Organismen können ihr ganzes Erbgut verdoppeln. Das kann sehr schnelle Evolution bringen - oder alles zerstören. Neue Studien zeigen, wie man dieses riskante Ereignis überlebt.

Potamopyrgus antipodarum ist nicht größer als ein Stecknadelkopf. Die kleine Schnecke sieht nicht besonders aus. Nur wenige Menschen am Lake Alexandrina in Neuseeland sehen die winzigen Schnecken am Ufer. Die Schnecke ist sehr klein, aber sie hat ein großes Geheimnis. Vor kurzer Zeit hat sich ihr Erbgut verdoppelt. Normalerweise haben die meisten Tiere zwei Sätze von Chromosomen und zwei Kopien von jedem Gen. Diese Schnecke hat aber drei oder vier Sätze. Sie hat also viel mehr genetisches Material als normal.

Die Evolutionsbiologin Maurine Neiman forscht an der University of Iowa zu dieser Art. Sie sagt: "Wir wissen eigentlich nicht, warum das bei unseren Schnecken oder bei anderen Arten immer wieder so zuverlässig passiert."

Wissenschaftler denken: Wenn ein Organismus drei, vier oder mehr Chromosomen-Sätze statt zwei bekommt, ist das meistens ein tödlicher Fehler bei der Zellteilung. Dieser Zustand heißt Polyploidie. Nur ein sehr kleiner Teil dieser Verdopplungen des ganzen Genoms bleibt in einer Linie stabil. Aber wenn es stabil bleibt, kann es große Folgen haben.

Neue Studien zeigen: Die Verdopplung des Genoms kann ein dramatischer, aber riskanter Schub für neue Gene sein. Sie kann Innovation in der Evolution fördern. Das Team von Neiman nennt die Schnecke liebevoll "Potamo". Die Studien zu dieser Schnecke zeigen das sehr gut. Der Evolutionsbiologe Will Ratcliff arbeitet am Georgia Institute of Technology. Er beobachtet in langen Experimenten, wie Hefe ihr Genom verdoppelt und mehrzellig wird. Er sagt: "Es ist ein billiger und einfacher Weg, um viele vererbbare Unterschiede zu erzeugen. Diese Unterschiede kann man dann schnell für neue Dinge nutzen."

Viele Erfindungen der Evolution waren nur durch solche Verdopplungen möglich. Zum Beispiel:

• die Organe von Spinnen, die Spinnenseide machen
• die großen und komplexen Gehirne von Wirbeltieren
• die große Artenvielfalt von Hülsenfrüchten, Gräsern und Kreuzblütlern (dazu gehören Brokkoli und Grünkohl)
• die fleischige Frucht der Tomatenpflanze

Und es gibt noch mehr Beispiele.

Man sieht es nicht, aber diese Schnecken haben drei oder vier Chromosomen-Sätze in ihren Zellen, statt der normalen zwei. Bart Zijlstra

Douglas Soltis ist Pflanzengenetiker am Florida Museum of Natural History. Er sagt: "Wir denken gern so darüber: Es ist wie ein Baseball-Spieler, der sehr oft nicht trifft. Aber wenn er trifft, ist es ein Home Run." Er sagt auch: "Polyploidie ist der wichtigste Prozess auf dem Planeten, über den fast niemand etwas weiß."

Neue Methoden zur Sequenzierung des ganzen Genoms ändern das. Studien im ganzen Stammbaum des Lebens zeigen: Die Verdopplung des Genoms passiert gar nicht so selten. Bei Pflanzen kann man sie kaum vermeiden. Jonathan Wendel ist Evolutionsbiologe an der Iowa State University. Er sagt: Alle Samenpflanzen, die heute leben, haben mindestens eine alte Verdopplung des ganzen Genoms erlebt. Viele haben sogar mehrere Verdopplungen erlebt. Auch andere Tiere tragen Beweise für alte Verdopplungen in ihrem Genom. Zum Beispiel Seepocken, Insekten, Forellen und Spinnentiere.

Biologen diskutieren stark über eine andere Frage: Hängen große Veränderungen bei Kiefer-Wirbeltieren mit alten Gen-Verdopplungen vor Hunderten von Millionen Jahren zusammen? Zu diesen Wirbeltieren gehören Tiere vom Schleimaal bis zum Menschen.

Wie Gen-Inversionen und Translokationen oder Punktmutationen bei einzelnen Basen ist auch die Verdopplung des ganzen Genoms eine Art von genetischer Mutation. Sie treibt evolutionären Wandel an. Die Verdopplung des Genoms ist sogar die radikalste Mutation, die ein Organismus in einer einzigen Generation erleben kann. Forscher analysieren die ganzen Genome von vielen verschiedenen Arten. Sie wollen wissen: Wie schaffen es Organismen, ein so vielleicht tödliches Ereignis nicht nur zu überleben, sondern danach auch gut zu leben und sich anzupassen? Wendel sagt: "All diese neuen Untersuchungs-Werkzeuge haben uns diese Welt geöffnet. Wir konnten sie vorher nicht sehen und wussten deshalb nicht, dass sie existiert."

Die Geschichte, wie dieser Prozess abläuft, steht im Genom von Potamo. Das Team von Neiman hat das Alter der Genom-Verdopplung bei der Schnecke bestimmt. Sie ist vor weniger als einer Million Jahren passiert. In der Evolution ist das sehr kurz. Aber es ist lange genug her, damit die Art begonnen hat, sich an die größere Menge an Erbgut anzupassen. Weil das Ereignis so neu ist, kann Neiman sehr genau sehen, wie Potamo mit seiner polyploiden Existenz umgeht.

Das ist der neueste Beweis. Es gibt immer mehr Wissen über Polyploidie. Dieses Wissen ändert, wie die Wissenschaft die Bedeutung der Genom-Verdopplung für die Evolution versteht. Die ruhigen Ufer des Lake Alexandrina sind sehr weit weg vom Las Vegas Strip. Trotzdem hat Potamo dort eines der größten Risiken der Evolution gewagt.

Genetische Reserve

Bis es weit verbreitete DNA-Sequenzierung gab, blieb Polyploidie meist ein Geheimnis. Wissenschaftler wussten, dass sie passiert. Das war für jeden klar, der Chromosomen unter dem Mikroskop gezählt hat. Aber erst als Forscher Genome Base für Base analysieren konnten, konnten sie das Phänomen wirklich verstehen.

Heute können sie alte Verdopplungen im Erbgut finden und ihre Folgen untersuchen. Sie sehen, dass die Verdopplung viel Variation bringt, aber auch sehr gefährlich ist. Die meisten neuen Polyploiden sterben. Nur wenige überleben und werden erfolgreich. Wer überlebt, hat aber eine große Chance auf neue Funktionen und neue Arten.