neuen Formen der Okklusion und neuartigem Gebrauch. In rund 150 Millionen Jahre altem Gestein findet man auf der ganzen Welt kleine, nagetiergroße Säugetiere mit einer neuen Gebissform, die den Weg zu unserem eigenen Dasein ebnete. Das Besondere an diesen Tieren war der kompliziert gebaute Mund: Im Kiefer standen Zähne mit unterschiedlicher Form. An der Vorderseite des Kiefers sahen sie anders aus als jene, die weiter hinten standen; im Mund ent-

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wickelte sich eine Art Arbeitsteilung. Die vorderen Schneidezähne spezialisierten sich auf das Zerteilen der Nahrung, die Eckzähne durchlöcherten sie, und die Backenzähne dienten zum Zermahlen oder Zerdrücken. Diese kleinen Tiere – sie erinnern an Mäuse – tragen in sich ein grundlegendes Stück unserer Geschichte. Wenn man daran zweifelt, braucht man sich nur einmal vorzustellen, man würde ohne Schneidezähne einen Apfel essen oder – noch besser – ohne Backenzähne eine große Möhre. Unser abwechslungsreicher Speisezettel mit Lebensmitteln vom Obst bis zum Fleisch ist nur möglich, weil sich bei unseren entfernten Säugetiervorfahren ein Maul mit unterschiedlichen Zähnen entwickelte, die zu präziser Okklusion in der Lage sind. Das Anfangsstadium dieser Entwicklung verkörpern die Tritheledonten und ihre Verwandten: An ihren Vorderzähnen sind die Schneiden und Höcker anders angeordnet als bei den Zähnen, die weiter hinten stehen.

Ein Tritheledont und ein in Nova Scotia entdecktes Stück seines Oberkiefers. Zeichnung des Kiefers von Lazlo Meszoley.

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Harte Sachen: Zähne und Knochen

Eigentlich braucht man es gar nicht erwähnen: Das Besondere an den Zähnen im Vergleich zu anderen Organen ist ihre Härte. Sie müssen härter sein als die Nahrung, die sie zerkleinern sollen – man stelle sich einmal vor, man wollte ein Steak mit einem Schwamm zerschneiden. Zähne sind im wahrsten Sinne des Wortes steinhart, und das liegt daran, dass sie, wie erwähnt, das kristalline Hydroxyapatit enthalten. Diese Substanz verstärkt die Molekül- und Zellstruktur von Zähnen und Knochen, sodass sie widerstandsfähig gegen Knicke, Druck und andere Belastungen werden. Zähne sind besonders hart, weil ihre Außenschicht, der Zahnschmelz, mehr Hydroxyapatit enthält als alle anderen Körperteile einschließlich der Knochen. Der Zahnschmelz sorgt auch für das weiße Glänzen der Zähne. Natürlich ist er nur eine von mehreren Schichten, aus denen die Zähne bestehen. Darunter, im Inneren des Zahnes, liegt das Zahnbein das ebenfalls mit Hydroxyapatit durchsetzt ist. Hartes Gewebe findet man bei vielen Tieren, beispielsweise auch bei Muscheln und Krebsen. Aber sie besitzen kein Hydroxyapatit. Bei Krebsen und Muscheln erfüllen andere Substanzen, beispielsweise Kalciumkarbonat oder Chitin, diese Aufgaben. Außerdem besitzen solche Tiere im Gegensatz zu uns ein Außenskelett, das ihren Körper umhüllt. Bei uns liegt die Härte im Inneren. Unsere besondere Form der Härte mit den Zähnen im Mund und den Knochen im Körper ist ein unverzichtbarer Bestandteil unserer Identität. Essen, Fortbewegung, Atmen, selbst der Stoffwechselumsatz bestimmter Mineralstoffe sind uns nur möglich, weil unser Gewebe Hydroxyapatit enthält. Für alle diese Fähigkeiten können wir uns bei dem Vorfahren bedanken, den wir mit sämtlichen Fischen gemeinsam haben. Alle Fische, Amphibien, Reptilien, Vögel und Säugetiere auf der Erde sind wie wir. Sie alle besitzen Hydroxyapatit-haltige Körperteile. Aber woher kommt das alles? Damit sind wir bei der wichtigen prinzipiellen Frage, um die es hier geht. Wenn wir wissen, wo, wann und wie die harten Knochen und Zähne entstanden sind, können wir auch verstehen, warum.

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Warum entwickelte sich unsere Form des harten Gewebes? Diente es dazu, die Tiere vor ihrer Umwelt zu schützen? Hatte es den Zweck, ihnen eine bessere Fortbewegung zu ermöglichen? Die Antworten auf solche Fragen finden wir in den Fossilien, in Gestein, das rund 500 Millionen Jahre alt ist. Zu den häufigsten Fossilien aus urzeitlichen Meeren, das heißt aus der Zeit vor 500 bis 250 Millionen Jahren, gehören die Conodonten. Diese Tiergruppe wurde in den 1830er Jahren von dem großen russischen Biologen Christian Pander entdeckt, der uns in einem der nächsten Kapitel noch einmal begegnen wird. Es sind kleine, von einem Gehäuse umgebende Lebewesen, die mehrere Stacheln tragen. Seit Panders Zeit hat man Conodonten auf allen Kontinenten entdeckt, und an manchen Stellen kann man keinen Stein aufschlagen, ohne sie in großer Zahl zu finden. Mittlerweile kennt man mehrere hundert Conodontenarten. Lange Zeit waren die Conodonten ein Rätsel: Die Fachleute stritten darüber, ob es sich um Tiere, Pflanzen oder Mineralien handelte. Jeder hatte seine Lieblingstheorie: Es wurde behauptet, Conodonten seien Teile von Muscheln, Schwämmen, Wirbeltieren, ja sogar von Würmern. Ein Ende hatten die Spekulationen erst, als man die Fossilien der vollständigen Tiere fand. Das erste Exemplar, das alle früheren Befunde plötzlich sinnvoll erscheinen ließ, fand ein Professor für Paläontologie, der in den Kellern der Universität von Edinburgh stöberte. Dort lag eine Steinplatte, in der offensichtlich ein Neunauge eingeschlossen war. An die Neunaugen erinnert sich manch einer vielleicht noch aus dem Biologieunterricht: Es sind sehr einfach gebaute Fische ohne Kiefer. Sie saugen sich an anderen Fischen fest und ernähren sich von deren Körperflüssigkeiten. Vor dem Abdruck des urzeitlichen Fisches befanden sich kleine Fossilien, die seltsam bekannt aussahen: Conodonten. Kurz darauf fand man ähnliche Fossilien auch in Südafrika und später im Westen der Vereinigten Staaten. Alle diese Lebewesen hatten eine auffällige Eigenschaft: Sie trugen eine ganze Ansammlung von Conodonten im Maul. Plötzlich war sonnenklar, was das bedeutete: Conodonten waren Zähne. Und zwar nicht irgendwelche Zähne. Es waren die Zähne urzeitlicher, kieferloser Fische.

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Die ältesten fossilen Zähne waren also schon seit 150 Jahren bekannt, als man endlich erkannte, worum es sich handelte. Dass es so lange dauerte, hat damit zu tun, wie Fossilien entstehen. Harte Körperteile, unter anderem auch die Zähne, bleiben häufig erhalten; weiches Gewebe dagegen, vor allem Muskeln, Haut und Verdauungsorgane, verwesen meist und werden nicht zu Fossilien. Die Vitrinen der Museen sind voll von fossilen Skeletten, Gehäusen und Zähnen, aber Verdauungsorgane und Gehirne gibt es nur in sehr geringer Zahl. Findet man in seltenen Fällen einmal die Spuren weichen Gewebes, handelt es sich in der Regel nur um Abdrücke. Die Conodonten – Zähne – hatte man in Hülle und Fülle gefunden, aber es mussten 150 Jahre vergehen, bis man den zugehörigen Körper entdeckte. Und auch die Körper, zu denen die Conodonten gehörten, hatten eine bemerkenswerte Eigenschaft: Sie enthielten keine harten Knochen. Es waren weiche Tiere mit harten Zähnen. Viele Jahre stritten die Paläontologen über die Frage, warum das harte, Hydroxyapatit-haltige Skelett überhaupt entstand. Für diejenigen, nach deren Ansicht Kieferknochen oder ein Rückgrat der Ausgangspunkt des Skeletts waren, stellten die Conodonten gewissermaßen einen unangenehmen »Zahn im Fleisch« dar. Die ersten harten, Hydroxyapatit-haltigen Organe waren Zähne. Harte Knochen entstanden nicht, um Tiere zu schützen, sondern um Tiere zu fressen. Damit gab es nun allen Ernstes eine Welt, in der Fische von Fischen gefressen wurden. Anfangs fraßen große Fische die Kleinen; dann begann ein Rüstungswettlauf. Bei kleinen Fischen entwickelte sich ein Panzer, bei größeren Fischen wuchsen die Kiefer, sodass sie den Panzer knacken konnten und so weiter. Zähne und Knochen führten zu einem tief greifenden Wandel der Konkurrenzverhältnisse. Noch interessanter wird die Sache, wenn wir einige der ersten Tiere mit Knochen im Kopf betrachten. Wenn wir uns aus der Zeit der ersten mit Conodonten ausgestatteten Tiere ein wenig weiter der Gegenwart nähern, finden wir die ersten Skelette mit Schädelknochen. Sie gehörten zu den Schalenhäutern oder Ostracodermata, einer Gruppe von Fischen, die rund 500 Millionen Jahre alt ist, und man findet sie in Gestein auf der ganzen Welt, von der Arktis

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bis nach Bolivien. Diese Fische sehen aus wie ein Hamburger mit einem dicken Schwanz. Der Kopfabschnitt eines Schalenhäuters hat die Form einer großen Scheibe und ist von einem Knochenpanzer bedeckt, der fast wie eine Rüstung aussieht. Wer in einem Museum eine Schublade aufzieht und sich ein solches Skelett zeigen lässt, dem fällt sofort etwas Seltsames auf: Die Knochen des Kopfes glänzen ganz ähnlich wie unsere Zähne oder die Schuppen eines Fisches. Es gehört zu den Freuden eines Wissenschaftlerlebens, dass die Natur uns immer wieder verblüffen und überraschen kann. Die

Ein Conodont (links) und ein Schalenhäuter (rechts). Anfangs hatte man nur einzelne Conodonten gefunden. Als man dann das ganze Tier kannte, wurde klar, dass die Conodonten im Mund dieser weichen, kieferlosen Fische eine Zahnreihe bildeten. Der Kopf der Schalenhäuter ist mit Knochenplatten bedeckt. Im Mikroskop sehen die Schichten dieses Panzers aus, als bestünden sie aus kleinen, zahnähnlichen Strukturen. Rekonstruktion der Conodonten mit freundlicher Genehmigung von Dr. Mark Purnell, Universität Leicester, und Dr. Philip Donoghue, Universität Bristol.

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Schalenhäuter, diese rätselhafte Gruppe urzeitlicher, kieferloser Fische, ist dafür ein hervorragendes Beispiel. Sie gehören zu den ältesten Lebewesen, deren Kopf mit Knochen verstärkt war. Wenn man einen solchen Schädelknochen aufschneidet, in Kunststoff einbettet und unter das Mikroskop legt, sieht man nicht nur irgendein altes Gewebe, sondern praktisch den gleichen Aufbau wie bei unseren Zähnen. Es gibt eine Schicht aus »Zahnschmelz« und sogar eine Markhöhle. Der ganze Panzer besteht aus Tausenden von kleinen, miteinander verschmolzenen Zähnen. Dieser Knochenschädel – einer der ältesten, die man in fossiler Form kennt – besteht ganz und gar aus kleinen Zähnen. Zähne entstanden ursprünglich, um andere Tiere zu beißen; später dienten sie in veränderter Form als Schutz.

Zähne, Drüsen und Federn

Die Zähne waren nicht nur Vorboten einer ganz neuen Lebensweise, sondern sie machen auch deutlich, dass es einen neuen Weg zur Entstehung von Organen gab. Eckzähne entwickeln sich während der Entstehung unserer Haut durch das Wechselspiel zweier Gewebeschichten. Vereinfacht gesagt, nähern die beiden Schichten sich aneinander an, die Zellen teilen sich, dann verändern die Schichten ihre Form und produzieren Proteine. Die äußere Schicht gibt die molekularen Vorläufer des Zahnschmelzes ab, die innere bildet das Zahnbein und das Mark im Inneren des Zahnes. Nach und nach bildet sich die Struktur des Zahnes heraus, und dann wird sie so abgewandelt, dass das typische Höcker- und Rinnenmuster der einzelnen biologischen Arten entsteht. Das Entscheidende an der Zahnentwicklung ist das Wechselspiel zwischen diesen beiden Gewebeschichten: Eine äußere Zelllage und eine innere, lockere Schicht weiterer Zellen falten sich zusammen, und beide Schichten scheiden die Moleküle aus, die zum Aufbau des Organs notwendig sind. Genau der gleiche Vorgang ist für die Entwicklung aller Strukturen verantwortlich, die sich in der Haut entwickeln: Schuppen, Haare, Federn, Schweißdrüsen, sogar

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die Brustdrüsen. In allen Fällen lagern sich zwei Schichten zusammen, falten sich und scheiden Proteine aus. Sogar die Kombination der wichtigsten genetischen Schalter, die an diesem Prozess mitwirken, ist in allen Gewebetypen mehr oder weniger ähnlich. Das Ganze lässt sich mit dem Bau einer neuen Fabrik oder der Einrichtung einer neuen Produktionslinie vergleichen. Nachdem man beispielsweise das Spritzgussverfahren für Kunststoffe erfun-

Zähne, Brustdrüsen, Federn und Haare entwickeln sich durch das Wechselspiel zwischen den Hautschichten.

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den hatte, wurde es zur Herstellung der unterschiedlichsten Dinge verwendet, von Autoteilen bis zu Jojos. Nicht anders war es mit den Zähnen. Als es den Prozess, durch den sie entstehen, erst einmal gab, wurde er abgewandelt und diente nun zur Herstellung aller möglichen Organe in der Haut. Zu welchen Extremen dies führte, haben wir an den Schalenhäutern gesehen. Auch Vögel, Reptilien und Menschen sind in vielerlei Hinsicht ebenso extrem. Schuppen, Federn oder Brüste hätten sich nie entwickelt, wenn es nicht zunächst die Zähne gegeben hätte. Die Entwicklungswege zur Bildung von Zähnen wurden so umfunktioniert, dass sie auch andere wichtige Strukturen in der Haut hervorbringen konnten. In einer sehr realen Hinsicht sind also Zähne, Federn und Brüste aufgrund ihrer Vergangenheit untrennbar verbunden. In den ersten vier Kapiteln haben wir uns mit der Frage befasst, wie man das gleiche Organ bei verschiedenen Tieren wiederfinden kann. In Kapitel 1 haben wir erfahren, dass man Voraussagen machen kann und unsere Organe in abgewandelter Form schon in sehr altem Gestein findet. Im zweiten Kapitel war davon die Rede, wie man ähnliche Knochen auf dem ganzen Weg von den Fischen zu den Menschen verfolgen kann. Im Kapitel 3 wurde gezeigt, wie man den eigentlich erblichen Teil unseres Körpers, die DNA und das genetische Rezept zum Aufbau der Organe, bei verschiedenen Tierarten wiederfinden kann. Ähnliche Prinzipien finden wir jetzt auch bei Zähnen, Brustdrüsen und Gefieder. Die biologischen Vorgänge, durch die solche Organe entstehen, sind Abwandlungen eines stets gleichen Prinzips. Wenn man erkennt, welch tiefe Ähnlichkeit zwischen verschiedenen Organen und Organismen besteht, so wird immer deutlicher, dass alle Bewohner unseres Planeten Variationen des gleichen Themas sind.

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5. Vorwärtskommen

Es war am vorletzten Abend vor meinem Abschlussexamen in Anatomie. Ich saß um zwei Uhr morgens im Seziersaal und prägte mir die Schädelnerven ein. Es gibt zwölf solche Nerven, die sich alle nochmals verzweigen und im Schädel bizarre, gewundene Bahnen beschreiben. Um sie zu untersuchen, hatten wir den Schädel von der Stirn bis zum Kinn geöffnet und auch einige Wangenknochen zersägt. Nun hielt ich in jeder Hand einen halben Kopf und verfolgte die gewundenen Wege der Nerven, die vom Gehirn zu den verschiedenen Muskeln und Sinnesorganen des Kopfes verlaufen. Besonders fesselten mich zwei Schädelnerven, der Trigeminus und der Nervus facialis. Ihr komplizierter Bau ließ sich auf etwas so Einfaches, so empörend Simples zurückführen, dass ich den Kopf des Menschen plötzlich in einem ganz neuen Licht sah. Die Erkenntnis kam mir, weil ich wusste, dass die Sache bei Haien viel einfacher aussieht. Meine elegante Einsicht – die allerdings nicht neu war, denn in der vergleichenden Anatomie wusste man es schon seit über 100 Jahren – und der Druck der bevorstehenden Prüfung ließen mich vergessen, wo ich mich befand. Irgendwann sah ich mich um. Es war zwei Uhr morgens, und ich war ganz allein im Raum. Aber ich war auch von 25 toten, unter Laken verborgenen Menschen umgeben. Zum ersten und letzten Mal wurde mir flau. Der Schweiß brach mir aus, die Nackenhaare sträubten sich, meine Füße taten ihre Pflicht, und im nächsten Augenblick fand ich mich völlig außer Atem an der Bushaltestelle wieder. Es braucht nicht besonders betont zu werden, dass ich mir lächerlich vorkam. Ich weiß noch, wie ich zu mir sagte: Shubin, du bist doch ein harter Kerl. Aber der Gedanke hielt nicht lange an; wenig später

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stellte ich fest, dass ich meine Hausschlüssel im Institut vergessen hatte. Was mich zu einem so harten Kerl machte, ist die Tatsache, dass die Anatomie des Kopfes etwas zutiefst Faszinierendes und sogar Schönes ist. Es gehört zu den Freuden der Wissenschaft, dass man hin und wieder eine Gesetzmäßigkeit erkennt, die plötzlich Ordnung in ein scheinbares Chaos bringt. Ein großes Durcheinander wird plötzlich zu einem Teil eines einfachen Planes, und es ist, als hätte man etwas durchschaut und sein wahres Wesen entdeckt. Dieses Kapitel handelt davon, wie man das wahre Wesen in unserem eigenen Kopf entdeckt. Und natürlich auch in den Köpfen von Fischen.

Das Chaos im Kopf

Die Anatomie des Kopfes ist nicht nur kompliziert, sondern auch kaum zu sehen: Im Gegensatz zu anderen Körperteilen sind die Gewebe des Kopfes in einer Knochenkapsel eingeschlossen. Um Blutgefäße und Organe zu betrachten, muss man buchstäblich mit einer Säge die Wangen, die Stirn und den Schädel öffnen. Wenn wir auf diese Weise ins Innere eines menschlichen Kopfes vordringen, finden wir einen Klumpen, der ein wenig wie eine verworrene Angelschnur aussieht. Blutgefäße und Nerven verlaufen in seltsamen Schleifen und Kurven durch den Schädel. In dieser kleinen Kapsel befinden sich Tausende von Nervenverzweigungen, Muskeln und Knochen. Auf den ersten Blick ist das große Ganze ein verwirrendes Durcheinander. Unser Schädel besteht aus drei Grundbestandteilen, die man sich als Platten, Blöcke und Stäbe vorstellen kann. Die Platten umgeben das Gehirn. Wir brauchen uns bloß oben auf den Kopf zu klopfen, dann spüren wir sie. Diese großen Platten passen zusammen wie Puzzlesteine und bilden den größten Teil des Gehirnschädels. Als wir geboren wurden, waren sie noch getrennt; die Öffnungen zwischen ihnen, Fontanellen genannt, sind bei Säuglingen gut zu sehen, und manchmal erkennt man sogar, wie darunter das Ge-

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hirngewebe pulsiert. Wenn wir älter werden, wachsen die Knochen heran, und ungefähr zur Zeit des zweiten Geburtstages sind sie miteinander verschmolzen. Ein weiterer Teil unseres Schädels liegt unter dem Gehirn und bildet dort einen Sockel, der es stützt. Im Gegensatz zu den Platten auf der Oberseite sehen die Knochen hier eher wie komplizierte Blöcke aus, und durch sie hindurch verlaufen zahlreiche Blutgefäße und Nerven. Die Knochen des dritten Typs bilden unsere Kiefer, einige liegen auch in den Ohren und im Rachen; diese Knochen sehen zu Beginn ihrer Entwicklung wie Stäbe aus, die sich aber später aufteilen und ihre Form verändern, sodass sie uns beim Kauen, Schlucken und Hören nützlich sein können. Im Inneren des Schädels befinden sich mehrere Abteile und Hohlräume, die verschiedene Organe beherbergen. Den größten davon nimmt natürlich das Gehirn ein. Andere Hohlräume enthalten die Augen, Teile unserer Ohren und die Strukturen der Nase. Dass die Anatomie des Kopfes so schwer zu verstehen ist, liegt zu einem großen Teil daran, dass man sich diese verschiedenen Hohlräume und Organe dreidimensional vorstellen muss. An die Knochen und Organe im Kopf sind die Muskeln angeheftet, mit denen wir beißen, sprechen und die Augen sowie den ganzen Kopf bewegen. Versorgt werden diese Muskeln von zwölf Nerven, die alle vom Gehirn zu verschiedenen Regionen des Kopfes verlaufen. Das sind die gefürchteten Schädelnerven. Wenn man den grundlegenden Aufbau des Kopfes erkennen will, muss man sich klarmachen, dass die Schädelnerven nicht nur ein Durcheinander sind. In Wirklichkeit sind die meisten von ihnen einfach gebaut. Die einfachsten haben jeweils nur eine Funktion und setzen jeweils an einem Muskel oder einem anderen Organ an. Der Nervus olfactorius – das ist der Schädelnerv, der zur Nase läuft – hat eine einzige Aufgabe: Er transportiert Informationen vom Nasengewebe zum Gehirn. Auch manche Nerven, die zu den Augen und Ohren verlaufen, sind ähnlich einfach: Der Sehnerv ist für das Sehen zuständig, der Gehörnerv für das Hören. Ungefähr vier weitere Schädelnerven versorgen ausschließlich Muskeln: Sie sorgen dafür, dass sich die Augen in den Augenhöhlen bewegen oder dass sich der Kopf auf dem Hals drehen kann.

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Platten, Blöcke und Stäbe: das gemeinsame Merkmal der Schädel. Alle Knochen unseres Kopfes lassen sich auf diese drei Elemente zurückführen.

Vier Schädelnerven jedoch verursachen den Medizinstudenten schon seit Jahrzehnten schlaflose Nächte. Das hat seinen Grund: Diese vier haben sehr komplizierte Aufgaben und verlaufen zu diesem Zweck auf gewundenen Wegen durch den Kopf. Besondere Erwähnung verdienen der Trigeminus und der Gesichtsnerv (Nervus facialis). Beide gehen vom Gehirn aus und verzweigen sich dann zu einem verwirrenden Nervengeflecht. Wie ein Telefonkabel, das die Informationen von Kabelfernsehen, Internet und Telefonie gleichzeitig übertragen kann, so überträgt auch ein einziger Zweig des Trigeminus- oder des Gesichtsnervs sowohl Sinnes- als auch Bewegungsinformationen. Die einzelnen Fasern für Sinneswahrnehmung und Tätigkeit gehen von verschiedenen Teilen des Gehirns aus, vereinigen sich wie in Kabeln (die wir als Trigeminus oder Gesichtsnerv bezeichnen), und trennen sich dann wieder, sodass sie als Äste den gesamten Kopf durchziehen. Die Zweige des Trigeminusnervs haben zwei wichtige Aufgaben: Sie steuern Muskeln und transportieren Sinnesinformationen von vielen Teilen unseres Gesichts zum Gehirn. Zu den Muskeln, die vom Trigeminusnerv versorgt werden, gehören die Kaumus-

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keln ebenso wie winzige Muskeln tief im Innenohr. Außerdem ist der Trigeminus der wichtigste Nerv für Empfindungen im Gesicht. Dass eine Ohrfeige nicht nur aus emotionalen Gründen so wehtut, liegt daran, dass der Trigeminus die Sinnesinformationen von der Gesichtshaut zum Gehirn übermittelt. Auch der Zahnarzt kennt die Äste des Trigeminusnervs sehr gut. Manche von ihnen laufen zu den Zahnwurzeln; eine einzige Betäubungsspritze in einen dieser Äste kann die Schmerzempfindung entlang einer ganzen Zahnreihe unterdrücken. Der Gesichtsnerv steuert ebenfalls Muskeln und übermittelt Sinnesinformationen. Wie der Name schon sagt, ist er der wichtigste Nerv für die Muskeln, die Gesichtsausdrücke erzeugen. Diese winzigen Muskeln benutzen wir, um zu lächeln, die Stirn zu runzeln, die Augenbrauen zu heben oder zu senken, die Nase aufzublähen und so weiter. Sie tragen großartige, klangvolle Namen. Einer der wichtigsten Muskeln, die wir einsetzen, wenn wir uns ärgern – er zieht die Mundwinkel nach unten – heißt Musculus depressor anguli oris. Ein weiterer großartiger Name gehört zu dem Muskel, mit dem wir besorgt die Stirn in Falten legen: Musculus corrugator supercilii. Blähen wir die Nasenflügel auf, so benutzen wir den Musculus nasalis. Sie alle und auch sämtliche anderen Muskeln, die für Gesichtsausdrücke zuständig sind, werden von den verschiedenen Zweigen des Gesichtsnervs gesteuert. Symptome wie ein schiefes Lächeln oder asymmetrisch herabhängende Augenlider sind ein Zeichen, das in einer Hälfte des Gesichts etwas mit dem Gesichtsnerv nicht stimmt. Bisher ist möglicherweise nicht ganz klar, warum ich mich so lange bei diesen Nerven aufhalte. Auf den ersten Blick scheint an ihnen nichts Sinnvolles zu sein. So verlaufen zum Beispiel sowohl vom Trigeminus- als auch vom Gesichtsnerv winzige Äste zu den Muskeln in unseren Ohren. Warum nehmen zwei verschiedene Nerven, die ansonsten ganz unterschiedliche Teile von Gesicht und Kiefer versorgen, Einfluss auf Muskeln im Ohr, die unmittelbar nebeneinander liegen? Und was noch verwirrender ist: Die Äste von Trigeminus und Gesichtsnerv überkreuzen sich fast auf ihrem Weg zu Gesicht und Kiefer. Warum? Hinter einer solchen Struktur mit seltsam überflüssigen Funktionen und gewundenen Wegen scheint

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kein Sinn und Verstand zu stecken, erst recht nicht, wenn man betrachtet, wie die Nerven im Verhältnis zu den Knochenplatten, blöcken und -stäben des Schädels angeordnet sind. Wenn ich über diese Nerven nachdenke, fällt mir ein, was ich 2001 kurz nach meinem Umzug nach Chicago erlebte. Man hatte mir in einem 100 Jahre alten Gebäude einige Räume für ein Forschungslabor zur Verfügung gestellt, das nun mit neuen Elektroinstallationen, Wasserleitungen und Belüftungsanlagen ausgestattet werden musste. Ich weiß noch genau, wie die Handwerker zum ersten Mal die Wände aufklopften und sich Zugang zum Innenleben des Gebäudes verschafften. Auf die Leitungen und Kabel, die sie in der Wand vorfanden, reagierten sie fast genauso wie ich, nachdem ich den Kopf eines Menschen geöffnet und zum ersten Mal den Trigeminus- und den Gesichtsnerv gesehen hatte. Die Kabel und Rohrleitungen in der Wand bildeten ein unübersichtliches Gewirr. Kein Mensch, der bei Verstand war, konnte ein Gebäude auf diese Weise geplant haben – mit Kabeln und Leitungen, die in bizarren Windungen und Wendungen durch das ganze Haus verliefen. Genau darum geht es. Das Haus war 1896 errichtet worden, und die Installationen entsprachen einer alten Planung, die bei jeder Renovierung umgebaut worden war. Wenn man die Elektrokabel und Wasserleitungen verstehen wollte, musste man etwas über die Vergangenheit des Gebäudes wissen, über die Renovierungen, die jede neue Wissenschaftlergeneration vorgenommen hatte. Auch mein Kopf hat eine lange Geschichte, und in dieser Geschichte liegt die Erklärung für komplizierte Strukturen wie den Trigeminus- und Gesichtsnerv. Was uns Menschen angeht, beginnt diese Geschichte mit einer befruchteten Eizelle.

Das Wesentliche im Embryo

Das Leben eines Menschen beginnt nicht mit dem Kopf: Zunächst einmal vereinigen sich Spermium und Ei zu einer einzigen Zelle. Zwischen dem Augenblick der Befruchtung und der dritten

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Lebenswoche wächst aus dieser einen Zelle eine Zellkugel heran, dann eine scheibenförmige Ansammlung von Zellen, dann ein Gebilde, das entfernt an ein Rohr erinnert und bereits verschiedene Gewebe enthält. Zwischen dem dreiundzwanzigsten und dem achtundzwanzigsten Tag wird das vordere Ende des Rohrs dicker und faltet sich über den Körper, sodass der Embryo bereits aussieht, als hätte er sich in der Embryonalhaltung zusammengekauert. Der Kopf ähnelt in diesem Stadium einem großen Klumpen. Am Ansatz dieses Klumpens liegt der Schlüssel für nahezu den gesamten grundlegenden Aufbau des Kopfes. In dem Bereich, der später zum Rachen wird, entwickeln sich vier kleine Verdickungen. Die beiden ersten sind nach etwa drei Wochen zu erkennen, die dritte und vierte tauchen ungefähr vier Tage später auf. Äußerlich wirken die Verdickungen recht unscheinbar: eine kleine Blase, die von der nächsten durch eine winzige Vertiefung getrennt ist. Verfolgt man aber, was mit den Blasen und Vertiefungen weiter geschieht, so erkennt man die Ordnung und Schönheit des Kopfes einschließlich des Trigeminus- und des Gesichtsnervs. Einige Zellen in den Blasen, die auch als Kiemenbögen bezeichnet werden, bringen später Knochengewebe hervor, andere entwickeln sich zu Muskeln und Blutgefäßen. In jedem Bogen befindet sich eine komplizierte Mischung verschiedener Zellen; manche von ihnen haben sich dort geteilt, andere sind über eine lange Strecke in die Kiemenbögen eingewandert. Teilt man die Zellen in den einzelnen Kiemenbögen danach ein, wo sie sich am Ende im erwachsenen Menschen befinden, erscheint plötzlich alles sehr sinnvoll. Aus dem ersten Kiemenbogen entstehen das Gewebe von Oberund Unterkiefer, zwei winzige Knochen im Innenohr (Hammer und Amboss) sowie sämtliche Muskeln und Blutgefäße zu ihrer Versorgung. Der zweite Bogen bildet den dritten kleinen Gehörknochen (den Steigbügel), einen kleinen Knochen im Rachen und die meisten Muskeln für die Steuerung der Gesichtsausdrücke. Aus dem dritten Bogen gehen tiefer im Rachen gelegene Knochen, Muskeln und Nerven hervor, alles Strukturen, die zum Schlucken dienen. Der vierte Bogen schließlich bildet den tiefsten Abschnitt des Rachens mit Teilen des Kehlkopfes sowie den Muskeln und

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Blutgefäßen, die ihn umgeben und sein Funktionieren möglich machen. Stellen wir uns einmal vor, wir würden auf die Größe eines Stecknadelkopfes schrumpfen und durch den Mund des heranwachsenden Embryos wandern. Dann würden wir erkennen, dass zu jeder Schwellung eine kleine Vertiefung gehört. Auch von diesen Vertiefungen gibt es vier, und wie im Fall der Bögen auf der Außenseite, so lassen auch ihre Zellen wichtige Strukturen entstehen. Die erste verlängert sich und wird zur Eustachischen Röhre sowie einigen weiteren Strukturen im Ohr. Die zweite bildet einen Hohlraum, der die Rachenmandeln aufnimmt. Die dritte und vierte Vertiefung bringen wichtige Drüsen hervor, darunter die Nebenschilddrüse, die Thymusdrüse und die Schilddrüse. Damit habe ich einen der wichtigsten Kunstgriffe erklärt, die man anwenden muss, wenn man die komplizierten Schädelnerven und große Teile des Kopfes verstehen will. Im Zusammenhang

Verfolgt man die Kiemenbögen vom Embryo bis zum ausgewachsenen Organismus, kann man den Ursprung von Kiefern, Ohren, Kehlkopf und Rachen erkennen. Im Inneren der Bögen entwickeln sich Knochen, Muskeln, Nerven und Blutgefäße.

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mit dem Trigeminusnerv sollte man stets an den ersten Kiemenbogen denken. Gesichtsnerv – zweiter Bogen. Dass der Trigeminus sowohl zu den Kiefern als auch zum Ohr verläuft, liegt daran, dass alle von ihm versorgten Strukturen sich ursprünglich im ersten Kiemenbogen entwickeln. Das Gleiche gilt für den Gesichtsnerv und den zweiten Kiemenbogen. Was haben die Muskeln für die Gesichtsausdrücke mit den Muskeln im Ohr gemeinsam, die ebenfalls vom Gesichtsnerv versorgt werden? Alle stammen vom zweiten Kiemenbogen ab. Und ebenso ist der komplizierte Verlauf der Nerven des dritten und vierten Bogens darauf zurückzuführen, dass die von ihnen versorgten Strukturen ebenfalls aus diesen Bögen hervorgegangen sind. Diese Nerven des dritten und vierten Kiemenbogens, darunter der Zungen-Schlundnerv und der Vagusnerv, unterliegen der gleichen Gesetzmäßigkeit wie die weiter vorn gelegenen Nerven: Auch sie verlaufen zu Strukturen, die sich aus »ihrem« Kiemenbogen gebildet haben. Dieser grundlegende Bauplan des Kopfes hilft uns auch, in einer der großartigsten Anekdoten aus der Geschichte der Anatomie einen Sinn zu finden. Im Jahr 1790, so die Geschichte, spazierte Johann Wolfgang von Goethe über den jüdischen Friedhof in Venedig. Plötzlich fiel ihm das halb verweste Skelett eines Widders auf. Die Wirbel waren zu sehen, und darüber lag ein beschädigter Schädel. Plötzlich hatte Goethe eine Erleuchtung: Er erkannte, dass der zerbrochene Schädel aussah wie eine durcheinandergewürfelte Masse von Wirbeln. Damit war ihm klar geworden, welche gewichtige Gesetzmäßigkeit dahinter steckte: Der Schädel besteht aus Wirbeln, die zusammengewachsen sind und ein Gewölbe bilden, sodass sie das Gehirn und die Sinnesorgane einschließen können. Das war eine revolutionäre Idee: Schädel und Körper erschienen auf einmal wie zwei Versionen des gleichen Grundbauplans. Die Vorstellung muss Anfang des neunzehnten Jahrhunderts in der Luft gelegen haben, denn angeblich kamen auch andere, unter anderem Lorenz Oken, in einem ähnlichen Umfeld praktisch auf die gleiche Idee. Ohne es zu wissen, waren Goethe und Oken auf eine sehr tief greifende Gesetzmäßigkeit gestoßen. Unser Körper besteht aus Segmenten, und diese Unterteilung ist an den Wirbeln am deutlich-

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sten zu erkennen. Jeder Wirbel ist ein Knochenblock, der ein Körpersegment repräsentiert. Auch unsere Nerven sind in Segmenten organisiert, die in engem Zusammenhang mit den Wirbeln stehen. Aus dem Rückenmark treten Nerven aus, die den Körper versorgen. Sehr deutlich zeigt sich der Segmentaufbau, wenn man sich ansieht, welche Abschnitte des Rückenmarks mit den einzelnen Körperteilen verknüpft sind. Die Beinmuskeln werden beispielsweise von Nerven versorgt, die aus dem unteren Teil des Rückenmarks austreten, die Nerven für die Arme zweigen weiter oben ab. Der Kopf mag nicht so aussehen, aber auch er repräsentiert letztlich eine Segmenteinteilung. Die Kiemenbögen definieren Segmente von Knochen, Muskeln, Blutgefäßen und Nerven. Am ausgewachsenen Organismus ist dieses Muster nicht zu erkennen, am Embryo dagegen sehr wohl. Während der Entwicklung vom Embryo zum Erwachsenen gehen an unserem Schädel alle sichtbaren Indizien für die Entstehung aus Segmenten verloren. Über den Kiemenbögen bilden sich die Knochenplatten des Schädels, und die Muskeln, Nerven und Blutgefäße, die anfangs alle ein sehr einfaches Segmentmuster aufweisen, sind im ausgewachsenen Kopf umgebaut. Kenntnisse über die Embryonalentwicklung sind nützlich, wenn wir voraussagen wollen, welche Defekte bei Kindern mit bestimmten Geburtsfehlern auftreten. Bei einer Fehlentwicklung des ersten Kiemenbogens haben die Betroffenen beispielsweise einen winzigen Unterkiefer, und die Ohren funktionieren nicht, weil der Hammer- oder der Ambossknochen fehlt. Alle diese Strukturen hätten sich normalerweise aus dem ersten Kiemenbogen bilden müssen. Die Bögen sind die Ausgangspunkte für große Teile des Schädels, von den komplizierten Schädelnerven bis hin zu den Muskeln, Blutgefäßen, Knochen und Drüsen im Schädelinneren. Aber sie sind auch ein Hinweis auf etwas ganz anderes: auf unsere tief greifende Verbindung zu den Haien.

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Unser innerer Hai

Viele Witze, die von Anwälten handeln, laufen auf die gleiche Aussage hinaus: In jedem Rechtsvertreter steckt ein besonders gefräßiger Hai. Solche Witze sind immer wieder einmal in Mode, und als ich während einer dieser Modewellen einen Embryologiekurs leitete, kam mir der Gedanke, dass man Haiwitze eigentlich über jeden Menschen machen kann. Wir alle sind abgewandelte Haie – oder, noch schlimmer: In jedem von uns steckt ein Anwalt. Wie wir bereits erfahren haben, liegt das Geheimnis des Kopfes zum größten Teil in den Kiemenbögen, jenen Verdickungen, die den weiteren Weg zu den Schädelnerven und anderen komplizierten Strukturen im Kopf vorzeichnen. Die unscheinbaren Schwellungen und Vertiefungen beflügeln schon seit 150 Jahren die Fantasie der Anatomen, denn sie ähneln stark den Kiemenschlitzen im Halsbereich von Haien und anderen Fischen. Auch Fischembryonen besitzen diese Verdickungen und Einstülpungen. Die Vertiefungen öffnen sich bei den Fischen irgendwann und bilden dann die Zwischenräume zwischen den Kiemen, durch die das Wasser strömt. Bei uns werden die Vertiefungen nor-

Die Kiemenregion eines Hais und eines Menschen sieht im Frühstadium der Entwicklung sehr ähnlich aus.

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malerweise verschlossen. Hin und wieder funktioniert dieser Vorgang nicht ordnungsgemäß, sodass die Vertiefungen als Säcke oder Zysten geöffnet bleiben. Eine solche Halszyste ist in vielen Fällen gutartig: Ein offener Hautsack im Hals wird zu einem flüssigkeitsgefüllten Hohlraum. Er entsteht, weil der dritte oder vierte Kiemenbogen sich nicht richtig schließt. In seltenen Fällen wird ein Kind sogar mit Resten des urtümlichen Kiemenknorpels geboren, einem kleinen Stab, der ein Balken aus dem dritten Kiemenbogen war. Meine Chirurgenkollegen müssen dann einen inneren Fisch herausoperieren, der zu uns zurückgekommen ist und Unannehmlichkeiten bereitet. Am Kopf aller Tiere von den Haien bis zum Menschen tauchen während der Entwicklung die gleichen vier Kiemenbögen auf. Die Vielfalt der Entwicklung ergibt sich erst aus den Vorgängen, die sich im Inneren der Bögen abspielen. An dieser Stelle können wir Punkt für Punkt einen Vergleich zwischen unserem Kopf und dem der Haie anstellen. Betrachtet man den ersten Kiemenbogen von Haien und Menschen, so stößt man auf eine große Ähnlichkeit: die Kiefer. Der wichtigste Unterschied besteht darin, dass sich aus dem Kiemenbogen beim Menschen auch ein Teil der Ohrknöchelchen bildet, die es bei Haien nicht gibt. Wie nicht anders zu erwarten, geht auch der Schädelnerv, der bei Haien wie bei Menschen den Kiefer versorgt – der Trigeminus – aus dem ersten Kiemenbogen hervor. Die Zellen im zweiten Kiemenbogen teilen und verändern sich, bis sie einen Balken aus Knorpel und Muskeln bilden. Bei uns spaltet sich der Knorpelbalken auf und bildet einen der drei Mittelohrknochen (den Steigbügel) sowie mehrere weitere kleine Strukturen an der Unterseite von Kopf und Rachen. Einer dieser Knochen, das Zungenbein, hilft uns beim Schlucken. Wer gern einen guten Schluck nimmt und dabei Musik hört, sollte sich bei den Körperteilen bedanken, die vom zweiten Kiemenbogen abstammen. Beim Hai teilt sich der zweite Kiemenbogen und bildet zwei Knochen, die als Stütze für die Kiefer dienen: der untere entspricht unserem Zungenbein, der obere stützt den Oberkiefer. Wer schon einmal zugesehen hat, wie ein großer weißer Hai etwas verschlingen will – zum Beispiel einen Taucher in einem Schutzkäfig –, dem

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ist vermutlich aufgefallen, dass der Oberkiefer sich beim Zubeißen nach vorn strecken und wieder zurückziehen kann. Der obere Knochen des zweiten Kiemenbogens gehört hier zu einem Hebelsystem aus Knochen, die durch ihre Drehung eine solche Bewegung möglich machen. Dieser obere Knochen ist auch noch in anderer Hinsicht bemerkenswert: Er entspricht dem Steigbügelknochen in unserem Ohr. Knochen, die bei Haien den Ober- und Unterkiefer stützen, dienen bei uns zum Hören und Schlucken.

Auf den ersten Blick sehen unsere Schädelnerven (unten rechts) anders aus als die eines Hais (unten links). Bei genauerem Hinsehen findet man aber weitreichende Ähnlichkeiten. Praktisch alle unsere Nerven gibt es auch beim Hai. Und die Parallele geht noch weiter: Einander entsprechende Nerven versorgen bei Haien und Menschen ähnliche Strukturen und treten sogar in derselben Reihenfolge aus dem Gehirn aus (oben links und rechts).

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Was den dritten und vierten Kiemenbogen angeht, so stellen wir fest, dass viele Strukturen, die uns beim Sprechen und Schlucken helfen, bei Haien zum Stützgewebe der Kiemen gehören. Die Muskeln und Schädelnerven, mit denen wir schlucken und reden, bewegen bei Haien und anderen Fischen die Kiemen. Unser Kopf mag auf den ersten Blick unglaublich kompliziert wirken, aber er ist nach einem sehr einfachen, eleganten Bauplan konstruiert. Allen Schädeln auf der Welt liegen die gleichen Prinzipien zugrunde, ganz gleich, ob es sich um einen Hai, einen Knochenfisch, einen Salamander oder einen Menschen handelt. Die Entdeckung dieser Prinzipien war eine der wichtigsten Errungenschaften der Anatomie im 19. Jahrhundert, also zu einer Zeit, als Anatomen die Embryonen aller möglichen Tierarten unter ihre Mikroskope legten. Im Jahr 1872 erkannte der Anatom Francis Maitland Balfour aus Oxford als Erster den Grundbauplan des Kopfes, als er Haie untersuchte und die Verdickungen, die Kiemenbögen und die Strukturen in ihrem Inneren betrachtete. Leider kam er wenig später beim Bergsteigen in den Schweizer Alpen ums Leben. Er wurde noch nicht einmal vierzig Jahre alt.

Kiemenbogengene

In den ersten drei Wochen nach der Befruchtung werden in den Kiemenbögen und den Geweben, aus denen später einmal das Gehirn hervorgeht, ganze Genbatterien ein- und ausgeschaltet. Diese Gene erteilen den Zellen die Anweisung, die verschiedenen Teile des Kopfes zu bilden. Man kann sich vorstellen, dass jede Kopfregion mit einer Art genetischer Adresse gekennzeichnet wird. Durch Veränderung dieser Adresse können wir die Strukturen, die sich dort entwickeln, abwandeln. Im vorderen Bereich des Kopfes, wo der erste Kiemenbogen entsteht, ist beispielsweise ein Gen namens Otx aktiv. Dahinter, eher an der Rückseite des Kopfes, entfalten die Hox-Gene ihre Wirkung. In jedem Kiemenbogen ist eine andere Kombination von Hox-Genen aktiv. Wenn man darüber Bescheid weiß, kann man ei-

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ne »Landkarte« der Kiemenbögen erstellen und darin einzeichnen, welche Gene jeweils zu ihrer Entstehung beitragen. Nun kann man experimentieren und die genetische Adresse eines Kiemenbogens gegen die eines anderen austauschen. Man nimmt einen Froschembryo, schaltet darin einige Gene ab, sodass die genetischen Signale des ersten und zweiten Kiemenbogens sich stark ähneln, und schon wächst ein Frosch mit zwei Kiefern heran: An der Stelle, wo sich normalerweise das Zungenbein befindet, entwickelt sich ein zusätzlicher Unterkiefer. Damit ist gezeigt, welch große Bedeutung die genetischen Adressen für die weitere Entwicklung der Kiemenbögen haben. Mit der Adresse ändern sich auch die Strukturen, die aus ihnen hervorgehen. Diese Methode ist deshalb so wichtig, weil wir nun mit der Grundkonstruktion der Köpfe experimentieren können: Die Identität der Kiemenbögen lässt sich fast nach Belieben verändern, wenn man die Aktivität ihrer Gene manipuliert.

Der Weg der Köpfe: Vom kopflosen Wunder zu unseren Vorfahren mit Köpfen

Warum sollen wir bei Fröschen und Haien stehenbleiben? Warum weiten wir unsere Vergleiche nicht auf andere Tiere aus, beispielsweise auf Insekten oder Würmer? Lohnt sich das, obwohl keines dieser Tiere einen Schädel hat, von Schädelnerven ganz zu schweigen? Sie besitzen noch nicht einmal Knochen. Wenn wir die Fische verlassen und uns den Würmern zuwenden, betreten wir eine Welt der weichen, kopflosen Lebensformen. Aber bei genauem Hinsehen finden wir auch hier Teile unserer selbst. Eine Anfängervorlesung in vergleichender Anatomie beginnt in der Regel mit einem Dia des Lanzettfischchens (Amphioxus). Mit Beginn jedes Wintersemesters erscheinen auf den Projektionsflächen der Hörsäle von Maine bis Kalifornien Hunderte von Lanzettfischchen. Warum? Denken wir einmal an den alten Gegensatz zwischen Wirbeltieren und Wirbellosen. Amphioxus ist ein Wurm, ein wirbelloses Tier, aber er hat viele Merkmale mit Wirbeltieren –

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Fischen, Amphibien, Säugetieren – gemeinsam. Das Lanzettfischchen hat kein Rückgrat, aber wie bei allen Tieren mit Wirbelsäule verläuft in seinem Rücken ein zentraler Nervenstrang. Und parallel zu diesem Strang zieht sich ein starrer Stab durch den Körper. Dieser Stab, Notochord genannt, ist mit einer geleeartigen Substanz gefüllt und dient dem ganzen Tier als Stütze. Auch wir besitzen als Embryonen ein Notochord, das aber anders als beim Lanzettfischchen zerfällt und letztlich in die Bandscheiben zwischen un-

Die engsten Verwandten der Tiere mit einem Kopf sind Würmer mit Kiemenschlitzen. Das Bild zeigt Amphioxus und die Rekonstruktion eines fossilen, mehr als 530 Millionen Jahre alten Wurmes (Haikouella). Beide Würmer besitzen ein Notochord, einen Nervenstrang und Kiemenschlitze. Den fossilen Wurm kennt man von über 300 Einzelfunden aus Südchina.

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seren Wirbeln eingeht. Reißt eine solche Scheibe, kann das Gelee des früheren Notochords großen Schaden anrichten, wenn es beispielsweise auf einen Nerv drückt oder die Beweglichkeit der Wirbel behindert. Bei einem Bandscheibenvorfall geht also ein sehr urtümlicher Teil unseres Körpers kaputt. Vielen Dank, Amphioxus! Amphioxus ist unter den Würmern kein Einzelfall. Einige besonders gute Exemplare finden wir nicht in den Ozeanen unserer Tage, sondern in sehr altem Gestein in China und Kanada. In Sedimenten, die über 500 Millionen Jahre alt sind, liegen kleine Würmer ohne Kopf, ohne kompliziert gebautes Gehirn und ohne Schädelnerven. Sie sehen unscheinbar aus – eigentlich sind es nur kleine Flecken im Gestein –, sind als Fossilien aber unglaublich gut erhalten. Unter dem Mikroskop erkennt man zarte Abdrücke der anatomischen Einzelheiten ihrer Weichteile, ja hier und da hat sich sogar ihre Haut ins Gestein eingeprägt. Auch etwas anderes an ihnen ist großartig. Es sind die ältesten Lebewesen mit einem Notochord und einem zentralen Nervenstrang. Von diesen Würmern erfahren wir etwas über den Ursprung unserer Körperteile. Und noch etwas haben wir mit diesen kleinen Würmern gemeinsam: die Kiemenbögen. Amphioxus besitzt sie in Hülle und Fülle, und zu jedem Bogen gehört ein kleiner Knorpelbalken. Wie der Knorpel, aus dem unsere Kiefer, unsere Gehörknöchelchen und Teile unseres Kehlkopfes hervorgehen, so dienen auch diese Stäbe als Stütze für den Kiemenschlitz. Die wesentlichen Teile unseres Kopfes lassen sich also auf Würmer zurückführen, das heißt auf Lebewesen, die noch nicht einmal einen Kopf hatten. Was fängt Amphioxus mit seinen Kiemenbögen an? Die Antwort: Er pumpt Wasser hindurch und filtert kleine Nahrungsteilchen heraus. Aus einem so bescheidenen Anfang ist die Grundstruktur unseres Kopfes hervorgegangen. Wie Zähne, Gene und Gliedmaßen, so wurde auch der grundlegende Aufbau des Kopfes im Laufe der Erdzeitalter abgewandelt und für neue Funktionen umgestaltet.

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6. Die besten (Körper)baupläne

Jeder Mensch ist ein Paket aus ungefähr zwei Billionen Zellen, die nach einem sehr genauen Plan zusammengestellt sind. Unser Körper ist ein dreidimensionales Gebilde, in dem Zellen und Organe am richtigen Platz liegen. Oben ist der Kopf. Das Rückenmark verläuft im Rücken abwärts. Der Darm liegt im Bauch, Arme und Beine setzen seitlich an. Durch diesen grundlegenden Aufbau unterscheiden wir uns von einfacher gebauten Lebewesen, die nur ein Klumpen oder eine Scheibe aus Zellen sind. Der gleiche Grundbauplan ist auch für andere Tiere von großer Bedeutung. Wie wir, so sind auch Fische, Eidechsen und Kühe symmetrisch gebaut, mit Vorn und Hinten, Oben und Unten, Links und Rechts. Am Vorderende (das dem oberen Ende eines aufrecht gehenden Menschen entspricht) befindet sich bei allen ein Kopf, der Sinnesorgane und ein Gehirn beherbergt. Bei allen läuft ein Rückenmark im Rücken über die Länge des Körpers. Und wie wir haben sie einen Darmausgang, der sich am dem Mund entgegengesetzten Körperende befindet. Der Kopf liegt am Vorderende, das heißt in der Richtung, in der die meisten Tiere schwimmen oder gehen. Wie man sich leicht vorstellen kann, würde ein Körperbau mit nach vorn gerichtetem Darmausgang in den meisten Umfeldern und insbesondere im Wasser nicht gut funktionieren. Schwieriger ist es, den gleichen Grundbauplan bei wirklich primitiven Tieren zu erkennen, beispielsweise bei den Quallen. Ihr Körper ist anders gebaut: Die Zellen sind in Scheiben organisiert, die ein Oben und Unten haben. Da ihnen aber Vorn und Hinten, Kopf und Schwanz, Links und Rechts fehlt, scheint die Organisation des Quallenkörpers sich stark von unserer eigenen zu unterscheiden. Und den Versuch, unseren Körperbauplan mit dem eines

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Schwammes zu vergleichen, sollte man überhaupt nicht unternehmen. Man könnte es zwar versuchen, aber schon die Tatsache, dass man es probiert, würde mehr psychiatrische als anatomische Erkenntnisse liefern. Um einen sinnvollen Vergleich zwischen uns und solchen primitiven Tieren anstellen zu können, brauchen wir ein paar Hilfsmittel. Wie Kopf und Gliedmaßen, so ist auch unsere Vergangenheit in der Entwicklung von der Eizelle zum Erwachsenen aufgezeichnet. Embryonen enthalten Anhaltspunkte für die Lösung einiger besonders tief greifender Rätsel des Lebendigen. Außerdem sind sie in der Lage, meine Pläne aus dem Gleis zu werfen.

Der große Plan: Embryonen vergleichen

Als ich mit meiner Promotion begann, wollte ich fossile Säugetiere untersuchen, aber drei Jahre später handelte meine Dissertation schließlich von Fischen und Amphibien. Den Abfall vom wahren Glauben, wenn man es so nennen will, erlebte ich, als ich zum ersten Mal Embryonen betrachtete. In unserem Labor hatten wir eine Menge davon: Salamanderlarven, Fischembryonen, sogar befruchtete Hühnereier. Immer wieder legte ich sie unter das Mikroskop, weil ich wissen wollte, was sich bei ihnen abspielte. Die Embryonen aller Tierarten sahen ein wenig wie kleine weißliche Zellklumpen aus und waren nicht länger als drei Millimeter. Ihrer Entwicklung zuzusehen, war spannend: Der eigentliche Embryo wurde größer, und dafür schrumpfte der Dotter, der ihm die Nährstoffe lieferte. Wenn der Dotter aufgebraucht war, hatte der Embryo in der Regel bereits eine Größe erreicht, mit der er auf die Welt kommen konnte. Die Beobachtung der Entwicklungsprozesse setzte bei mir eine gewaltige geistige Wandlung in Gang. Aus derart einfachen embryonalen Anfängen – kleinen Zellklumpen – gingen großartig komplexe Vögel, Frösche und Forellen hervor, in denen Billionen Zellen genau auf die richtige Weise angeordnet waren. Aber das war noch nicht alles. Die Fisch-, Amphibien- und Hühnerembryonen waren anders als alles, was ich bis dahin in der Biologie ge-

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sehen hatte. Alle sahen mehr oder weniger gleich aus. Alle hatten einen Kopf mit Kiemenbögen. Alle hatten ein kleines Gehirn, dessen Entwicklung mit drei Verdickungen begann. Alle hatten kleine Extremitätenknospen. Die Extremitäten sollten sogar zum Thema meiner Doktorarbeit werden, zum Mittelpunkt meiner Arbeit während der nächsten drei Jahre. Ich verglich, wie sich das Skelett bei Vögeln, Salamandern, Fröschen und Schildkröten entwickelte, und dabei stellte ich fest, dass auch ganz unterschiedliche Gliedmaßen, beispielsweise Vogelflügel und Froschbeine, sich in der Embryonalentwicklung stark ähneln. In allen diesen Embryonen erkannte ich eine gemeinsame Architektur. Am Ende sahen die Arten unterschiedlich aus, aber am Anfang stand immer nahezu der gleiche Ausgangspunkt. Betrachtet man Embryonen, so verblassen die Unterschiede zwischen Säugetieren, Vögeln, Amphibien und Fischen im Vergleich zu den grundlegenden Ähnlichkeiten. Dann lernte ich die Arbeiten des Biologen Karl Ernst von Baer kennen. Im neunzehnten Jahrhundert beschäftigten sich manche Naturphilosophen mit Embryonen, weil sie den großen Plan für alles Leben auf der Erde finden wollten. Unter diesen Forschern war Karl Ernst von Baer eine herausragende Gestalt. Der Spross einer Adelsfamilie hatte ursprünglich Medizin studiert. Sein Professor schlug ihm vor, er solle die Entwicklung der Hühner studieren und herausfinden, wie sich bei diesen Vögeln die Organe entwickelten. Leider konnte von Baer sich keinen Brutschrank leisten, um mit Hühnern zu arbeiten, und sein Geld reichte auch nicht für eine größere Zahl von Eiern. Das war kein besonders vielversprechender Anfang. Aber glücklicherweise hatte er einen wohlhabenden Freund namens Christian Pander, und der konnte sich die Experimente leisten. Als sie gemeinsam die Embryonen untersuchten, gelangten sie zu einer grundlegenden Erkenntnis: Alle Organe eines Huhns lassen sich auf drei Gewebeschichten des Embryos zurückführen. Diese drei Schichten wurden unter dem Namen Keimblätter bekannt. Sie erlangten eine fast legendäre Stellung, und die haben sie bis heute behalten. Panders drei Schichten verschafften von Baer die Möglichkeit, wichtige Fragen zu stellen. Gilt für alle Tiere das gleiche Prinzip? Stammen Herz, Lunge und Muskeln aller Tiere von diesen

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Schichten ab? Und was besonders wichtig war: Entwickeln sich die Schichten bei verschiedenen Tierarten zu den gleichen Organen weiter? Von Baer verglich die drei Schichten aus Panders Hühnerembryonen mit allen anderen Tieren, deren er habhaft werden konnte: mit Fischen, Reptilien und Säugetieren. Ja, alle Organe dieser Tiere hatten ihren Ursprung in einer der drei Schichten. Und interessanterweise gingen aus den drei Schichten bei allen Arten die gleichen Strukturen hervor. Immer entstand beispielsweise das Herz aus der gleichen Schicht. Eine andere Schicht brachte bei allen Tieren das Gehirn hervor, und so weiter. Ganz gleich, wie unterschiedlich die Arten im ausgewachsenen Zustand aussehen, als winzige Embryonen machten sie stets die gleichen Entwicklungsstadien durch. Wenn wir richtig einschätzen wollen, wie wichtig diese Erkenntnis war, müssen wir uns noch einmal die ersten drei Wochen nach der Befruchtung einer menschlichen Eizelle ansehen. Im Augenblick der Befruchtung spielen sich in der Eizelle wichtige Veränderungen ab: Das genetische Material von Samen- und Eizelle verschmilzt, und die Zelle beginnt sich zu teilen. Irgendwann bilden die Zellen eine Kugel. Beim Menschen teilt sich die ursprüngliche einzelne Zelle im Laufe von ungefähr fünf Tagen vier Mal, sodass eine Kugel aus 16 Zellen entsteht. Diese Kugel, die man auch Blastozyste nennt, ähnelt einem flüssigkeitsgefüllten Ballon. Eine dünne Wand aus Zellen umschließt einen mit Flüssigkeit gefüllten Hohlraum. In diesem »Blastozystenstadium« scheint es noch keinen Körperbauplan zu geben – es gibt kein Vorn und Hinten, und mit Sicherheit sind noch keine Organe oder Gewebe zu erkennen. Ungefähr am sechsten Tag nistet sich die Zellkugel in der Gebärmutter ein und verbindet sich mit ihr, sodass Mutter und Embryo den Blutkreislauf gemeinsam nutzen können. Immer noch sind keine Anzeichen für einen Körperbauplan zu erkennen. Es ist noch ein weiter Weg von der Zellkugel bis zu einem Gebilde, in dem man ein Säugetier, ein Reptil oder einen Fisch erkennen könnte – von einem Menschen ganz zu schweigen. Wenn wir Glück haben, hat sich die Zellkugel nun in der Gebärmutter festgesetzt. Nistet sich die Blastozyste an der falschen Stelle ein – man spricht dann von einer »ektopischen Implantation« –,

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kann dies gefährliche Folgen haben. In ungefähr 96 Prozent der Fälle findet die ektopische Implantation in den Eileitern statt, das heißt in der Nähe der Stelle, an der sich auch die Befruchtung abspielt. Manchmal versperrt Schleim der Blastozyste den Weg in die Gebärmutter, sodass sie sich fälschlich im Eileiter festsetzt. Wird eine solche Eileiterschwangerschaft nicht rechtzeitig erkannt, kann sie zu verschiedenen Gewebeschäden führen. In seltenen Fällen gelangt die Blastozyste sogar in die Bauchhöhle, also in den Zwischenraum zwischen Verdauungsorganen und Körperwand; noch seltener nistet sie sich auf der Außenseite von Enddarm oder Gebärmutter ein, und der Fetus entwickelt sich bis zur Geburt. Solche Kinder können zwar manchmal durch einen Bauchhöhlenschnitt zur Welt kommen, die ektopische Implantation ist aber in der Regel sehr gefährlich: Das Risiko, dass die Mutter innerlich verblutet, ist gegenüber einer normalen Einnistung in der Gebärmutter um den Faktor 90 erhöht. Jedenfalls sind wir in diesem Entwicklungsstadium äußerst unscheinbare Lebewesen. Ungefähr zu Beginn der zweiten Woche nach der Befruchtung hat sich die Blastozyste eingenistet: Ein Teil der Kugel steckt in der Gebärmutterwand, der andere ragt heraus. Man kann sich vorstellen, man würde einen Luftballon gegen eine Wand drücken: Die abgeflachte Scheibe entwickelt sich zum Embryo weiter. Unser gesamter Körper bildet sich aus dem oberen Teil der Kugel, der in die Wand eingelagert ist. Der Teil der Blastozyste, der sich unter der Scheibe befindet, umschließt den Dotter. Der entstehende Mensch sieht nun aus wie ein Frisbee: Er ist eine einfache, aus zwei Lagen bestehende Scheibe. Wie gehen aus dieser ovalen Scheibe von Baers drei Keimblätter hervor, und wie entsteht irgendwann das menschenähnliche Aussehen? Zunächst einmal teilen die Zellen sich weiter und wandern, sodass die Gewebe sich einstülpen. Im Laufe dieses Prozesses entsteht ein Rohr mit einer gefalteten Verdickung am Kopfende und einer weiteren am Schwanz. Würde man den Embryo in diesem Stadium in der Mitte durchschneiden, könnte man ein Rohr im Inneren eines zweiten Rohres erkennen. Das äußere Rohr wird später zur Körperwand, das innere zum Verdauungstrakt. Getrennt sind beide durch einen Hohlraum, der später zur Körperhöhle wird.

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Diese Struktur der zwei ineinandergesteckten Röhren bleibt während unseres gesamten Lebens erhalten. Das Darmrohr wird immer komplizierter, ein großer Sack entwickelt sich zum Magen, der lange Darm entwickelt Windungen und Kurven. Auch das äußere Rohr wird komplizierter: Haare, Haut, Rippen und Gliedmaßen wachsen nach außen. Aber der Grundbauplan bleibt bestehen. Ein ausgewachsener Mensch mag komplizierter sein als der Embryo nach 21 Tagen, aber jeder von uns ist ein Rohr in einem Rohr, und alle unsere Organe stammen von den drei Gewebeschichten ab, die in der zweiten Wochen nach der Befruchtung entstanden sind.

Das Frühstadium: In den ersten drei Wochen nach der Befruchtung entwickelt sich die Eizelle zu einer Kugel und schließlich zu einem Rohr.

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Die Namen dieser drei höchst wichtigen Schichten weisen auf ihre Lage hin: Die Außenschicht heißt Ektoderm, die innere ist das Endoderm, und die mittlere wird als Mesoderm bezeichnet. Aus dem Ektoderm gehen der größte Teil der äußeren Körperstrukturen (vor allem die Haut) und das Nervensystem hervor. Das Endoderm, die innere Schicht, bildet viele innere Organe, darunter den Verdauungstrakt und zahlreiche mit ihm verbundene Drüsen. Die mittlere Schicht, das Mesoderm, wird zu den Geweben zwischen Darm und Haut, darunter große Teile des Skeletts und die Muskulatur. Ganz gleich, ob es sich um den Körper eines Lachses, eines Huhns, eines Frosches oder einer Maus handelt, immer sind die Organe aus Ektoderm, Endoderm und Mesoderm hervorgegangen. Von Baer erkannte, wie sich an den Embryonen grundlegende Gesetzmäßigkeiten des Lebendigen offenbaren. Er stellte zweierlei Eigenschaften in der Entwicklung einander gegenüber: Die einen sind allen Tierarten gemeinsam, die anderen unterscheiden sich von Art zu Art. Merkmale wie die Anordnung des Rohres in einem Rohr findet man bei allen Tieren, die eine Wirbelsäule besitzen, also bei Fischen, Amphibien, Reptilien, Vögeln und Säugetieren. Solche gemeinsamen Merkmale treten in der Entwicklung relativ frühzeitig auf. Dagegen entstehen Eigenschaften, durch die wir uns unterscheiden – das größere Gehirn der Menschen, der Panzer der Schildkröten, die Federn der Vögel – erst vergleichsweise spät. Damit verfolgte von Baer einen ganz anderen Ansatz als die Idee »die Ontogenie ist eine Wiederholung der Phylogenie«, an die sich manch einer vielleicht aus der Schule noch erinnert. Von Baer stellte einfach Vergleiche zwischen Embryonen an, und dabei fiel ihm auf, dass die Embryonen verschiedener Arten einander stärker ähneln als die ausgewachsenen Tiere. Nach der Theorie von der Wiederholung der Phylogenie in der Ontogenie, die Ernst Haeckel einige Jahrzehnte später vertrat, macht ein Organismus während seiner Embryonalentwicklung jedes Mal in verkürzter Form die Evolution seiner Spezies durch. Entsprechend würde dann ein menschlicher Embryo ein Fisch-, Reptilien- und Säugetierstadium durchlaufen. Haeckel verglich also einen menschlichen Embryo mit einem ausgewachsenen Fisch oder einer Eidechse. Auf den ersten Blick schei-

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nen zwischen von Baers und Haeckels Ideen nur geringfügige Unterschiede zu bestehen, aber in Wirklichkeit ist das nicht der Fall. Neue Befunde aus den letzten 100 Jahren sprechen viel stärker für von Baers Theorie. Als Haeckel die Embryonen einer Spezies den ausgewachsenen Exemplaren einer anderen gegenüberstellte, verglich er Apfel mit Birnen. Ein sinnvoller Vergleich zeichnet sich dadurch aus, dass man mit seiner Hilfe letztlich die Mechanismen erkennt, die eine Evolution vorantreiben. Und zu diesem Zweck muss man die Embryonen verschiedener Arten vergleichen. Embryonen verschiedener Arten sehen nicht genau gleich aus, aber die Ähnlichkeiten sind verblüffend. Alle besitzen Kiemenbögen und ein Notochord, und alle haben in irgendeinem Entwicklungsstadium die Form eines Rohrs. Und was ebenfalls wichtig ist: Ganz unterschiedliche Embryonen, so auch die von Fischen und Menschen, gliedern sich in die drei von Pander und von Baer entdeckten drei Keimblätter. Damit sind wir bei der Frage, um die es eigentlich geht. Woher »weiß« der Embryo, dass er an seinem Vorderende einen Kopf

Nach vier Wochen ist der Embryo ein Rohr in einem Rohr; aus den drei Keimblättern gehen alle Organe hervor.

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und am Hinterende einen Darmausgang hervorbringen soll? Welche Mechanismen treiben die Entwicklung an und versetzen Zellen und Gewebe in die Lage, einen Organismus zu bilden? Die Beantwortung solcher Fragen erforderte einen ganz neuen Ansatz. Statt einfach wie in von Baers Zeit verschiedene Embryonen zu vergleichen, musste man einen Weg finden, um sie zu analysieren. Gegen Ende des neunzehnten Jahrhunderts begann die Ära, von der schon in Kapitel 3 die Rede war: Jetzt wurden Embryonen zerkleinert, verpflanzt, zerteilt und mit sämtlichen nur vorstellbaren chemischen Substanzen behandelt. Alles im Namen der Wissenschaft.

Experimente mit Embryonen

Zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts schlugen sich die Biologen im Zusammenhang mit dem Körperbau mit grundsätzlichen Fragen herum. Wo liegt im Embryo die Information für seinen Aufbau? Befindet sich diese Information in jeder Zelle oder in bestimmten Zellgruppen? Und was für eine Information ist es – handelt es sich um eine besondere chemische Verbindung? Seit 1903 untersuchte der deutsche Embryologe Hans Spemann, wie Zellen während der Entwicklung »lernen«, einen Körper aufzubauen. Er wollte herausfinden, wo die Informationen des Körperbauplanes liegen. Für Spemann lautete die große Frage: Enthalten alle Zellen des Embryos so viele Informationen, dass sie den Körper aufbauen können, oder ist diese Information nur in einem begrenzten Teil des entstehenden Embryos vorhanden? Spemann arbeitete mit den Eiern von Molchen, die relativ einfach zu beschaffen und im Labor auch gut zu handhaben waren. Er dachte sich ein kluges Experiment aus. Dazu schnitt er seiner kleinen Tochter ein Haar ab und machte daraus ein winziges Lasso. Babyhaare haben bemerkenswerte Eigenschaften: Sie sind weich, dünn und biegsam, und damit stellen sie das ideale Hilfsmittel dar, wenn man eine winzige Kugel, beispielsweise ein Molchei, abschnüren will. Genau das tat Spemann: Er zerteilte ein Molchei

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während seiner Entwicklung in zwei Hälften. Nachdem er die Zellkerne ein wenig manipuliert hatte, ließ er die Entwicklung weiterlaufen und sah zu, was geschah. Aus dem Embryo entstanden Zwillinge: zwei vollständige Salamander, jeder mit normal gebautem Körper und quicklebendig. Die Schlussfolgerung lag auf der Hand: Aus einer Eizelle können mehrere Individuen hervorgehen. Nichts anderes geschieht bei eineiigen Zwillingen. Biologisch hatte Spemann nachgewiesen, dass manche Zellen in einem frühen Embryonalstadium in der Lage sind, eigenständig zu einem ganz neuen Individuum heranzuwachsen. Das Experiment war der Anfang einer ganzen Welle neuer Entdeckungen. In den 1920er Jahren begann Hilde Mangold, eine Doktorandin in Spemanns Institut, mit kleinen Embryonen zu arbeiten. Sie hatte so geschickte Hände, dass sie einige unglaublich anspruchsvolle Experimente anstellen konnte. Die Salamanderembryonen, die Mangold dafür benutzte, waren in diesem Entwicklungsstadium kleine Kugeln mit einem Durchmesser von ungefähr eineinhalb Millimetern. Von einem solchen Embryo schnitt sie ein winziges, noch nicht einmal stecknadelkopfgroßes Gewebestück ab und verpflanzte es auf den Embryo einer anderen biologischen Art. Bei dem verpflanzten Gewebe handelte es sich nicht um irgendein Stück, sondern um einen Bereich, dessen Zellen durch Wanderung und Faltung einen großen Teil der drei Keimblätter bildeten. Mangold verfügte über eine so große Fingerfertigkeit, dass die Embryonen ihre Entwicklung nach der Verpflanzung tatsächlich fortsetzten und Mangold damit eine angenehme Überraschung bereiteten.

Durch Verpflanzung eines kleinen Gewebeanschnitts im Embryo erzeugte Mangold Zwillinge.

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Das verpflanzte Gewebestück ließ einen ganz neuen Körper entstehen, der ein Rückenmark, einen Rücken, einen Bauch und sogar einen Kopf besaß. Warum ist das alles wichtig? Mangold hatte entdeckt, dass ein kleiner Gewebeabschnitt andere Zellen dazu veranlassen kann, einen ganzen Körperbauplan zu verwirklichen. Das winzige, unglaublich wichtige Gewebestück, das alle diese Informationen enthielt, wurde unter dem Namen Organisator bekannt. Mangolds Doktorarbeit wurde am Ende mit einem Nobelpreis belohnt, aber den erhielt nicht sie. Hilde Mangold kam durch einen tragischen Unfall ums Leben (der Benzinkocher in ihrer Küche fing Feuer), noch bevor die Arbeit überhaupt veröffentlicht wurde. An ihrer Stelle wurde Spemann 1935 mit dem Medizin-Nobelpreis ausgezeichnet, und die Verleihungsurkunde nennt als Grund »seine Entdeckung des Organisators und seiner Wirkungen in der Embryonalentwicklung«. Heute halten viele Wissenschaftler Mangolds Arbeit für das wichtigste Experiment in der gesamten Geschichte der Embryologie. Ungefähr zur gleichen Zeit, als Mangold in Spemanns Institut mit ihren Versuchen beschäftigt war, entwickelte W. Vogt (ebenfalls in Deutschland) kluge Methoden zur Markierung von Zellen oder Zellgruppen, sodass man nun zusehen konnte, was während der Entwicklung einer Eizelle geschieht. Außerdem konnte Vogt eine »Landkarte« des Embryos zeichnen, in der eingetragen war, an welcher Stelle einer Eizelle die einzelnen Organe ihren Ursprung haben. Eine Vorstufe des Körperbauplans erkennt man schon im frühen Embryonalstadium am Schicksal der einzelnen Zellen. Von den Pionieren der Embryologie – von Baer, Pander, Mangold, Spemann und anderen – haben wir etwas Wichtiges gelernt: Alle Teile unseres ausgewachsenen Körpers lassen sich auf einzelne Zellgruppen in der einfachen, dreilagigen Scheibe zurückführen, und der allgemeine Körperbauplan hat seinen Ursprung in der von Mangold und Spemann entdeckten Organisatorregion. Durch Zerschneiden, Zerteilen und Zusammenwürfeln kann man feststellen, dass es bei allen Säugetieren, Vögeln, Amphibi-

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en und Fischen einen Organisator gibt. Manchmal kann man sogar die Organisatorregion einer Spezies gegen die einer anderen austauschen. Verpflanzt man beispielsweise den Organisator eines Huhns auf einen Salamanderembryo, so erhält man einen Doppelsalamander. Aber was ist der Organisator eigentlich? Welcher Bestandteil seiner Zellen bestimmt darüber, wie der Körper aufgebaut wird? Natürlich die DNA. Und genau in dieser DNA finden wir das innere Rezept, das wir mit der gesamten übrigen Tierwelt gemeinsam haben.

Von Fliegen und Menschen

Von Baer sah zu, wie sich Embryonen entwickelten, verglich verschiedene biologische Arten und erkannte in ihrem Körperbau ein Grundmuster. Mangold und Spemann nahmen an den Embryonen gezielte Veränderungen vor und stellten auf diese Weise fest, wie ihr Gewebe den Körper aufbaut. Im DNA-Zeitalter können wir fragen, wie unsere eigene genetische Ausstattung unsere Entwicklung beeinflusst. Wie steuern unsere Gene die Entwicklung der Gewebe und des ganzen Körpers? Wer Fliegen bisher für unwichtig gehalten hat, sollte eines bedenken: Mutationen an diesen kleinen Insekten haben uns wichtige Aufschlüsse darüber geliefert, welche Gene auch in der Entwicklung des Menschen über den Körperbauplan mitbestimmen. Solche Erkenntnisse trugen zur Entdeckung von Genen bei, die Finger und Zehen entstehen lassen. Jetzt werden wir uns mit der Frage befassen, was sie über den Aufbau des ganzen Körpers aussagen. Auch Fliegen haben einen Körperbauplan. Es gibt bei ihnen ein Vorn und Hinten, ein Oben und Unten, und so weiter. Antennen, Flügel und andere Körperanhänge wachsen an der richtigen Stelle. Außer wenn sie nicht an der richtigen Stelle wachsen: Bei manchen mutierten Fliegen entspringen Beine am Kopf. Andere besitzen doppelte Flügel oder überzählige Körpersegmente. Solche Fliegenmutanten liefern beispielsweise Aufschlüsse darüber, warum

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die Wirbel bei uns in der Nähe des Kopfes anders geformt sind als am unteren Ende der Wirbelsäule. Mit anomal gebauten Fliegen beschäftigt sich die Wissenschaft schon seit über 100 Jahren. Besondere Aufmerksamkeit erregten Mutanten mit einem besonderen Typ von Anomalien. Diese Fliegen besitzen Organe an der falschen Stelle – ein Bein an dem Ort, wo sich normalerweise eine Antenne befindet, oder ein zusätzliches Flügelpaar –, oder einzelne Körpersegmente fehlen. Irgendetwas bringt bei solchen Tieren den Grundbauplan des Körpers durcheinander. Letztlich entstehen solche Mutanten durch einen Fehler in der DNA. Wie gesagt: Gene sind DNA-Abschnitte, die sich auf den Chromosomen befinden. Die Chromosomen kann man mit verschiedenen Methoden sichtbar machen und dann auch die Abschnitte identifizieren, die für die fragliche Mutation verantwortlich sind. Im Wesentlichen kreuzt man die Mutanten, sodass eine ganze Population entsteht, in der jedes Individuum den genetischen Fehler trägt. Anschließend vergleicht man die Gene dieser Tiere anhand verschiedener molekularer Kennzeichnungen mit den Genen normaler Fliegen. Auf diese Weise kann man den Chromosomenabschnitt ausfindig machen, der höchstwahrscheinlich für die Anomalie verantwortlich ist. Wie sich durch derartige Untersuchungen herausstellte, besitzt eine Fliege acht Gene, die derartige Mutanten hervorbringen können, und diese Gene liegen hintereinander auf einem der langen DNA-Stränge der Fliege. Die Gene, die sich auf den Kopf auswirken, liegen vor solchen, deren Effekt die mittleren Segmente der Fliege betrifft, den Teil ihres Körpers, der die Flügel trägt. Diese DNA-Abschnitte liegen ihrerseits neben solchen, die über die Entwicklung des hinteren Körperabschnitts bestimmen. Die Gene haben wirklich eine erstaunliche Anordnung: Ihre Lage ist ein Spiegelbild des Körperbaus von vorn nach hinten. Die nächste Aufgabe bestand in der Aufklärung der DNA-Strukturen, die für die Mutation verantwortlich sind. Nach den Befunden von Mike Levine und Bill McGinnis, die im Institut von Walter Gehring in der Schweiz arbeiteten, befindet sich in der Mitte jedes derartigen Gens eine kurze, immer nahezu gleiche DNA-Sequenz. Diesen Abschnitt bezeichneten sie als

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Homöobox, und die acht Gene, die ihn enthalten, nannten sie HoxGene. Als Levine und McGinnis nun bei anderen Tierarten nach der gleichen Sequenz suchten, stießen sie auf eine so einheitliche Gesetzmäßigkeit, dass sie wirklich verblüfft waren: Versionen der Hox-Gene kommen bei allen vielzelligen Tieren vor. Versionen der gleichen Gene sorgen für den von vorn nach hinten orientierten Körperbau so unterschiedlicher Arten wie Fliegen und Mäuse. Durch Manipulation der Hox-Gene kann man den Körperbauplan auf genau vorhersagbare Weise verändern. Stellt man beispielsweise eine Fliege her, der ein in einem mittleren Segment aktives Gen fehlt, so fehlt auch der mittlere Abschnitt des Fliegenkörpers, oder er ist stark verändert. Beseitigt man aus einer Maus ein Gen, das bestimmte Abschnitte des Brustkorbs festlegt, so verändern sich Teile des Rückens. Die Hox-Gene legen auch die Körperproportionen fest – sie sorgen dafür, dass die verschiedenen Abschnitte von Kopf, Brust und unterem Rücken die richtige Größe haben. Sie wirken an der Entwicklung einzelner Organe, Gliedmaßen und Geschlechtsteile mit. Sind sie verändert, so verändert sich auch der Aufbau unseres Körpers. Die Zahl der Hox-Gene ist bei den einzelnen Tieren unterschiedlich. Fliegen und andere Insekten besitzen acht von ihnen, bei Mäusen und anderen Säugetieren sind es 28. Die 28 Hox-Gene der Mäuse sind ausschließlich abgewandelte Versionen der Gene, die man auch bei Fliegen findet. Wegen dieser Ähnlichkeit kam man auf den Gedanken, die vielen Hox-Gene der Säugetiere könnten durch eine Verdoppelung der kleineren Genausstattung bei Fliegen entstanden sein. Trotz der zahlenmäßigen Unterschiede sind die Gene bei der Maus von vorn nach hinten in genau der gleichen Reihenfolge aktiv wie bei den Fliegen. Können wir in unserem Stammbaum noch weiter vordringen und die DNA-Abschnitte finden, die noch grundlegendere Körperbestandteile entstehen lassen? Die überraschende Antwort lautet: Ja. Wir stoßen dabei auf eine Verbindung zwischen uns und Tieren, die noch einfacher gebaut sind als Fliegen.

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Hox-Gene bei Fliegen und Menschen. Der Aufbau des Körpers von vorn nach hinten wird von verschiedenen Hox-Genen gesteuert. Fliegen besitzen eine Gruppe von acht Hox-Genen (kleine Vierecke im Diagramm). Beim Menschen gibt es vier solche Gruppen. Bei Fliegen wie bei Menschen entspricht die Funktion der Gene ihrer Lage in der DNA: Gene, die im Kopf aktiv sind, befinden sich am einen Ende, solche für den Schwanz am anderen; dazwischen liegen Gene, die sich auf die Körpermitte auswirken.

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DNA und der Organisator

Zu der Zeit, als Spemann den Nobelpreis erhielt, war der Organisator groß in Mode. Viele Wissenschaftler suchten nach der rätselhaften Substanz, die den ganzen Körperbauplan aufbauen konnte. Aber wie in der volkstümlichen Kultur, wo es eine Jojo- oder Tamagotchi-Mode gibt, so wechseln auch in der Wissenschaft die Vorlieben. In den 1970er Jahren galt der Organisator eigentlich nur noch als Kuriosität, als hübsche Anekdote aus der Geschichte der Embryologie. Dass er so in Misskredit geriet, lag daran, dass niemand herausfinden konnte, nach welchem Mechanismus er funktionierte. Das änderte sich in den achtziger Jahren mit der Entdeckung der Hox-Gene. Anfang der neunziger Jahre, als der Begriff des Organisators immer noch wenig Glanz hatte, suchten Wissenschaftler im Labor von Eddie De Robertis an der University of California in Los Angeles bei Fröschen nach Hox-Genen. Dabei bedienten sie sich der gleichen Methoden wie Levine und McGinnis. Es war eine breit angelegte Suche, und sie stießen dabei auf viele verschiedenartige Gene. Eines davon zeigte ein ganz besonderes Aktivitätsmuster. Es war genau an der Stelle im Embryo aktiv, an der sich der Organisator befand, und seine Aktivität setzte während der Entwicklung genau zum richtigen Zeitpunkt ein. Ich kann mir lebhaft vorstellen, was De Robertis empfand, als er dieses Gen gefunden hatte. Er untersuchte den Organisator, und dort befand sich ein Gen, das genau diesen Organisator im Embryo offensichtlich steuerte oder mit seiner Aktivität verknüpft war. Plötzlich war der Organisator wieder in aller Munde. Nun stieß man in Instituten auf der ganzen Welt auf Organisatorgene. Eines davon entdeckte Richard Harland in Berkeley mit einem anders angelegten Experiment. Dieses Gen, das auf den Namen Noggin getauft wurde, tut genau das, was man von einem Organisatorgen erwartet. Als Harland das Noggin-Produkt an der richtigen Stelle in einen Embryo injizierte, hatte es genau die gleiche Wirkung wie der Organisator. In dem Embryo entwickelten sich zwei Körperachsen und zwei Köpfe.

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Sind das von De Robertis gefundene Gen und Noggin tatsächlich die DNA-Abschnitte, die den Organisator ausmachen? Die Antwort: ja und nein. Viele Gene, darunter auch diese beiden, tragen mit ihrer Interaktion zur Organisation des Körperbauplans bei. Aber solche Systeme sind sehr komplex, denn jedes Gen kann während der Entwicklung viele verschiedene Aufgaben erfüllen. Noggin ist beispielsweise für die Entwicklung der Körperachsen von Bedeutung, es wirkt aber auch bei der Entstehung zahlreicher anderer Organe mit. Außerdem sorgen Gene nicht nur für komplizierte Verhaltensweisen der Zellen, wie man sie beispielsweise bei der Entwicklung des Kopfes beobachtet, sondern sie treten in allen Entwicklungsstadien auch mit anderen Genen in Wechselwirkung. Unter anderem kann ein Gen die Aktivität eines anderen hemmen oder verstärken. Manchmal schalten viele Gene durch ihr Zusammenwirken ein anderes Gen ein oder aus. Glücklicherweise können wir heute mit neuen Methoden die Aktivität vieler tausend Gene in einer Zelle gleichzeitig untersuchen. Verbindet man solche Verfahren mit neuen Methoden zur computergestützten Auswertung von Genfunktionen, so ergibt sich ein gewaltiges Potenzial zur Klärung der Frage, wie Gene die Zellen, Gewebe und Organismen aufbauen. Die Kenntnisse über die komplexen Wechselwirkungen zwischen ganzen Genbatterien wirft auch neues Licht auf die Mechanismen, durch die der Körper entsteht. Auch hier ist Noggin ein ausgezeichnetes Beispiel. Allein erteilt es den Zellen des Embryos keine Anweisungen über ihre Positionen entlang der von oben nach unten gerichteten Achse; diese Wirkung übt es nur im Verbund mit mehreren anderen Genen aus. Eines davon, BMP-4 genannt, ist ein Gen für die Unterseite; es ist in Zellen aktiv, die später an der Bauchseite des Embryos liegen. Zwischen BMP-4 und Noggin findet ein wichtiges Wechselspiel statt: Immer, wenn Noggin aktiv ist, kann BMP-4 seine Funktion nicht erfüllen. Unter dem Strich bedeutet das: Noggin erteilt den Zellen nicht die Anweisung, sich zu »Zellen auf der Oberseite des Körpers« zu entwickeln, sondern es schaltet das Signal ab, das sie ansonsten zu Zellen auf der Unterseite machen würde. Solche Wechselbeziehungen zwischen

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Aktivierung und Inaktivierung von Genen liegen praktisch allen Entwicklungsvorgängen zugrunde.

Eine innere Seeanemone

Unseren Körper mit dem von Fröschen und Fischen zu vergleichen, ist noch relativ einfach. Solchen Tieren sind wir in einem sehr realen Sinn recht ähnlich: Wir alle haben eine Wirbelsäule, zwei Beine, zwei Arme, einen Kopf und so weiter. Wie sieht es aber aus, wenn wir uns mit etwas völlig anderem vergleichen, beispielsweise mit den Quallen und ihren Verwandten? Die Körperachse der meisten Tiere ist definiert durch die Bewegungsrichtung oder durch die Anordnung von Mund und Darmausgang. Denken wir einmal darüber nach: Mund und Darmausgang liegen bei uns an entgegengesetzten Körperenden, und der Mund befindet sich wie bei Fischen und Insekten in »Vorwärtsrichtung«. Aber wie können wir uns in Tieren wiederfinden, die noch nicht einmal einen Nervenstrang besitzen? Die weder einen Darmausgang noch einen Mund haben? Quallen, Korallen und Seeanemonen besitzen zwar einen Mund, aber keinen Darmausgang. Durch die Öffnung, durch die sie ihre Nahrung aufnehmen, werden auch Abfallstoffe ausgestoßen. Diese seltsame Anordnung mag für Quallen und ihre Verwandten bequem sein, aber den Biologen, die sie mit anderen Tieren vergleichen wollen, bereitet sie Kopfschmerzen. Eine ganze Reihe meiner Kollegen, unter ihnen Mark Martindale und John Finnerty, haben sich näher mit dem Problem beschäftigt und dazu die Entwicklung von Tieren aus dieser Gruppe untersucht. Besonders aufschlussreich sind dabei die Seeanemonen, denn sie sind enge Verwandte der Quallen und haben einen sehr einfachen Körperbau. Außerdem sind Seeanemonen so ungewöhnlich geformt, dass es auf den ersten Blick zwecklos erscheint, sie mit uns zu vergleichen. Eine Seeanemone hat die Gestalt eines Baumstammes mit einem langen Zylinder in der Mitte und einer

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»Krone« aus Tentakeln am Ende. Wegen dieser seltsamen Form ist sie besonders reizvoll, denn es sieht aus, als habe sie ein Vorn und Hinten, ein Oben und Unten. Vom Mund zur Unterseite des Tieres kann man eine Linie ziehen, der die Biologen auch einen Namen gegeben haben: sie wird als oral-aborale Achse bezeichnet. Aber trotz dieses Namens muss sie nicht mehr sein als eine willkürlich gezogene Linie. Wenn es sich wirklich um eine richtige Achse handelt, ähnelt sie in ihrer Entwicklung möglicherweise einer unserer eigenen Körperachsen. Wie Martindale und seine Kollegen entdeckten, sind einige unserer wichtigsten Körperbauplan-Gene – nämlich diejenigen, die die Achse vom Kopf zum Darmausgang festlegen – in einfacher Form auch bei Seeanemonen vorhanden. Und was noch wichtiger ist: Diese Gene sind entlang der oral-aboralen Achse aktiv. Das wiederum bedeutet, dass die oral-aborale Achse dieser einfach gebauten Tiere die genetische Entsprechung zu unserer Achse vom Kopf zum Darmausgang ist.

Seeanemonen und andere Verwandte der Quallen haben wie wir ein Vorn und Hinten, das durch Versionen der gleichen Gene festgelegt wird.

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Eine Achse hätten wir also, eine andere fehlt noch. Gibt es bei Seeanemonen auch etwas, das der Achse vom Bauch zum Rücken entspricht? Vergleichbare Strukturen scheinen diese Tiere nicht zu besitzen. Dennoch unternahmen Martindale und seine Kollegen den kühnen Schritt, bei Seeanemonen nach den Genen zu suchen, die unsere Bauch-Rücken-Achse festlegen. Sie wussten, wie diese Gene bei uns aussehen, und deshalb war ihnen klar, wonach sie suchen mussten. Auf diese Weise entdeckten sie bei der Seeanemone nicht nur ein Bauch-Rücken-Gen, sondern viele. Diese Gene waren ebenfalls entlang einer Achse aktiv, die aber in keiner erkennbaren Beziehung zum Körperbau des ausgewachsenen Tieres stand. Worum es sich bei dieser verborgenen Achse handelt, sieht man dem Tier von außen also nicht an. Schneidet man es aber in der Mitte durch, findet man eine weitere wichtige Symmetrieachse. Sie wird als direktive Achse bezeichnet und legt anscheinend in dem Tier zwei Seiten fest, also fast einen Rücken und einen Bauch. Diese rätselhafte Achse war den Anatomen bereits in den zwanziger Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts bekannt und galt als Kuriosität, bis sie von Martindale und Finnerty wiederentdeckt wurde. Alle Tiere sind gleich und doch unterschiedlich. Wie ein Kuchenrezept, das von Generation zu Generation weitergegeben wird, wobei der Kuchen sich jedes Mal verbessert, wurde auch das Rezept für unseren Körperbau über die Zeitalter hinweg vererbt und abgewandelt. Wir mögen keine große Ähnlichkeit mit Seeanemonen und Quallen haben, aber das Rezept, nach dem wir gebaut sind, ist nur eine verfeinerte Form der Vorschrift, die über ihren Körperbau bestimmt. Stichhaltige Belege, dass ein gemeinsames genetisches Rezept den Körperbau der Tiere festlegt, findet man durch den Austausch von Genen zwischen verschiedenen Arten. Was geschieht, wenn man ein Körperbaugen aus einem kompliziert gebauten Tier – beispielsweise einem Menschen – gegen das entsprechende Gen einer Seeanemone austauscht? Erinnern wir uns noch einmal an das Gen Noggin, das bei Fröschen, Mäusen und Menschen an den Stellen angeschaltet wird, die sich zu den Strukturen des Rückens entwickeln. Spritzt man eine gewisse Menge des Noggin-Produktes von Fröschen zusätzlich in ein Froschei, entwickelt sich dieses

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zu einem Frosch mit zusätzlichen Rückenstrukturen und manchmal sogar mit einem zweiten Kopf. Auch im Embryo einer Seeanemone wird an einem Ende der direktiven Achse eine Version von Noggin eingeschaltet. Und nun das entscheidende Experiment: Man nimmt das Noggin-Produkt einer Seeanemone und injiziert es in einen Froschembryo. Das Ergebnis: ein Frosch mit zusätzlichen Körperstrukturen, der fast genauso aussieht, als hätte man dem Embryo das Noggin-Produkt seiner eigenen Spezies gespritzt. Wenn wir nun noch weiter in die Vergangenheit vordringen, sieht es auf den ersten Blick so aus, als stünden wir vor einer großen Lücke. Alle Tiere, von denen in diesem Kapitel die Rede war, hatten einen Körper. Wie können wir uns aber mit Lebewesen vergleichen, die keinen Körper besitzen – mit den einzelligen Mikroorganismen?

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7. Abenteuer beim Körperbau

Wenn ich während meiner Doktorandenzeit nicht gerade im Freiland unterwegs war und Fossilien sammelte, starrte ich meist in ein Mikroskop und sah mir an, wie Zellen sich zu Knochen verbinden. Ich nahm das heranwachsende Bein eines Salamanders oder Frosches und färbte die Zellen mit Farbstoffen, die entstehenden Knorpel blau und Knochen rot erscheinen lassen. Anschließend brauchte ich die Gliedmaßen nur noch mit Glycerin zu behandeln, dann wurde das übrige Gewebe durchsichtig. Es waren hübsche Präparate: Der Embryo war völlig transparent, und darin lagen die unterschiedlich gefärbten Knochen. Es war, als würde man ein gläsernes Tier betrachten. Während der langen Stunden am Mikroskop konnte ich buchstäblich zusehen, wie ein Tier zusammengebaut wurde. Im Frühstadium trugen die Embryonen kleine Extremitätenknospen, und die Zellen in ihrem Inneren lagen in gleichmäßigen Abständen. Später bildeten die Zellen in den Extremitätenknospen kleine Klumpen. Im weiteren Verlauf nahmen die Zellen dann unterschiedliche Formen an, und die Knochen entstanden. Jeder Klumpen, den ich im Frühstadium gesehen hatte, wurde zu einem Knochen. Wenn man zusieht, wie ein Tier entsteht, kommt man leicht ins Staunen. Ein Arm oder Bein wird wie ein Ziegelsteinhaus aus kleinen Bausteinen zusammengesetzt, die gemeinsam ein größeres Ganzes ergeben. Zwischen Haus und Embryo besteht aber ein großer Unterschied: Ein Haus hat einen Architekten, der weiß, wohin jeder einzelne Stein gehört; bei Gliedmaßen und Tierkörpern ist das nicht der Fall. Die Information, anhand deren die Gliedmaßen aufgebaut werden, liegt nicht in einem Bauplan, sondern in

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jeder einzelnen Zelle. Man kann es sich so vorstellen, als würde sich das Haus spontan aufgrund der in den Ziegelsteinen enthaltenen Informationen zusammenfinden: So entsteht der Körper eines Tiers. Vieles von dem, was den Körper ausmacht, ist in den Zellen eingeschlossen, und auch vieles von dem, was uns so einzigartig macht, liegt dort. Unser Körper sieht anders aus als der einer Qualle, weil die Zellen anders aneinandergeheftet sind, weil sie anders miteinander kommunizieren und weil sie unterschiedliche Substanzen herstellen. Bevor es auch nur einen »Körperbauplan« geben konnte – von Kopf, Gehirn oder Armen ganz zu schweigen –, musste es einen Weg geben, auf dem ein Körper überhaupt erst aufgebaut werden konnte. Was heißt das? Damit unsere Zellen die Gewebe und Strukturen im Körper bilden können, mussten sie wissen, wie sie zusammenarbeiten können – wie sie sich zu einem ganz neuen Individuum zusammenfinden müssen. Um das zu verstehen, wollen wir zuerst einmal betrachten, was ein Körper eigentlich ist. Dann beschäftigen wir uns mit den drei großen Fragen nach dem Körper: Wann, wie und warum? Wann sind die vielzelligen Körper entstanden, wie sind sie entstanden und – am wichtigsten – warum gibt es sie überhaupt?

Habeas Corpus: Zeig’ mir deinen Körper, und ich sage dir, wer du bist

Nicht jeder Ansammlung von Zellen kann man die Ehre antun, sie als vielzelligen Organismus zu bezeichnen. Ein Bakterienteppich oder eine Gruppe von Hautzellen ist etwas ganz anderes als eine Zellanordnung, die wir als Individuum bezeichnen würden. Diese Unterscheidung ist höchst bedeutsam; um sie zu verstehen, können wir ein Gedankenexperiment anstellen. Was geschieht, wenn man aus einem Bakterienteppich ein paar Bakterien entnimmt? Dann hat man am Ende einen kleineren Bakterienteppich. Was ist die Folge, wenn man einem Menschen oder

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einem Fisch beispielsweise aus dem Herzen ein paar Zellen entnimmt? Dann ist der Mensch oder der Fisch unter Umständen am Ende tot, je nachdem, welche Zellen man entfernt hat. Dieses Gedankenexperiment macht also ein definierendes Merkmal eines Vielzellers deutlich: Einzelteile wirken zusammen und bilden ein größeres Ganzes. Aber die Körperteile sind nicht alle gleich: Manche von ihnen werden zum Leben unbedingt gebraucht, andere nicht. Außerdem besteht in einem Körper eine Arbeitsteilung: Gehirn, Herz und Magen erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Diese Arbeitsteilung setzt sich auch auf den kleinsten Strukturebenen fort: in den Zellen, Genen und Proteinen, aus denen der Körper aufgebaut ist. Der Körper eines Wurmes oder eines Menschen besitzt eine Identität, die den Einzelteilen – Organen, Geweben und Zellen – fehlt. Unsere Hautzellen zum Beispiel teilen sich ständig, sterben ab und werden abgeschilfert. Dennoch ist ein Mensch immer noch der Gleiche wie vor sieben Jahren, auch wenn seine Hautzellen in dieser Zeit praktisch vollständig ausgetauscht wurden: Die Zellen von damals sind längst tot und verschwunden, und sie wurden durch neue ersetzt. Das Gleiche gilt praktisch für alle anderen Zellen unseres Körpers. Wie ein Fluss, der trotz aller Veränderungen von Verlauf, Wassermenge und sogar Größe immer der Gleiche bleibt, so bleiben auch wir trotz des ständigen Umsatzes aller Teile immer dasselbe Individuum. Und trotz dieses ständigen Wandels »kennt« jedes unserer Organe seine Größe und seinen Platz im Organismus. Wir wachsen mit den richtigen Proportionen heran, weil das Wachstum der Knochen in unseren Armen mit dem Wachstum der Knochen in Fingern und Schädel koordiniert wird. Unsere Haut ist glatt, weil ihre Zellen untereinander kommunizieren können, sodass sie unversehrt bleibt und eine regelmäßige Oberfläche hat. Es sei denn, es geschieht etwas Ungewöhnliches und wir bekommen beispielsweise eine Warze. Die Zellen in der Warze halten sich nicht an die Regeln und wissen nicht, wann sie das Wachstum einstellen müssen. Wenn das fein ausbalancierte Gleichgewicht zwischen den verschiedenen Körperteilen gestört wird, geht der Organismus unter Umständen zugrunde. Ein Krebsgeschwür zum Beispiel entsteht

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dadurch, dass eine Gruppe von Zellen nicht mehr mit allen anderen zusammenwirkt. Solche Zellen teilen sich endlos weiter oder sterben nicht zum vorgesehenen Zeitpunkt ab, und dann zerstören sie das unentbehrliche Gleichgewicht, das einen Menschen am Leben erhält. Krebszellen übertreten die Regeln, denen die Zellen bei ihrem Zusammenwirken unterliegen. Wie ein Egoist, der eine ansonsten höchst hilfsbereite Gesellschaft durcheinanderbringt, so verhält sich auch der Krebs so, dass er nur seinem eigenen Interesse dient, bis die größere Zellgemeinschaft – der menschliche Organismus – daran stirbt. Wie wird so viel Komplexität möglich? Als unsere entfernten Vorfahren vor rund einer Milliarde Jahren von Einzellern zu vielzelligen Organismen wurden, mussten sie sich neuer Mechanismen für die Zusammenarbeit bedienen. Sie mussten untereinander kommunizieren können und sich auf neue Weise aneinanderheften. Und sie mussten neue Substanzen hervorbringen, darunter auch die Moleküle, durch die sich verschiedenartige Zelltypen unterscheiden. Diese Produkte – der »Klebstoff« zwischen den Zellen, die Wege, auf denen Zellen sich »unterhalten« und die Moleküle, die sie produzieren – bilden das Arsenal, das zum Aufbau aller vielzelligen Organismen auf der Erde notwendig ist. Die Erfindung dieser Hilfsmittel kam einer Revolution gleich. Der Übergang von den Einzellern zu vielzelligen Tieren eröffnete eine ganz neue Welt. Neue Lebewesen mit ganz neuen Fähigkeiten entstanden: Sie wurden groß, sie bewegten sich fort, und bei ihnen entwickelten sich neue Organe, mit denen sie Dinge aus ihrer Umwelt wahrnehmen, essen und verdauen konnten.

Körper werden ausgegraben

Es ist für uns alle – Würmer, Fische und Menschen – ein demütigender Gedanke: Die Geschichte des Lebendigen ist eine Geschichte der Einzeller. Praktisch alle Lebewesen, von denen bisher die Rede war – Tiere mit Händen, Köpfen, Sinnesorganen, ja überhaupt mit einem Körperbauplan – existieren erst seit einem kleinen

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Bruchteil der Erdgeschichte. Um deutlich zu machen, wie winzig dieser Bruchteil ist, benutzen wir in Paläontologievorlesungen häufig die Metapher des »Erdjahres«: Wir stellen uns vor, die gesamte, 4,3 Milliarden Jahre lange Erdgeschichte wäre in einem einzigen Jahr zusammengedrängt – am ersten Januar ist die Erde entstanden, und der 31. Dezember um Mitternacht ist die Gegenwart. Bis zum Juni gab es dann als einzige Lebewesen einzellige Mikroorganismen wie Algen, Bakterien und Amöben. Das erste Tier mit einem Kopf entstand im Oktober und der erste Mensch am 31. Dezember. Wie alle Tiere und Pflanzen, die jemals gelebt haben, so sind auch wir die letzten späten Gäste auf der Party des Lebendigen. Wie gewaltig dieser Zeitraum ist, wird nur allzu deutlich, wenn wir rund um die Welt das Gestein betrachten. In Gestein, das älter ist als 600 Millionen Jahre, gibt es in der Regel keine Tiere oder Pflanzen. Dort finden wir nur Einzeller oder Algenkolonien. Solche Kolonien haben die Form von Teppichen oder Strängen, manche sehen auch aus wie ein Türknauf. Mit vielzelligen Organismen darf man sie auf keinen Fall verwechseln. Als man die ältesten Vielzeller in fossiler Form fand, hatte man keine Ahnung, worum es sich dabei handelte. Zwischen 1920 und 1960 tauchten plötzlich auf der ganzen Welt sehr seltsame Fossilien auf. Der deutsche PaläontoDie Zeitskala für die Geschichte des Lebendigen. Während einer sehr langen Phase gab es auf der Erde keine Vielzeller, sondern nur einzellige Organismen, die allein oder in Kolonien lebten.

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loge Martin Gurich entdeckte in den Zwanziger- und Dreißigerjahren im heutigen Namibia verschiedene Abdrücke im Gestein, die nach Tierkörpern aussahen. Sie waren wie Scheiben oder Platten geformt und wirkten eigentlich unscheinbar: Es hätte sich um primitive Algen oder Quallen handeln können, die in den vorzeitlichen Ozeanen zu Hause waren. Im Jahr 1947 kam der australische Bergbaugeologe Reginald Sprigg zufällig an einen Ort, wo an der Unterseite von Steinen zahlreiche Abdrücke von Scheiben, Bändern und Farnwedeln zu sehen waren. Bei seiner Arbeit in einem aufgegebenen Bergwerk in den südaustralischen Ediacara Hills entdeckte Sprigg eine Ansammlung solcher Fossilien und beschrieb sie eingehend. Im weiteren Verlauf wurden ähnliche Abdrücke auch aus allen anderen Kontinenten mit Ausnahme der Antarktis bekannt. Spriggs Tiere sahen seltsam aus, aber nur die wenigsten Fachleute interessierten sich dafür. Dass diese Fossilien in der Welt der Paläontologie allgemein nur ein Gähnen verursachten, hatte einen ganz bestimmten Grund: Man glaubte, sie stammten aus relativ jungen Gesteinsschichten aus dem Zeitalter des Kambrium, aus dem man bereits viele Tierfossilien mit primitivem Körperbau kannte. Deshalb blieben die von Sprigg und Gurich gefundenen Fossilien relativ unbemerkt: Man hielt sie für eine Ansammlung zwar seltsamer, aber nicht sonderlich aufregender Abdrücke aus einer Zeit, die in den Museumssammlungen der ganzen Welt bereits gut repräsentiert war. Das alles änderte sich Mitte der Sechzigerjahre durch Martin Glaessner, einen charismatischen Österreicher, der nach Australien ausgewandert war. Er konnte durch Vergleich des Gesteins mit anderen Schichtungen aus der ganzen Welt nachweisen, dass die Fossilien zweifelsfrei 15 bis 20 Millionen Jahre älter waren, als man ursprünglich geglaubt hatte. Sie waren keine langweilige Sammlung von Abdrücken, sondern Gurich, Sprigg und andere hatten die ersten Vielzeller vor sich. Die Fossilien stammten aus einer Periode, die unter dem Namen Präkambrium bekannt war und von der man glaubt, dass sie ohne Leben war. Die Kenntnisse über die Frühzeit des Lebens nahmen

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gerade explosionsartig zu, und paläontologische Kuriositäten wurden zu wissenschaftlichen Juwelen. Die Scheiben, Bänder und Farnwedel aus dem Präkambrium waren eindeutig die ältesten vielzelligen Tiere. Wie man es auch von anderen Tierfossilien aus der Frühzeit kennt, gehören zu ihnen Vertreter der am einfachsten gebauten Tiergruppen, die man auch heute auf der Erde findet: Schwämme und Quallen. Andere Fossilien aus dem Präkambrium sehen völlig anders aus als alles, was man heute kennt. Wir können zwar feststellen, dass es sich um Abdrücke von Lebewesen handelt, aber das Muster der Verdickungen, Streifen und sonstigen Formen passt zu keiner heutigen Art. Daraus ergibt sich eine eindeutige Erkenntnis: Vor rund 600 Millionen Jahren bevölkerten die ersten vielzelligen Tiere die Meere unseres Planeten. Diese Lebewesen waren nicht nur Kolonien einzelner Zellen, sondern sie hatten einen genau umrissenen Körperbau. Ihre symmetrischen Formen erinnern in manchen Fällen an heutige Lebensformen, und auch bei denjenigen, die sich nicht unmittelbar mit heutigen Arten vergleichen lassen, besaßen einzelne Körperteile spezialisierte Strukturen. Dies lässt die Vermutung zu, dass die Organismen bereits im Präkambrium einen biologischen Organisationsgrad erreicht hatten, der damals auf der Erde etwas völlig Neues war. Belege für diese Veränderungen erkennt man nicht nur an den fossilen Organismen, sondern auch am Gestein selbst. Mit den ersten Vielzellern gab es auch die ersten »Fußspuren«. Das Gestein enthält die ältesten Anzeichen, dass die Lebewesen tatsächlich durch den Schlamm krochen und schwärmten. Die ältesten Fährten sind kleine, bandförmige Kratzer im vorzeitlichen Schlamm; sie lassen darauf schließen, dass manche dieser Lebewesen zu relativ komplizierten Bewegungen in der Lage waren. Sie hatten nicht nur einen Körper mit erkennbaren Teilen, sondern sie benutzten diese Teile auch, um sich auf eine neue Art zu bewegen. Das alles ist völlig plausibel. Wir finden die ersten Körper (mit Fährten und Embryonen), bevor die ersten Körperbaupläne zu erkennen sind. Wir finden die ersten einfachen Körperbaupläne, bevor die ersten Baupläne mit Kopf, Extremitäten und so weiter auftauchen. Wie der Fantasiezoo, durch den wir im ersten Kapitel

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spaziert sind, so sind auch die Gesteinsschichten der Welt genau geordnet. Wie zu Beginn dieses Abschnitts bereits erklärt wurde, geht es uns um das Wann, Wie und Warum des Körpers. Die Entdeckungen aus dem Präkambrium liefern Aufschlüsse über das Wann. Um etwas über das Wie und letztlich über das Warum zu erfahren, müssen wir einen etwas anderen Weg einschlagen.

Unser eigener Körper als Beleg

Welcher Teil unseres eigenen Körpers sich bereits in jenen Scheiben, Wedeln und Bändern aus dem Präkambrium findet, kann ein Foto niemals wiedergeben. Was könnten wir Menschen mit unserer Komplexität überhaupt mit jenen Abdrücken im Gestein gemeinsam haben, insbesondere mit denen, die wie runzelige Quallen oder zerdrückte Filmrollen aussehen? Die Antwort ist von weitreichender Bedeutung, und wenn wir die Belege sehen, ist sie auch unausweichlich: Der »Stoff«, der uns zusammenhält und unseren Körper möglich macht, unterscheidet sich nicht vom Stoff der Körper, die Gurichs und Spriggs vorzeitliche Abdrücke erzeugten. Das Gerüst unseres ganzen Organismus hat seinen Ursprung in erstaunlich alter Zeit: bei den einzelligen Tieren. Was hält einen Klumpen aus Zellen zusammen, wenn sie eine Qualle oder einen Augapfel bilden? Bei Lebewesen wie uns Menschen ist dieser biologische Klebstoff erstaunlich kompliziert; er hält nicht nur unsere Zellen zusammen, sondern schafft auch die Möglichkeit, dass sie kommunizieren, und bildet einen großen Teil unserer Struktur. Der Klebstoff ist keine einheitliche Substanz, sondern er besteht aus verschiedenen Molekülen, die zwischen unseren Zellen liegen und sie verbinden. Auf mikroskopischer Ebene verleiht er jedem Gewebe und Organ sein charakteristisches Aussehen und seine besondere Funktion. Ein Augapfel sieht anders aus als ein Beinknochen, ganz gleich, ob wir beide mit bloßem Auge oder unter dem Mikroskop betrachten. Viele Unterschiede zwischen Beinknochen und Augen ergeben sich aus der Anordnung ihrer Zellen und sonstigen Materialien.

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In den letzten Jahren habe ich jeden Herbst meine Medizinstudenten mit genau diesen Begriffen zur Verzweiflung getrieben. Nervöse Studienanfänger müssen lernen, Organe anhand von Mikroskopaufnahmen verschiedener Gewebe zu erkennen. Wie schaffen sie das? Es ist in einem gewissen Sinn eine ähnliche Aufgabe, wie wenn man sich den Plan eines kleinen Dorfes ansieht und dann herausfinden will, in welchem Land man sich befindet. Das Problem ist lösbar, aber man braucht dafür die richtigen Anhaltspunkte. Einer der besten liegt im Fall der Organe in der Form der Zellen und der Art ihrer Verbindungen. Wichtig ist aber auch, dass man das Material zwischen ihnen erkennt. Die Gewebe bestehen aus allen möglichen verschiedenen Zellen, die auch unterschiedlich verknüpft sind: In manchen Bereichen bilden sie Streifen oder Säulen, in anderen sind sie zufällig verteilt und nur locker verbunden. In solchen locker gepackten Regionen sind die Zwischenräume zwischen den Zellen häufig mit einem Material ausgefüllt, das dem jeweiligen Gewebe seine charakteristischen physikalischen Eigenschaften verleiht. So bestimmen die Mineralstoffe, die zwischen den Knochenzellen liegen, über die Härte des Knochens, und die lockeren Proteine im Weißen unseres Auges machen die Wand des Augapfels flexibler. Dass unsere Studenten die Organe irgendwann anhand der Mikroskopaufnahmen identifizieren können, liegt daran, dass sie wissen, wie die Zellen angeordnet sind und was sich in ihren Zwischenräumen befindet. Das Ganze hat aber auch eine tiefere Bedeutung. Die Moleküle, die eine solche Anordnung von Zellen möglich machen, machen auch den Körper möglich. Wenn die Zellen sich nicht aneinanderheften könnten oder wenn es zwischen ihnen kein Material gäbe, würden auf der Erde keine Vielzeller existieren, sondern nur Zellhaufen. Wenn man also verstehen will, wie und warum die Vielzeller entstanden sind, liegt der Ausgangspunkt in der Betrachtung dieser Moleküle: Wir müssen wissen, welche Moleküle die Zellen aneinanderheften, welche Moleküle ihnen die Kommunikation ermöglichen und welche Substanzen zwischen den Zellen liegen. Um zu verstehen, wie bedeutsam diese Molekülstrukturen für unseren Körper sind, wollen wir uns auf die Details eines einzi-

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gen Teils konzentrieren: unseres Skeletts. Die Knochen sind ein anschauliches Beispiel dafür, wie winzige Moleküle gewaltige Auswirkungen auf unseren Körperbau haben können, und sie zeigen sehr deutlich, welche allgemeinen Prinzipien für alle Körperteile gelten. Ohne Skelett wären wir eine formlose, glibberige Masse. An Land zu leben, wäre nicht einfach, ja vielleicht sogar unmöglich. Viele grundlegende biologische Eigenschaften und Verhaltensaspekte, die wir häufig für selbstverständlich halten, werden durch das Skelett erst möglich. Jedes Mal, wenn wir gehen, Klavier spielen, einatmen oder unsere Nahrung kauen, müssten wir eigentlich unserem Skelett dafür danken. Eine gute Analogie für die Funktionsweise des Skeletts ist eine Brücke. Wie viel sie tragen kann, hängt von Größe, Form und Proportionen ihrer Träger und Kabel ab. Ebenso wichtig sind aber auch die mikroskopischen Eigenschaften des Materials, aus denen sie errichtet wurde. Die Molekülstruktur von Stahl bestimmt darüber, wie widerstandsfähig er ist und wie stark er sich biegen kann, bevor er bricht. Auch die Stärke unseres Skeletts hat ihre Grundlage einerseits in der Größe und Form unserer Knochen, andererseits aber auch in den molekularen Eigenschaften des Knochengewebes. Wenn wir erkennen wollen, warum das so ist, brauchen wir nur ein wenig dauerlaufen. Beim Joggen ziehen sich unsere Muskeln zusammen, der Rücken sowie Arme und Beine bewegen sich und die Füße drücken gegen den Boden, um uns vorwärts zu bewegen. Wie eine große Maschine aus Hebeln und Rollen machen die Knochen und Gelenke unsere Bewegung möglich. Dabei unterliegen sie den Grundgesetzen der Physik: Die Fähigkeit, zu laufen, beruht zum größten Teil auf der Größe, der Form und den Proportionen unseres Skeletts sowie der Zusammensetzung unserer Gelenke. Auf dieser Ebene ähneln wir einer großen Maschine. Und wie bei einer Maschine, so passt auch hier die Konstruktion zur Funktion. Die Knochen eines Weltklasse-Hochspringers haben andere Proportionen als die eines Weltklasse-Sumoringers. Und die Proportionen der Beine eines Kaninchens oder Frosches, die auf das Hüpfen und Springen spezialisiert sind, unterscheiden sich von denen eines Pferdes.

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Begeben wir uns nun einmal auf die mikroskopische Ebene. Wir legen eine dünne Scheibe eines Oberschenkelknochens unter das Mikroskop und erkennen sofort, was dem Knochen seine besonderen mechanischen Eigenschaften verleiht. An manchen Stellen, insbesondere am äußeren Rand des Knochens, sind die Zellen genau geordnet. Manche von ihnen kleben zusammen, andere liegen getrennt. Zwischen den getrennten Zellen befindet sich das Material, das über die Stärke unseres Knochens bestimmt. Dazu gehören auch die in Kapitel 4 bereits erwähnten Kristalle aus Hydroxyapatit. Dieses Mineral hat ähnliche Eigenschaften wie Beton: Es ist sehr widerstandsfähig, wenn man es zusammendrückt, aber wenn man es verdreht oder knickt, ist seine Stärke wesentlich geringer. Wie die Ziegelsteine oder der Beton eines Hauses, so sind also auch die Knochen so geformt, dass sie möglichst stark durch Druck belastet werden, während Dreh- und Knickbewegungen möglichst gering gehalten werden, ein Prinzip, das Galilei schon im 17. Jahrhundert erkannte. Die zweite wichtige Substanz, deren Moleküle man zwischen den Knochenzellen findet, ist das häufigste Protein unseres Körpers. Im Elektronenmikroskop, bei 10.000-facher Vergrößerung, sieht es aus wie ein Seil aus Bündeln kleiner Molekülfasern. Und ein solches Molekül – die Substanz heißt Kollagen – hat auch die mechanischen Eigenschaften eines Seils: Es ist kräftig, wenn man daran zieht, drückt man es aber zusammen, bildet es ein Knäuel – genau das geschieht, wenn die beiden Mannschaften beim Tauziehen in Richtung der Mitte laufen. Wie ein Seil, so ist auch Kollagen zugfest, und gleichzeitig gibt es nach, wenn man seine Enden zusammendrückt. Die Knochenzellen liegen in einer Grundsubstanz aus Hydroxyapatit, Kollagen und einigen weiteren, weniger häufigen Molekülen. Manche Zellen kleben zusammen, andere liegen frei in diesem Material. Knochen sind so kräftig, weil das Kollagen dem Zug und das Hydroxyapatit dem Druck widersteht. Ein wenig anders verhält sich der Knorpel, das zweite wichtige Gewebe in unserem Skelett. Er ist es, der beim Laufen für glatte Oberflächen in den Gelenken sorgt, sodass die Knochen gut übereinandergleiten können. Knorpel ist ein wesentlich biegsame-

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res Gewebe als Knochen; wenn Kräfte auf ihn einwirken, lässt er sich biegen und quetschen. Die Knie und alle anderen Gelenke, die wir beim Laufen benutzen, können nur mit relativ weichem Knorpel einwandfrei funktionieren. Wird gesunder Knorpel zusammengedrückt, kehrt er anschließend wie ein Küchenschwamm immer wieder in seine ursprüngliche Form zurück. Bei jedem Schritt trifft die gesamte Masse unseres Körpers mit einer gewissen Geschwindigkeit auf den Boden auf. Ohne die schützenden Kappen in den Gelenken würden die Knochen aneinanderreiben – genau diese unangenehme, schwächende Wirkung hat die Arthritis. Dass der Knorpel so elastisch ist, liegt ebenfalls an seiner mikroskopischen Struktur. Er enthält relativ wenige Zellen, zwischen denen viel Füllsubstanz liegt. Und wie bei den Knochen bestimmen im Wesentlichen die Eigenschaften dieser zwischen den Zellen liegenden Moleküle über die mechanischen Eigenschaften des Knorpels. Die Zwischenräume zwischen den Knorpelzellen (und auch zwischen den Zellen anderer Gewebe) werden vor allem durch Kollagen gefüllt. Die Elastizität des Knorpels ist aber auf Moleküle einer anderen Substanz zurückzuführen, und die gehören zu den ungewöhnlichsten unseres gesamten Organismus. Diese Substanz aus der Gruppe der Proteoglykane verleiht dem Knorpel seine Widerstandskraft, wenn er zusammengedrückt wird. Ihre Moleküle sind wie riesige, dreidimensionale Bürsten geformt, in denen von einem langen Stiel zahlreiche kleine Äste abzweigen; solche Proteoglykankomplexe sind sogar im Mikroskop zu erkennen. Ihre winzigen Zweige ziehen Wasser an, und das verleiht ihnen eine verblüffende Eigenschaft, die für unsere Bewegungsfähigkeit von großer Bedeutung ist. Ein Proteoglykanmolekül ist mit Wasser gefüllt und aufgequollen wie ein Stück Gelee. Wenn man sich vorstellt, man würde Seile aus Kollagen in ein solches Stück Gelatine und seine Umgebung einarbeiten, so erhält man eine Substanz, die einerseits weich ist und andererseits Zugkräften einen Widerstand entgegensetzt. Das ist im Wesentlichen die Struktur von Knorpel. Er stellt einen hervorragenden Stoßdämpfer für unsere Gelenke dar. Die Knorpelzellen haben die Aufgabe, solche Moleküle abzugeben, während das Tier wächst, und sie später instand zu halten.

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Die unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften von Knochen, Knorpel und Zähnen sind zu einem großen Teil auf die Mengenverhältnisse zwischen den verschiedenen Materialien zurückzuführen. Zähne sind sehr hart, und wie nicht anders zu erwarten, befindet sich in den Zellen des Zahnschmelzes relativ viel Hydroxyapatit und wenig Kollagen. Im Knochen ist der Kollagenanteil größer und der Hydroxyapatitanteil geringer. Deshalb sind sie nicht so hart wie der Zahnschmelz. Knorpel schließlich enthält viel Kollagen und überhaupt kein Hydroxyapatit, aber dafür viele Proteoglykane. Er ist in unserem Skelett das weichste Gewebe. Dass unser Skelett so und nicht anders aussieht und funktioniert, liegt zu einem beträchtlichen Teil daran, dass diese Moleküle in den richtigen Mengenverhältnissen an den richtigen Orten eingelagert werden. Was hat das alles mit der Entstehung der Vielzeller zu tun? Eine Eigenschaft haben alle Tiere gemeinsam, ganz gleich, ob sie ein Skelett besitzen oder nicht: Bei allen, auch wenn es sich nur um Zellklumpen handelt, liegen Moleküle zwischen den Zellen, insbesondere verschiedene Arten von Kollagenen und Proteoglykanen. Besonders wichtig scheint das Kollagen zu sein: Es ist bei Tieren das am weitesten verbreitete Protein und macht über 30 Prozent des Gesamtgewichts aller Eiweiße im Körper aus. Der Aufbau von Vielzellern war in der entfernten Vergangenheit nur möglich, nachdem solche Proteine erfunden waren. Auch etwas anderes ist für den Körper unverzichtbar: Die Zellen in unseren Knochen müssen aneinanderhaften und sich verständigen. Wie heften sich Knochenzellen aneinander, und woher wissen die einzelnen Teile eines Knochens, dass sie sich unterschiedlich verhalten sollen? An dieser Stelle liegt zu einem großen Teil das Werkzeugarsenal, das zum Aufbau des Körpers verwendet wird. Wie alle Zellen unseres Körpers, so heften sich auch die Knochenzellen mit Hilfe winziger molekularer »Nieten« aneinander. Von diesen Molekülen gibt es eine große Vielfalt. Manche von ihnen verbinden die Zellen wie der Klebstoff, der die Sohlen eines Schuhs zusammenhält: Ein Molekül ist von außen fest an die Membran einer Zelle gebunden, ein weiteres ist an der Membran einer Nachbarzelle verankert. Derart an den Zellmembranen festgehef-

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tet, bildet der Klebstoff eine stabile Verbindung zwischen den Zellen aus. Andere molekulare Nieten sind so präzise gebaut, dass sie gezielt nur an Nieten des gleichen Typs binden. Das ist eine äußerst wichtige Eigenschaft, trägt sie doch dazu bei, unserem Körper eine ganz grundsätzliche Struktur zu verleihen. Mit Hilfe dieser selektiven Nieten können die Zellen sich organisieren, und es wird sichergestellt, dass Knochenzellen sich mit Knochenzellen verbinden, Hautzellen mit Hautzellen, und so weiter. Dabei erhält der Körper selbst dann eine Struktur, wenn keine weiteren Informationen verfügbar sind. Wenn wir eine gewisse Zahl von Zellen, die verschiedene Typen solcher Nieten tragen, auf eine Gewebekulturschale bringen und wachsen lassen, organisieren sie sich. Manche bilden Kugeln, andere wachsen zu einer flachen Schicht heran – die Zellen sortieren sich anhand von Zahl und Typ ihrer Nieten. Die vermutlich wichtigste Verbindung zwischen den Zellen besteht aber in der Art ihres Informationsaustausches. Dass unser Skelett und auch unser ganzer Körper so und nicht anders aufgebaut ist, liegt nur daran, dass die Zellen wissen, wie sie sich zu verhalten haben. Sie müssen wissen, wann sie sich teilen müssen, wann sie bestimmte Moleküle herstellen sollen und wann es an der Zeit ist, zu sterben. Würden sich beispielsweise Knochen- oder Hautzellen nach dem Zufallsprinzip verhalten und sich zu häufig teilen oder nicht rechtzeitig absterben, wären wir unter Umständen sehr hässlich oder – noch schlimmer – sehr schnell tot. Die »Wörter«, mit denen Zellen kommunizieren, haben die Form von Molekülen, die von Zelle zu Zelle wandern. Zwei Zellen können miteinander »reden«, indem sie Moleküle hin und her schicken. Bei einer relativ einfachen Form der Zell-Zell-Kommunikation gibt eine Zelle ein Signal ab, das heißt in diesem Fall ein Molekül. Dieses heftet sich an die Außenhülle (Membran) der Zelle, die das Signal empfängt. Sobald das Molekül dort angedockt hat, setzt es eine ganze Kette molekularer Ereignisse in Gang, die sich von der Membran in vielen Fällen bis zum Zellkern fortsetzt. Deshalb kann ein solches Signal dazu führen, dass Gene ein- oder ausgeschaltet werden. Dies alles führt letztlich dazu, dass die Zelle, die die Information erhält, ihr Verhalten ändert: Sie stirbt ab,

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teilt sich oder stellt auf den Hinweis der anderen Zelle hin neue Moleküle her. Auf einer ganz grundlegenden Ebene sind das die Dinge, die einen vielzelligen Körper überhaupt erst möglich machen. Alle vielzelligen Tiere besitzen Strukturmoleküle wie die Kollagene und Proteoglykane, bei allen gibt es die molekularen Nieten, die für den Zusammenhalt der Zellen sorgen, und alle verfügen über die molekularen Hilfsmittel, mit deren Hilfe die Zellen untereinander kommunizieren können. Damit verfügen wir jetzt über die Voraussetzungen, um den Ursprung der vielzelligen Organismen zu verstehen. Wenn wir wissen wollen, wie sie entstanden sind, müssen wir nach diesen Molekülen suchen, und zwar zunächst bei den einfachsten Vielzellern der Erde, dann aber letztlich auch bei Lebewesen, die überhaupt keinen Körper haben.

Körper-Bau für Klumpen

Was hat ein Professor mit einem formlosen Klumpen gemeinsam? Um diese Frage zu beantworten, wollen wir uns einige besonders einfach gebaute Organismen unserer Zeit ansehen. Eines dieser Lebewesen genießt den zweifelhaften Ruhm, dass man es in freier Wildbahn fast nie zu sehen bekommt. Ende der 1880er Jahre entdeckte man seltsame, einfach gebaute Organismen, die an den Glaswänden eines Aquariums lebten. Im Gegensatz zu allen anderen Lebensformen sahen sie aus wie eine Schleimmasse. Das Einzige, womit man sie vergleichen kann, ist der Außerirdische in dem Film Blob, der Schrecken ohne Namen mit Steve McQueen. Der Blob ist darin ein formloser Klumpen, der aus dem Weltraum auf die Erde gefallen ist und seine Beute umschließt – Hunde, Menschen und schließlich auch kleine Imbisslokale in Ortschaften in Pennsylvania. Die Verdauung fand beim Blob auf der Unterseite statt, die wir nie zu sehen bekamen – wir hörten nur das Schreien der Lebewesen, die dort gefangen werden. Lassen wir den Blob auf eine Größe von 200 bis 1000 Zellen und einen Durchmes-

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ser von zwei Millimetern schrumpfen, dann haben wir eines der rätselhaften Lebewesen aus der Gruppe der Placozoa. Diese Organismen enthalten nur vier Zelltypen, die einen sehr einfachen, wie ein kleiner Teller geformten Körper bilden. Dennoch ist es ein echter Vielzeller. Manche Zellen an seiner Unterseite sind auf Verdauung spezialisiert; andere tragen Geißeln, die das ganze Lebewesen durch ihren Schlag vorwärtstreiben. Wir wissen kaum etwas darüber, was sie in freier Wildbahn fressen, wo sie leben oder was ihr natürlicher Lebensraum ist. Dennoch offenbaren diese einfachen kleinen Klumpen etwas ungeheuer Wichtiges: Mit mehreren Typen spezialisierter Zellen haben selbst diese primitiven Lebewesen bereits eine Arbeitsteilung zwischen ihren Körperteilen eingeführt. Viele interessante Eigenschaften der vielzelligen Lebewesen sind bereits bei den Placozoa zu erkennen. Sie haben einen echten Körper, der allerdings noch sehr primitiv aufgebaut ist. Wenn man ihre DNA analysiert und die Moleküle auf der Oberfläche ihrer Zellen untersucht, findet man dort bereits viele Teile des Apparats, der auch unseren Körper aufbaut. Placozoa besitzen die molekularen Nieten in verschiedener Form und auch die Hilfsmittel zur Zellkommunikation, die wir bei uns selbst beobachten. Unser Körperbauapparat findet sich also in Zellklumpen, die einfacher sind als einige von Reginald Spriggs vorzeitlichen Abdrücken; können wir noch einen Schritt weitergehen, zu noch primitiveren Vielzellern? Eine Teilantwort finden wir bei einem klassischen Küchenutensil: dem Schwamm. Auf den ersten Blick sind Schwämme unscheinbare Lebewesen. Ihr Körper besteht aus der »Matrix« – das ist keine lebende Substanz, sondern eine Form von Silizium (glasartiges Material) oder Kalciumkarbonat (das Material der harten Tiergehäuse) mit ein wenig eingelagertem Kollagen. Und gerade das macht die Schwämme interessant. Wie gesagt: Kollagen ist in den Zellzwischenräumen ein Hauptbestandteil, der Zellen und viele Gewebe zusammenhält. Schwämme sehen vielleicht nicht so aus, aber auch sie besitzen bereits ein charakteristisches Kennzeichen echter Vielzeller. Was für erstaunliche Lebewesen die Schwämme in Wirklichkeit sind, konnte H. V. P. Wilson zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts nachweisen. Er kam 1894 als erster Biologieprofessor an die

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University of North Carolina und bildete dort eine ganze Armee amerikanischer Biologen aus, die während des folgenden Jahrhunderts die Fachgebiete von Genetik und Zellbiologie in Nordamerika prägen sollten. Als junger Mann entschloss sich Wilson, ausgerechnet Schwämme zum Thema seines wissenschaftlichen Lebenswerkes zu machen. In einem seiner Experimente wies er nach, dass diese einfach gebauten Lebewesen über eine bemerkenswerte Eigenschaft verfügen. Er strich sie durch ein Sieb, sodass sie zu einer Ansammlung von einzelnen Zellen wurden. Diese auseinandergerissenen, amöbenähnlichen Zellen brachte Wilson in eine Kulturschale, und dann beobachtete er sie. Anfangs krochen sie am Boden der Schale herum, aber schon bald geschah etwas Erstaunliches: Die Zellen verbanden sich. Zunächst bildeten sie rote, wolkenartige Zellkugeln, später nahm ihr Organisationsgrad zu und sie ordneten sich zu vorgegebenen Mustern. Schließlich bildete sich aus dem Zellklumpen ein ganz neuer Schwamm, in dem die verschiedenen Zelltypen wieder die richtige Position einnahmen. Wilson sah zu, wie ein Vielzeller fast aus dem Nichts entstand. Wenn wir die gleichen Fähigkeiten hätten wie die Schwämme, würde sich Steve Buscemi, der in dem Film Fargo der Brüder Coen in den Holzhäcksler gesteckt wird, anschließend durchaus wohlfühlen. Möglicherweise hätte das Erlebnis ihn sogar gestärkt, weil seine Zellen sich zusammengefunden hätten, um viele verschiedene Formen von ihm zu bilden. Dass Schwämme so nützlich sind, wenn man den Ursprung des vielzelligen Körpers verstehen will, liegt an ihren Zellen. Im Inneren eines Schwammes befindet sich in der Regel ein Hohlraum, der sich je nach der Spezies in unterschiedliche Abteile gliedert. Durch ihn strömt Wasser, das von spezialisierten Zellen gelenkt wird. Diese Zellen sind wie kleine Becher geformt, deren hohle Seite zum Innenraum des Schwammes weist. Am Rand des Bechers stehen winzige Wimpern, die hin und her schlagen und Nahrungsteilchen aus dem Wasser einfangen. Außerdem ragt eine lange Geißel aus dem Hohlraum dieser Zellen. Durch die gemeinsame Tätigkeit der Geißeln vieler solcher Zellen bewegen sich Wasser und Nahrungsteilchen durch die Poren des Schwammes. Andere Zellen im Innenraum verarbeiten die Nahrungsteilchen, wieder andere säu-

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men die Außenseite und können sich zusammenziehen, wenn der Schwamm wegen veränderter Strömungsverhältnisse seine Form ändern muss. Ein Schwamm scheint von unserem eigenen Körper weit entfernt zu sein, aber in vielerlei Hinsicht besitzt er bereits dessen wichtige Eigenschaften: Zwischen seinen Zellen herrscht Arbeitsteilung; die Zellen können untereinander kommunizieren; und die Gesamtheit der Zellen funktioniert als ein einziges Individuum. Ein Schwamm ist organisiert: Verschiedenartige Zellen stehen an verschiedenen Stellen und erfüllen verschiedene Aufgaben. Vom Schwamm bis zu einem menschlichen Körper mit seinen Billionen exakt angeordneten Zellen ist es noch ein weiter Weg, und doch haben beide gemeinsame Merkmale. Bedeutsam ist vor allem, dass der Schwamm den größten Teil des Apparats für Zellzusammenhalt, Kommunikation und Gerüstbau besitzt, der auch bei uns wirksam ist. Ein Schwamm ist ein Vielzeller, wenn auch ein primitiver, der nur geringfügig organisiert ist. Wie Placozoa und Schwämme, so bestehen auch wir aus vielen Zellen. Bei ihnen, wie auch in unserem Körper herrscht eine Arbeitsteilung zwischen den Einzelteilen. Auch der ganze molekulare Apparat, der den Körper zusammenhält, ist vorhanden: die Nieten zwischen den Zellen, die verschiedenen Hilfsmittel, mit denen die Zellen ihre Signale austauschen, und viele der zwischen den Zellen liegenden Moleküle. Wie wir und alle anderen Tiere, so besitzen auch Placozoa und Schwämme das Kollagen. Aber anders als bei uns sind alle diese Bestandteile nur in sehr primitiver Form vorhanden: Gibt es bei uns 21 Kollagen-Typen, so sind es bei den Schwämmen nur zwei. Wir besitzen mehrere hundert Typen von molekularen Nieten, bei Schwämmen findet man nur einen Bruchteil davon. Schwämme sind einfacher als wir und bestehen aus weniger Zelltypen, aber der grundlegende Apparat zum Aufbau eines Körpers ist bereits vorhanden. Placozoa und Schwämme sind so ziemlich das Einfachste, was es heute an Vielzellern gibt. Wenn wir noch einen Schritt weitergehen wollen, müssen wir nach den Voraussetzungen zum Aufbau unseres Körpers bei Lebewesen suchen, die überhaupt keinen Körper besitzen: bei den einzelligen Mikroorganismen.

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Wie vergleicht man einen Mikroorganismus mit einem Tier, das einen Körper hat? Sind die Hilfsmittel, die den Körper der Tiere entstehen lassen, auch bei Einzellern vorhanden? Und wenn ja: Welche Aufgaben erfüllen sie dort, wenn sie keinen Körper aufbauen? Der einfachste Weg zur Beantwortung solcher Fragen besteht darin, dass man in den Genen der Mikroorganismen nach Ahnlichkeiten zu den Tieren sucht. Schon bei ersten Vergleichen zwischen den Genomen von Tieren und Mikroorganismen stellte sich etwas Verblüffendes heraus: Bei vielen Einzellern sind große Teile des molekularen Apparats, der für Zusammenhalt und Interaktionen zwischen den Zellen sorgt, einfach nicht vorhanden. Manche Analysen legten sogar die Vermutung nahe, dass man mehr als 800 verschiedene Moleküle mit solchen Aufgaben ausschließlich in vielzelligen Tieren findet. Das scheint für die Vorstellung zu sprechen, dass die Gene, die den Zellen die Vereinigung in einem Körper ermöglichen, zusammen mit diesem Körper entstanden sind. Und auf den ersten Blick erscheint es auch plausibel, dass sich die Hilfsmittel zum Aufbau eines Körpers parallel zum Körper selbst entwickelt haben. Aber dann wurde die ganze Geschichte auf den Kopf gestellt: Nicole King von der University of California in Berkeley untersuchte Lebewesen aus der Gruppe der Choanoflagellaten. Dass sie sich gerade diese Organismen als Untersuchungsgegenstand ausgesucht hatte, war kein Zufall. Aus DNA-Analysen wusste sie, dass Choanoflagellaten wahrscheinlich die engsten Verwandten der vielzelligen Tiere, Placozoa und Schwämme sind. Außerdem vermutete sie, dass in der DNA der Choanoflagellaten abgewandelte Versionen der Gene liegen, die auch unseren Körper entstehen lassen. Eine große Hilfe für Nicole war das Human-Genomprojekt, ein wissenschaftliches Vorhaben, das zur Kartierung aller Gene in unserem Körper führte. Nachdem das Human-Genomprojekt erfolgreich abgeschlossen war, folgten viele weitere Genkartierungsarbeiten: Es gab ein Ratten-Genomprojekt, ein Fliegen-Genomprojekt und ein Hummel-Genomprojekt – und derzeit beschäftigt man sich auch mit der Sequenzierung der DNA von Schwämmen, Placozoa und Mikroorganismen. Die so erstellten Genkarten sind eine

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Fundgrube für Informationen, denn mit ihrer Hilfe können wir die Körperbaugene vieler biologischer Arten vergleichen. Nicole bezog daraus die genetischen Hilfsmittel zur Untersuchung ihrer Choanoflagellaten. Choanoflagellaten ähneln bemerkenswert stark den becherförmigen Zellen im Inneren eines Schwammes. Lange Zeit glaubte man sogar, sie seien einfach degenerierte Schwämme, denen alle anderen Zellen fehlen. Wenn das stimmen würde, müsste die DNA der Choanoflagellaten der eines eigenartigen Schwammes ähneln. Aber das ist nicht der Fall. Vergleicht man DNA-Abschnitte von Choanoflagellaten mit denen von Mikroorganismen und Schwämmen, so zeigt sich eine auffällige Ähnlichkeit zu Mikroorganismen. Choanoflagellaten sind einzellige Mikroben. Nach Nicoles Untersuchungen an den Choanoflagellaten musste man die genetische Unterscheidung zwischen »einzelligen Mikro-

Ein Choanoflagellat (links) und ein Schwamm (rechts).

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ben« und »Tieren mit vielzelligem Körper« völlig aufgeben. Die meisten Gene, die bei Choanoflagellaten aktiv sind, entfalten ihre Aktivität auch bei Tieren. Viele von ihnen gehören zu dem Apparat, der den Tierkörper aufbaut. Wie stichhaltig dieser Vergleich ist, kann man sich an einigen Beispielen klarmachen. Bei Choanoflagellaten gibt es Mechanismen für den Zusammenhalt und die Kommunikation zwischen Zellen, und man findet sogar Teile der Moleküle, die die Grundsubstanz zwischen den Zellen bilden oder als molekulare Kaskaden die Signale aus der Umgebung ins Zellinnere übermitteln. Choanoflagellaten besitzen Kollagene. Die verschiedenartigen molekularen Nieten, die Zellen zusammenhalten, sind bei ihnen ebenfalls vorhanden, erfüllen allerdings etwas andere Aufgaben. Die Choanoflagellaten lieferten Nicole sogar einen Leitfaden für Vergleiche zwischen unserem Körperbauapparat und dem anderer Mikroorganismen. Die grundlegende Molekülstruktur, aus denen Kollagene und Proteoglykane aufgebaut sind, kennt man auch von einer ganzen Reihe unterschiedlicher Mikroben. Bakterien der Gattung Streptococcus, die in unserem Mund in großer Zahl (und an anderen Stellen hoffentlich seltener) vorkommen, tragen auf ihrer Zelloberfläche Moleküle, die stark dem Kollagen ähneln. Sie haben die gleichen molekularen Kennzeichen, verbinden sich aber im Gegensatz zu den Kollagenen der Tiere nicht zu Seilen oder flachen Schichten. Ebenso kennt man manche Zuckermoleküle, die in den Proteoglykan-Ansammlungen vorkommen, auch aus den Zellwänden verschiedener Bakterienarten. Sie haben dort und auch bei Viren recht unangenehme Funktionen, denn sie sorgen mit dafür, dass solche Erreger andere Zellen infizieren können und dann in vielen Fällen Krankheiten verursachen. Viele Moleküle, mit denen Mikroorganismen uns Unannehmlichkeiten bereiten, sind einfachere Versionen von Bausteinen unseres eigenen Körpers. Damit stehen wir vor einem Rätsel. Aus den ersten 3,5 Milliarden Jahren der Erdgeschichte kennen wir ausschließlich fossile Mikroorganismen. Dann tauchen plötzlich in einem Zeitraum von etwa 40 Millionen Jahren alle möglichen Vielzeller auf: Pflanzen, Pilze, Tiere – überall Vielzeller. Der vielzellige Körper war ein echter Hit. Aber wenn man Nicoles Befunde für bare Münze nimmt,

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war das Potenzial zum Aufbau solcher Organismen längst vorhanden, bevor sie auf der Bildfläche erschienen. Warum entwickelte sich plötzlich eine solche Vielfalt von Körpern, nachdem es sie lange Zeit überhaupt nicht gegeben hatte?

Ein Unwetter und die Entstehung des Körpers

Das Allerwichtigste ist der richtige Zeitpunkt. Nicht immer setzen sich die besten Ideen, Erfindungen und Konzepte durch. Wie viele Musiker, Erfinder oder Künstler waren ihrer Zeit so weit voraus, dass sie keine Anerkennung fanden, in Vergessenheit gerieten und erst viel später wiederentdeckt wurden? Wir brauchen nur an den armen Heron von Alexandria zu denken, der schon im ersten Jahrhundert n. Chr. die Dampfturbine erfand. Leider hielt man sie damals nur für ein Spielzeug. Die Welt war noch nicht reif dafür. Genauso verhält es sich in der Geschichte des Lebendigen. Für alles, vielleicht sogar für vielzellige Organismen, muss erst der richtige Augenblick kommen. Um uns das klarzumachen, müssen wir verstehen, warum sich Vielzeller überhaupt entwickelten. Zunächst einmal gibt es zu dem Thema eine sehr einfache Theorie: Vielleicht entstanden Vielzeller ursprünglich aus Mikroorganismen, die neue Methoden entwickelten, um sich gegenseitig zu fressen oder das Gefressenwerden zu vermeiden. Ein Organismus aus vielen Zellen ist größer, und Größe schützt oftmals gut davor, gefressen zu werden. Vielleicht entstanden die Vielzeller einfach aus solchen Gründen der Verteidigung. Bei Raubtieren entwickeln sich immer neue Fressmethoden, und die Beutetiere antworten darauf mit immer neuen Methoden, um dem Schicksal des Gefressenwerdens zu entgehen. Dieses Wechselspiel dürfte der Anlass für die Entstehung vieler unserer Körperbausubstanzen gewesen sein. Viele Mikroorganismen ernähren sich, indem sie sich an andere Mikroorganismen anheften und sie umschließen. Die Moleküle, mit deren Hilfe solche Mikroorganismen ihre Beute fangen und festhalten, sind plausible Kandidaten für die molekularen Nieten, die zwischen den Zellen unseres Körpers die Verbindung herstellen. Manche Mikroorganismen können

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sogar untereinander kommunizieren: dazu stellen sie Substanzen her, die das Verhalten anderer Mikroorganismen beeinflussen. Die Wechselbeziehungen zwischen Räuber und Beute laufen bei Mikroorganismen häufig über molekulare Signale ab: Diese wehren entweder potenzielle Räuber ab, oder sie dienen als Köder und locken Beuteorganismen an. Vielleicht waren solche Signale die Vorläufer der Mitteilungen, die unsere Zellen untereinander zur Instandhaltung des Organismus austauschen. Über solche Fragen könnte man unendlich weiter spekulieren, aber spannender wären greifbare experimentelle Anhaltspunkte dafür, wie räuberisches Verhalten einen Vielzeller entstehen lassen kann. Genau die lieferten Martin Boraas und seine Kollegen. Sie nahmen Algen, die normalerweise als Einzeller leben, und ließen sie über tausend Generationen hinweg im Labor heranwachsen. Dann fügten sie räuberische Organismen hinzu, einzellige Lebewesen mit einer Geißel, die andere Mikroorganismen in sich einschließen und verdauen. Schon nach knapp 200 Generationen reagierten die Algen: Sie bildeten Klumpen aus mehreren hundert Zellen. Nach und nach ging die Zahl der Zellen in den Klumpen zurück, bis es jeweils nur noch acht waren. Acht Zellen hatten sich als optimal erwiesen: Die Klumpen waren einerseits so groß, dass sie nicht mehr gefressen wurden, und andererseits so klein, dass noch jede Zelle das lebensnotwendige Licht abbekam. Die größte Überraschung jedoch folgte, nachdem man die räuberischen Organismen wieder entfernt hatte: Die Algen pflanzten sich weiterhin auf die gleiche Weise fort und bildeten Individuen aus acht Zellen. Kurz gesagt, war aus Einzellern ein einfacher vielzelliger Organismus hervorgegangen. Wenn sich in einem Experiment innerhalb weniger Jahre aus einem Nicht-Körper ein einfacher Körper entwickelt, kann man sich leicht ausmalen, was im Laufe von Jahrmilliarden möglich ist. Dann stellt sich nicht mehr die Frage, wie die Vielzeller entstanden sind, sondern man muss sich fragen, warum es nicht viel früher geschah. Eine Lösung für dieses Rätsel liegt möglicherweise in der urzeitlichen Umwelt, in der solche Organismen entstanden. Vielleicht war die Welt einfach noch nicht bereit für Vielzeller.

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Ein vielzelliger Organismus ist ein sehr aufwendiges Gebilde. Die Größe bringt offenkundige Vorteile mit sich: Große Tiere können nicht nur natürlichen Feinden entgehen, sondern auch kleinere Lebewesen fressen oder aktiv große Entfernungen zurücklegen. Beide Fähigkeiten verschaffen den Tieren mehr Kontrolle über ihre Umwelt, sie erfordern aber auch viel Energie. Je größer ein Körper wird und je mehr Kollagen er einlagert, desto mehr Energie braucht er. Die Synthese von Kollagen erfordert relativ viel Sauerstoff, und damit stieg der Bedarf unserer Vorfahren an diesem Gas stark an. In der Frühzeit der Erde war der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre sehr gering; mehrere Jahrmilliarden lang lag er wesentlich niedriger als heute. Erst vor rund einer Milliarde Jahren stieg der Sauerstoffgehalt stark an, und seitdem ist er immer mehr oder weniger gleich geblieben. Woher wir das wissen? Aus der chemischen Zusammensetzung des Gesteins: An ihr kann man ablesen, wann die Sauerstoffinenge anstieg. Könnte zwischen dem Anstieg der Sauerstoffmenge und der Entstehung großer Organismen ein Zusammenhang bestehen? Damit die Vielzeller entstehen konnten, war möglicherweise die paläontologische Entsprechung zu einem gewaltigen Unwetter notwendig. Über Jahrmilliarden hinweg hatten die Mikroorganismen immer neue Wege gefunden, um untereinander und mit ihrer Umwelt in Wechselbeziehung zu treten. Dabei stießen sie auf eine ganze Reihe molekularer Bausteine und Hilfsmittel zum Aufbau vielzelliger Organismen, aber die nutzten sie zu anderen Zwecken. Eine andere Voraussetzung für die Entstehung der Vielzeller war ebenfalls bereits gegeben: Vor einer Milliarde Jahren hatten die Mikroorganismen gelernt, sich gegenseitig zu fressen. Es gab also einen Grund, größere Organismen aufzubauen, und die Hilfsmittel dafür waren ebenfalls vorhanden. Nur eines fehlte noch: eine ausreichende Menge Sauerstoff, von der die Vielzeller leben konnten. Als der Sauerstoffgehalt der Erdatmosphäre zunahm, tauchten plötzlich überall Vielzeller auf. Von nun an würde die Welt des Lebendigen nie mehr so sein wie zuvor.

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8. Düfte

Anfang der 1980er Jahre bestand ein Spannungsverhältnis zwischen den Molekularbiologen und jenen Wissenschaftlern, die sich mit ganzen Organismen beschäftigten – Ökologen, Anatomen und Paläontologen. Die Anatomie zum Beispiel galt als verschroben und veraltet, als hoffnungslos gefangen in einem antiquierten Wissenschaftsverständnis. Die Molekularbiologie brachte revolutionäre Umwälzungen in den Vorstellungen von Anatomie und Entwicklungsbiologie, und das führte dazu, dass man die klassischen Fachgebiete, darunter auch die Paläontologie, für Sackgassen der Biologiegeschichte hielt. Wegen meiner Liebe zu Fossilien vermittelte man mir das Gefühl, als würde ich bald durch einen der neuen DNA-Sequenzierautomaten ersetzt werden. Seitdem sind zwanzig Jahre vergangen, aber ich wühle immer noch in der Erde und klopfe Steine auf. Außerdem sammle ich DNA und untersuche ihre Funktion in der Entwicklung. Am Anfang von Diskussionen steht meist ein Entweder-Oder-Szenario, später treten dann realistischere Vorstellungen an die Stelle der Alles-oder-Nichts-Haltung. Fossilien und geologische Befunde sind bis heute eine wichtige Quelle für Erkenntnisse über die Vergangenheit; nichts anderes lässt so gut die Umweltverhältnisse und die Übergangsformen in der Geschichte des Lebendigen erkennen. Aber wie wir bereits erfahren haben, liefert auch die DNA außerordentlich wertvolle Einblicke in die Vergangenheit der Lebewesen und die Entstehung von Organismen und Organen. Besonders wichtig ist sie da, wo die Fossilien nichts zu sagen haben. Große Teile eines Organismus – beispielsweise das weiche Gewebe – werden nicht ohne weiteres zu Fossilien. In solchen Fällen haben wir praktisch nichts in der Hand außer dem, was in der DNA niedergeschrieben ist.

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Aus einem Organismus die DNA zu gewinnen, ist unglaublich einfach – es gelingt sogar in einer ganz normalen Küche. Man braucht dazu nur eine Handvoll Tier- oder Pflanzengewebe – beispielsweise Erbsen, ein Steak oder etwas Hühnerleber. Das Ganze zerkleinert man mit etwas Salz und Wasser in einem Mixer. Als Nächstes gibt man etwas Geschirrspülmittel in die Mischung. Das Spülmittel zerstört die Membranen der Zellen, die so klein sind, dass der Mixer sie nicht zerreißen konnte. Nun kommt ein wenig Fleisch-Weichmacher hinzu, der einen Teil der an die DNA gehefteten Proteine auflöst. Die so entstehende schmierige Mischung enthält die DNA. Als Letztes gibt man ein wenig medizinischen Alkohol in das Gefäß. Es bilden sich zwei Flüssigkeitsschichten: unten die seifige Schmiere, darüber der klare Alkohol. DNA wird von Alkohol angezogen und wandert in die klare Schicht ein. Wenn dort eine faserige weiße Kugel auftaucht, haben wir alles richtig gemacht. Die Kugel besteht aus DNA. Die weißliche Substanz können wir nun nutzen, um viele unserer grundlegenden Verbindungen zu allen anderen Lebewesen besser zu verstehen. Um dieses Ziel zu erreichen, wendet man viel Zeit und Geld auf, aber letztlich geht es darum, die Struktur und Funktion der DNA verschiedener biologischer Arten zu vergleichen. Die entscheidende Erkenntnis dabei widerspricht der Intuition: Indem man DNA aus einem beliebigen Gewebe verschiedener Arten gewinnt, beispielsweise aus der Leber, kann man die Geschichte praktisch aller Körperteile aufklären, auch die unseres Geruchssinnes. Ganz gleich, ob die DNA aus Leber, Blut oder Muskeln stammt, immer ist in ihr ein großer Teil des Apparats eingeschlossen, mit dem wir Gerüche in unserer Umwelt wahrnehmen. Wie bereits erwähnt, enthalten alle unsere Zellen die gleiche DNA; die Unterschiede betreffen nur die Frage, welche Abschnitte aktiv sind. Auch die Gene, die für unseren Geruchssinn sorgen, sind in allen unseren Zellen vorhanden, aktiv sind sie aber nur im Bereich der Nase. Wie wir alle wissen, lösen Gerüche in unserem Gehirn Impulse aus, die manchmal weitreichende Auswirkungen auf unsere Wahrnehmung der Umwelt haben. Ein Duft lässt vielleicht die Schulzimmer unserer Kindheit oder die staubige Gemütlichkeit auf dem Dachboden unserer Großeltern lebendig werden, und bei solchen

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Gelegenheiten dringen uns lange verschüttete Gefühle wieder ins Bewusstsein. Natürlich dienen Gerüche auch dem Überleben. Der Geruch leckeren Essens macht uns hungrig; beim Geruch von Abwasser wird uns schlecht. Wir sind so gebaut, dass wir verfaulte Eier meiden. Sie möchten Ihr Haus verkaufen? Dann richten Sie es am besten so ein, dass gerade ein Brot im Ofen bäckt, wenn Interessenten zur Besichtigung kommen; dagegen sollte auf dem Herd besser kein Topf mit Kohl stehen. Am deutlichsten wird das Prinzip vielleicht, wenn wir bedenken, wie viel Geld wir unserem Geruchssinn zuliebe ausgeben: Die Parfümindustrie erzielte 2005 allein in den USA einen Umsatz von 24 Milliarden Dollar. Das alles zeigt, wie tief der Geruchssinn in uns verwurzelt ist. Und sehr alt ist er auch. Mit unserem Geruchssinn können wir zwischen 5000 und 10000 Düften unterscheiden. Manche Menschen nehmen die Geruchsmoleküle einer grünen Paprikaschote noch in einer Konzentration von weniger als 1 zu einer Billion wahr. Es ist, als würden sie an einem Strand von einem Kilometer Länge ein einzelnes Sandkorn finden. Wie schaffen wir das? Was wir als Geruch wahrnehmen, ist die Reaktion unseres Gehirns auf eine Mischung verschiedener Moleküle, die in der Luft schweben. Diese Duftmoleküle sind so klein und leicht, dass sie nicht zu Boden sinken, und wenn wir einatmen oder mit der Nase schnuppern, saugen wir sie mit unseren Nasenöffnungen ein. Von dort gelangen sie in den hinteren Bereich des Nasenraumes, wo sie von den Schleimhäuten festgehalten werden. In dieser Schleimhaut befindet sich ein Gewebeabschnitt mit Millionen von Nervenzellen, die jeweils kleine Fortsätze in die Schleimhaut entsenden. Wenn die Moleküle aus der Luft an den Nervenzellen andocken, werden Signale an das Gehirn geschickt. Diese Signale nimmt unser Gehirn als Geruch auf. Die molekularen Vorgänge beim Riechen ähneln einem Schlüssel-Schloss-Mechanismus. Das Duftmolekül ist der Schlüssel, der Rezeptor auf der Nervenzelle ist das Schloss. Ein Molekül, das von der Nasenschleimhaut festgehalten wird, tritt mit einem Rezeptor auf der Nervenzelle in Wechselwirkung, und nur wenn es sich dort anheftet, schickt der Rezeptor ein Signal an das Gehirn. Jeder

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Rezeptor spricht auf ein anderes Molekül an, und da ein Geruch häufig aus vielen verschiedenen Molekülen besteht, laufen auch entsprechend viele Signale von verschiedenen Rezeptoren zum Gehirn. Der beste Vergleich für Düfte stammt aus der Musik: Ein Akkord besteht aus mehreren Tönen, die gemeinsam klingen und eine Einheit bilden. Nach dem gleichen Prinzip ist auch ein Duft das Produkt der Signale zahlreicher Rezeptoren, die durch verschiedene Duftmoleküle »aufgeschlossen« werden. Diese verschiedenen Impulse nimmt unser Gehirn als einheitlichen Duft wahr. Wie bei Fischen, Amphibien, Reptilien, Säugetieren und Vögeln, so liegt auch bei uns ein großer Teil des Geruchssinnes im Inneren des Schädels. Wie bei anderen Tieren gelangt die Luft auch bei uns durch Körperöffnungen in den Kopf, und dort sorgen spezialisierte Gewebe dafür, dass die chemischen Substanzen aus der Luft mit Nervenzellen in Wechselwirkung treten können. Den Aufbau dieser Öffnungen, Hohlräume und Schleimhäute können wir von den Fischen bis zum Menschen nachzeichnen, und dabei finden wir immer wieder die gleichen allgemeinen Gesetzmäßigkeiten. Bei den einfachsten heute noch lebenden Tieren, die einen Schädel besitzen – den kieferlosen Fischen, darunter Neunaugen und Inger –, führt eine einzige Nasenöffnung in einen Hautsack im Schädelinneren. Das Wasser strömt in den Sack, und dort findet die Geruchswahrnehmung statt; der wichtigste Unterschied zu uns Menschen besteht darin, dass Neunaugen und Inger den Geruch nicht aus der Luft aufnehmen, sondern aus dem Wasser. Bei unseren engeren Verwandten unter den Fischen sieht die Anordnung der unseren ein wenig ähnlicher: Das Wasser dringt durch eine Nasenöffnung ein und gelangt letztlich in einen Hohlraum, der mit dem Mund in Verbindung steht. Arten wie die Lungenfische oder Tiktaalik besitzen zweierlei Nasenöffnungen: eine äußere und eine innere. In dieser Hinsicht haben sie große Ähnlichkeit mit uns. Wir brauchen nur einmal den Mund zu schließen und dann einzuatmen. Die Luft strömt von den äußeren Nasenöffnungen durch die Nasenhöhle und innere Hohlräume in den hinteren Teil des Rachens. Auch bei unseren Fischvorfahren gab es innere und äußere Nasenöffnungen, und was dabei niemanden überraschen dürfte: Es handelt sich um

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die gleichen Fische, die auch Armknochen und andere Merkmale mit uns gemeinsam haben. In unserem Geruchssinn ist unsere lange Vergangenheit als Fische, Amphibien und Säugetiere festgeschrieben. Einen wichtigen Fortschritt für die Aufklärung der Zusammenhänge brachte das Jahr 1991: Damals entdeckten Linda Buck und Richard Axel die große Genfamilie, der wir unseren Geruchssinn verdanken. Bei der Planung ihrer Experimente gingen Buck und Axel von drei wichtigen Annahmen aus. Erstens stellten sie aufgrund der Arbeiten anderer Institute eine begründete Hypothese darüber auf, wie die Gene, die Geruchsrezeptoren entstehen lassen, vermutlich aussehen. Wie sich in Untersuchungen gezeigt hatte, haben Geruchsrezeptoren eine charakteristische Struktur mit mehreren Schleifen der Molekülkette, die ihnen die Informationsvermittlung quer durch eine Zelle ermöglichen. Das war ein wichtiger Hinweis, denn nun konnten Buck und Axel im Genom der Maus nach allen Genen suchen, die eine solche Struktur entstehen lassen. Zweitens gingen sie davon aus, dass die Gene für diese Rezeptoren ein ganz bestimmtes Aktivitätsmuster haben müssten – sie sollten nur in

Nasenöffnungen und der Weg der Duftmoleküle bei verschiedenen Lebewesen von kieferlosen Fischen bis zum Menschen.

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denjenigen Geweben aktiv sein, die mit der Geruchswahrnehmung zu tun haben. Es ist eine sinnvolle Annahme: Wenn ein Molekül mit dem Geruch zu tun hat, sollte man es nur in den Geweben finden, die auf eine solche Aufgabe spezialisiert sind. Drittens – und das war eine mutige Annahme – überlegten Axel und Buck, dass es vermutlich nicht nur ein solches Gen oder einige wenige geben sollte, sondern eine ganze Menge. Diese Hypothese stützte sich auf die Tatsache, dass viele verschiedene chemische Verbindungen unterschiedliche Geruchswahrnehmungen entstehen lassen. Wenn zwischen jeder chemischen Verbindung und einem auf sie spezialisierten Rezeptor/Gen eine unmittelbare Beziehung bestand, musste es sehr viele derartige Gene geben. Angesichts der seinerzeit verfügbaren Befunde war diese Aussage allerdings keineswegs gesichert. Die drei Annahmen von Buck und Axel bestätigten sich hervorragend. Sie fanden Gene mit der charakteristischen Struktur des Rezeptors, nach dem sie suchten. Alle diese Gene waren nur im Riechepithel aktiv, dem Gewebe, das für die Geruchswahrnehmung zuständig ist. Und schließlich fanden sie eine große Zahl dieser Gene. Es war ein Volltreffer. Als Nächstes machten Buck und Axel eine erstaunliche Entdeckung: Volle drei Prozent unseres gesamten Genoms bestehen aus Genen zur Wahrnehmung verschiedener Gerüche. Jedes dieser Gene lässt den Rezeptor für ein Duftmolekül entstehen. Im Jahr 2006 erhielten Buck und Axel für ihre Arbeit gemeinsam den Nobelpreis. Nach Bucks und Axels Erfolg machte man sich auch bei anderen biologischen Arten auf die Suche nach Genen für Geruchsrezeptoren. Wie sich dabei herausstellte, sind solche Gene die lebendigen Spuren einiger wichtiger Übergänge in der Geschichte des Lebendigen. Unter anderem belegen sie den Wechsel vom Wasser ans Land vor über 365 Millionen Jahren. Es gibt zwei Typen von Geruchsgenen: Die einen sind auf die Wahrnehmung chemischer Duftstoffe im Wasser spezialisiert, die anderen auf Duftstoffe aus der Luft. Zwischen Geruchsmolekül und Rezeptor finden in Wasser und Luft unterschiedliche chemische Reaktionen statt, und deshalb werden dafür auch geringfügig unterschiedliche Rezeptoren

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Moleküle (hier vielfach vergrößert) von einer Blüte schweben durch die Luft und docken an Rezeptoren in der Nasenschleimhaut an. Sind die Moleküle dort festgeheftet, läuft ein Signal zum Gehirn. Jeder Duft besteht aus vielen verschiedenen Molekülen, die sich an unterschiedliche Rezeptoren heften. Unser Gehirn nimmt die so erzeugten Signale in ihrer Gesamtheit als Duft wahr.

gebraucht. Wie nicht anders zu erwarten, tragen Fische in den Nervenzellen ihrer Nase die auf Wasser spezialisierten Rezeptoren, bei Säugetieren und Reptilien sind sie auf Luft spezialisiert. Diese Entdeckung lässt Befunde bei einigen besonders einfachen Fischen unserer Zeit, den Neunaugen und Ingern, plausibler erscheinen. Diese Tiere besitzen im Gegensatz zu höher entwickelten Fischen und Säugetieren keine »Luft«- oder »Wasser«-Gene, sondern in ihren Rezeptoren verbinden sich beide Typen. Daraus ergibt sich eine klare Schlussfolgerung: Diese einfach gebauten Fische entstanden, bevor sich die beiden Typen der Geruchsrezeptorgene auseinanderentwickelten.

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An den kieferlosen Fischen zeigt sich noch eine andere wichtige Erkenntnis: Sie besitzen nur sehr wenige Gene für Geruchsrezeptoren. Bei den Knochenfischen ist ihre Zahl schon größer, und noch mehr sind es bei Amphibien und Reptilien. Die Zahl der Geruchsrezeptorgene stieg im Laufe der Zeit immer weiter an – bei einfach gebauten Lebewesen wie den kieferlosen Fischen waren es relativ wenige, bei den Säugetieren dagegen gibt es sie in gewaltiger Zahl. Ein beträchtlicher Teil des genetischen Apparats der Säugetiere, über 1000 derartige Gene, ist allein dem Riechen gewidmet. Je mehr solche Gene ein Tier besitzt, desto genauer kann es vermutlich zwischen verschiedenen Gerüchen unterscheiden. Unter diesem Gesichtspunkt hat die große Zahl der Geruchsrezeptorgene durchaus einen biologischen Sinn: Säugetiere sind hochspezialisierte Riechtiere – man denke nur daran, wozu ein guter Spürhund in der Lage ist. Aber woher kommen die ganzen zusätzlichen Geruchsrezeptorgene? Sind sie einfach vom Himmel gefallen? Wie es zu der Vermehrung kam, liegt auf der Hand, wenn man die Struktur der Gene betrachtet. Vergleicht man die Geruchsrezeptorgene eines Säugetieres mit den wenigen entsprechenden Genen eines kieferlosen Fisches, so stellt man fest, dass die »zusätzlichen« Gene der Säugetiere stets Variationen des gleichen Themas sind: Sie sehen aus wie geringfügig abgewandelte Kopien der Gene des kieferlosen Fisches. Demnach sind unsere vielen Geruchsrezeptorgene entstanden, weil sich die wenigen Gene, die bereits bei einfacheren Arten vorhanden waren, immer wieder verdoppelt haben. Hier stoßen wir auf einen Widerspruch. Bei uns Menschen sind wie bei allen Säugetieren ungefähr drei Prozent des gesamten Genoms durch Geruchsrezeptorgene belegt. Als man sich die Struktur dieser menschlichen Gene genauer ansah, stellte man etwas Überraschendes fest: Von den rund 1000 Genen haben volle 300 überhaupt keine Funktion mehr, weil ihre Struktur sich durch Mutationen so stark verändert hat, dass sie nicht mehr zu reparieren sind. (Bei anderen Säugetieren werden diese Gene durchaus genutzt.) Warum haben sich so viele Gene entwickelt, wenn ein beträchtlicher Teil von ihnen später nutzlos wurde?

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Ein Indiz, das zur Lösung dieses Rätsels beiträgt, liefern Delphine und Wale. Sie besitzen wie alle Säugetiere ein Fell, Brustdrüsen und drei Mittelohrknochen. Auch an ihren Geruchsrezeptorgenen kann man ihre Vergangenheit als Säugetiere ablesen: Ihnen fehlen die auf Wasser spezialisierten Gene der Fische, und stattdessen besitzen sie die Gene der Säugetiere, die eigentlich für Luft geeignet sind. Die Säugetier-Geschichte der Wale und Delphine ist der DNA ihres Wahrnehmungsapparates eingeschrieben. Doch es gibt ein interessantes Rätsel: Delphine und Wale benutzen die Nasenhöhle nicht mehr zum Riechen. Was tun diese Gene dann? Die frühere Nasenöffnung wurde zu einem Blasloch umgestaltet, das zwar zum Atmen, aber nicht zum Riechen dient. Dies hatte für die Geruchsrezeptorgene eine bemerkenswerte Folge: Alle diese Gene sind bei den Meeressäugern zwar vorhanden, aber kein einziges hat eine Funktion. Die gleiche Entwicklung wie bei den Geruchsgenen der Delphine und Wale hat sich auch bei den Genen vieler anderer Arten abgespielt. Im Genom treten von Generation zu Generation immer neue Mutationen auf. Schaltet eine solche Mutation die Funktion eines Gens aus, können die Folgen tödlich oder zumindest gefährlich sein. Aber was geschieht, wenn eine Mutation die Funktion eines Gens beeinträchtigt, das ohnehin keine Wirkung hat? Zu der Frage gibt es eine Menge mathematischer Theorien, aber ihre Aussage liegt auf der Hand: Solche Mutationen werden einfach stillschweigend von Generation zu Generation weitervererbt. Genau das ist offensichtlich bei den Delphinen geschehen. Ihre Geruchsgene werden wegen des Blasloches nicht mehr gebraucht, und deshalb konnten sich die Mutationen, die ihre Funktion ausschalten, im Laufe der Zeit ansammeln. Die Gene haben also heute keine Funktion mehr, sind aber in der DNA als stumme Zeugen der Evolution noch vorhanden. Wir Menschen dagegen verfügen über einen Geruchssinn – warum wurden also auch bei uns so viele Geruchsgene ausgeschaltet? Diese Frage beantworteten Yoav Gilad und seine Kollegen durch den Vergleich der Gene verschiedener Primaten. Wie sich dabei herausstellte, tragen Primaten, bei denen sich die Fähigkeit zum Farbensehen entwickelt, besonders viele ausgeschaltete

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Geruchsgene. Die Schlussfolgerung liegt auf der Hand: Wir Menschen gehören zu einer Abstammungslinie, die den Geruchssinn gegen eine bessere Sehfähigkeit eingetauscht hat. Im Rahmen dieses Tauschhandels ging die Bedeutung des Geruchssinnes zurück, und viele dafür zuständige Gene verloren ihre Funktion. Wir tragen also in unserer Nase – oder genauer gesagt, in der DNA, die für unseren Geruchssinn zuständig ist – eine Menge Ballast mit uns herum. Mehrere hundert nutzlose Geruchsgene sind von unseren Säugetiervorfahren, die zum Überleben stärker auf die Geruchswahrnehmung angewiesen waren, übrig geblieben. Wir können den Vergleich sogar noch weitertreiben. Wie Fotokopien, die immer wieder kopiert werden und dabei an Genauigkeit verlieren, so wird auch die Ähnlichkeit zwischen den Geruchsgenen immer geringer, wenn wir uns mit immer einfacher gebauten Lebewesen vergleichen. Unsere Gene ähneln denen der Primaten, etwas weniger ähneln sie denen anderer Säugetiere, noch weniger denen von Reptilien, Amphibien, Fischen und so weiter. Dieser Ballast ist ein schweigendes Zeugnis unserer Vergangenheit; in unserer Nase befindet sich ein ansehnlicher Stammbaum des Lebendigen.

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9. Sehen

In meiner gesamten Berufslaufbahn habe ich nur ein einziges Mal das Auge eines fossilen Tiers gefunden, und das geschah nicht bei einer Expedition ins Freiland, sondern im Hinterzimmer eines Mineralienladens in einer Kleinstadt im Nordosten Chinas. Mein Kollege Gao Keqin und ich untersuchten die ältesten bekannten Salamander, wunderschöne, rund 160 Millionen Jahre alte Fossilien aus chinesischen Gesteinsschichten. Wir waren gerade von einem Ausflug zu mehreren Fundstätten zurückgekehrt, die Gao kannte. Die Stellen wurden geheim gehalten, denn die Salamanderfossilien sind für die Bauern, die sie normalerweise finden, bares Geld wert. Sie sind vor allem deshalb etwas Besonderes, weil bei ihnen häufig auch Abdrücke von weichem Gewebe erhalten sind, beispielsweise von Kiemen, Darm und Notochord. Privatsammler schätzen sie, weil Fossilien dieser Qualität äußerst selten sind. Als wir schließlich in dem Mineralienladen standen, hatten Gao und ich an seinen Fundstätten bereits eine ganze Reihe wirklich hübscher urzeitlicher Salamander gesammelt. Dieser spezielle Mineralienhändler hatte Zugriff auf eines der besten Salamanderfossilien aller Zeiten. Gao wollte erreichen, dass wir es zu sehen bekamen, und verwendete den größten Teil des Tages darauf, das Geschäft auszuhandeln. Das ganze Unternehmen vermittelte ein schreckliches Gefühl des Unerlaubten. Mehrere Stunden lang saßen Gao und der Händler zusammen, rauchten Zigaretten, unterhielten sich auf Chinesisch und gestikulierten. Ganz offensichtlich bahnte sich da ein Handel an, aber da ich kein Chinesisch spreche, hatte ich keine Ahnung, welche Angebote auf dem Tisch lagen. Nach vielem Kopfschütteln und letztlich einem langen Händedruck wurde es mir gestattet, ins Hinterzimmer zu gehen und mir das Fossil auf dem Ladentisch des Händlers anzusehen.

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Es war ein verblüffender Anblick: der Körper eines Salamanders im Larvenstadium, nicht länger als sieben oder acht Zentimeter. Ich konnte Abdrücke des gesamten Körpers erkennen, bis hin zu den kleinen Gehäusen der Tiere, die der Salamander bei seiner letzten Mahlzeit zu sich genommen hatte. Und zum ersten und einzigen Mal in meiner Laufbahn blickte ich einem vorzeitlichen, fossilen Tier ins Auge. Augen werden nur sehr selten zu Fossilien. Wie wir bereits erfahren haben, bleiben am häufigsten die harten Teile der Tiere in fossiler Form erhalten – die Knochen, Zähne und Schuppen. Wenn wir die Vergangenheit der Augen verstehen wollen, können wir uns allerdings eine wichtige Tatsache zunutze machen. Die Tiere fangen Licht mit bemerkenswert vielfältigen Organen und Geweben ein, von einfachen Lichtrezeptoren bei Wirbellosen bis zu den Komplexaugen der verschiedenen Insekten und unseren eigenen Augen, die nach dem Prinzip einer Kamera funktionieren. Wie können wir uns diesen Formenreichtum zunutze machen, wenn wir verstehen wollen, wie sich die Sehfähigkeit entwickelte? Die Geschichte unserer Augen ähnelt stark der eines Autos. Nehmen wir beispielsweise eine Chevrolet Corvette. Wir können einerseits die Vergangenheit dieses Modells als Ganzes – als Corvette – zurückverfolgen, andererseits aber auch die Geschichte seiner Einzelteile. Die Geschichte der Corvette beginnt 1953 mit ihrer Entstehung und setzt sich über die einzelnen Jahre mit jeweils unterschiedlichem Modelldesign fort. Auch die Reifen der Corvette haben eine Geschichte, und das Gleiche gilt für das Gummi, das zu ihrer Herstellung verwendet wird. Damit haben wir eine großartige Analogie zu den Organismen und Organen. Unsere Augen haben als Organe eine Vergangenheit, aber das Gleiche gilt auch für die Bestandteile der Augen, für die Zellen und Gewebe, ja sogar für die Gene, die diese Bestandteile entstehen lassen. Wenn wir die vielschichtige Vergangenheit unserer Organe kennen, verstehen wir auch, dass wir ein Mosaik aus kleinen Teilen und Stücken sind, die man auch bei praktisch allen anderen Lebewesen auf der Erde findet. Die Verarbeitung der Bilder, die wir sehen, findet in Wirklichkeit zu einem großen Teil im Gehirn statt: Das Auge hat vor allem

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die Aufgabe, Licht so einzufangen, dass das Signal an das Gehirn weitergeleitet und zu einem Bild verarbeitet werden kann. Unsere Augen und auch die aller anderen Tieren mit Schädel und Wirbelsäule ähneln kleinen Kameras. Das einfallende Licht wird auf der Rückseite des Augapfels auf eine Projektionsfläche fokussiert. Auf diesem Weg durchläuft es mehrere Schichten. Zuerst dringt es durch die Hornhaut, eine dünne, durchsichtige Gewebeschicht, die sich vor der Linse befindet. Wie viel Licht ins Auge gelangt, wird von der Iris gesteuert, einer Art Blende, die von unbewusst arbeitenden Muskeln geöffnet und geschlossen wird. Von dort läuft das Licht durch die Linse, die das Bild wie ein Kameraobjektiv scharf stellt. Die Linse ist von winzigen Muskeln umgeben; wenn sie sich zusammenziehen, verändert sich die Form der Linse, sodass Bilder aus geringerer und größerer Entfernung scharf gestellt werden können. Eine gesunde Augenlinse ist durchsichtig; sie besteht aus besonderen Proteinen, die ihr ihre charakteristische Form und ihre lichtsammelnden Eigenschaften verleihen. Diese Proteine, Crystalline genannt, sind besonders langlebig – deshalb funktioniert unsere Augenlinse bis ins hohe Alter. Die Projektionsfläche, auf die das Licht fällt, die Netzhaut, ist von Blutgefäßen durchzogen und mit Lichtrezeptoren besetzt. Die Rezeptoren übermitteln Signale an das Gehirn, die wir dann als Bilder interpretieren. In der Netzhaut wird das Licht von empfindlichen Lichtsammelzellen aufgenommen. Es gibt zwei Typen solcher Zellen: Die einen sind sehr lichtempfindlich, die anderen etwas weniger. Die empfindlicheren Zellen reagieren nur auf Schwarz und Weiß, die weniger empfindlichen sprechen auf Farben an. Wenn wir uns in der Tierwelt umsehen, können wir Vermutungen darüber anstellen, ob ein Tier auf Tageslicht oder nächtliche Aktivität spezialisiert ist; dazu brauchen wir uns nur anzusehen, welchen Anteil die verschiedenen Typen lichtempfindlicher Zellen in den Augen haben. Beim Menschen machen solche Zellen ungefähr 70 Prozent aller Sinneszellen im Körper aus – ein deutliches Anzeichen dafür, wie wichtig das Sehen für uns ist. Die kameraähnlichen Augen haben wir mit allen Tieren gemeinsam, die einen Schädel besitzen, von den Fischen bis zu den Säugetieren. In anderen Tiergruppen finden wir alle möglichen unter-

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Immer bessere Augen: Das Spektrum reicht von den primitiven lichtempfindlichen Vorrichtungen der Wirbellosen bis zu unserem Kameraauge mit einer Linse. Die Sehschärfe nahm in der Evolution der Augen zu.

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schiedlich gebauten Augen. Das Spektrum reicht von einfachen, auf die Lichtwahrnehmung spezialisierten Zellgruppen über Augen mit vielen Linsen wie bei den Fliegen bis zu urtümlichen Versionen unserer eigenen Augen. Wenn wir die Vergangenheit unserer Augen ergründen wollen, liegt der Schlüssel in der Frage, welche Beziehung zwischen den Strukturen unserer Kameraaugen und denen aller anderen Augentypen besteht. Um sie zu beantworten, betrachten wir die lichtsammelnden Moleküle, die Gewebe, mit denen wir sehen, und die Gene, die für die Entstehung des ganzen Sehapparats sorgen.

Lichtsammelnde Moleküle

In den lichtsammelnden Zellen spielt sich der eigentlich wichtige Vorgang an den Molekülen ab, die das Licht tatsächlich einsammeln. Nimmt ein solches Molekül Licht auf, verändert es seine Form und zerbricht in zwei Teile. Der eine stammt vom Vitamin A ab, der andere von einem Protein namens Opsin. Wenn das Opsin sich gelöst hat, setzt es eine Kettenreaktion in Gang, und die führt am Ende dazu, dass eine Nervenzelle einen Impuls an das Gehirn schickt. Verschiedene Formen des Opsins dienen zum Schwarzweiß- und Farbensehen. Wie ein Tintenstrahldrucker, der drei oder vier Patronen braucht, um Farben zu drucken, so brauchen auch wir drei Arten lichtsammelnder Moleküle, um Farben zu sehen. Zum Schwarzweißsehen reicht uns ein einziges. Die lichtsammelnden Moleküle verändern im Licht ihre Form, regenerieren sich aber im Dunkeln und kehren dann in ihren Normalzustand zurück. Dieser Vorgang dauert einige Minuten, und jeder von uns hat ihn selbst schon einmal erlebt: Wenn wir aus dem hellen Licht in einen dunklen Raum gehen, sehen wir dort anfangs so gut wie nichts. Ist diese Zeit verstrichen, kehrt die Sehfähigkeit im Dunkeln zurück. Obwohl die Lichtsinnesorgane im Tierreich ganz unterschiedlich gebaut sind, übernehmen gleichartige Moleküle bei allen die Aufgabe, das Licht zu sammeln. Opsine gibt es bei Insekten, Menschen und Muscheln. Anhand der Unterschiede in der Struktur der Op-

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sine können wir nicht nur die Entstehungsgeschichte der Augen zurückverfolgen, sondern vieles spricht sogar dafür, dass wir diese Moleküle ursprünglich den Bakterien zu verdanken haben. Ein Opsin ist im Wesentlichen ein Molekül, das Informationen aus der Umgebung der Zelle in ihr Inneres überträgt. Um diese Leistung vollbringen zu können, muss es eine chemische Substanz durch die Membran transportieren, die jede Zelle umgibt. Opsine sind spezialisierte Überträger, deren Molekülkette auf dem Weg aus der Umgebung der Zelle ins Zellinnere verschiedene Biegungen und Schleifen beschreibt. Aber der gewundene Verlauf des Rezeptors in der Membran wird nicht vom Zufall bestimmt, sondern er offenbart charakteristische Kennzeichen. Wo findet man ihn noch? Es gibt ihn in genau der gleichen Form auch bei Teilen bestimmter Bakterienmoleküle. Die Ähnlichkeiten in diesem Molekül lassen auf eine sehr alte Gemeinsamkeit aller Tiere schließen und erstrecken sich bis hin zu unserer gemeinsamen Vergangenheit mit den Bakterien. In einem gewissen Sinn liegen in unserer Netzhaut abgewandelte Bausteine uralter Bakterien und helfen uns beim Sehen. Manche wichtigen Ereignisse in der Entstehungsgeschichte unserer Augen können wir dingfest machen, indem wir die Opsine verschiedener Tierarten untersuchen. Eine wichtige Entwicklung in unserer Vergangenheit als Primaten war beispielsweise die Entstehung des reichhaltigen Farbensehens. Wie gesagt: Wir Menschen und unsere nächsten Verwandten, die Altweltaffen, verfügen mit dreierlei Lichtrezeptoren über eine sehr gute Fähigkeit, Farben wahrzunehmen. Jeder dieser Rezeptoren ist auf eine andere Art von Licht abgestimmt. Bei den meisten übrigen Säugetieren gibt es nur zwei Rezeptortypen, und deshalb können sie nicht so viele Farben unterscheiden wie wir. Wie unsere Fähigkeit zum Farbensehen entstanden ist, können wir nachvollziehen, wenn wir die Gene betrachten, welche die Rezeptoren entstehen lassen. Die zwei Rezeptortypen der meisten anderen Säugetieren werden von zweierlei Genen gebildet. Von unseren drei Rezeptorgenen sind zwei denen der anderen Säugetiere bemerkenswert ähnlich. Die Schlussfolgerung scheint eindeutig: Unsere Fähigkeit zum Farbensehen verbesserte sich, weil eines der beiden Gene der anderen Säugetiere

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sich verdoppelte und weil die beiden Kopien sich später auf unterschiedliche Arten von Licht spezialisierten. Wie bereits erwähnt wurde, spielte sich etwas Ähnliches auch mit den Genen für die Geruchsrezeptoren ab. Dass es zu einer solchen Entwicklung kam, könnte daran liegen, dass sich die Pflanzenwelt auf der Erde vor rund 35 Millionen Jahren veränderte. Man sollte sich einmal klarmachen, warum das Farbensehen von Nutzen war, als es sich zum ersten Mal entwickelte. Affen, die auf Bäumen leben, profitieren davon, wenn sie besser zwischen verschiedenen Früchten und Blättern unterscheiden und die nahrhaftesten Leckerbissen auswählen können. Aufgrund der Untersuchung anderer Primaten kann man abschätzen, dass unsere Form des Farbensehens vor rund 55 Millionen Jahren entstand. An Fossilien aus jener Zeit finden wir Belege, dass sich die Zusammensetzung der Wälder änderte. Davor gab es in den Wäldern viele Feigen und Palmen, die zwar gut schmecken, aber alle mehr oder weniger die gleiche Farbe haben. Später wuchs die Pflanzenvielfalt und mit ihr auch die Vielfalt der Farben. Dass der Wechsel zum Farbensehen im Zusammenhang mit dem Wechsel von einem einfarbigen Lebensraum zu einer reichhaltigeren Farbpalette bei der Nahrung stand, ist eine plausible Vermutung.

Gewebe

Es gibt zwei Haupttypen von Tieraugen. Den einen findet man bei Wirbellosen, den anderen bei Wirbeltieren wie Fischen und Menschen. Der entscheidende Unterschied besteht darin, wie die lichtsammelnde Oberfläche im Augengewebe vergrößert wird. Bei Wirbellosen wie Fliegen und Würmern hat das Gewebe zu diesem Zweck zahlreiche Falten, in unserer Abstammungslinie wird die Oberfläche durch viele Ausstülpungen vergrößert, die wie kleine Borsten aus dem Gewebe herausragen. Mit diesen unterschiedlichen Konstruktionsprinzipien steht eine Fülle weiterer Unterschiede im Zusammenhang. Aus der fraglichen Evolutionsphase gibt es keine Fossilien, und deshalb sah es lange Zeit so aus, als würde es

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uns nie gelingen, die Kluft zwischen unseren Augen und denen der Wirbellosen zu überbrücken. Dann aber, im Jahr 2001, beschäftigte sich Detlev Arendt mit den Augen eines sehr einfach gebauten kleinen Wurmes. Die Borstenwürmer oder Polychaeten gehören zu den einfachsten Würmern, die man heute kennt. Sie haben einen sehr simplen, aus Segmenten aufgebauten Körper und zwei Arten lichtempfindlicher Organe: ein Auge und einen unter der Haut verborgenen Teil des Nervensystems, der darauf spezialisiert ist, Licht aufzunehmen. Arendt nahm diese Würmer sowohl körperlich als auch genetisch auseinander. Da er bereits die DNA-Sequenz unserer Opsingene und die Struktur unserer lichtsammelnden Nervenzellen kannte, verfügte er über alle Voraussetzungen, um die Entstehung der Borstenwürmer zu studieren. Dabei fand er Elemente von beiden Rezeptortypen, die bei Tieren vorkommen. Das normale »Auge« besteht aus Nervenzellen und Opsinen, wie sie auch in den Augen aller Wirbellosen enthalten sind. Ganz anders sieht es jedoch mit den winzigen Lichtrezeptoren unter der Haut aus. Ihre Opsine und Zellstrukturen ähneln denen der Wirbeltiere und besitzen sogar die borstenähnlichen Fortsätze, allerdings in einfacherer Form. Damit hatte Arendt eine lebende Brücke gefunden, ein Tier mit Augen beider Typen, von denen eines – nämlich unser Typ – in sehr primitiver Form vorlag. Bei der Untersuchung einfach gebauter wirbelloser Tieren stellt man also fest, dass auch die verschiedenartigen Tieraugen gemeinsame Grundbestandteile haben.

Gene

Arendts Entdeckung warf eine neue Frage auf. Es mag ja sein, dass Augen gemeinsame Teile haben, aber wie kommt es dann, dass beispielsweise die Augen von Würmern, Fliegen und Mäusen so unterschiedlich aussehen und doch eng verwandt sind? Um eine Antwort zu finden, müssen wir die genetischen Rezepte zum Aufbau von Augen betrachten.

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Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts beschäftigte sich Mildred Hoge mit mutierten Taufliegen. Dabei fand sie eine Fliege, die überhaupt keine Augen besaß. Diese Mutante war kein Einzelfall: Wie Hoge feststellte, konnte sie eine ganze Linie solcher Fliegen züchten, die sie auf den Namen eyeless taufte. Später entdeckte man bei Mäusen eine ähnliche Mutation. Hier hatten manche Individuen kleine Augen, bei anderen fehlten ganze Abschnitte von Gesicht und Kopf einschließlich der Augen. Beim Menschen kennt man einen ähnlichen Zustand unter dem Namen Aniridie; den Betroffenen fehlen große Teile der Augen. Bei allen diesen unterschiedlichen Lebewesen – Fliegen, Mäusen und Menschen – findet man durch genetische Untersuchungen ähnliche Mutanten. Einen großen Fortschritt erzielte man Anfang der 1990er Jahre, als man mit neuen molekularbiologischen Methoden untersuchte, wie sich die eyeless-Mutation auf die Augenentwicklung auswirkt. Durch die Kartierung der Gene konnte man feststellen, in welchem DNA-Abschnitt sich die Mutationen befanden. Wie sich bei der Sequenzierung der DNA herausstellte, ähneln sich die Gene, die bei Fliegen, Mäusen und Menschen für »eyeless« verantwortlich sind, in Struktur und Sequenz. Es handelt sich in allen Fällen gewissermaßen um das gleiche Gen. Was konnte man daraus schließen? Man hatte ein einzelnes Gen identifiziert, das in mutierter Form Organismen mit kleinen Augen oder völlig ohne Augen entstehen lässt. Demnach ist dieses Gen in seiner normalen Form ein wichtiger Auslöser für die Entwicklung der Augen. Nun bot sich die Gelegenheit, mit neuen Experimenten eine ganz andere Frage zu stellen. Was geschieht, wenn man mit diesem Gen herumspielt und es am falschen Ort ein- oder ausschaltet? Ein ideales Versuchsobjekt für solche Arbeiten waren Fliegen. In den 1980er Jahren hatte man für genetische Untersuchungen an Fliegen eine ganze Reihe sehr leistungsfähiger Hilfsmittel entwickelt. Wenn man ein Gen oder eine DNA-Sequenz kannte, konnte man nun eine Fliege herstellen, der dieses Gen fehlte oder bei der es umgekehrt an der falschen Stelle aktiv war. Solche Methoden wandte Walter Gehring auf das eyeless-Gen an. Seine Arbeitsgruppe konnte die DNA diese Gens praktisch an je-

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dem beliebigen Ort aktivieren: in den Antennen der Fliege, in den Beinen oder den Flügeln. Dabei stellte sich etwas Erstaunliches heraus. Wenn man das eyeless-Gen in einer Antenne einschaltete, wuchs dort ein Auge heran. Tat man das Gleiche in einem Körpersegment, entwickelte sich auch dort ein Auge. Ganz gleich, an welcher Stelle man das Gen aktivierte, immer bildete sich dort ein Auge. Und manche dieser am falschen Ort heranwachsenden Augen zeigten sogar ansatzweise die Fähigkeit, auf Licht zu reagieren. Gehring hatte einen wichtigen Auslöser der Augenentwicklung entdeckt. Aber dabei ließ Gehring es nicht bewenden. Als Nächstes tauschte er Gene verschiedener Tierarten aus. Seine Mitarbeiter nahmen das Gen Pax 6, das bei Mäusen die Entsprechung zu eyeless ist, und aktivierten es in einer Fliege. Auch hier ließ das Mausgen ein neues Auge entstehen. Und es handelte sich dabei nicht einfach nur um ein Auge, sondern um ein Fliegenauge. Mit dem Mausgen konnte man überall am Körper einer Fliege – auf dem Rücken, auf einem Flügel, in der Nähe des Mundes – ein Fliegenauge entstehen lassen. Gehring hatte also einen Hauptschalter für die Augenentwicklung gefunden, und dieser Hauptschalter war bei Fliegen und Mäusen praktisch der gleiche. Das Gen Pax 6 setzte eine komplizierte Kettenreaktion von Genaktivitäten in Gang, die letztlich zu einem neuen Fliegenauge führte. Heute wissen wir, dass eyeless/Pax 6 bei allen Lebewesen, die Augen haben, deren Entwicklung steuert. So unterschiedlich die Augen auch aussehen – mit oder ohne Linse, Komplex- oder Einfachaugen –, die genetischen Schalter, die für ihre Entstehung sorgen, sind immer die gleichen. Romantik, Schöpfung, Fenster zur Seele – das können wir vergessen. Wenn wir in Augen blicken und ihre Moleküle, Gene und Gewebe sehen, die von Mikroorganismen, Quallen, Würmern und Fliegen stammen, haben wir einen ganzen Zoo vor uns.

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10. Ohren

Wer zum ersten Mal in ein Ohr blickt, ist enttäuscht: Der eigentliche Hörapparat liegt, von einer Knochenwand umschlossen, tief im Inneren des Kopfes. Hat man die Schädelknochen geöffnet und das Gehirn herausgenommen, muss man die Wand des Innenohrs mit einem Meißel entfernen. Wenn man sehr geschickt ist oder großes Glück hat, setzt man den richtigen Schlag, und dann kann man ins Innenohr hineinblicken. Es ähnelt einem winzigen Schneckenhaus, wie man es im Garten finden kann. Das Ohr mag unscheinbar wirken, aber es ist eine großartig komplizierte Konstruktion. Die Schallwellen werden von der Ohrmuschel in den Gehörgang geleitet und lassen das Trommelfell vibrieren. An der Innenseite des Trommelfells sind drei winzige Knochen befestigt, die ebenfalls zu schwingen beginnen. Einer dieser Ohrknochen ist mit der schneckenförmigen Struktur über eine Art Tauchkolben verbunden, der sich durch die Schwingungen des Knochens auf und ab bewegt. Dies führt dazu, dass eine flüssige Substanz im Inneren der Schnecke in Bewegung gerät. Durch die Bewegung der Flüssigkeit werden Härchen auf Nervenzellen gebogen, und die senden daraufhin Signale an das Gehirn, die dort als Geräusche interpretiert werden. Wenn man ins Konzert geht, sollte man auch einmal daran denken, was sich dabei in unserem Kopf alles abspielt. Im Aufbau des Ohres kann man also drei Teile unterscheiden: Außen-, Mittel- und Innenohr. Das Außenohr ist der sichtbare Teil, im Mittelohr liegen die kleinen Knochen, und das Innenohr besteht aus den Nervenzellen, dem Gel und den umgebenden Geweben. Diese drei Bestandteile schaffen die Möglichkeit, die nachfolgende Beschreibung des Ohres auf bequeme Weise zu strukturieren.

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Unser Ohr gliedert sich in drei Teile: Außen-, Mittel- und Innenohr. Das Innenohr, der älteste Teil, erzeugt die Nervenimpulse, die dann zum Gehirn laufen.

Der Teil des Ohres, den wir sehen können – die Muschel, auf die sich unsere Brille stützt –, ist in der Evolution unseres Körpers eine relativ neue Errungenschaft. Davon kann man sich bei einem Besuch im Zoo oder Aquarium überzeugen. Wie viele Haie, Knochenfische, Amphibien oder Reptilien haben äußerlich sichtbare Ohren? Eine Ohrmuschel gibt es nur bei Säugetieren. Die Ohren mancher Amphibien und Reptilien sind äußerlich sichtbar, aber eine Ohrmuschel haben sie nicht. In vielen Fällen ist das Außenohr nur eine Membran, die aussieht wie die Oberseite einer Trommel. Unsere elegante Verbindung zu den Haien und Knochenfischen zeigt sich erst, wenn wir in das Ohr hineinschauen. Dass sich ein Zusammenhang zwischen Haien und Menschen ausgerechnet an den Ohren offenbaren soll, mag nicht gerade auf der Hand liegen, insbesondere weil Haie scheinbar keine Ohren besitzen. Aber die Verbindung ist vorhanden. Sehen wir uns zunächst einmal die Ohrknochen an.

Das Mittelohr und die drei Ohrknochen

Säugetiere sind etwas ganz Besonderes. Mit ihrer Behaarung und den Milchdrüsen kann man sie leicht von anderen Tieren unter-

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scheiden. Die meisten Menschen sind überrascht, wenn sie hören, dass einige besonders charakteristische Merkmale der Säugetiere im Ohr liegen. Die Mittelohrknochen der Säugetiere gibt es in dieser Form sonst nirgendwo: Es sind drei kleine Knöchelchen, Reptilien und Amphibien haben nur eines, und bei Fischen gibt es solche Knochen überhaupt nicht. Woher stammen unsere Mittelohrknochen? Betrachten wir zunächst einmal die Anatomie. Die Namen unserer drei Mittelohrknochen wurden bereits erwähnt: Hammer, Amboss und Steigbügel. Ebenso war schon davon die Rede, dass alle drei von den Kiemenbögen abstammen: Hammer und Amboss vom ersten, der Steigbügel vom zweiten. An dieser Stelle beginnt unsere Geschichte. Im Jahr 1827 beschäftigte sich der deutsche Anatom Karl Reichert mit Embryonen von Säugetieren und Reptilien. Er wollte herausfinden, wie der Schädel entsteht. Dazu verfolgte er bei vier verschiedenen Tierarten den Weg der Kiemenbögen und beobachtete, wo sie im Schädel am Ende jeweils ihren Platz finden. Immer wieder stellte er die gleichen Beobachtungen an, und dabei fiel ihm etwas scheinbar Widersinniges auf: Zwei Ohrknochen der Säugetiere entsprachen zwei Teilen des Kiefers bei den Reptilien. Reichert mochte buchstäblich seinen Augen nicht trauen, und seine Erregung kommt auch in seinem Buch zum Ausdruck. In der Beschreibung des Vergleichs zwischen Kiefer und Ohr verlässt er die trockene Prosa der Anatomie des 19. Jahrhunderts und äußert Erschrecken und sogar Verwunderung über seine Entdeckung. Aber die Schlussfolgerung war nicht von der Hand zu weisen: Der gleiche Kiemenbogen, der bei Reptilien einen Teil des Kiefers hervorbringt, bildet bei den Säugetieren die Ohrknochen. Reichert formulierte einen Gedanken, an den er selbst kaum glauben mochte: Bestandteile der Säugetierohren gleichen Teilen des Reptilienkiefers. Diese Vorstellung war vor allem deshalb so problematisch, weil Reichert sie mehrere Jahrzehnte vor der Veröffentlichung von Darwins Gedanken von einem Stammbaum der Lebewesen äußerte. Was bedeutet es, wenn man Strukturen bei zwei verschiedenen Arten als »gleich« bezeichnet, ohne dabei auch nur die geringste Ahnung von Evolution zu haben?

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Viel später, 1910 und 1912, knüpfte der deutsche Anatom Ernst Gaupp an Reicherts Arbeiten an und veröffentlichte eine umfassende anatomische Studie über die Embryonalentwicklung der Säugetierohren. Gaupp beschrieb wesentlich mehr Details und interpretierte Reicherts Arbeiten vor dem Hintergrund der Kenntnisse seiner Zeit über die Evolution. Sinngemäß sagte er: Die drei Mittelohrknochen offenbaren die Verbindung zwischen Reptilien und Säugetieren. Der einzelne Knochen im Ohr der Reptilien entspricht dem Steigbügel der Säugetiere; beide stammen vom zweiten Kiemenbogen ab. Die entscheidende Erkenntnis lautete jedoch: Hammer und Amboss, die beiden anderen Mittelohrknochen der Säugetiere, sind in der Evolution aus Knochen hervorgegangen, die sich bei Reptilien am hinteren Ende des Kiefers befinden. Wenn das stimmte, sollte man an Fossilien ablesen können, wie die Knochen während der Entstehung der Säugetiere vom Kiefer ins Ohr gewandert sind. Das Problem war nur, dass Gaupp ausschließlich mit heute lebenden Tieren arbeitete; welche Rolle Fossilien für seine Theorie spielen konnten, wusste er nicht in vollem Umfang zu würdigen. Seit den 1840er Jahren wurde in Südafrika und Russland eine ganze Reihe neuer fossiler Lebewesen entdeckt. Vielfach konnte man gut erhaltene, vollständige Skelette hundegroßer Tiere ausgraben. Viele Funde wurden verpackt und zur Bestimmung und Untersuchung an Richard Owen nach London geschickt. Owen fiel bei den neu entdeckten Tieren eine eigenartige Merkmalsmischung auf. Manche Teile der Skelette erinnerten an Reptilien, andere – insbesondere die Zähne – sahen aus wie bei Säugetieren. Und die Funde waren keine Einzelfälle. Wie sich immer deutlicher zeigte, sind solche »säugetierähnlichen Reptilien« als Fossilien in großer Zahl erhalten geblieben. Sie waren nicht nur weitverbreitet, sondern es gab auch viele Arten von ihnen. In den Jahren nach Owens Tod wurden säugetierähnliche Reptilien aus verschiedenen Epochen der Erdgeschichte auch in anderen Regionen der Erde gefunden. Sie ergaben eine wunderschöne Reihe von Übergangsformen zwischen Reptilien und Säugetieren. Bis 1913 arbeiteten Embryologen und Paläontologen völlig getrennt voneinander. Dann aber erkannte der amerikanische Palä-

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ontologe W. K. Gregory vom American Museum of Natural History einen wichtigen Zusammenhang zwischen Gaupps Embryonen und den Fossilien aus Afrika. Das säugetierähnliche Reptil, das den Reptilien am nächsten stand, hatte im Mittelohr nur einen einzigen Knochen, und sein Kiefer bestand wie bei anderen Reptilien aus vielen Knochen. Als Gregory sich aber in der Reihe die immer stärker säugetierähnlichen Formen ansah, zeigte sich etwas Bemerkenswertes, das Reichert, wäre er noch am Leben gewesen, sprachlos gemacht hätte: eine ununterbrochene Folge von Formen, die zweifelsfrei zeigten, dass die Knochen am hinteren Ende des Reptilienkiefers im Laufe der Zeit immer kleiner geworden waren, bis sie sich schließlich im Mittelohr der Säugetiere befanden. Hammer und Amboss haben sich tatsächlich aus Kieferknochen entwickelt. Was Reichert und Gaupp an Embryonen beobachtet hatten, war die ganze Zeit in den Fossilien verborgen gewesen und hatte nur darauf gewartet, entdeckt zu werden. Wozu brauchen Säugetiere ein Mittelohr mit drei Knochen? Die kleinen Verbindungsglieder bilden ein Hebelsystem, mit dessen Hilfe Säugetiere noch Geräusche mit höheren Frequenzen wahrnehmen können als Tiere mit einem einzigen Mittelohrknochen. Die Entstehung der Säugetiere war nicht nur mit der in Kapitel 4 beschriebenen neuen Art des Kauens verbunden, sondern auch mit einer neuen Art des Hörens, und dieser Wandel wurde nicht durch die Evolution völlig neuer Knochen zustande gebracht, sondern indem vorhandene Knochen einem neuen Zweck zugeführt wurden. Knochen, die bei den Reptilien ursprünglich zum Kauen dienten, wurden in der Evolution der Säugetiere zu einer Hörhilfe. Das ist also die Geschichte von Hammer und Amboss. Aber woher kommt der Steigbügel? Wenn man einen erwachsenen Menschen und einen Hai betrachtet, würde man nie auf die Idee kommen, dass dieser winzige Knochen tief im Inneren des menschlichen Ohrs dem großen Stab im Oberkiefer eines Fisches entspricht. Unter Entwicklungsgesichtspunkten sind aber beide tatsächlich das Gleiche. Der Steigbügel stammt wie der entsprechende Knochen bei Haien und anderen Fischen – dort wird er als Hyomandibula bezeichnet – vom zweiten Kiemenbogen ab. Aber die Hyomandibula ist kein Ohrknochen –

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wie gesagt: Haie und andere Fische haben gar keine Ohren. Bei unseren wasserbewohnenden Vettern ist dieser Knochen ein langer Stab, der den Oberkiefer mit dem Gehirnschädel verbindet. Aber trotz aller Unterschiede in Form und Funktion der Knochen erstreckt sich die Ähnlichkeit von Hyomandibula und Steigbügel bis zu den Nerven, von denen sie versorgt werden. Der wichtigste Nerv für die Funktion beider Knochen, der Gesichtsnerv, stammt vom zweiten Kiemenbogen ab. Wir müssen also feststel-

Man kann die Knochen von den Kiemenbögen bis zu unseren Ohren verfolgen, und zwar sowohl beim Übergang von den Fischen zu den Amphibien (rechts) als auch später beim Wechsel von Reptilien zu Säugetieren (links).

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len, dass zwei ganz unterschiedliche Knochen in der Entwicklung einen ähnlichen Ursprung haben und auf ähnliche Weise mit Nerven versorgt werden. Gibt es dafür eine Erklärung? Auch zur Beantwortung dieser Frage können wir uns bei den Fossilien umsehen. Verfolgt man die Entwicklung der Hyomandibula bei verschiedenen Tieren von Haien über Tiktaalik bis zu den Amphibien, so erkennt man, wie der Knochen immer kleiner wird, bis er schließlich an einer neuen Position liegt und für das Hören eine Rolle spielt. Auch sein Name ändert sich. Solange er groß ist und den Kiefer unterstützt, nennt man ihn Hyomandibula. Die kleine Form, die beim Hören mitwirkt, heißt Steigbügel. Der Wandel trat ein, als die Nachkommen der Fische erstmals über das trockene Land spazierten. Der Hörvorgang läuft im Wasser anders ab als in der Luft, und der Steigbügel war mit seiner geringen Größe und seiner Lage ideal dazu geeignet, Schwingungen der Luft aufzunehmen. Diese neue Fähigkeit ergab sich durch die Abwandlung des Kieferknochens eines Fisches. Unser Mittelohr enthält also Spuren von zwei großen Übergängen in der Geschichte des Lebendigen. Die Entstehung des Steigbügels und seine Verwandlung von einem Kieferknochen zum Ohrknochen begannen, als die Fische erstmals an Land gingen. Das zweite große Ereignis fand bei der Entstehung der Säugetiere statt, als die Knochen vom hinteren Ende des Reptilienkiefers zu Hammer und Amboss wurden. Nun wollen wir noch weiter in den Schädel vordringen: zum Innenohr.

Das Innenohr: bewegliches Gel und gebogene Haare

Wenn wir vom Außenohr immer weiter nach innen vordringen und das Trommelfell sowie die drei Mittelohrknochen hinter uns lassen, befinden wir uns schließlich tief im Schädelinneren. Dort liegt das Innenohr, ein System aus Röhren und Hohlräumen, die mit einer gelartigen Substanz gefüllt sind. Beim Menschen und anderen Säugetieren haben die knöchernen Röhren jene charakteristische Schneckenform, die im Anatomiesaal sofort ins Auge fällt.

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Die einzelnen Teile des Innenohrs haben unterschiedliche Aufgaben. Ein Teil dient zum Hören, ein anderer nimmt wahr, wie schräg der Kopf gestellt ist, und ein dritter spürt, wie schnell der Kopf beschleunigt oder abgebremst wird. Alle diese Funktionen führt das Innenohr mehr oder weniger auf die gleiche Weise aus. Die Hohlräume des Innenohrs sind mit einem Gel gefüllt, das sich bewegen kann. Von spezialisierten Nervenzellen reichen haarähnliche Fortsätze in das Gel hinein. Wenn sich das Gel bewegt, verbiegen sich die Haare auf diesen Zellen, die daraufhin einen elektrischen Impuls an das Gehirn schicken. Je nachdem, wo dieser Impuls wahrgenommen wird, interpretieren wir ihn als Geräusch, Lageinformation oder Beschleunigung.

Wenn wir den Kopf neigen, bewegen sich die Steinchen auf den flüssigkeitsgefüllten Säckchen. Dabei verbiegen sie Nervenenden in dem Sack und sorgen so dafür, dass ein Impuls zum Gehirn wandert, der die Information »der Kopf steht schief« übermittelt.

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Wenn wir uns klarmachen wollen, welche Struktur uns darüber informiert, wo sich unser Kopf im Raum befindet, können wir uns ein »Schneegestöber« mit der Freiheitsstatue vorstellen. Schüttelt man die kleine Halbkugel, bewegt sich das Gel im Inneren, und der »Schnee« fällt auf die Statue. Nun stellen wir uns vor, die Halbkugel würde aus einer flexiblen Folie bestehen. Wenn wir sie kippen, wabbelt das ganze Gebilde, und das Gel im Inneren verschiebt sich. Genau das spielt sich in viel kleinerem Maßstab in unseren Ohren ab. Wenn wir den Kopf neigen, wabbeln die Strukturen des Innenohrs, und der übliche Ablauf beginnt: Das Gel verschiebt sich, die Fortsätze der Nervenzellen verbiegen sich, und ein elektrischer Impuls wandert zum Gehirn. Bei uns wird das ganze System noch empfindlicher, weil sich oben auf der Membran winzige Steinchen befinden. Neigen wir den Kopf, verstärken die Steinchen das Wabbeln der Membran, sodass das Gel sich noch stärker bewegt. Auf diese Weise spricht das System noch auf sehr geringfügige Lageunterschiede an. Wenn wir den Kopf schräg halten, bewegen sich winzige Steine in unserem Schädel. Nun kann man sich wahrscheinlich auch vorstellen, wie schwierig es wäre, im Weltraum zu leben. Unsere Sinnesorgane sind darauf eingestellt, unter dem Einfluss der Erdschwerkraft zu funktionieren und nicht in der Schwerelosigkeit einer Raumkapsel. Wenn man schwebt, nehmen die Augen eine Version von Oben und Unten wahr, die Sensoren im inneren Ohr sind völlig verwirrt, und nur allzu leicht stellt sich Übelkeit ein. Genau aus diesen Gründen ist die »Weltraumkrankheit« ein echtes Problem für die Raumfahrt. Beschleunigung nehmen wir mit einem anderen Teil des Innenohrs wahr, der mit den beiden zuvor beschriebenen verbunden ist. Im Ohr liegen drei mit Gel gefüllte Röhren. Jedes Mal, wenn wir beschleunigen oder abbremsen, bewegt sich das Gel in diesen Röhren, sodass sich wiederum Fortsätze von Nervenzellen biegen und einen Impuls auslösen. Das ganze System, mit dem wir Position und Beschleunigung wahrnehmen, ist mit der Augenmuskulatur über Verbindungen in unser Hirn verknüpft. Für unsere Augenbewegungen sorgen sechs kleine Muskeln, die seitlich an der Außenseite des Augapfels an-

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geheftet sind. Diese Muskeln bewegen das Auge durch ihre Kontraktionen nach oben, unten, links und rechts. Jedes Mal, wenn wir in eine andere Richtung blicken wollen, ziehen wir diese Muskeln bewusst zusammen und bewegen damit die Augen; ihre faszinierendsten Eigenschaften haben aber mit ihrer unwillkürlichen Tätigkeit zu tun. Sie bewegen unsere Augen ständig hin und her, ohne dass wir es bemerken. Um sich klarzumachen, wie empfindlich die Verknüpfung zwischen Augen und Muskeln ist, braucht man nur einmal den Kopf nach vorn und hinten zu bewegen, während man gleichzeitig auf eine Buchseite blickt. Dabei hält man ständig eine Stelle auf der Seite im Blick. Was geschieht bei einem solchen Experiment? Der Blick bleibt auf einen Punkt fixiert, während sich der Kopf bewegt. So etwas

Wenn wir beschleunigen, schwappt die Flüssigkeit im Innenohr hin und her. Die Bewegung löst einen Nervenimpuls aus, der zum Gehirn wandert.

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kommt derart häufig vor, dass wir es für selbstverständlich halten, aber in Wirklichkeit steht dahinter ein unglaublich komplexer Vorgang. An jedem Auge reagieren alle acht Muskeln auf die Kopfbewegung. Sensoren im Kopf, die ich im nächsten Abschnitt genauer beschreiben werde, nehmen die Richtung und Geschwindigkeit der Bewegung wahr. Ihre Signale gelangen ins Gehirn, das dann seinerseits Signale aussendet und den Augenmuskeln die Anweisung gibt, tätig zu werden. Daran sollten wir denken, wenn wir das nächste Mal unseren Blick fixieren, während der Kopf sich bewegt. Das System kann auch falsche Anweisungen geben, und solche falschen Anweisungen besagen eine Menge über unser allgemeines Wohlbefinden. Wenn man die Verbindung zwischen Innenohr und Auge genauer untersuchen will, besteht eine einfache Methode darin, sie zu stören. Dies tun die Menschen unter anderem, indem sie zu viel Alkohol zu sich nehmen. Wenn wir zu viel trinken, machen wir Dummheiten, weil unsere Hemmschwelle sinkt. Wer viel zu viel trinkt, dem wird schwindlig. Und auf den Schwindel folgt häufig ein böser Kater mit weiteren Schwindelgefühlen, Übelkeit und Kopfschmerzen. Bei übermäßigem Alkoholgenuss gelangt Ethanol in großen Mengen ins Blut, aber in der Flüssigkeit im Innenohr ist es anfangs nur in geringer Konzentration enthalten. Im Laufe der Zeit diffundiert der Alkohol jedoch aus dem Blut in die Flüssigkeit. Alkohol ist leichter als die Flüssigkeit in unserem Innenohr, sodass diese weniger dicht wird. Diese Veränderung der Dichte stimuliert die Haarzellen, und das Gehirn glaubt, wir würden uns bewegen. In Wirklichkeit bewegen wir uns aber nicht, sondern wir liegen in einer Ecke oder sind auf dem Bauch zusammengesunken. Das Gehirn wurde hinters Licht geführt. Das Problem betrifft auch die Augen. Das Gehirn glaubt, wir würden uns drehen, und gibt diese Information an die Augenmuskeln weiter. Daraufhin zucken die Augen in einer Richtung (gewöhnlich nach rechts). Zieht man einem Sturzbetrunkenen die Augenlider auf, so erkennt man das regelmäßige Zucken der Augen, mit dem Fachausdruck Nystagmus genannt. Polizisten kennen das

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Phänomen genau und achten häufig darauf, wenn sie jemanden wegen unsicherer Fahrweise angehalten haben. Bei einem kräftigen Kater sieht die Reaktion etwas anders aus. Am Tag nach dem Besäufnis hat die Leber es bemerkenswert gut geschafft, den Alkohol aus dem Blut zu beseitigen. Ein wenig zu gut sogar, denn in den Röhren des Innenohrs ist noch eine gewisse Alkoholmenge vorhanden. Diese diffundiert nun wieder ins Blut, und dabei gerät das Gel erneut in Bewegung: Wieder stellt sich Schwindel ein. Begeben wir uns noch einmal zu dem Betrunkenen, dessen Augen am Abend zuvor nach rechts zuckten: Sie zucken jetzt immer noch, aber in der anderen Richtung. Das alles haben wir unserer gemeinsamen Vergangenheit mit Haien und anderen Fischen zu verdanken. Wer schon einmal versucht hat, eine Forelle zu fangen, kennt das Organ, das vermutlich ein Vorläufer unseres Innenohrs ist. Jeder Angler weiß, dass Forellen sich nur in bestimmten Teilen eines Baches aufhalten, in der Regel an Stellen, an denen sie gut Nahrung zu sich nehmen und gleichzeitig natürliche Feinde meiden können. Solche Stellen befinden sich häufig im Schatten und in den Wirbeln der Strömung. Große Fische halten sich am liebsten hinter dicken Felsen oder umgestürzten Baumstämmen auf. Wie alle Fische, so verfügen auch Forellen über einen Mechanismus, mit dem sie die Strömung und Bewegung des Wassers in ihrer Umgebung fast wie eine Berührung wahrnehmen können. In Haut und Knochen der Fische liegen an den Körperseiten und am Kopf lange Reihen kleiner Organe mit Sinnesrezeptoren. Die Rezeptoren bilden kleine Gruppen, von denen haarähnliche Fortsätze zu Hohlräumen laufen; diese sind mit einer gelartigen Substanz gefüllt und werden als Neuromasten bezeichnet. Auch hier hilft es, noch einmal an das »Schneegestöber« mit der Freiheitsstatue zu denken. Ein Neuromast ähnelt einer Miniaturausgabe eines solchen Spielzeugs, in das die Nervenfortsätze hineinragen. Die Wasserströmung rund um den Fisch verformt den kleinen Sack, und das führt dazu, dass die Nervenfortsätze sich verbiegen. Ganz ähnlich wie das System in unseren Ohren, so leitet auch dieser Apparat ein Signal an das Gehirn weiter und vermittelt dem Fisch so ein Gefühl für die Strömungsverhältnisse in seiner Umgebung.

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Haie und andere Fische nehmen wahr, in welcher Richtung das Wasser fließt, und manche Haie merken sogar an den Bewegungen des Wassers, ob in ihrer Nähe andere Fische schwimmen. Ein ganz ähnliches System benutzen auch wir, wenn wir einen Punkt fixieren und den Kopf bewegen, und seine Fehlfunktionen haben wir beobachtet, als wir zu Beginn dieses Abschnitts die Augenlider eines Betrunkenen geöffnet haben. Hätte der Vorfahre, den wir mit den Fischen gemeinsam haben, ein anderes Innenohrgel besessen – beispielsweise eines, das beim Zufügen von Alkohol nicht zu kreisen beginnt –, würde uns im betrunkenen Zustand nie schwindlig werden. Wer sich nun das Innenohr und die Neuromasten als zwei Versionen des gleichen Organs vorstellt, liegt gar nicht so weit daneben. Beide gehen während der Embryonalentwicklung aus dem gleichen Gewebe hervor und sind ähnlich aufgebaut. Aber was war zuerst da: Innenohr oder Neuromasten? An dieser Stelle sind die Befunde sehr vage. An den ältesten Fossilien mit einem Kopf – Tieren, die rund 500 Millionen Jahre alt sind – findet man im Außenpanzer kleine Vertiefungen, die darauf schließen lassen, dass Neuromasten vorhanden waren. Über das Innenohr dieser Tiere wissen wir leider nichts, weil der fragliche Bereich des Kopfes bisher bei keinem gefundenen Exemplar erhalten ist. So lange keine neuen Befunde hinzukommen, bleiben zwei Möglichkeiten. Entweder ist unser Innenohr aus den Neuromasten entstanden, oder es war anders herum. In beiden Fällen haben wir es letztlich mit dem gleichen Prinzip zu tun, das uns auch im Zusammenhang mit anderen Körperteilen begegnet ist. Oft entstehen Organe, um eine bestimmte Funktion zu übernehmen, und später werden sie für neue Aufgaben zweckentfremdet. In unseren Ohren wurde das System erweitert. Der Teil des Innenohrs, der dem Hören dient, ist wie bei anderen Säugetieren recht groß und schneckenförmig. Einfacher gebaute Tiere, beispielsweise Amphibien und Reptilien, haben einfachere Innenohren ohne Schnecke. Bei unseren Säugetiervorfahren entwickelte sich offensichtlich eine neue, bessere Art des Hörens. Das Gleiche gilt für die Strukturen, die Beschleunigung wahrnehmen. Dafür sind bei uns drei Kanäle zuständig, weil wir den Raum in drei Dimensio-

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nen wahrnehmen. Der älteste Fisch, bei dem man solche Kanäle gefunden hat – eine kieferlose Art, die als Inger bezeichnet wird –, besitzt nur einen davon. Bei anderen einfach gebauten Fischen findet man zwei Kanäle. Die meisten Fischarten jedoch und auch andere Wirbeltiere besitzen drei wie wir. Nun wissen wir, dass wir die Struktur unseres Innenohrs auf die ältesten Fische zurückführen können. Noch bemerkenswerter ist jedoch etwas anderes: Die Nervenzellen im Gel unserer Ohren haben eine noch längere Geschichte. Diese Nervenzellen, auch Haarzellen genannt, haben besondere Eigenschaften, die man bei keiner anderen Nervenzelle beobachtet. Sie tragen haarähnliche Fortsätze, die jeweils aus einem langen

In einfacherer Form findet man unser Innenohr auch in der Haut der Fische. Über ihren Körper verteilen sich kleine Hohlräume, die Neuromasten. Wenn sie verformt werden, liefern sie dem Gehirn des Fisches Informationen über Veränderungen der Wasserströmung.

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»Haar« und einer Reihe kleinerer Haare bestehen, und liegen genau ausgerichtet in unserem Innenohr oder im Neuromasten eines Fisches. Als man in jüngerer Zeit bei anderen Arten nach ähnlichen Zellen suchte, fand man sie nicht nur bei Tieren, die keine ähnlichen Sinnesorgane besitzen wie wir, sondern sogar bei solchen, die noch nicht einmal einen Kopf haben. Es gibt sie bei den schon aus Kapitel 5 bekannten Lanzettfischchen, die keine Ohren, keine Augen, keinen Kopf und keinen Schädel besitzen. Haarzellen erfüllten also bereits andere Aufgaben, bevor unsere Sinnesorgane überhaupt auf der Bildfläche erschienen. Das alles ist natürlich in unseren Genen niedergelegt. Wenn bei Menschen oder Mäusen ein Gen namens Pax 2 aufgrund einer Mutation nicht funktioniert, entwickelt sich das Innenohr nicht richtig. Pax 2 ist in der Region der Ohren aktiv und setzt dort eine Kettenreaktion von Genaktivitäten in Gang, die zur Ausbildung des Innenohrs führt. Sucht man bei einfacher gebauten Tieren nach diesem Gen, so findet man das aktive Pax 2 im Kopf und – siehe da – in den Neuromasten. Der Betrunkene, dem schwindlig wird, und die Wasser-Sinnesorgane der Fische haben gemeinsame Gene und dementsprechend auch eine gemeinsame Vergangenheit.

Quallen und der Ursprung von Augen und Ohren

Genau wie Pax 6, das wir zuvor bereits im Zusammenhang mit den Augen kennengelernt haben, so ist auch Pax 2 ein wichtiges Gen und für eine ordnungsgemäße Entwicklung unentbehrlich. Interessanterweise besteht zwischen Pax 2 und Pax 6 eine Verbindung, und die lässt darauf schließen, dass Ohren und Augen eine lange gemeinsame Geschichte haben. An dieser Stelle kommt die Würfelqualle ins Spiel, die den Badegästen in Australien wegen ihres besonders starken Giftes bestens bekannt ist. Im Gegensatz zu den meisten anderen Quallen hat sie Augen, und zwar mehr als zwanzig. Die meisten von ihnen sind einfache Gruben, die sich über die Außenhaut der Qualle verteilen. Andere ähneln aber auch auffallend unseren eigenen Augen:

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Sie haben eine Art Hornhaut, eine Linse und sogar ähnliche Nervenstrukturen wie unsere. Bei Quallen gibt es weder Pax 6 noch Pax 2. Die Tiere entstanden, bevor solche Gene auf der Bildfläche erschienen. Aber an den Genen der Würfelqualle fällt etwas auf. Das Gen, das die Augen entstehen lässt, ist nicht Pax 6, wie man es erwarten würde, sondern eine Art Mosaik: Es vereinigt in sich die Strukturen von Pax 6 und Pax 2. Mit anderen Worten: Dieses Gen sieht aus wie eine einfachere Version der Gene Pax 6 und Pax 2 anderer Tiere. Die wichtigsten Gene für die Entwicklungssteuerung unserer Augen und Ohren entsprechen also bei einfacheren Arten wie der Würfelqualle einem einzigen Gen. Nun könnte man natürlich sagen: Na und? Aber die uralte Verbindung zwischen den Genen für Augen und Ohren lässt uns den Sinn hinter dem erkennen, was wir heute in den Krankenhäusern beobachten: Von einer ganzen Reihe angeborener Fehlbildungen sind sowohl die Augen als auch das Innenohr betroffen. In diesem Zusammenhang spiegelt sich unsere tief greifende Verbindung zu Lebewesen wie der giftigen Würfelqualle und ihren urzeitlichen Verwandten.

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11. Was das alles bedeutet

Meine ersten beruflichen Erfahrungen als Wissenschaftler sammelte ich Anfang der 1980er Jahre während meiner Collegezeit: Damals machte ich ein Praktikum am American Museum of Natura! History in New York. Die Arbeit hinter den Kulissen der Museumssammlungen war aufregend, aber besonders denkwürdige Erlebnisse waren die wüsten allwöchentlichen Vorträge. Jedes Mal präsentierte ein eingeladener Redner eine exotische naturgeschichtliche Untersuchung, und nach dem Vortrag, der oft eine recht farblose Angelegenheit war, nahmen die Zuhörer den Inhalt Stück für Stück auseinander. Es war eine gnadenlose Diskussion. Manchmal hatte man den Eindruck, auf einem Grillfest zu sein, bei dem der eingeladene Redner als Hauptgang auf dem Spieß gebraten wurde. Häufig arteten die Gespräche zu lautem Geschrei aus, mit dem ganzen Aufruhr und den opernhaften Auftritten eines alten Stummfilms einschließlich geballter Fäuste und stampfender Füße. Mittendrin saß ich, hier in den heiligen Hallen der Wissenschaft, und hörte Vorträge über biologische Systematik. Systematik, Sie wissen schon – das Fachgebiet, das sich mit der Benennung biologischer Arten und ihrer Einordnung in das große Klassifikationsschema beschäftigt, in die Gruppen, die wir uns im Schulunterricht einprägen mussten. Eine Wissenschaft, die weniger Bedeutung für unseren Alltag hat, konnte ich mir kaum vorstellen, und noch viel weniger hätte ich geahnt, dass gestandene Wissenschaftler darüber in Rage geraten konnten und dann vieles von ihrer Würde verloren. Die Redensart »zum Leben erwecken« erschien mir hier so passend wie sonst kaum einmal. Ironie des Schicksals: Heute ist mir klar, warum sie sich so ereiferten. Damals konnte ich es noch nicht einschätzen, aber sie diskutierten über eines der wichtigsten Konzepte in der gesamten Biolo-

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gie. Es mag auf den ersten Blick nicht nach etwas Welterschütterndem aussehen, aber dieses Konzept bildet die Grundlage, wenn wir verschiedene Lebewesen vergleichen – einen Menschen mit einem Fisch, einen Fisch mit einem Wurm, irgendetwas mit irgendetwas anderem. Der Wunsch, solche Fragen zu beantworten, führte zur Entwicklung von Methoden, mit denen wir heute unsere Abstammung zurückverfolgen, Verbrecher anhand von DNA-Spuren überführen, die Gefährlichkeit des Aids-Virus verstehen und die Verbreitung von Krankheitserregern auf der ganzen Welt verfolgen. Das Konzept, das ich jetzt erörtern möchte, bildet die wichtigste Grundlage für die Logik dieses Buches. Wenn wir es begriffen haben, begreifen wir auch den Sinn hinter den Fischen, Würmern und Bakterien, die in uns stecken. Die Formulierung der wahrhaft großen Ideen, der Naturgesetze, beginnt bei einfachen Voraussetzungen, die jeder von uns jeden Tag vor Augen hat. Aus ihren einfachen Anfängen entwickeln sich solche Gedanken dann weiter, bis man mit ihnen die wirklich großen Fragen erklären kann, beispielsweise die, wie die Sterne sich bewegen oder wie die Zeit funktioniert. Vor diesem Hintergrund kann ich Ihnen ein richtiges Gesetz mitteilen, dem wir alle zustimmen können. Es ist ein so tief greifendes Gesetz, dass wir es fast immer für selbstverständlich halten, und doch ist es der Ausgangspunkt für fast alle Forschungsarbeiten der Paläontologie, Entwicklungsbiologie und Genetik. Dieses große Grundgesetz der Biologie lautet: Jedes Lebewesen auf der Erde hat Eltern. Nicht nur jeder Mensch, den wir kennen, hat biologische Eltern, sondern auch jeder Vogel, jeder Salamander oder jeder Hai, der uns jemals zu Gesicht gekommen ist. Die moderne Technik kann das durch Klonen oder andere, noch nicht erfundene Methoden vielleicht ändern, aber bisher gilt das Gesetz. Oder, um es genauer zu formulieren: Jedes Lebewesen ist aus elterlichen genetischen Informationen hervorgegangen. Diese Formulierung hebt mit ihrer Definition der Elternschaft auf den eigentlichen biologischen Mechanismus der Vererbung ab und versetzt uns in die Lage, das Gesetz auch auf Bakterien und andere Lebewesen anzuwenden, die sich nicht so fortpflanzen wie wir.

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Durch die nächste Erweiterung erhält das Gesetz sein größtes Gewicht. Sie lautet in all ihrer Schönheit: Wir alle sind abgewandelte Nachkommen unserer Eltern oder der elterlichen genetischen Information. Ich stamme von meiner Mutter und meinem Vater ab, aber ich gleiche ihnen nicht genau. Meine Eltern sind abgewandelte Nachkommen meiner Großeltern. Und so weiter. Dieses Prinzip der Abstammung mit Abwandlung definiert unsere Abstammungslinie, und zwar so genau, dass wir unseren Stammbaum rekonstruieren können, indem wir Menschen Blutproben entnehmen. Angenommen, wir befinden uns in einem Raum voller Menschen, die wir noch nie gesehen haben. Die einfache Aufgabe lautet: Finde heraus, wie eng die Anwesenden mit dir verwandt sind. Woher wissen wir, wer unser Vetter ist, wer unser entfernter Vetter und wer unser Großonkel fünfundsiebzigsten Grades? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir uns mit unseren Gedanken an einem biologischen Mechanismus orientieren und nach einem Weg suchen, um unseren hypothetischen Stammbaum zu überprüfen. Dieser Mechanismus ergibt sich, wenn wir an unser biologisches Grundgesetz denken. Wenn man weiß, wie die Abstammung mit Abwandlung funktioniert, kann man die biologische Vergangenheit entschlüsseln, denn Abstammung mit Abwandlung hinterlässt Spuren, und die kann man nachweisen. Stellen wir uns einmal ein humorloses, ganz und gar nicht clownhaftes Paar mit Kindern vor. Ein Sohn wurde mit einer genetischen Mutation geboren, und die bewirkt, dass er eine rote, quietschende Nase aus Gummi hat. Dieser Sohn wird groß und heiratet eine fröhliche Frau. Er gibt das mutierte Gen für die Nase an seine Kinder weiter, die nun ebenfalls alle eine rote quietschende Gumminase haben. Jetzt stellen wir uns vor, dass einer der Nachkommen eine weitere Mutation durchmacht und nun riesige Watschelfüße bekommt. Gibt er dieses Gen an seine Kinder weiter, sind alle Kinder wie er: Sie haben eine rote quietschende Gumminase und große Watschelfüße. Nehmen wir wiederum die nächste Generation und stellen wir uns vor, dass eines dieser Kinder, ein Urenkel des ursprünglichen Paares, eine andere Mutation trägt: Es hat orangefarbene Locken. Gelangt diese Mutation wiederum in die

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nächste Generation, haben alle Kinder orangefarbene Locken, eine rote Quietschenase und große Watschelfüße. Wenn wir nun fragen: »Was ist denn das für ein Clown?«, erkundigen wir uns nach einem Ururenkel des armen ursprünglichen Paares. Dieses Beispiel verdeutlicht eine sehr ernste Erkenntnis. Durch Abstammung mit Abwandlung kann ein Stammbaum entstehen, eine Abstammungslinie, die wir an ihren besonderen Eigenschaften erkennen. Ihre Merkmale bilden eine charakteristische Kombination. Wie bei einer russischen Puppe haben sich in unserer hypothetischen Abstammungslinie Gruppen innerhalb von Gruppen gebildet, die uns durch ihre einzigartigen Merkmale auffallen. Die Gruppe der »vollständig clownesken« Ururenkel stammt von einem Individuum ab, das nur die Quietschenase und die großen Watschelfüße hatte. Dieses Individuum gehörte zu einer Gruppe von »Clown-Vorstufen«, und die wiederum stammen von einem Individuum ab, das nur die rote, quietschende Gumminase hatte. Diese »Clown-Vor-Vorstufe« war der Nachkomme des ursprünglichen Paares, das überhaupt nichts erkennbar Clownartiges an sich hatte. Wegen dieses Prinzips der Abstammung mit Abwandlung könnte man über den Stammbaum der Clownfamilie auch dann Hypothesen aufstellen, wenn ich überhaupt nichts darüber gesagt hätte. Wenn sich in einem Zimmer viele Clowns aus unterschiedlichen Generationen befinden, sieht man zunächst, dass alle Clowns verwandt sind, denn alle haben eine Quietschenase. Eine Untergruppe hat orangefarbene Haare und Watschelfüße. Darin eingebettet wiederum ist eine weitere Untergruppe, nämlich die der vollständigen Clowns. Entscheidend ist dabei, dass man die Eigenschaften – orangefarbene Haare, Quietschenase, große Watschelfüße – als Erkennungsmerkmale für die Gruppen nutzen kann. Diese Merkmale sind der Beleg, dass es verschiedene Gruppen – in diesem Fall Generationen – von Clowns gibt. Setzen wir nun echte Merkmale – genetische Mutationen und die von ihnen verursachten körperlichen Veränderungen – an die Stelle des Familienzirkus, dann haben wir eine Abstammungslinie, die man anhand biologischer Eigenschaften erkennen kann. Wenn die Abstammung mit Abwandlung so funktioniert, tragen unse-

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Der Stammbaum der Clowns.

re Stammbäume in ihrem grundlegenden Aufbau eine Kennzeichnung. Das ist eine weitreichende Erkenntnis: Auf ihrer Grundlage können wir Stammbäume allein aufgrund genetischer Befunde konstruieren – und das geschieht heute in zahlreichen stammesgeschichtlichen Forschungsprojekten. In Wirklichkeit ist die Welt natürlich komplizierter als dieses hypothetische Beispiel. Beson-

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ders schwierig wird die Rekonstruktion von Stammbäumen, wenn Merkmale in einer Familie mehrmals auftreten, wenn zwischen einem Merkmal und den Genen kein unmittelbarer Zusammenhang besteht, oder wenn Merkmale ohne genetische Ursache durch Veränderungen der Ernährung oder anderer Umweltbedingungen entstehen. Das Gute dabei ist allerdings, dass man das Prinzip der Abstammung mit Abwandlung häufig trotz solcher Komplikationen erkennen kann, fast als würde man das Rauschen aus einem Radiosignal herausfiltern. Aber wo sind solche Abstammungslinien zu Ende? Ist bei dem humorlosen Paar Schluss mit den Clowns? Hört meine Abstammungslinie bei den ersten Menschen namens Shubin auf? Das erscheint schrecklich willkürlich. Hört sie bei den Juden aus der Ukraine oder den Norditalienern auf? Und wie steht es mit den ersten Menschen? Oder setzt sie sich fort bis zu dem ersten Schaum auf dem Tümpel vor 3,8 Milliarden Jahren und noch darüber hinaus? Unsere Abstammung reicht bis zu irgendeinem Punkt in der Vergangenheit zurück, darin sind sich alle einig; die Frage ist nur: Wie weit ist dieser Punkt entfernt? Wenn unsere Abstammungslinie bis zum Schaum auf dem Tümpel zurückreicht und seitdem den Gesetzen der Biologie unterliegt, müssten wir in der Lage sein, Belege anzuführen und ganz gezielte Voraussagen zu machen. Das Leben auf der Erde ist dann keine zufällige Anordnung unterschiedlicher Organismen, sondern man sollte daran die gleichen Kennzeichen der Abstammung mit Abwandlung erkennen können wie bei den Clowns. Auch die geologischen Spuren dürften dann keine Zufallsprodukte sein, sondern was später hinzugekommen ist, müsste in relativ jungen Gesteinsschichten zu finden sein. Genau wie ich im Stammbaum meiner Familie ein jüngeres Element bin als mein Großvater, so sollte auch der Stammbaum des Lebendigen seine Parallelen in der Zeit haben. Wenn wir uns klarmachen wollen, wie man in der Biologie unsere Verwandtschaftsverhältnisse zu anderen Lebewesen rekonstruiert, müssen wir den Zirkus verlassen und noch einmal in den Zoo zurückkehren, den wir im ersten Kapitel des Buches besucht haben.

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Ein (längerer) Rundgang durch den Zoo

Wie wir bereits erfahren haben, wird unser Körper nicht zufällig zusammengebaut. Das Wort »zufällig« verwende ich hier in einem ganz bestimmten Sinn; ich meine damit, dass der Aufbau unseres Körpers im Verhältnis zu anderen Tieren, die auf dieser Erde gehen, fliegen, schwimmen oder krabbeln, eindeutig kein Zufall ist. Manche Tiere haben Teile ihres Körperbaus mit uns gemeinsam, bei anderen ist das nicht der Fall. Hinter dem, was wir mit der übrigen Welt gemeinsam haben, steckt ein System. Wir haben zwei Ohren, zwei Augen, einen Kopf, zwei Arme und zwei Beine. Sieben Beine oder zwei Köpfe brauchen wir nicht. Und wir haben auch keine Räder. Bei einem Rundgang durch den Zoo erkennen wir sofort unsere Verbindung zu allem, was sonst noch lebendig ist. Wir sehen, dass wir viele Lebewesen genauso in Gruppen einteilen können wie die Clowns. Gehen wir zu Beginn einmal zu drei Gehegen. Als Erstes suchen wir die Eisbären auf. Wir können eine lange Liste mit Eigenschaften zusammenstellen, die wir mit den Eisbären gemeinsam haben: Haare, Brustdrüsen, vier Extremitäten, einen Hals, zwei Augen und vieles andere. Als Nächstes betrachten wir gegenüber die Schildkröten. Auch mit ihnen haben wir zweifellos Ahnlichkeiten, aber die Liste ist ein wenig kürzer. Sie haben (unter anderem) ebenfalls Arme und Beine, einen Hals und zwei Augen. Aber im Gegensatz zu Eisbären und Menschen besitzen Schildkröten weder Haare noch Brustdrüsen. Und was den Schildkrötenpanzer angeht – nun, den gibt es offenbar nur bei den Schildkröten, genau wie man den weißen Pelz nur bei den Eisbären findet. Jetzt besuchen wir das Becken mit den afrikanischen Fischen. Auch seine Bewohner haben noch manche Ähnlichkeiten mit uns, aber hier ist die Liste der Gemeinsamkeiten nochmals kürzer als bei den Schildkröten. Wie wir, so haben auch die Fische zwei Augen. Wie wir haben sie Extremitäten, aber diese sehen nicht wie Arme und Beine aus, sondern wie Flossen, und neben vielen anderen Merkmalen fehlen den Fischen auch die Haare und Brustdrüsen, die eine Gemeinsamkeit von Menschen und Eisbären bilden.

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Das Ganze hört sich allmählich wie eine Geschichte über eine russische Puppe an: In dem Beispiel mit den Clowns kamen Gruppen, Untergruppen und Unter-Untergruppen vor. Fische, Schildkröten, Eisbären und Menschen haben eine Reihe gemeinsamer Merkmale – Kopf, zwei Augen, zwei Ohren und so weiter. Schildkröten, Eisbären und Menschen haben diese Eigenschaften, außerdem aber auch Hals, Arme und Beine, die man bei Fischen nicht findet. Eine noch kleinere Gruppe sind Eisbären und Menschen: Sie haben alle genannten Eigenschaften sowie zusätzlich auch Haare und Brustdrüsen. Das Beispiel mit den Clowns verschafft uns die Voraussetzung, auch in unserem Rundgang durch den Zoo einen tieferen Sinn zu erkennen. Bei den Clowns spiegelt sich in der Gruppeneinteilung die Abstammung mit Abwandlung wider. Demnach hat der gemeinsame Vorfahre der vollständig ausgebildeten Clowns später gelebt als der Urahn, den sie mit den Kindern mit Quietschenase gemeinsam haben. Das ist plausibel: Die Eltern der Kinder mit der Quietschenase sind die Urururgroßeltern der richtigen Clowns. Das gleiche Prinzip können wir auch auf die Gruppen anwenden, die wir während unseres Zoospazierganges erkannt haben: Dann hatten Menschen und Eisbären ihren letzten gemeinsamen Vorfahren später als Menschen und Schildkröten. Wie sich herausstellt, stimmt diese Vermutung: Das älteste Säugetier hat viel später gelebt als das älteste Reptil. Wichtig ist aber auch, was ich damit nicht sagen will. Ich behaupte nicht, Schildkröten seien die Vorfahren von Eisbären und Menschen. Ich rede nur über ihre Familienbeziehungen oder, biologisch exakt, über ihren Verwandtschaftsgrad. Diese beiden Dinge werden häufig verwechselt. Haben wir nicht schon oft gelesen, jemand habe den Vorfahren dieser oder jener Spezies entdeckt? Nehmen wir beispielsweise Tiktaalik. Er ist ein wunderschönes Mittelding zwischen den Fischen und ihren landbewohnenden Nachkommen, aber es besteht nur eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit, dass er tatsächlich unser Vorfahre ist. Vermutlich ist er eher ein Vetter eines unserer Vorfahren. Kein Paläontologe würde jemals behaupten, er habe »den Vorfahren« entdeckt. Man kann es auch so betrachten: Angenommen, ich gehe irgendwo auf der Erde über einen Fried-

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hof – wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass ich dort einen meiner Urahnen finde? Sie ist verschwindend gering. Aber ich würde feststellen, dass alle auf diesem Friedhof bestatteten Menschen zu einem unterschiedlichen Grad mit mir verwandt sind, ganz gleich, ob ich mich in China, Botswana oder Italien befinde. Das kann ich feststellen, wenn ich ihre DNA mit den Methoden untersuche, die in den gerichtsmedizinischen Instituten heute allgemein angewandt werden. Ich würde herausfinden, dass manche Toten entfernt mit mir verwandt sind, andere dagegen näher. Der so konstruierte Stammbaum würde mir aufschlussreiche Einblicke in meine Vergangenheit und meine Familiengeschichte ermöglichen. Und nützlich wäre es auch: Man könnte etwas über Krankheitsanfälligkeiten und andere biologische Eigenschaften erfahren. Das Gleiche gilt auch, wenn wir Rückschlüsse auf die Verwandtschaftsverhältnisse zwischen den Arten ziehen wollen. Die eigentliche Bedeutung des Stammbaumes liegt in der Möglichkeit, mit seiner Hilfe Voraussagen zu machen, und die wichtigste dieser Voraussagen lautet: Wenn wir weitere gemeinsame Merkmale erkennen, sollten sie mit dem Rahmen übereinstimmen. Mit anderen Worten: Wenn ich an den Zellen, der DNA und allen anderen Strukturen, Geweben und Molekülen dieser Tiere bestimmte Merkmale nachweise, sollten sie im Einklang mit der Gruppeneinteilung stehen, die wir während unseres Spazierganges vorgenommen haben. Umgekehrt können wir die Gruppeneinteilung auch widerlegen, wenn wir Merkmale finden, die damit nicht im Einklang stehen. Wenn es also viele Merkmale gibt, die Fische mit den Menschen gemeinsam haben, mit Eisbären aber nicht, ist unser Rahmen fehlerhaft, und wir müssen ihn verändern oder über Bord werfen. Wenn die Befunde zweideutig sind, können wir mit verschiedenen statistischen Methoden abschätzen, wie stichhaltig die Merkmale für eine bestimmte Anordnung im Stammbaum sprechen. In solchen Fällen betrachtet man die stammesgeschichtliche Anordnung als vorläufige Arbeitshypothese, bis man sie aufgrund neuer, schlüssiger Belege endgültig bestätigen oder fallenlassen kann. Manche Gruppen gehören derart eindeutig zusammen, dass wir die Einteilung unter allen praktischen Gesichtspunkten als Tatsa-

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che ansehen. Die Einordnung von Fischen, Schildkröten, Eisbären und Menschen wird beispielsweise durch Merkmale vieler hundert Gene sowie durch praktisch alle anatomischen, physiologischen und zellbiologischen Eigenschaften dieser Tiere bestätigt. Unser Fisch-bis-Mensch-Rahmen ist so gut abgesichert, dass wir uns nicht mehr um weitere Belege bemühen – das zu tun, wäre so, als würde man einen Ball fünfzig Mal fallen lassen, um das Gesetz der Schwerkraft zu überprüfen. Das Gleiche gilt auch für unser biologisches Beispiel. Die Wahrscheinlichkeit, dass unser Ball beim einundfünfzigsten Mal nach oben steigt, ist ebenso groß wie die, dass wir einen stichhaltigen, gegen diese Verwandtschaft gerichteten Beleg finden. Jetzt können wir zu der Frage vom Beginn dieses Buches zurückkehren. Wie können wir die Beziehungen zwischen längst ausgestorbenen Tieren und dem Körper oder den Genen der heutigen Lebewesen zuverlässig rekonstruieren? Wir suchen nach den Spuren der Abstammung mit Abwandlung, wir nehmen Eigenschaften hinzu, wir bewerten die Belege und schätzen ab, in welchem Ausmaß unsere Gruppen in den Fossilfunden vertreten sind. Das Erstaunliche dabei: Wir verfügen heute über Hilfsmittel, um diese Hierarchie zu untersuchen; mit Computern und großen DNA-Sequenzierungsapparaten können wir die gleichen Analysen vornehmen wie bei unserem Rundgang durch den Zoo. Auf der ganzen Welt haben wir heute Zugang zu neuen Fossilfundstätten. Welchen Platz unser eigener Körper in der Natur einnimmt, sehen wir heute besser als je zuvor. In den Kapiteln 1 bis 10 haben wir weitreichende Ähnlichkeiten zwischen heutigen und längst ausgestorbenen Lebewesen kennengelernt – zwischen urzeitlichen Würmern, lebenden Schwämmen und verschiedenen Fischarten. Nachdem wir jetzt das Prinzip der Abstammung mit Abwandlung kennen, können wir uns klar machen, welcher Sinn hinter alledem steckt. Genug von Zirkus und Zoo; es wird Zeit für den Ernst des Lebens.

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Der Zoo in uns

Jetzt wissen wir, dass unser Körper zahlreiche Verbindungen zu einem ganzen Sammelsurium anderer Lebewesen enthält. Manche Körperteile ähneln Teilen einer Qualle, andere den Teilen von Würmern oder Fischen. Manche unserer Körperteile kommen auch bei allen anderen Tieren vor, andere sind ausschließlich uns Menschen vorbehalten. Die Erkennnis, dass hinter allen diesen Eigenschaften eine Ordnung steckt, ist etwas Wunderschönes. Hunderte von Merkmalen in der DNA, unzählige Aspekte von Anatomie und Entwicklung – sie alle unterliegen der gleichen Logik wie die Clowns. Betrachten wir einmal einige Merkmale, von denen in diesem Buch bereits die Rede war, und sehen wir uns an, wie sie geordnet sind. Was wir mit allen anderen Tieren auf der Erde gemeinsam haben, ist ein Körper aus vielen Zellen. Diese Gruppe von Lebewesen bezeichnet man als Vielzeller. Die Eigenschaft der Vielzelligkeit haben wir mit allen möglichen Lebewesen gemeinsam, von den Schwämmen über die Plattwürmer und Quallen bis zu den Schimpansen. Eine Untergruppe dieser vielzelligen Tiere hat einen ähnlichen Körperbauplan wie wir, mit Vorne und Hinten, Oben und Unten, Rechts und Links. In der biologischen Systematik bezeichnet man solche Tiere als Zweiseitentiere oder Bilateria; zu ihnen gehören alle Arten von den Insekten bis zum Menschen. Wiederum eine Untergruppe der vielzelligen Tiere, die einen ähnlichen Körperbauplan wie wir mit Vorne und Hinten, Oben und Unten, Rechts und Links besitzen, haben auch einen Schädel und ein Rückgrat. Diese Gruppe bezeichnet man als Wirbeltiere. Eine Untergruppe der vielzelligen Tiere, die einen ähnlichen Körperbauplan wie wir mit Vorne und Hinten, Oben und Unten, Rechts und Links sowie außerdem einen Schädel haben, besitzen auch Hände und Füße. Solche Wirbeltiere nennt man Vierbeiner oder Tetrapoden. Eine Untergruppe der vielzelligen Tiere, die einen ähnlichen Körperbauplan wie wir mit Vorne und Hinten, Oben und Unten,

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Rechts und Links sowie außerdem einen Schädel, Hände und Füße haben, besitzen auch drei Knochen im Mittelohr. Solche Vierbeiner nennt man Säugetiere. Eine Untergruppe der vielzelligen Tiere, die einen ähnlichen Körperbauplan wie wir mit Vorne und Hinten, Oben und Unten, Rechts und Links sowie außerdem einen Schädel, ein Rückgrat, Hände und Füße und drei Knochen im Mittelohr besitzen, haben auch einen aufrechten Gang und ein riesengroßes Gehirn. Diese Säugetiere nennt man Menschen. Wie stichhaltig die Einteilung ist, erkennt man an den Belegen, auf die sie sich stützt. Für die großen Gruppen sprechen Hunderte von genetischen, embryologischen und anatomischen Merkmalen. Ihre Anordnung erlaubt es uns, einen wichtigen Blick in unser eigenes Inneres zu werfen.

Der Stammbaum des Menschen bis zurück zu den Quallen. Er ist genauso aufgebaut wie der Stammbaum der Clowns.

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Die ganze Übung ähnelt dem Schälen einer Zwiebel: Eine Schicht der Vergangenheit nach der anderen wird freigelegt. Zuerst sehen wir die Merkmale, die wir mit allen anderen Säugetieren gemeinsam haben. Dann blicken wir ein wenig tiefer und erkennen Eigenschaften, die wir mit den Fischen teilen. Noch tiefer finden wir die Merkmale, die uns mit den Würmern verbinden und so weiter. Denken wir noch einmal an die Logik mit den Clowns: Es bedeutet, dass wir das Prinzip der Abstammung mit Abwandlung erkennen, und dieses Prinzip ist tief in unserem Körper verwurzelt. Außerdem spiegelt es sich in der Erdgeschichte. Die ältesten vielzelligen Fossilien sind über 600 Millionen Jahre alt. Das älteste Fossil mit drei Mittelohrknochen dagegen bringt es noch nicht einmal auf 200 Millionen Jahre. Und das älteste Fossil mit aufrechtem Gang hat ein Alter von etwa vier Millionen Jahren. Ist das alles nur Zufall, oder spiegelt sich darin ein biologisches Gesetz, dessen Wirkung wir jeden Tag um uns herum beobachten können? Von Carl Sagan stammt der berühmte Satz, der Blick zu den Sternen sei ein Blick in die Vergangenheit. Ihr Licht hat seine Reise vor sehr langer Zeit angetreten, lange bevor unsere Welt entstand. Für mich ist ein Blick auf die Menschen etwas Ahnliches wie der Blick zu den Sternen. Wenn man weiß, worauf man achten muss, wird unser Körper zu einer Zeitkapsel, und wenn man sie öffnet, berichtet sie von entscheidenden Augenblicken in der Geschichte unseres Planeten sowie von einer fernen Vergangenheit mit urzeitlichen Ozeanen, Flüssen und Wäldern. Veränderungen der Uratmosphäre spiegeln sich in den Molekülen wider, mit deren Hilfe unsere Zellen zusammenwirken und unseren Körper aufbauen. Die Umwelt der urzeitlichen Wasserläufe prägte unsere Anatomie mit vier Gliedmaßen. Unsere Fähigkeit zum Farbensehen und Riechen wurde durch das Leben in alten Wäldern und Ebenen geformt. Die Liste ließe sich beliebig verlängern. Diese Vergangenheit ist unser Erbe, das sich heute auf unser Leben auswirkt und dies auch in Zukunft tun wird.

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12. Warum Geschichte uns krank macht

Mein Knie war dick wie eine Pampelmuse. Einer meiner Kollegen aus der chirurgischen Abteilung drehte und bog es, weil er feststellen wollte, ob die Bänder oder ein Meniskus verstaucht oder gerissen waren. Seine Untersuchung und die nachfolgende Kernspintomographie führten zu dem Befund eines Meniskusschadens – das hatte ich nun davon, dass ich zwanzig Jahre lang im Freiland schwere Rucksäcke über Berge, Felsblöcke und Geröll geschleppt hatte. Wenn das Knie wehtut, ist mit ziemlicher Sicherheit mindestens einer von drei Körperteilen geschädigt: der Innenmeniskus, das Innenband oder das vordere Kreuzband. Diese Knieverletzungen kommen mit so schöner Regelmäßigkeit vor, dass die drei genannten Strukturen bei den Ärzten als »unhappy triad« bekannt sind, was in etwa die »unglücklichen Drei« bedeutet. Sie belegen ganz klar, welche Nachteile der Fisch in uns mit sich bringt. Fische gehen nun einmal nicht auf zwei Beinen. Unser Menschsein hat seinen Preis. Die außergewöhnliche Kombination der Dinge, die wir tun – reden, denken, greifen, aufrecht gehen –, fordert ihren Tribut. Das ist eine unausweichliche Wirkung des Lebensbaumes in uns. Stellen wir uns einmal vor, wir wollten einen VW Käfer so tunen, dass er 250 Stundenkilometer schnell ist. Im Jahr 1933 erhielt Dr. Ferdinand Porsche von Adolf Hitler den Auftrag zur Entwicklung eines billigen Autos, das nicht mehr als sechs Liter Benzin auf 100 Kilometer verbrauchte und sich für die deutsche Durchschnittsfamilie als zuverlässiges Transportmittel eignete. Das Ergebnis war der VW Käfer. Diese Vergangenheit – Hitlers Plan – erlegt uns heute Beschränkungen auf, wenn wir einen Käfer umbauen wollen; man kann die ingenieurtechnischen Kunstgriffe nur bis zu einem

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gewissen Punkt treiben, dann treten Probleme auf, und der Wagen hat seine Grenzen erreicht. Wir Menschen sind aus Sicht der Fische in vielerlei Hinsicht die Entsprechung zu einem getunten Käfer. Man nehme den Körperbauplan eines Fisches, rüste ihn zu einem Säugetier auf und ändere dann die Konstruktion so lange, bis es auf zwei Beinen geht, redet, denkt und über eine ausgezeichnete Fingerfertigkeit verfügt – schon sind die Probleme vorprogrammiert. Einen Fisch können wir nur bis zu einem gewissen Punkt aufrüsten, sonst zahlen wir einen hohen Preis. In einer vollkommen durchkonstruierten Welt – einer Welt ohne Vergangenheit – würden uns viele Leiden erspart bleiben, von Hämorrhoiden bis zum Krebs. Nirgendwo ist diese Vergangenheit deutlicher zu erkennen als in den Umwegen, Wendungen und Windungen unserer Arterien, Nerven und Venen. Verfolgt man den Weg einzelner Nervenbahnen im Körper, so stellt man häufig fest, dass sie um andere Organe seltsame Bögen machen – sie verlaufen scheinbar in eine Richtung, biegen dann aber ab und enden an einer ganz unerwarteten Stelle. Die Umwege sind eine faszinierende Folge unserer Geschichte, und wie wir noch genauer erfahren werden, bescheren sie uns häufig Unannehmlichkeiten wie Schluckauf oder Eingeweidebrüche. Und das ist nur einer der vielen Wege, auf denen unsere Vergangenheit uns einholt und ärgert. Unsere entfernte Vorgeschichte spielte sich zu verschiedenen Zeiten in prähistorischen Ozeanen, kleinen Wasserläufen und Savannen ab, aber nicht in Bürohochhäusern, an Skihängen oder auf Tennisplätzen. Wir sind nicht dazu gebaut, mehr als achtzig Jahre zu leben, zehn Stunden am Tag auf unserem Hintern zu sitzen oder Biskuitkuchen zu essen, und ebenso wenig sind wir zum Fußballspielen konstruiert. Diese große Kluft zwischen unserer Vergangenheit und unserem heutigen Leben hat zur Folge, dass unser Organismus auf bestimmten, vorhersagbaren Wegen den Bach hinuntergeht. Praktisch alle Krankheiten, an denen wir heute leiden, haben eine historische Komponente. Die im Folgenden beschriebenen Beispiele machen deutlich, wie verschiedene Äste unseres inneren Lebensstammbaumes – von Vormenschen über Amphibien und Fi-

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sche bis hin zu den Mikroorganismen – heute auf uns zurückfallen und uns plagen. Sie alle zeigen, dass wir nicht vernünftig gestaltet wurden, sondern die Produkte einer vielschichtigen Vergangenheit sind. Unsere Vergangenheit als Jäger und Sammler: Übergewicht, Herzkrankheiten und Hämorrhoiden

In unserer Vergangenheit waren wir als Fische aktive Räuber in den Ozeanen und Wasserläufen der Vorzeit. In unserer jüngeren Geschichte, als Amphibien, Reptilien und Säugetiere, stellten wir aktiv allen möglichen Lebewesen nach, von Reptilien bis zu Insekten. Noch später, als Primaten, waren wir aktive Baumbewohner, die sich von Früchten und Blättern ernährten. Die Frühmenschen waren als Jäger und Sammler aktiv, später wurden sie zu Bauern. Haben Sie eine Gemeinsamkeit bemerkt? Der gemeinsame rote Faden liegt in dem Wort »aktiv«. Die schlechte Nachricht lautet: Die meisten von uns sind heute einen großen Teil des Tages alles andere als aktiv. Gerade in diesem Augenblick sitze ich auf meinem Hintern, tippe dieses Buch, und die meisten von Ihnen (mit Ausnahme jener Künstler, die im Fitnessstudio lesen können) führen es sich in der gleichen Körperhaltung zu Gemüte. Auf einen solchen Tagesablauf hat uns unsere Geschichte vom Fisch bis zum Frühmenschen nicht vorbereitet. Dieser Konflikt zwischen Gegenwart und Vergangenheit äußert sich in Form vieler moderner Zivilisationskrankheiten. Was sind bei Menschen heute die häufigsten Todesursachen? Von den zehn wichtigsten haben vier – Herzkrankheiten, Diabetes, Übergewicht und Schlaganfall – eine gewisse genetische und vermutlich auch historische Grundlage. Zu einem großen Teil sind die Schwierigkeiten sicher darauf zurückzuführen, dass unser Körperbau der eines aktiven Tiers ist, unsere Lebensweise aber die einer festgewurzelten Pflanze. Mit solchen Gedanken beschäftigte sich der Anthropologe Robert Neel schon 1962 unter dem Gesichtspunkt unserer Ernährung. Er formulierte eine Hypothese, die unter dem Stichwort »sparsa-

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mer Genotyp« bekannt wurde: Danach sind wir an ein »Top-undFlop«-Leben angepasst. Als Jäger und Sammler erlebten die Frühmenschen einerseits Zeiten des Überflusses, in denen es viele Beutetiere gab und die Jagd zum Erfolg führte, aber diese Phasen wurden andererseits von Zeiten des Mangels unterbrochen, in denen unsere Vorfahren bedeutend weniger zu essen hatten. Nach Neels Hypothese hat dieser Wechsel von Überfluss und Hunger seine Spuren in unseren Genen wie auch in unseren Krankheiten hinterlassen. Im Wesentlichen lautet seine Annahme: Der Organismus unserer Vorfahren konnte in Zeiten des Überflusses einen Vorrat aufbauen und in Hungerphasen darauf zurückgreifen. Vor diesem Hintergrund ist die Fettspeicherung etwas sehr Nützliches. Nahrungsenergie wird so eingeteilt, dass ein Teil unsere derzeitige Aktivität antreibt, während ein anderer zum späteren Verbrauch gespeichert wird – zum Beispiel in Form von Fett. In einer Welt mit Mangel und Überfluss funktioniert ein solches System sehr gut, aber wenn ständig Nahrung in großer Menge verfügbar ist, versagt es kläglich. Dann sind Fettsucht und die mit ihr verbundenen Krankheiten – Altersdiabetes, Bluthochdruck, Herzkrankheiten – eine ganz natürliche Folge. Die Hypothese des sparsamen Genotyps erklärt wahrscheinlich auch, warum fette Lebensmittel uns so gut schmecken. Sie sind besonders wertvoll, was ihren Energiegehalt angeht, und boten deshalb in unserer entfernten Vergangenheit einen deutlichen Vorteil. Unsere bewegungsarme Lebensweise schadet uns noch in anderer Hinsicht, denn auch unser Kreislauf entwickelte sich ursprünglich in wesentlich aktiveren Tieren. Unser Herz pumpt das Blut, das dann durch die Arterien zu den Organen und durch die Venen wieder zum Herzen gelangt. Da die Arterien der Pumpe näher sind, ist der Blutdruck in ihnen viel höher als in den Venen. Das kann insbesondere für Blut, das aus den Beinen wieder zum Herzen fließen muss, problematisch werden. Es muss sich aus den Füßen gewissermaßen bergauf durch die Beinvenen in den Bauchraum bewegen. Ist sein Druck sehr gering, schafft es unter Umständen nicht den ganzen Weg. Deshalb helfen zwei anatomische Strukturen dem Blut bei der Aufwärtsbewegung: einerseits kleine Ventile, die das Blut aufwärtsfließen

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lassen, die Abwärtsbewegung aber verhindern, und andererseits unsere Beinmuskeln, die mit ihrer Kontraktion eine Pumpwirkung auf die Beinvenen ausüben. Mit Hilfe der Ventile und Muskelpumpen kann das Blut aus den Füßen bis in den Bauchraum aufsteigen. Auch dies ist ein ausgezeichnetes System für ein aktives Tier, das seine Beine zum Gehen, Laufen und Springen benutzt. Bei einem eher unbeweglichen Lebewesen dagegen funktioniert es bei weitem nicht so gut. Werden die Beine nicht viel genutzt, pumpen auch die Muskeln das Blut in den Venen nicht nach oben. Sammelt sich aber das Blut in den Beinen, kann es zu Problemen kommen, denn dann versagen auch die Ventile in den Venen. Nichts anderes ist die Ursache von Krampfadern. Die Ventile schließen sich nicht mehr, und das Blut bleibt in den Venen stehen, sodass diese anschwellen und Schmerzen in den Beinen verursachen. Es braucht wohl nicht besonders betont zu werden, dass die Venen auch im Allerwertesten heftige Schmerzen verursachen können. Insbesondere Lastwagenfahrer und andere Menschen, die stundenlang sitzen müssen, sind anfällig für Hämorrhoiden, auch sie eine Folge unserer sitzenden Lebensweise. Während des langen Sitzens sammelt sich Blut in den Venen rund um den Darmausgang. Die Folge sind Hämorrhoiden – auch sie erinnern uns auf unangenehme Weise daran, dass wir nicht dazu gebaut sind, lange zu sitzen – vor allem nicht auf weichen Unterlagen.

Unsere Vergangenheit als Primaten: Reden ist nicht billig

Die Sprachfähigkeit hat einen hohen Preis: Ganz oben auf der Liste der Probleme, mit denen wir um unserer Redefähigkeit willen leben müssen, stehen Verschlucken und Schlafapnöe. Zur Produktion von Sprachlauten steuern wir die Bewegungen von Zunge, Kehlkopf und Rachen. Alle diese Körperteile sind im Vergleich zu ihrer Grundkonstruktion bei Säugetieren oder Reptilien nur geringfügig abgewandelt. Wie wir in Kapitel 3 erfahren haben, besteht der Kehlkopf des Menschen vorwiegend aus dem

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Knorpel der Kiemenbögen, die den Kiemenstrukturen der Haie und anderer Fische entsprechen. Der Rachen, der hinter dem letzten Backenzahn beginnt und bis über den Kehlkopf reicht, hat flexible Wände und kann sich öffnen oder schließen. Um Sprachlaute zu erzeugen, bewegen wir die Zunge, wir ändern die Form der Mundhöhle und wir ziehen eine Reihe von Muskeln zusammen, die über die Biegsamkeit der Rachenwand bestimmen. Ein anderer, potenziell gefährlicher Tribut für unsere Sprachfähigkeit ist die Schlafapnöe. Im Schlaf entspannt sich die Rachenmuskulatur. Bei den meisten Menschen bereitet das keine Probleme, in manchen Fällen fällt der Rachen aber so in sich zusammen, dass während eines relativ langen Zeitraums kein Atemzug mehr stattfindet. Das kann natürlich sehr gefährlich werden, insbesondere wenn die betreffende Person auch noch an einer Herzkrankheit leidet. Die Flexibilität unseres Rachens ist beim Sprechen von großem Nutzen, aber sie macht uns anfällig für eine Form der Schlafapnöe, die durch die Blockade der Luftwege entsteht. Ein weiterer Nachteil dieser Konstruktion ist die Tatsache, dass wir uns verschlucken können. Unsere Mundhöhle mündet sowohl in die Luftröhre, durch die wir atmen, als auch in die Speiseröhre. Ein einziger Weg dient also zum Schlucken, Atmen und Sprechen. Diese drei Funktionen geraten einander manchmal in die Quere, beispielsweise wenn ein Nahrungsbrocken in die Luftröhre gelangt.

Unsere Vergangenheit als Fische und Kaulquappen: der Schluckauf

Dieses lästige Phänomen hat seine Wurzeln in dem Teil unserer Geschichte, den wir mit Fischen und Kaulquappen gemeinsam haben. Wenn es im Zusammenhang mit dem Schluckauf überhaupt einen Trost gibt, dann den, dass auch viele andere Säugetiere mit der gleichen Unannehmlichkeit zu kämpfen haben. Bei Katzen kann man den Schluckauf auslösen, wenn man einen kleinen Ge-

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webeabschnitt im Hirnstamm mit elektrischen Impulsen stimuliert. Dabei handelt es sich nach heutiger Kenntnis um das Zentrum zur Steuerung des komplizierten Reflexes, den wir als Schluckauf bezeichnen. Beim Schluckaufreflex handelt es sich um ein regelmäßig wiederkehrendes Zucken, an dem mehrere Muskeln von Bauchwand, Zwerchfell, Hals und Rachen beteiligt sind. Ein Impuls in einem oder zwei wichtigen Nerven, die ansonsten die Atmung steuern, sorgt für eine Kontraktion dieser Muskeln. Die Folge ist ein sehr plötzliches Einsaugen von Luft. Dann, ungefähr 35 Millisekunden später, verschließt die Glottis, ein Gewebelappen hinten im Rachen, den Eingang zur Luftröhre. Durch das schnelle Einatmen und die anschließende kurzfristige Blockade der Atemwege entsteht das »Hick«. Das Problem besteht darin, dass es selten bei einem einzigen »Hick« bleibt. Wenn man es schafft, den Schluckauf zwischen dem fünften und zehnten Hick zu unterdrücken, hat man eine reelle Chance, ihn völlig zu beenden. Verpasst man aber diese Gelegenheit, setzt er sich häufig fünfzig bis sechzig Mal fort. Bei manchen Menschen verschwindet der Schluckauf, wenn sie Kohlendioxid einatmen (indem sie sich die altbekannte Papiertüte vor Mund und Nase halten) oder die Bauchwand dehnen (durch kräftiges Einatmen und Luftanhalten). Aber das klappt nicht bei jedem. Manche pathologischen Fälle von Schluckauf können sich sehr lange hinziehen. Der längste ununterbrochene Schluckauf bei einem Menschen dauerte von 1922 bis 1990. Auch unsere Neigung zum Schluckauf ist ein Beispiel dafür, wie unsere Vergangenheit uns einholt. Über zwei Fragen sollte man dabei etwas genauer nachdenken. Erstens: Was verursacht den Nervenimpuls, der den Schluckauf in Gang setzt? Und zweitens: Wie kommt es zu dem plötzlichen Einatmen und dem Verschluss der Glottis? Der Nervenimpuls ist auf unsere Vergangenheit als Fische zurückzuführen, das Hick dagegen hat seine Wurzeln in jenem Teil unserer Geschichte, den wir mit Kaulquappen und anderen Tieren gemeinsam haben. Zuerst einmal die Fische. Unser Gehirn kann die Atmung steuern, ohne dass wir bewusst etwas dafür tun müssten. Die mei-

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sten dafür erforderlichen Prozesse finden im Hirnstamm statt, das heißt im Grenzbereich zwischen Gehirn und Rückenmark. Von dort fließen Nervenimpulse zu den wichtigsten Atemmuskeln. Die Atmung läuft nach einer ganz bestimmten Gesetzmäßigkeit ab: Die Brust-, Zwerchfell- und Rachenmuskulatur zieht sich in genau festgelegter Reihenfolge zusammen, weshalb man den Gehirnstamm auch als »zentralen Mustergenerator« bezeichnet hat. Er erzeugt rhythmische Nervenimpulse und aktiviert damit die Muskulatur. Ähnliche Generatoren in Gehirn und Rückenmark steuern auch andere rhythmische Bewegungen, beispielsweise beim Schlucken oder Gehen. Das Problem besteht darin, dass der Hirnstamm ursprünglich die Atmung von Fischen regulierte; damit er bei Säugetieren funktioniert, musste er aufgerüstet werden. Bei Haien und Knochenfischen steuert ein Teil des Hirnstamms die rhythmischen Muskelbewegungen im Rachen und im Umfeld der Kiemen. Alle Nerven, die diese Bereiche versorgen, entspringen in einem genau umrissenen Abschnitt des Hirnstamms. Die gleiche Anordnung der Nerven erkennt man auch in den Fossilfunden von einigen besonders urtümlichen Fischen. Bei manchen urzeitlichen Schalenhäutern sind Abdrücke des Gehirns und der Schädelnerven erhalten geblieben. Wie bei den heutigen Fischen, so entspringen die Nerven zur Steuerung der Atmung auch bei ihnen aus dem Hirnstamm. Bei Fischen funktioniert das gut, aber für Säugetiere ist es eine schreckliche Konstruktion. Die Nerven, die bei Fischen der Atmungssteuerung dienen, müssen vom Hirnstamm aus keinen weiten Weg zurücklegen. Kiemen und Rachen sind in der Regel rund um diesen Gehirnabschnitt angeordnet. Anders bei uns Säugetieren: Für unsere Atmung sorgen Muskeln in der Wand des Brustkorbes und das Zwerchfell, jene Muskelschicht, die den Brustkorb vom Bauchraum trennt. Wenn sich das Zwerchfell zusammenzieht, atmen wir ein. Die Nerven, die das Zwerchfell steuern, entspringen im Gehirn an der gleichen Stelle wie bei den Fischen: im Hirnstamm nicht weit vom Hals. Diese Leitungsbahnen, der Vagusund der Phrenikusnerv, verlaufen von der Schädelbasis rund um die Brusthöhle zum Zwerchfell und zu jenen Teilen des Brustkorbes, die an der Atmung mitwirken. Dieser gewundene Weg wirft

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Probleme auf; in einer rationelleren Konstruktion würden die Nerven nicht vom Hals ausgehen, sondern von einer Stelle näher am Zwerchfell. Leider kann nämlich alles, was die Funktion eines dieser Nerven beeinträchtigt, unkontrollierte Kontraktionen auslösen. Ist der seltsame Verlauf unserer Nerven eine Folge unserer Vergangenheit als Fische, so dürfte es sich beim Schluckauf um ein Produkt unseres früheren Daseins als Amphibien handeln. Der Schluckauf hat im Gegensatz zu allen anderen Atmungsvorgängen das besondere Merkmal, dass auf eine plötzliche Einatmung ein Verschließen der Glottis folgt. Gesteuert wird er anscheinend von einem zentralen Mustergenerator im Hirnstamm: Regt man diese Region mit einem elektrischen Impuls an, kann man den Schluckauf auslösen. Dass er von einem zentralen Mustergenerator ausgeht, ist durchaus plausibel, denn wie andere rhythmische Bewegungen besteht er aus einem genau vorgegebenen, immer gleichen Ablauf. Wie wir heute wissen, gleicht der Mustergenerator, der für den Schluckauf verantwortlich ist, praktisch genau dem der Amphibien. Allerdings findet man ihn nicht bei beliebigen Amphibien, sondern insbesondere bei den Kaulquappen, die sowohl mit einer Lunge als auch mit Kiemen atmen. Bei Kaulquappen ist dieser Mustergenerator aktiv, wenn die Atmung über die Kiemen erfolgt: dann muss Wasser durch Mund, Rachen und Kiemen gepumpt werden, soll aber nicht in die Lunge gelangen. Um das zu verhindern, wird die Glottis – der Gewebelappen, der die Luftröhre abdeckt – verschlossen. Und zu diesem Zweck besetzen Kaulquappen im Hirnstamm einen zentralen Mustergenerator, sodass auf das Einatmen sofort das Schließen der Glottis folgen kann. Durch eine abgewandelte Form des Schluckaufs können sie mit den Kiemen atmen. Die Parallelen zwischen unserem Schluckauf und der Kiemenatmung der Kaulquappen sind so eng, dass vielfach die Ansicht geäußert wurde, es handele sich in Wirklichkeit um ein und dasselbe Phänomen. Die Kiemenatmung der Kaulquappen kann man genau wie unseren Schluckauf durch Kohlendioxid blockieren. Ebenso lässt sich die Kiemenatmung verhindern, wenn man die Wand des Brustkorbes dehnt, ganz ähnlich wie wir es tun, wenn wir bei einem Schluckauf tief einatmen und dann die Luft anhalten.

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Vielleicht könnte man die Kiemenatmung der Kaulquappen sogar blockieren, wenn man die Tiere im Kopfstand ein Glas Wasser trinken lässt.

Unsere Vergangenheit als Haie: Eingeweidebrüche

Unsere Neigung zu Eingeweidebrüchen (Hernien), insbesondere solchen in der Leistengegend, ist darauf zurückzuführen, dass der Körper eines Fisches zum Säugetier umgestaltet wurde. Bei den Fischen erstrecken sich die Keimdrüsen bis zum Brustkorb, das heißt, sie reichen bis in die Nähe des Herzens. Bei Säugetieren ist das nicht der Fall, und daraus ergibt sich ein Problem. Dass unsere Keimdrüsen nicht bis zur Brust und in die Nähe des Herzens reichen, ist sehr gut (auch wenn es das Eheversprechen zu einer ganz anderen Erfahrung machen könnte). Mit Keimdrüsen in der Brust könnten wir keine Kinder bekommen. Schlitzt man den Bauch eines Hais vom Mund bis zum Schwanz auf, so sieht man als Erstes die Leber – und zwar eine Menge davon. Haie haben eine riesengroße Leber, die nach Ansicht mancher Zoologen beim Schwimmen für Auftrieb sorgt. Schiebt man sie beiseite, so findet man die Keimdrüsen, die sich in der Nähe des Herzens befinden, dass heißt im »Brustkorb«. Ein solcher Körperbau ist für die meisten Fische typisch: Die Keimdrüsen liegen sehr weit vorn. Für uns und die meisten anderen Säugetiere wäre eine solche Anordnung eine Katastrophe. Männer produzieren während ihres ganzen Lebens die Spermien, empfindliche kleine Zellen, die einen engen Temperaturbereich brauchen, damit sie sich während ihrer dreimonatigen Lebensdauer ordnungsgemäß entwickeln können. Ist es zu warm, sind die Samenzellen missgebildet, ist es zu kalt, sterben sie ab. Säugetiermännchen haben ein hübsches kleines Hilfsmittel, mit dem sie die Temperatur des Spermienproduktionsapparates steuern können: den Hodensack. Wie allgemein bekannt ist, liegen die männlichen Keimdrüsen in einem Sack. Seine Haut

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Die Keimdrüsen (hier: Hoden) eines Hais erstrecken sich bis zum Vorderende des Körpers.

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enthält Muskeln, die sich bei wechselnden Temperaturen entspannen oder zusammenziehen können. Auch in den Samensträngen befinden sich Muskeln. Die Wirkung kann man beim kalten Duschen beobachten: Wenn es kalt ist, zieht sich der Hodensack eng an den Körper. Das ganze Gebilde steigt und fällt mit der Temperatur. Auf diese Weise wird die Produktion gesunder Spermien optimiert. Bei vielen Säugetieren dient der herabhängende Hodensack außerdem auch als sexuelles Signal. Zu dem physiologischen Vorteil, dass die Keimdrüsen außerhalb der Körperhöhle liegen, kommt in solchen Fällen noch die nützliche Wirkung beim Anlocken von Partnerinnen hinzu; für unsere entfernten Säugetiervorfahren gab es als mehr als genug Gründe, einen Hodensack zu besitzen. Aber diese Anordnung wirft auch ein Problem auf: Die Bahnen, die für den Transport der Samenzellen zum Penis sorgen, machen einen großen Umweg. Die Spermien wandern aus dem Hoden im Hodensack in den Samenstrang. Dieser führt aufwärts in den Bauchraum, beschreibt über dem Becken eine Kurve und verläuft erst dann durch den Beckenknochen zum Penis und nach außen. Auf diesem langen Weg mischen mehrere Drüsen, die mit dem Samenstrang verbunden sind, zu den Samenzellen die Samenflüssigkeit hinzu. Auch dieser absurde Verlauf hat seine Ursache in unserer Entwicklungs- und Evolutionsgeschichte. In einem Embryo beginnt die Entwicklung der Keimdrüsen ganz ähnlich wie bei einem Hai in der Nähe der Leber. Wenn sie später heranwachsen, wandern sie abwärts. Bei Frauen führt der Weg der Eierstöcke von der Körpermitte in die Nachbarschaft von Gebärmutter und Eileitern. Damit ist sichergestellt, dass die Eizelle bis zur Befruchtung nicht allzu weit wandern muss. Der Hodensack dagegen ist im Endeffekt nichts anderes als eine Ausstülpung der Körperwand. Durch den Abstieg der Keimdrüsen ergibt sich insbesondere bei Männern ein Schwachpunkt in der Körperwand. Wenn man sich klarmachen will, was sich im Einzelnen abspielt, wenn Hoden und Samenstrang abwärts in den Hodensack wandern, kann man sich vorstellen, man würde mit der Faust gegen ein Gummituch drücken. Die Faust entspricht dabei den Hoden und der Arm

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dem Samenstrang. Damit hat man an der Stelle, an der sich der Arm befindet, einen Schwachpunkt geschaffen. War das Gummituch früher eine einfache Wand, so ist dort nun ein Hohlraum entstanden, sodass Dinge zwischen dem Arm und dem Gummituch durchrutschen können. Nichts anderes spielt sich auch im männlichen Organismus bei vielen Formen des Leistenbruches ab. Man-

Der Abstieg der Hoden. Während des Wachstums wandern die Hoden von der ursprünglichen Position der Keimdrüsen in der Bauchhöhle abwärts in den Hodensack, eine Ausstülpung der Körperwand. Dies führt dazu, dass der männliche Körper in der Leistengegend einen Schwachpunkt hat.

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che davon sind angeboren – dann wandert außer dem Hoden auch ein Stück Darm abwärts. Andere Formen des Bruches zieht man sich zu. Wenn wir die Bauchmuskeln anspannen, drückt der Darm gegen die Körperwand. Hat diese eine schwache Stelle, kann der Darm sich aus der Bauchhöhle hinausschieben und liegt dann eingequetscht neben dem Samenstrang. Frauen sind insbesondere in dieser Körperregion wesentlich kräftiger gebaut als Männer. Da durch ihre Bauchwand kein langer Schlauch verläuft, ist sie viel widerstandsfähiger als die eines Mannes. Das ist von Vorteil, wenn man daran denkt, welcher gewaltigen Belastung die Bauchwände einer Frau während der Schwangerschaft und bei der Entbindung ausgesetzt sind. Mit einem Gang, der die Bauchwand durchstößt, würde das nicht funktionieren. Die Neigung der Männer zu Leistenbrüchen ist ein Kompromiss zwischen unserer Vergangenheit als Fische und unserer Gegenwart als Säugetiere. Unsere Vergangenheit als Mikroorganismen: Mitochondrienerkrankungen

In jeder Zelle unseres Körpers befinden sich Mitochondrien, die dort bemerkenswerte Aufgaben erfüllen. Ihre wichtigste Funktion besteht darin, aus Sauerstoff und Zucker die Energie zu gewinnen, die unsere Zellen verwerten können. Weitere Aufgaben sind der Abbau von Giftstoffen in der Leber und die Regulation verschiedener anderer Zellfunktionen. Bemerkbar machen sich die Mitochondrien nur, wenn etwas schiefgeht. Leider ist die Liste der Krankheiten, die durch Fehlfunktionen der Mitochondrien verursacht werden, außerordentlich lang und vielschichtig. Wenn die sauerstoffverbrauchenden chemischen Reaktionen beeinträchtigt sind, kann es zu Störungen der Energieproduktion kommen. Manchmal beschränkt sich eine solche Fehlfunktion auf einzelne Gewebe wie beispielsweise die Augen, sie kann aber auch auf sämtliche Systeme des Organismus auswirken. Je nach Art und Schwere des Defekts ergeben sich vielfältige Folgen von Muskelschwäche bis zum Tod.

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Die Vergangenheit unserer Mitochondrien spiegelt sich in zahlreichen Lebensvorgängen wider. Die Kette chemischer Reaktionen, durch die Zucker und Sauerstoff zu nutzbarer Energie und Kohlendioxid umgesetzt werden, entwickelte sich schon vor Jahrmilliarden und ist in dieser oder jener Form noch heute bei ganz unterschiedlichen Mikroorganismen zu erkennen. Die Mitochondrien tragen diese Bakterienvergangenheit in sich: Da sie in ihrem gesamten genetischen Aufbau und in ihrer Mikrostruktur den Bakterien ähneln, hat sich mittlerweile allgemein die Ansicht durchgesetzt, dass sie vor über einer Milliarde Jahren aus ursprünglich frei lebenden Mikroorganismen entstanden sind. In solchen urzeitlichen Bakterien entwickelte sich der gesamte Energieerzeugungsapparat unserer Mitochondrien. Die Bakterienvergangenheit können wir uns zunutze machen, wenn wir Mitochondrienerkrankungen erforschen – in manchen Fällen untersucht man solche Krankheiten experimentell tatsächlich am besten an Bakterien. Das ist sehr wichtig, denn mit Bakterien kann man alle möglichen Versuche anstellen, die mit menschlichen Zellen nicht möglich sind. Eine besonders provokative Studie stammt von einem Team italienischer und deutscher Wissenschaftler. Die Krankheit, mit der sie sich beschäftigten, Kardioenzephalomyopathie genannt, ist für betroffene Säuglinge in allen Fällen tödlich. Ihre Ursache ist eine genetische Veränderung, die in den Mitochondrien den normalen Ablauf des Stoffwechsels beeinträchtigt. Bei einem Patienten, der an der Krankheit litt, konnten die europäischen Wissenschaftler an einer ganz bestimmten Stelle in der DNA eine verdächtige Veränderung nachweisen. Da sie über die Geschichte des Lebendigen Bescheid wussten, wandten sie sich daraufhin einem Mikroorganismus namens Paracoccus denitrificans zu. Seine Gene und biochemischen Reaktionswege sind denen der Mitochondrien so ähnlich, dass Paracoccus häufig als frei lebendes Mitochondrium bezeichnet wird. Die Wissenschaftler konnten zeigen, wie groß die Ähnlichkeit tatsächlich ist. Sie erzeugten in den Genen der Bakterien die gleichen Veränderungen, die sie bei ihrem Patienten beobachtet hatten. Was sie dabei feststellten, erschien vor dem Hintergrund unserer Vergangenheit völlig plausibel. Sie konnten die Mitochondrienerkrankung des Menschen teilweise

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in einem Bakterium nachahmen, und dabei stellten sich praktisch die gleichen Stoffwechselveränderungen ein. Damit hatten sie unsere Jahrmilliarden lange Vergangenheit für uns nutzbar gemacht. Das Beispiel mit den Mikroorganismen ist kein Einzelfall. Nach den Medizin- und Physiologie-Nobelpreisen der letzten 13 Jahre zu urteilen, hätte ich diesem Buch den Titel Die Fliege in uns, Der Wurm in uns oder Die Hefe in uns geben müssen. Bahnbrechende Arbeiten an Fliegen wurden 1995 mit dem Nobelpreis für Medizin belohnt: Man hatte eine Reihe von Genen entdeckt, die bei Menschen und anderen Tieren den Aufbau des Körpers lenken. In den Jahren 2002 und 2006 ging der Preis an Wissenschaftler, die durch die Untersuchung eines unscheinbaren kleinen Wurms (C. elegans) bedeutende neue Erkenntnisse über Genetik und Gesundheit der Menschen gewonnen hatten. Und im Jahr 2001 wurde der Nobelpreis für Untersuchungen an Hefe (darunter auch die ganz normale Bäckerhefe) und Seeigeln verliehen, mit denen man die Kenntnisse über grundlegende biologische Eigenschaften aller Zellen erweitert hatte. Es handelt sich hier nicht um exotische Entdeckungen an unbekannten, unwichtigen Lebewesen. Die neuen Erkenntnisse, die an Hefe, Fliegen, Würmern und – ja – auch Fischen gewonnen wurden, liefern uns neue Aufschlüsse über die Funktionsweise unseres eigenen Körpers, über viele Krankheiten und über Ansatzpunkte für die Entwicklung neuer Hilfsmittel, mit denen wir ein längeres, gesünderes Leben führen können.

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Epilog

Als Vater von zwei kleinen Kindern halte ich mich in letzter Zeit häufig in Zoos, Museen und Aquarien auf. Sie zu besichtigen, ist ein eigenartiges Erlebnis, denn ich hatte seit Jahrzehnten mit solchen Institutionen zu tun, habe in Museumssammlungen gearbeitet und gelegentlich sogar an der Vorbereitung von Ausstellungen mitgewirkt. Während unserer Familienausflüge ist mir klar geworden, wie sehr mein Beruf mich taub gemacht hat für die Schönheit und erhabene Kompliziertheit unserer Welt und unsres Körpers. Ich halte Vorlesungen und schreibe über eine Jahrmillionen alte Geschichte und über bizarre vorzeitliche Welten, aber dabei ist meist mein Interesse distanziert und analytisch. Jetzt erlebe ich die Wissenschaft mit meinen Kindern, und das an Orten, an denen auch ich meine Liebe zu ihr überhaupt erst entdeckt habe. Einen ganz besonderen Augenblick erlebte ich kürzlich mit meinem Sohn im Museum of Science and Industry in Chicago. Wir waren dort schon seit drei Jahren regelmäßig hingegangen: Er interessiert sich für Eisenbahnen, und in der Mitte des Museums steht eine große Modellbahnanlage. Unzählige Stunden verbrachte ich in diesem einen Museumssaal und sah zu, wie die Modelllokomotiven auf ihrem kleinen Gleis von Chicago nach Seattle fuhren. Nachdem wir diesen Tempel der Eisenbahnverrückten eine Zeit lang jede Woche aufgesucht hatten, besuchten Nathaniel und ich auch die Winkel des Museums, die wir bisher wegen der Eisenbahn und während der gelegentlichen Ausflüge zu lebensgroßen Traktoren und Flugzeugen immer links liegen gelassen hatten. Im hinteren Teil des Museums, im Henry Crown Space Center, hängen Planetenmodelle von der Decke, und in den Vitrinen liegen Raumanzüge neben anderen Erinnerungsstücken an das Raumfahrtpro-

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gramm der Sechziger- und Siebzigerjahre. Ich hatte angenommen, im hinteren Teil des Museums seien die weniger wichtigen Dinge zu sehen, die es nicht in die großen Ausstellungssäle weiter vorn geschafft hatten. Unter anderem stand dort eine mitgenommene Raumkapsel – man konnte um sie herumgehen und einen Blick ins Innere werfen. Bedeutend sah sie eigentlich nicht aus; sie wirkte so klein und zerbeult, dass sie scheinbar nicht wichtig sein konnte. Die Beschriftungstafel war seltsam förmlich gehalten, und ich musste sie mehrere Male lesen, bevor es mir dämmerte: das hier war die Original-Kommandokapsel von Apollo 8, das Fahrzeug, in dem James Lovell, Frank Borman und William Anders als erste Menschen zum Mond und zurück geflogen waren. Es war das Raumschiff, dessen Flug ich in den Weihnachtsferien des dritten Schuljahres verfolgt hatte, und jetzt, 39 Jahre später, stand ich hier mit meinem Sohn und betrachtete das Original. Natürlich war es mitgenommen. Ich konnte genau sehen, welche Narben die Reise und die Rückkehr zur Erde geschlagen hatte. Nathaniel interessierte sich überhaupt nicht dafür, also nahm ich ihn an der Hand und versuchte zu erklären, was wir hier vor uns hatten. Aber ich konnte kaum sprechen; die Gefühle erstickten meine Stimme, und ich bekam kaum ein Wort heraus. Nach wenigen Minuten hatte ich die Fassung wiedergewonnen, und nun erzählte ich ihm die Geschichte von der Reise der Menschen zum Mond. Warum es mir die Sprache verschlug, kann ich ihm erst erzählen, wenn er älter ist. Eigentlich ist Apollo 8 ein Symbol für die Fähigkeit der Wissenschaft, unser Universum zu erklären und erfahrbar zu machen. Man kann darüber streiten, inwieweit das Programm nicht nur Wissenschaft, sondern auch Politik war, aber es bleibt die zentrale Tatsache, die heute so eindeutig ist wie 1968: Apollo 8 war ein Produkt jenes unentbehrlichen Optimismus, der hinter den besten wissenschaftlichen Arbeiten steht. Es ist ein Musterbeispiel dafür, dass das Unbekannte keine Quelle von Misstrauen, Angst oder den Rückzug in den Aberglauben sein sollte, sondern ein Motiv, immer wieder Fragen zu stellen und nach Antworten zu suchen. Wie das Raumfahrtprogramm, das unsere Einstellung zum Mond verändert hat, so verändern Paläontologie und Genetik un-

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sere Sichtweise auf uns selbst. Je mehr wir in Erfahrung bringen, desto stärker gerät das, was früher weit entfernt und unerreichbar zu sein schien, in die Reichweite unseres Verständnis- und Begriffsvermögens. Wir leben in einem Zeitalter der Entdeckungen: Die Wissenschaft klärt die inneren Funktionen von Quallen, Würmern und Mäusen. Allmählich wächst in uns ein Hauch einer Lösung für eines der größten Rätsel des Universums: die Frage, durch welche genetischen Eigenschaften sich die Menschen von allen anderen Lebewesen unterscheiden. Nimmt man zu diesen weitreichenden Erkenntnissen noch die Tatsache hinzu, dass einige der wichtigsten paläontologischen Entdeckungen – neue Fossilien und neue Methoden zu ihrer Untersuchung – erst in den letzten zwanzig Jahren ans Licht gekommen sind, dann erkennen wir immer genauer die wahren Tatsachen unserer Vergangenheit. Im Rückblick auf die Jahrmilliarden des Wandels ist alles, was in der Geschichte des Lebendigen neu oder einzigartig zu sein scheint, in Wirklichkeit nur altes Material, das wieder verwertet, neu kombiniert oder anderweitig zu neuen Zwecken abgewandelt wurde. Dies gilt für jeden Teil von uns, für unsere Sinnesorgane und unseren Kopf, ja für unseren gesamten Körperbauplan. Was bedeutet unsere Jahrmilliarden alte Vergangenheit für unser heutiges Leben? Wenn wir verstehen, wie unser Körper und unser Geist aus Elementen entstanden sind, die auch allen anderen Lebewesen gemeinsam sind, erwachsen daraus Antworten auf grundlegende Fragen – nach der Funktionsweise unserer Organe und unserem Platz in der Natur. Ich kann mir kaum etwas Schöneres oder intellektuell Anspruchsvolleres vorstellen als die Suche nach den Grundlagen unseres Menschseins und der Heilung für viele Krankheiten, an denen wir leiden. Beides liegt verborgen in den einfachsten Lebewesen, die jemals unseren Planeten bevölkert haben.

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Anmerkungen und Literaturangaben

Kapitel 1: Wie man einen inneren Fisch findet

Für alle, die das Thema dieses Buches weiterverfolgen wollen, nenne ich eine Reihe von Primär- und Sekundärquellen. Berichte, die anhand paläontologischer Erkundungsexpeditionen wichtige Fragen aus Biologie und Geologie erörtern, sind Mike Novacek, Dinosaurs of the Flaming Cliffs (New York: Anchor 1997); Andrew Knoll, Life an a Young Planet (Princeton: Princeton University Press 2002); und John Long, Swimming in Stone (Melbourne: Freemantle Press 2006). Alle bieten eine ausgewogene Mischung aus wissenschaftlichen Analysen und der Schilderung von Entdeckungen im Freiland. Die hier erörterten Methoden der vergleichenden Biologie einschließlich des Rundgangs durch den Zoo sind Methoden der Kladistik. Einen ausgezeichneten Überblick gibt Henry Gee, In Search of Deep Time (New York: Free Press 1999). Im Grundsatz stelle ich hier die Aussage der drei Taxa dar, die den Ausgangspunkt für kladistische Vergleiche bildet. Eine gute Darstellung mit vielen Hintergrundquellen ist Richard Forey et al., »The Lungfish, the Coelacanth and the Cow Revisited« (in H.-P. Schultze und L. Trueb, Hrsg., Origin of the Higher Groups of Tetrapods (Ithaca, N. Y.: Cornell University Press 1991). Der Zusammenhang zwischen den Fossilfunden und dem »Spaziergang durch den Zoo« wird in mehreren Artikeln behandelt. Einige Beispiele: Benton, M. J., und Hitchin, R., Congruence between phylogenetic and stratigraphic data in the history of life, Proceedings of the Royal Society of London, B 264:885–890 (1997); Norell,

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M. A., und Novacek, M. J., Congruence between superpositional and phylogenetic patterns: Comparing cladistic patterns with fossil records, Cladistics 8:319–337 (1992); Wagner, P. J., und Sidor, C., Age rank/clade rank metrics – sampling, taxonomy, and the meaning of »stratigraphic consistency«, Systematic Biology 49:463–479 (2000). Übereinanderliegende Gesteinsschichten und die in ihnen eingeschlossenen Fossilien werden ausgezeichnet und umfassend beschrieben in Richard Fortey, Leben: eine Biographie; die ersten vier Milliarden Jahre (München: Beck 1999). Darstellungen der Wirbeltierpaläontologie sind unter anderem R. Carroll, Paläontologie und Evolution der Wirbeltiere (Stuttgart: Thieme 1993) und M. J. Benton, Paläontologie der Wirbeltiere (München: Pfeil 2007). Zur Entstehung der Vierbeiner: Eine verständliche und gut recherchierte Zusammenstellung des Wissensstandes ist Carl Zimmer, Die Quelle des Lebens: von Darwin, Dinos und Delphinen (Wien: Deuticke 1998). Das maßgebliche Werk über den gesamten Übergang ist Jenny Clack, Gaining Ground (Bloomington: Indiana University Press 2002). Clacks Buch ist die Bibel zu dem Thema und bringt auch dem Einsteiger sehr schnell Expertenwissen bei. Die Originalartikel, in denen wir Tiktaalik beschrieben, erschienen am 6. April 2006 in Nature. Die Literaturangaben: Daeschler et al. (2006) »A Devonian tetrapod-like fish and the origin of the tetrapod body plan«, Nature 757:757–763; Shubin et al. »The pectoral fin of Tiktaalik roseae and the origin of the tetrapod limb«, Nature 757:764–771. Jenny Clack und Per Ahlberg schrieben in derselben Ausgabe (Nature 757:747–749) einen gut verständlichen, umfassenden Kommentar. Alles, was mit unserer Vergangenheit zusammenhängt, ist relativ, auch der Aufbau dieses Buches. Ich hätte es auch »Der Mensch in uns« nennen und aus der Perspektive eines Fisches schreiben können. Seltsamerweise hätte das Buch dann einen ganz ähnlichen Aufbau gehabt: Im Mittelpunkt hätte auch hier die gemeinsame Vergangenheit von Fischen und Menschen im Hinblick auf Körperbau, Gehirn und Zellen gestanden. Wie wir erfahren haben, teilen alle Lebewesen einen großen Teil ihrer Vergangenheit mit anderen Arten, während ein anderer Teil ihrer Geschichte jeweils einzigartig ist.

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Kapitel 2: Die Sache in den Griff bekommen

Owen war keineswegs der Erste, der das Prinzip mit einem Knochen-zwei Knochen-vielen Knöchelchen-Fingern erkannte. Vicqd’Azyr im 17. Jahrhundert und Geoffroy St. Hilaire (1812) machten es ebenfalls zu einem Teil ihrer Weltanschauung. Neu war bei Owen der Begriff des Archetypus, eine Art metaphysischer Körperbau, in dem sich die Gestaltung des Schöpfers widerspiegeln sollte. St. Hilaire suchte weniger nach einem hinter allen Strukturen verborgenen archetypischen Muster als vielmehr nach »Gesetzen für die Form«, die über die Entstehung des Körpers bestimmten. Gute Darstellungen zu dem Thema sind T. Appel, The Cuvier-Geoffroy Debate: French Biology in the Decades Before Darwin (New York: Oxford University Press 1987) und E. S. Russell, Form and Function: A Contribution to the History of Morphology (Chicago: University of Chicago Press 1982). Ein kürzlich erschienener, von Brian Hall herausgegebener Band liefert umfassende Informationen über die Vielfalt und Entwicklung der Gliedmaßen; er enthält wichtige Artikel über verschiedenartige Extremitäten: Brian K. Hall, ed., Fins into Limbs: Evolution, Development, and Transfhrmation (Chicago: University of Chicago Press 2007). Nützliche Darstellungen, die den Übergang von Flossen zu Gliedmaßen genauer behandeln, sind Shubin et al., »The pectoral fin of Tiktaalik roseae and the origin of the tetrapod limb«, Nature 757:764–771; Coates, M. I., Jeffery, J. E., und Ruta, M., »Fins to limbs: what the fossils say«, Evolution and Development 4:390–412 (2002).

Kapitel 3: Nützliche Gene

Zur Entwicklungsbiologie der vielgestaltigen Gliedmaßen gibt es zahlreiche Übersichtsartikel und Originalaufsätze. Ein Überblick über die klassische Literatur findet sich in Shubin, N., und Alberch, P., (1986). Eine morphogenetische Beschreibung über Entstehung

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und Organisation der Extremitäten von Vierbeinern findet sich in Evolutionary Biology 20:319–387, und bei Hinchliffe, J. R., und Griffiths, P., »The Pre-chondrogenic Patterns in Tetrapod Limb Develoment and Their Phylogenetic Significance«, in Development and Evolution, B. Goodwin, N. Holder, und C. Wylie, Hrsg., (Cambridge, Eng.: Cambridge University Press 1983), S. 99–121. Die Experimente von Saunders und Zwilling sind heute ebenfalls Klassiker; die besten Darstellungen darüber findet man in Lehrbüchern der Entwicklungsbiologie. Dies sind unter anderem S. Gilbert, Developmental Biology (8th ed.), (Sunderland, Mass.: Sinauer Associates 2006); L. Wolpert, J. Smith, T. Jessell, F. Lawrence, E. Robertson, und E. Meyerowitz, Principles of Development (Oxford, Eng.: Oxford University Press 2006). Der erste Artikel, in dem die Bedeutung von Sonic hedgehog für die Entstehung des Extremitätenmusters beschrieben wurde, war Riddle, R., Johnson, R. L., Laufer, E., Tabin, C., »Sonic hedgehog mediates the polarizing activity of the ZPA«, Cell 75:1401–1416 (1993). Randys Arbeiten über die Signale von Sonic in Hai- und Rochenflossen wurden veröffentlicht in Dahn, R., Davis, M., Pappano, W., Shubin, N., (2007) »Sonic hedgehog function in chondrichthyan fins and the evolution of appendage patterning«, Nature 445:311– 314. Spätere Arbeiten der Arbeitsgruppe über die Entstehung der Gliedmaßen aus genetischer Sicht werden dargestellt in Davis, M., Dahn, R., und Shubin, N., (2007) »A limb autopadial-like pattern of Hox expression in a basal actinopterygian fish«, Nature 447:473– 476. Die erstaunlichen genetischen Ähnlichkeiten bei der Entwicklung von Fliegen, Hühnern und Menschen werden beschrieben in Shubin, N., Tabin, C., Carroll, S., (1997) Fossils, genes, and the evolution of animal limbs, Nature 388:639–648, und in Erwin, D., und Davidson, E. H., (2003), The last common bilaterian ancestor, Development 129:3021–3032 (2003).

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Kapitel 4: Zähne, Zähne, Zähne

Wie wichtig die Zähne für unsere Kenntnisse über Säugetiere sind, wird in vielen zusammenfassenden Artikeln deutlich. Eine besonders wichtige Rolle spielt der Bau der Zähne für die Erforschung der frühen Säugetiere. Umfassende Darstellungen sind unter anderem Z. Kielan-Jaworowska, R. L. Cifelli und Z. Luo, Mammals from the Age of Dinosaurs (New York: Columbia University Press 2004), und J. A. Lillegraven, Z. Kielan-Jaworowska und W. Clemens, Hrsg., Mesozoic Mammals: The First Two Thirds of Mammalian History (Berkeley: University of California Press 1979). Farishs Säugetier aus Arizona wird analysiert in Jenkins, F. A. Jr., Crompton, A. W., Downs, W. R., (1983), Mesozoic mammals from Arizona: New evidence in mammalian evolution, Science 222:1233– 1235. Die Tritheledonten, die wir in Nova Scotia fanden, sind beschrieben in Shubin, N., Crompton, A. W., Sues, H.-D., und Olsen, P., (1991), New fossil evidence an the sister-group of mammals and early Mesozoic faunal distributions, Science 251:1063–1065. Ein neuerer Übersichtsartikel über die Entstehung von Zähnen, Knochen und Schädel und insbesondere die neuen, anhand der Conodonten gewonnenen Erkenntnisse ist Donoghue, P., und Sansom, I., (2002), Origin and early evolution of vertebrate skeletonization, Microscopy Research and Technique 59:352–372. Eine umfassende Übersicht über die entwicklungsgeschichtlichen Beziehungen zwischen den Conodonten sowie über ihre Bedeutung findet sich in Donoghue, P., Forey, P., und Aldridge, R., (2000), Conodont affinity and chordate phylogeny, Biological Reviews 75:191–251.

Kapitel 5: Vorwärtskommen

Eine sehr umfassende, detaillierte Beschreibung über Aufbau, Entwicklung und Evolution des Schädels findet sich in dem dreibändigen Werk The Skull; hrsg. von James Hanken und Brian Hall, 3 Bde.,

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(Chicago: University of Chicago Press 1993). Es handelt sich dabei um eine von mehreren Autoren verfasste, aktualisierte Version des klassischen Werks über Entwicklung und Struktur des Schädels: G. R. de Beer, The Development of the Vertebrate Skull (Oxford, Eng.: Oxford University Press 1937). Einzelheiten über Entwicklung und Aufbau des Menschen findet man in Lehrbüchern der Anatomie und Embryologie. Zur Embryologie siehe K. Moore und T. V. N. Persaud, Embryologie (München: Elsevier, Urban & Fischer 2007). Das entsprechende Werk zur Anatomie ist K. Moore und A. F. Dalley, Clinically Oriented Anatomy, (Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins 2006). Die Arbeiten von Francis Maitland Balfour sind dargestellt in Balfour, F. M., (1874), A preliminary account of the development of the elasmobranch fishes, Q. J. Microsc. Sci. 14:323–364; Balfour, F. M., A Monograph on the Development of Elasmobranch Fishes, 4 Bde., (London: Macmillan & Co. 1878); Balfour, F. M., A Treatise on Comparative Embryology, 2 Bde., (London: Macmillan & Co. 1880–81); M. Foster und A. Sedgwick, The Works of Francis Maitland Balfour, with an introductory biographical notice bv Michael Foster, 4 Bde. (London: Macmillan & Co. 1885). Edwin Goodrich, ein Nachfolger in Oxford, verfasste einen Klassiker der vergleichenden Anatomie: Studies on the Structure and Development of Vertebrates (London: Macmillan 1930). Balfour, Oken, Goethe, Huxles und andere beschäftigten sich mit der Frage, die unter dem Stichwort »Segmentierung des Kopfes« bekannt wurde. Wie die Wirbel, die sich von vorn nach hinten in regelmäßig fortschreitender Folge unterscheiden, so gliedert sich auch der Kopf in Segmente. Eine Auswahl klassischer und neuerer Quellen (alle mit gutem Literaturverzeichnis) zur weiteren Vertiefung des Themas: Olsson, L., Ericsson, R., Cerny R., (2005), Vertebrate head development: Segmentation, novelties, and homology, Theory in Biosciences 124:145–163; Jollie, M., (1977), Segmentation of the vertebrate head, American Zoologist 17:323–333; Graham, A., (2001), The development and evolution of the pharyngeal arches, Journal of Anatomy 199:133–141. Einen aktuellen Überblick über die genetischen Grundlagen der Entwicklung von Kiemenbögen gibt Kuratani, S., (2004), Evolution

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of the vertebrate jaw: comparative embryology and molecular developmental biology reveal the factors behind evolutionary novelty, Journal of Anatomy 205:335–347. Beispiele für die experimentelle Veränderung und den Austausch von Kiemenbögen mit gentechnischen Verfahren werden beschrieben in Baltzinger, M., Ori, M., Pasqualetti, M., Nardi, I., Riji, F., (2005), Hoxa 2 knockdown in Xenopus results in hyoid to mandibular homeosis, Developmental Dynamics 234:858–867; Depew, M., Lufkin, T., Rubenstein, J., (2002), Specification of jaw subdivisions by Dlx genes, Science 298:381–385. Eine umfassende, gut illustrierte, informative Beschreibung früher Fossilfunde von Schädeln, Köpfen und urtümlichen Fischen ist P. Janvier, Early Vertebrates (Oxford, Eng.: Oxford University Press 1996). Der Aufsatz mit der Beschreibung des 530 Millionen Jahre alten Wurmes Haikouella und seiner Kiemen ist Chen, J.-Y., Huang, D. Y., und Li, C. W., (1999), An early Cambrian craniate-like chordate, Nature 402:518–522.

Kapitel 6: Die besten Körper(bau)pläne

Der Ursprung der Körperbaupläne war Gegenstand mehrerer Bücher. Außergewöhnlich umfassend und mit guten Literaturangaben versehen ist J. Valentine, On the Origin of Phyla (Chicago: University of Chicago Press 2004). Über von Baer gibt es mehrere Biographien. Eine Kurzfassung ist Jane Oppenheimer, »Baer, Karl Ernst von,« in C. Gillespie, Hrsg., Dictionary of Scientific Biography, Bd. 1 (New York: Scribners 1970). Eine ausführlichere Darstellung ist Karl Ernst von Baer, Nachrichten zu Leben und Schriften. Eine Selbstbiographie (Leipzig: Bruhns 1912); siehe auch B. E. Raikov, Karl Ernst von Baer, 1792–1876, aus dem Russsischen übersetzt (1968), und Ludwig Stieda, Karl Ernst von Baer, 2. Aufl. (1886). Alle diese Werke enthalten umfangreiche Literaturangaben. Von Baers Gesetze werden auch erörtert in Gould, S. J., Ontogeny and Phylogeny (Cambridge, Mass.: Harvard University Press 1977). Die Experimente von Spemann und Mangold werden in den Lehrbüchern der Embryologie beschrieben, so auch in S. Gilbert,

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Developmental Biology, 8. Auflg. (Sunderland, Mass.: Sinauer Associates 2006). Eine moderne, genetisch orientierte Darstellung des Organisators findet sich in De Robertis, E. M., (2006), Spemann’s organizer and self regulation in amphibian embryos, Nature Reviews 7:296–302 und in De Robertis, E. M., und Arecheaga, J., The Spemann Organizer: 75 years on, International Journal of Developmental Biology 45 (Special Issue). Einen ersten Zugang zu der umfangreichen Literatur über HoxGene eröffnet Sean Carrolls neues Buch Endless Forms Most Beautiful (New York: Norton, 2004). Ein aktueller Übersichtsartikel mit einer Interpretation der Wege zum gemeinsamen Vorfahren der zweiseitig symmetrischen Tiere ist Erwin, und Davidson, E. H., (2002), The last common bilaterian ancestor, Development 129:3021– 3032. Mehrere Autoren vertreten die Ansicht, es sei irgendwann in entfernter Vergangenheit zu einem genetischen »Umschalten« zwischen den Körperbauplänen von Gliederfüßern und Menschen gekommen. Der Gedanke wird erörtert in De Robertis, und Sasai, Y., (1996), A common plan for dorsoventral patterning of in Bilateria, Nature 380:37–40. Eine historische Darstellung der Ansichten von St. Hilaire und anderer Kontroversen aus der Frühzeit der vergleichenden Anatomie findet sich in T. Appel, The Cuvier-Geoffroy Debate: French Biology in the Decades Before Darwin (New York: Oxford University Press 1987). Befunde von Eichelwürmern passen nicht unbedingt zu diesem Modell; sie lassen darauf schließen, dass die Verteilung von Genaktivität und Festlegung der Körperachsen ebenfalls eine Evolution durchgemacht hat. Näheres findet sich in Lowe, C. J., Terasaki M., Wu, M., Freeman, R. M. Jr., Runft, L., et al., (2006), Dorsoventral patterning in hemichordates: insights into early chordate evolution, online unter http://dx.doi.org/journal.oo40291. Die Evolution der Gene, die über die Körperachsen bestimmen, ist zusammenfassend dargestellt in Martindale, M. Q., (2005), The evolution of metazoan axial properties, Nature Reviews Genetics 6:917–927. Über die Gene für den Körperbauplan der Cnidarier (Quallen, Seeanemonen und ihrer Verwandten) berichten mehrere Originalartikel: Martindale, M. Q., Finnerty, J. R., Henry, J., (2002),

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The Radiata and the evolutionary origins of the bilaterian body plan, Molecular Phylogenetics and Evolution 24:358–365; Matus, D. Q., Pang, K., Marlow, H., Dunn, C., Thomsen, G., Martindale, M., (2006), Molecular evidence for deep evolutionary roots of bilaterality in animal development, Proceedings of the National Academy of Sciences 103, 11195–11200; Chourrout, D., et al., (2006), Minimal protohox cluster inferred from bilaterian and cnidarian Hox complements, Nature 442:684–687; Martindale, M., Pang, K., Finnerty, J., (2004), Investigating the origins of triploblasty: »mesodermal« gene expression in adiploblastic animal, the sea anemone Nemostella vectensis (phylum, Cnidaria; class, Anthozoa), Development 131, 2463–2474; Finnerty, J., Pang, K., Burton, P., Paulson, D., Martindale, M. Q., (2004), Deep origins for bilateral symmetry: Hox and Dpp expression in a sea anemone, Science 304:1335–1337.

Kapitel 7: Abenteuer beim Körperbau

Drei wichtige Artikel berichten zusammenfassend über die Evolution der Vielzeller und bieten einen ganzheitlichen Blick auf Genetik, Geologie und Ökologie: King, N., (2004), The unicellular ancestry of animal development, Developmental Cell 7:313–325; Knoll, A. H., und Carroll, S. B., (1999), Early animal evolution: Emerging views from comparative biology and geology, Science 284:2129– 2137; Brooke, N. M., und Holland, P., (2003), The evolution of multicellularity and early animal genomes, Current Opinion in Genetics and Development 13:599–603. Alle drei Aufsätze enthalten nützliche Literaturangaben und bieten eine gute Einführung in die Themen dieses Kapitels. Anregende Beschreibungen über die Folgen der Entstehung von Vielzellern und anderer Formen der biologischen Organisation bieten L. W. Buss, The Evolution of Individuality (Princeton: Princeton University Press 2006), sowie J. Maynard Smith und E. Szathmary, Evolution: Prozesse, Mechanismen, Modelle (Heidelberg: Spektrum Akademischer Verlag 1996).

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Über die Geschichte der Tiere von Ediacara berichten mit zugehörigen Literaturangaben Richard Fortey, Leben: Eine Biographie; die ersten vier Millionen Jahre (München: Beck 1999), und Andrew Knoll, Life on a Young Planet (Princeton: Princeton University Press 2002). Das Experiment, in dem »Körpervorstufen« aus »Nicht-Körpern« entstanden, ist beschrieben in Boraas, M. E., Seale, D. B., Boxhorn, J., (1998), Phagotrophy by a flagellate selects for colonial prey: A possible origin of multicellularity, Evolutionary Ecology 12:153– 164.

Kapitel 8: Düfte

Die University of Utah betreibt die lehrreiche Website »Learn Genetics«. Dort findet sich ein einfaches Küchenrezept zur DNA-Gewinnung. Die URL lautet http://learn.genetics.utah. edu/units/activities/extraction/. Zur Evolution der so genannten Geruchsgene – eigentlich handelt es sich um Gene für Geruchsrezeptoren – gibt es eine umfangreiche Literatur. Der bahnbrechende Aufsatz von Buck und Axel ist Buck, L., und Axel, R., (1991), A novel multigene family may encode odorant receptors: a molecular basis for odor recognition, Cell 65:175–181. Vergleichende Aspekte der Evolution von Geruchsgenen werden behandelt in Young, B., und Trask, B. J., (2002), The sense of smell: genomics of vertebrate odorant receptors, Human Molecular Genetics 11:1153–1160; Mombaerts, P., (1999), Molecular biology of odorant receptors in vertebrates, Annual reviews of neuroscience 22:487–509. Geruchsrezeptorgene kieferloser Fische werden erörtert in Freitag, J., Beck, A., Ludwig, G., von Buchholtz, L., Breer, H., (1999), On the origin of the olfactory receptor family: receptor genes of the jawless fish (Lampetra fluviatilis), Gene 226:165–174. Der Unterschied zwischen Geruchsrezeptoren für Wasser und Luft wird beschrieben in Freitag, J., Ludwig, G., Andreini, I., Rossler, P., Breer, H., (1998), Olfactory receptors in aquatic and terrestrial vertebrates, Journal of Comparative Physiology A 183:635–650.

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Von der Evolution der menschlichen Geruchsrezeptoren handeln mehrere Aufsätze. Die nachstehende Auswahl entspricht der Darstellung der Themen im Haupttext: Gilad, Y., Man, O., Lancet, D., (2003), Human specific loss of olfactory receptor genes, Proceedings of the National Academy of Sciences 100:3324–3327; Gilad, Y., Man, O., und Glusman, G., (2005), A comparison of the human and chimpanzee olfactory receptor gene repertoires, Genome Research 15:224–230; Menashe, I., Man, O., Lancet, D., Gilad, Y., (2003), Different noses for different people, Nature Genetics 34:143– 144; Gilad, Y., Wiebe, V., Przeworski, M., Lancet, D., Paabo, S., (2003), Loss of olfactory receptor genes coincides with the acquisition of full trichromatic vision in primates, PLOS Biology online unter http://dx.doi.org/journal.pbio.0020005. Die Vorstellung, dass Genverdoppelung eine wichtige Ursache neuer genetischer Variationen ist, geht auf ein bahnbrechendes, fast 40 Jahre altes Werk von Ohno zurück: S. Ohno, Evolution by Gene Duplication (New York: Springer-Verlag 1970). Ein neuerer Übersichtsartikel zu dem Thema, in dem sowohl die Opsine als auch die Geruchsrezeptoren erörtert werden, ist Taylor, J., und Raes, J., (2004), Duplication and divergence: the evolution of new genes and old ideas, Annual Reviews of Genetics 38:615–643.

Kapitel 9: Sehen

Die Opsingene und ihre Bedeutung für die Evolution der Augen wurden in den letzten Jahren in mehreren Artikeln beschrieben, unter anderem in Nathans, J., (1999), The evolution and physiology of human color vision: insights from molecular genetic studies of visual pigments, Neuron 24:299–312; Dominy, N., Svenning, J. C., Li, W. H., (2003), Historical contingency in the evolution of primate color vision, Journal of Human Evolution 44:25–45; Tan, Y., Yoder, A., Yamashita, N., Li, W. H., (2005), Evidence from opsin genes rejects nocturnality in ancestral primates, Proceedings of the National Academy of Sciences 102:14712–14716; Yokoyama, S., (1996), Molecular evolution of retinal and nonretinal opsins, Genes to Cells 1:787–794; Dulai, K., von Dornum, M., Mollon, J., Hunt D. M., (1999), The evo-

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lution of trichromatic color Vision by opsin Gene duplication in New World and Old World primates, Genome 9:629–638. Detlev Arendt und Joachim Wittbrodt beschrieben ihre Untersuchungen am Gewebe der Lichtrezeptoren ursprünglich in einem Originalartikel: Arendt, D., Tessmar-Raible, K., Synman, H., Dorresteijn, A., Wittbrodt, J., (2004), Ciliary photoreceptors with a vertebrate-type opsin in an invertebrate brain, Science 306:869–871. Zusammen mit dem Aufsatz erschien auch ein Kommentar: Pennisi, E., Worm’s light-sensing proteins suggest eye’s single origin, Science 306:796–797. Der größere Zusammenhang, in dem Arendt die Entdeckung interpretiert, ist Gegenstand eines Übersichtsartikels: Arendt, D., (2003), The evolution of eyes and photoreceptor cell types, International Journal of Developmental Biology 47:563–571. Weitere Kommentare finden sich in Plachetzki, D. C., Serb, J. M., Oakley, T. H., (2005), New insights into photoreceptor evolution, Trends in Ecology and Evolution 20:465–467. Ein wiederum anderer Kommentar zu den Arbeiten von Arendt and Wittbrodt stammt von Bernd Fritzsch und Joram Piatigorsky; er erschien in einer späteren Ausgabe von Science zusammen mit einer Erwiderung, die sich mit der Vorstellung befasste, dass der Ursprung der Augen sehr weit in der Vergangenheit liegen könnte und sich auf eine frühe Verzweigung des Evolutionsstammbaumes zurückverfolgen lässt. Dieser Text findet sich in Science (2005) 308:1113–1114. Einen Überblick über Walter Gehrings Arbeiten mit Pax 6 und ihre Bedeutung für die Evolution der Augen findet sich in einem persönlichen Bericht: Gehring, W, (2005), New perspectives on eye development and the evolution of eyes and photoreceptors, Journal of Heredity 96:171–184. Artikel, die sich mit verschiedenen möglichen Beziehungen zwischen erhalten gebliebenen Genen für die Augenentwicklung und der Evolution der Lichtsinnesorgane beschäftigen, sind unter anderem Oakley, T., (2003), The eye as a replicating and diverging modular developmental unit, Trends in Ecology and Evolution 18:623– 627 und Nilsson, D.-E., (2004), Eye evolution: a question of genetic promiscuity, Current Opinion in Neurobiology 14:407–414. Die Beziehung zwischen den Linsenproteinen unserer Augen und denen von Seescheidenlarven wird erörtert in Shimeld, S.,

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Purkiss, A. G., Dirks, R. P. H., Bateman, O., Slingsby, C., Lubsen, N., (2005), Urochordate by-crystallin and the evolutionary origin of the vertebrate eye lens, Current Biology 15:1684–1689.

Kapitel 10: Ohren

Die genetischen Aspekte bei der Evolution des Innenohres werden erörtert in Beisel, K. W., und Fritzsch, B., (2004), Keeping sensory cells and evolving neurons to connect them to the brain: molecular conservation and novelties in vertebrate ear development, Brain Behavior and Evolution 64:182–197. Die Entwicklung der Ohren und die damit zusammenhängenden Gene werden beschrieben in Represa, J., Frenz, D. A., Van de Water, T., (2000), Genetic patterning of embryonic ear development, Acta Otolaryngolica 120:5–10. Die Verwandlung der Hyomandibula in den Steigbügel wird in Büchern über die Evolution der Fische und die Entstehung der landlebenden Säugetiere umfassend dargestellt: J. Clack, Gaining Ground (Bloomington: Indiana University Press 2002); P. Janvier, Early Vertebrates (Oxford, Eng.: Oxford University Press 1996). Weitere Beschreibungen finden sich in Originalarbeiten wie Clack, J. A., (1989), Discovery of the earliest known tetrapod stapes, Nature 342:425–427; Brazeau, M., und Ahlberg, P., (2005), Tetrapodlike middle ear architecture in a Devonian fish, Nature 439:318–321. Der Ursprung des Mittelohres der Säugetiere wird aus wissenschaftshistorischer Sicht erörtert in P. Bowler, Life’s Spendid Journey (Chicago: University of Chicago Press 1996). Wichtige Originalarbeiten sind unter anderem: Reichert, C., (1837), Über die Visceralbogen der Wirbeltiere im Allgemeinen and deren Metamorphosen bei den Vögeln und Säugetieren, Arch. Anat. Physiol. Wiss. Med. 1837, 120–222; Gaupp, E., (1911), Beiträge zur Kenntnis des Unterkiefers der Wirbeltiere I. Der Processus anterior (Folii) des Hammers der Sauger und das Goniale der Nichtsäuger, Anatomischer Anzeiger, 39:97–135; Gaupp, E., (1911), Beiträge zur Kenntnis des Unterkiefers der Wirbeltiere II. Die Zusammensetzung des Unterkiefers der Quadrupeden, Anatomischer Anzeiger,

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39:433–473; Gaupp, E., (1911), Beiträge zur Kenntnis des Unterkiefers der Wirbeltiere III. Das Problem der Entstehung eines »sekundären« Kiefergelenkes bei den Säugern, Anatomischer Anzeiger, 39:609–666; Gregory, W. K., (1913), Critique of recent work on the morphology of the vertebrate skull, especially in relation to the origin of mammals, Journal of Morphology, 24:1–42. Zur umfangreichen Literatur über die Entstehung des Unterkiefers bei Säugetieren gehören Crompton, A. W., (1963), The evolution of the mammalian jaw, Evolution 17:431–439; Crompton, A. W, und Parker, P., (1978), Evolution of the mammalian masticatory apparatus, American Scientist 66:192–201; Hopson, J., (1966), The origin of the mammalian middle ear, American Zoologist 6:437–450; Allin, E., (1975), Evolution of the mammalian ear, Journal of Morphology 147:403–438. Die entwicklungsgeschichtliche Herkunft von Pax 2 und Pax 6 sowie die Zusammenhänge zwischen Augen, Ohren und Würfelquallen werden erörtert in Piatigorsky, J., und Kozmik, Z., (2004), Cubozoan jellyfish: an evo/devo model for eyes and other sensory systems, International Journal for Developmental Biology 48:719–729. Zusammenhänge zwischen Sinnesrezeptormolekülen und verschiedenen Molekülen von Bakterien werden beschrieben in Kung, C., (2005), A possible unifying principle for mechanosensation, Nature 436:647–654. Ein Wegweiser zu verschiedenen Übersichtsartikeln über G-Protein-gekoppelte Rezeptoren und ihre Evolution findet sich in Gough, N. R., (2001), STKE Focus Issue on GPCRs: The Evolution of G Protein-Coupled Receptor Signaling, Sci. STKE 2001, eg3 (2001).

Kapitel 11: Was das alles bedeutet

Biologen verwenden heutzutage den Stammbaum des Lebens als Grundlage für Klassifizierungen. Das ist sinnvoll, da die Namen für unsere Gruppen von Lebewesen eine biologische Bedeutung haben – sie spiegeln ihre Vorfahren wider. Wenn wir den Stammbaum auf diese Weise verwenden, dann würden Gruppen wie

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Stämme, Familien, Gattungen usw. alles auf einem Zweig beinhalten. Um die Familienanalogie nochmals zu verwenden wäre dies das gleiche wie zu sagen, dass jeder Nachkomme von den Eltern meines Vaters ein Shubin ist. Niemand ist willkürlich ausgeschlossen. Die Herausforderung für Laien kommt auf, wenn wir den Stammbaum des Lebens als Basis unserer Klassifizierung verwenden. Dann verlieren viele der Namen, mit denen wir vertraut sind, ihre wissenschaftliche Bedeutung. Nehmen wir Reptilien als Beispiel. Wir alle lernen bei unseren Zoobesuchen, was Reptilien sind, nämlich Wesen wie Eidechsen, Schlangen, Schildkröten, Dinosaurier und Krokodile, um nur einige zu nennen. Es stellt sich aber heraus, dass der Zweig des Baums des Lebens, der all diese Geschöpfe beinhaltet, auch andere Lebewesen wie Säugetiere und Vögel enthält. Reptilien beinhalten einige, aber nicht alle Mitglieder eines Zweigs, und das ist so willkürlich wie die Entscheidung, einen Blutsverwandten aus der Familie auszuschließen. Die Methoden der phylogenetischen Systematik werden in mehreren Werken erörtert. Zu den wichtigsten Originalartikeln gehört die klassische Arbeit von Willi Hennig: Grundzüge einer Theorie der phylogenetischen Systematik (Berlin: Deutscher Zentralverlag 1950). Die Methoden der phylogenetischen Rekonstruktion, die die Grundlage dieses Kapitels bilden, werden im Einzelnen erörtert in P. Forey, Hrsg., Cladistics: A Practical Course in Systematics (Oxford: Clarendon Press 1992); D. Hillis, C. Moritz und B. Mable, Hrsg., Molecular Systematics (Sunderland, Mass.: Sinauer Associates 1996); R. DeSalle, G. Girbet und W. Wheeler, Molecular Systematics and Evolution: Theory and Practice (Basel: Birkhäuser Verlag 2002). Eine umfassende Darstellung des Phänomens der unabhängigen Evolution findet sich in M. Sanderson und L. Hufford, Homoplasy: The Recurrence of Similarity in Evolution (San Diego: Academic Press 1996). Den Stammbaum des Lebens und verschiedene Hypothesen über die Verwandtschaft zwischen den Lebewesen finden sich unter http://tolweb.org/tree/.

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Kapitel 12: Warum Geschichte uns krank macht

Die Vorstellung, dass unsere Entwicklungsgeschichte auch medizinisch bedeutsame Auswirkungen hat, war in jüngerer Zeit das Thema mehrerer guter Bücher. Umfassende, mit Literaturangaben versehene Darstellungen sind N. Boaz, Evolving Health: The Origins of Sickness and How the Modern World Is Making Us Sick (New York: Wiley 2002); D. Mindell, The Evolving World: Evolution in Everyday Life (Cambridge, Mass.: Harvard University Press 2006); R. M. Nesse und G. C. Williams, Warum wir krank werden (München: Beck 1999); W. R. Trevathan, E. O. Smith und J. J. McKenna, Evolutionary Medicine (New York: Oxford University Press 1999). Das Beispiel mit der Apnöe habe ich aus einem Gespräch mit Nino Romirez, dem Leiter des anatomischen Instituts an der Universität Chicago. Das Beispiel des Schluckaufs stammt aus Straus, C., et al., (2003), A phylogenetic hypothesis for the origin of hiccoughs, Bioessays 25:182–188. Der genetische Wechsel von Menschen zu Bakterien bei der Entstehung der mitochondrialen Herzkrankheit wurde ursprünglich beschrieben in Lucioli, S., et al., (2006), Introducing a novel human mtDNA mutation into the Paracoccus denitriticans COX 1 gene explains functional deficits in a patient, Neurogenetics 7:51–57.

Online-Quellen

Eine ganze Reihe von Websites und Blogs bieten aktuelle Informationen und werden ständig auf dem neuesten Stand gehalten: http://www.ucmp.berkeley.edu/ Website des Museum of Paleontology der University of California in Berkeley; eine der besten Online-Quellen über Paläontologie und Evolution, stets aktuell und immer wieder überarbeitet. http://www.scienceblogs.com/loom/ Der Blog von Carl Zimmer, gut geschrieben, zeitgemäß, eine durchdachte Quelle für Informationen und Diskussionen über Evolution.

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http://www.scienceblogs.com/pharyngula/ Diesen leicht verständlichen, informativen, stets aktuellen Blog schreibt P. Z. Myers, ein Professor für Entwicklungsbiologie. Eine reichhaltige Informationsquelle, die zu verfolgen sich lohnt. Die Blogs von Zimmer und Myers liegen auf der Site http:// scienceblogs.com, auf der auch mehrere weitere hervorragende Blogs Informationen und Kommentare zu aktuellen Entdeckungen enthalten. Blogs, die mit dem Thema dieses Buches zu tun haben, tragen die Namen Afarensis, Tetrapod Zoology, Evolving Thoughts und Gene Expression. http://www.tolweb.org/tree/ Das Projekt »Tree of Life Project« bietet eine regelmäßig aktualisierte, maßgebliche Darstellung der Verwandtschaftsverhältnisse zwischen allen Gruppen der Lebewesen. Wie die UCMPSite aus Berkeley nennt sie auch Informationsquellen zu der Frage, wie man Stammbäume konstruiert und interpretiert.

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Danksagung

Soweit nicht anders angegeben, stammen alle Abbildungen von Kalliopi Monoyios (www.kalliopimonoyios.com). Sie las die Manuskriptentwürfe und verbesserte nicht nur den Text, sondern gestaltete auch die dazu passenden Zeichnungen. Ich hatte wirklich Glück, dass ich mit einer so vielseitig begabten Person zusammenarbeiten durfte. Scott Rawlins (Arcadia University) erteilte großzügig die Erlaubnis, in Kapitel 2 seine elegante Darstellung von Sauripterus zu verwenden. Ted Daeschler (Academy of Natural Sciences of Philadelphia) stellte freundlicherweise seine ausgezeichneten Fotos des Exemplars »C« von Tiktaalik zur Verfügung. Ebenso gilt mein Dank Phillip Donoghue und Mark Purnell (Universität Leicester) für die Genehmigung, ihre Darstellung der Conodontenzähne zu verwenden, McGraw Hill für die Genehmigung zur Benutzung der Lehrbuchabbildung, die zum Ausgangspunkt für die Suche nach Tiktaalik wurde, und Steven Campana vom Canadian Shark Reserach Laboratory für die Fotos der Organe von Haien. Der größte Dank eines Anatomen gilt stets den Menschen, die ihren Körper zur Verfügung stellen, sodass wir daran etwas lernen können. An einer echten Leiche zu lernen, ist ein seltenes Privileg. Während der langen Stunden im Seziersaal empfindet man eine tief greifende Verbindung zu den Spendern, die das Sezieren erst möglich machen. Diese Verbindung habe ich noch einmal empfunden, als ich dieses Buch schrieb. Die hier dargestellten Gedanken wurzeln in meinen Forschungsarbeiten und Lehrveranstaltungen. Zu den Überlegungen, die in diese Seiten eingeflossen sind, haben so viele Kollegen und Studierende – Studienanfänger, Mediziner und Doktoranden – beigetragen, dass ich nicht alle Namen aufführen kann. Vieles verdanke ich den Kolleginnen und Kollegen, mit denen ich im Laufe der Jahre zusammengearbeitet habe. Ted Daeschler,

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Farish A. Jenkins Jr., Fred Mullison, Paul Olsen, William Amaral, Jason Downs und Chuck Schaff kommen in den Geschichten vor, die ich hier erzähle. Ohne sie hätte ich nicht die Erfahrungen gemacht, aus denen ich heute schöpfen kann, und der Weg dorthin hätte nicht so viel Spaß gemacht. Die Mitarbeiter meines Instituts in Chicago – Randall Dahn, Marcus Davis, Adam Franssen, Andrew Gillis, Christian Kammerer, Kalliopi Monoyios und Becky Shearman – haben meine Gedanken beeinflusst und waren nachsichtig, wenn ich mit Schreiben beschäftigt war und nicht im Labor erschien. Zahlreiche Kolleginnen und Kollegen haben sich die Zeit genommen, Hintergrundinformationen zum Manuskript zu liefern oder Kommentare abzugeben. Im Einzelnen waren das Kamla Ahluwalia, Sean Carroll, Michael Coates, Randall Dahn, Marcus Davis, Anna DiRienzo, Andrew Gillis, Lance Grande, Elizabeth Grove, Nicholas Hatsopoulos, Robert Ho, Betty Katsaros, Michael LaBarbera, Chris Lowe, Daniel Margoliash, Kalliopi Monoyios, Jonathan Pritchard, Vicky Prince, Cliff Ragsdale, Nino Ramirez, Callum Ross, Avi Stopper, Cliff Tabin und John Zeller. Eine große Hilfe war auch Haytham Abu-Zayd. Farish A. Jenkins Jr. und Lee Gehrke, meine Anatomielehrer am Harvard-MIT Health Science and Technology Program, weckten bei mir ein Interesse, das zwanzig Jahre überdauert hat. Wichtige Ratschläge zu Beginn des Projekts und Anregungen während seiner gesamten Dauer kamen von Sean Carroll und Carl Zimmer. Meine beiden Chefs Dr. James Madara, M. D., (CEO, University of Chicago Medical Center, Vice President for Medical Affairs, Dean and Sara and Horold Thompson Distinguished Service Professor in the Biological Sciences Division and the Pritzker School of Medicine) und John McCarter Jr., (CEO, The Field Museum) unterstützten dieses Projekt und die dahinterstehenden Forschungsarbeiten. Mit solchen kenntnisreichen, leidenschaftlichen Vorgesetzten zu arbeiten, war eine Freude. Ich hatte das Glück, an der Universität Chicago zu unterrichten und dort die Führungsriege der Pritzker School of Medicine kennenzulernen. Die Dekane Holly Humphrey und Halina Bruckner nahmen mich als Paläontologen

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mit offenen Armen in ihr Team auf. Durch die Zusammenarbeit mit ihnen lernte ich die Schwierigkeiten und die Bedeutung der medizinischen Grundausbildung richtig einzuschätzen. Es war eine große Freude, mich dem Field Museum in Chicago anzuschließen. Dort hatte ich die Gelegenheit zur Zusammenarbeit mit einer einzigartigen Gruppe von Menschen, die sich den wissenschaftlichen Entdeckungen, ihrer Anwendung und ihren weitreichenden Folgerungen verschrieben hatten. Diese Kolleginnen und Kollegen waren Elizabeth Babcock, Joseph Brennan, Sheila Cawley, Jim Croft, Lance Grande, Melissa Hilton, Ed Horner, Debra Moskovits, Laura Sadler, Sean Van Derziel und Diane White. Dankbar bin ich auch James L. Alexander und Adele S. Simmons, den Leitern des Committee on Science of the Board of Trustees des Fild Museum, für Unterstützung, Anleitung und Ermutigung. Meiner Agentin Katinka Matson danke ich für ihre Hilfe, als aus der Idee eine Skizze werden sollte, und für ihre Beratung während der gesamten Entstehungsgeschichte des Buches. Ein besonderes Privileg war die Arbeit mit meinem Lektor Marty Asher. Er versorgte mich wie ein geduldiger Lehrer mit einer nahrhaften Mischung aus Ratschlägen, Zeit und Ermutigung und half mir so, meinen Weg zu finden. Zachary Wagman trug in vielerlei Hinsicht zu dem Projekt bei, indem er sich Zeit nahm, den scharfen Blick des Redakteurs anwandte und gute Ratschläge erteilte. Dan Frank machte durchdachte Vorschläge und regte mich dazu an, die Geschichte auf neue Art zu durchdenken. Jolante Benal übernahm das Copyediting des Textes und verbesserte die Darstellung erheblich. Meine Eltern Gloria und Seymour Shubin wussten schon früher als ich selbst, dass ich irgendwann ein Buch schreiben würde. Ohne ihr Vertrauen hätte ich vermutlich kein einziges Wort zu Papier gebracht. Meine Frau Michele Seidl sowie unsere Kinder Nathaniel und Hannah haben während eines großen Teils der letzten beiden Jahre mit Fischen gelebt – sowohl mit Tiktaalik als auch mit diesem Buch. Michele las jeden Textentwurf und sagte ihre Meinung dazu, und sie unterstützte mich, wenn ich am Wochenende schrieb und nicht zu Hause war. Ihre Geduld und Liebe haben das alles erst möglich gemacht.