John Farndon - Big Ideas. Das Ökologie-Buch

Hauptwerke

1866 Versuche über Pflanzen-Hybriden , in: Verhandlungen des Naturforschenden Vereines in Brünn

IM KONTEXT

SCHLÜSSELFIGUREN

Francis Crick(1916–2004),

Rosalind Franklin(1920–1958),

James Watson(*1928),

Maurice Wilkins(1916–2004)

FRÜHER

1910–1929Der US-Amerikaner Phoebus Levene beschreibt die chemischen Komponenten der DNA.

1944Die US-Forscher Oswald Avery, Colin Macleod und Maclyn McCarty zeigen, dass DNA die Vererbung bestimmt.

SPÄTER

1990Britische Forscher um den Embryologen Ian Wilmut klonen erfolgreich ein erwachsenes Tier: das Schaf Dolly.

2003Die Kartierung des menschlichen Genoms liegt vollständig vor.

Die Entdeckung der DNA-Struktur im Jahr 1953 ist einer der wichtigsten wissenschaftlichen Durchbrüche. Dieses Wissen war der Schlüssel zum Verständnis der Bausteine des Lebens und erklärte, wie Erbinformationen gespeichert und weitergegeben werden. Der Engländer Francis Crick und der US-Amerikaner James Watson sind berühmt dafür, dass sie ihre gemeinsame Entdeckung in einer Kneipe in Cambridge feierten, es folgt ein Artikel in der Fachzeitschrift Nature . Ihre Erkenntnisse bargen großes Potenzial und hatten starken Einfluss auf viele Forschungsfelder: von Medizin über Forensik und Taxonomie bis hin zur Landwirtschaft. Noch immer wirkt ihre Arbeit nach, während neue Einsatzmöglickeiten entwickelt werden und wir mehr darüber lernen, wie Gene funktionieren.

Die MolekularbiologenJames Watson (links) und Francis Crick (rechts) 1953 mit einem Modell der DNA-Doppelhelix. Watson nannte die DNA »das interessanteste Molekül der Natur«.

Der Durchbruch von Crick und Watson war der Höhepunkt jahrzehntelanger Forschung vieler Wissenschaftler, darunter Rosalind Franklin und Maurice Wilkins. Während Crick und Watson anhand von 3-D-Modellen überlegten, wie die Komponenten der DNA zusammenpassten, entwickelten Franklin und Wilkins am King’s College (London) Methoden, um die Struktur der DNA mit Röntgenstrahlen zu erkunden. Kurz bevor Watson und Crick ihren Durchbruch verkündeten, hatte Watson Ergebnisse von Franklin gesehen, die auf eine Spiralstruktur der DNA hindeuteten.

Im Jahr 1962 erhielten Crick, Watson und Wilkins den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Franklin, die 1958 gestorben war, bekam für ihre Leistung zu Lebzeiten nie Anerkennung, obwohl Crick und Watson offen erklärten, dass ihre Arbeit für den Erfolg entscheidend war.

Die DNA ist ein Molekül aus zwei langen, dünnen Strängen, die sich ähnlich einer verdrehten Leiter umeinanderwinden; diese Form nennt man Doppelhelix. Die beiden »Holme« der »Leiter« bestehen aus Desoxyribose (einem Zucker) und Phosphat, während die »Leitersprossen« aus Paaren von Nukleinbasen gebildet werden: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). A ist stets mit T zu dem Basenpaar AT gepaart, G immer mit C zum Paar GC.

»… wir denken, dass wir den grundlegenden Kopiermechanismus gefunden haben, mit dem Leben aus Leben entsteht. «

Francis CrickIn einem Brief an seinen Sohn, 19.03.1953

Die DNA beinhaltet den Bauplan des Lebens. Die Sequenz (Abfolge) der Basen entlang des DNA-Strangs liefert die Informationen, die die Form und Physiologie des Organismus bestimmen; Gene sind Abschnitte dieser Basensequenz. Tripletts (Dreiergruppen) von Basen nennt man Codons; jedes Codon codiert eine von 20 Aminosäuren. Ihre Abfolge bestimmt, welches Protein sich bildet, wenn sich die Aminosäuren zu einer Kette verbinden. Es gibt 64 mögliche Dreierkombinationen von vier Basen, 61 davon legen jeweils eine Aminosäure fest. Die anderen drei sind Signale wie Start und Stopp, die steuern, wie die Information von der Zellmaschinerie gelesen wird. Die DNA ist zudem in Form von Chromosomen organisiert. Bei menschlichen Zellen gibt es 23 Chromosomenpaare.

Bei der Zellteilung muss die DNA kopiert werden. Dazu werden die Basenpaare getrennt, sodass sich die »Leiter« in der Mitte in zwei Einzelstränge teilt. Die beiden Einzelstränge dienen jeweils als Vorlage für einen zweiten komplementären DNA-Strang, der entsteht, indem jede seiner Basen wieder mit der jeweils komplementären Base gepaart wird. Insgesamt entstehen bei diesem Vorgang zwei Doppelstränge der gesamten DNA, die genau dem Original entsprechen.

Die Struktur der DNA

Ein DNA-Molekülist eine Doppelhelix mit zwei Strängen aus Zuckern und Phosphaten. Sie sind durch Nukleotidbasenpaare verbunden: Adenin und Thymin oder Guanin und Cytosin.

Da die DNA stets im Zellkern bleibt, kopiert ein ähnliches Molekül, die Boten-RNA (mRNA, engl.: messenger RNA ), einzelne DNA-Abschnitte und bringt sie zu den Zellorganellen, in denen neue Proteine hergestellt werden. RNA ist chemisch verwandt mit DNA, enthält aber statt der Base Thymin (T) die Base Uracil (U). Diese ist weniger stabil, dafür wird weniger Energie für ihre Produktion benötigt. Für langlebige Lebewesen ist die stabile DNA sinnvoll, RNA bildet daher das Erbgut einiger Viren, bei denen die Stabilität weniger Vorteile mit sich bringt.

DNA findet sich in allen Organismen, von Amöben über Insekten bis hin zu Bäumen, Tieren und Menschen. Die Sequenz der Basenpaare variiert und aus den Unterschieden können Genetiker die Verwandtschaft von Arten erkennen.

DNA ist ein stabiles Molekül, doch manchmal kommt es zu Fehlern, die man Mutationen nennt. Dabei kann in der Basensequenz eine der Nukleinbasen A, C, G und T falsch oder doppelt vorkommen oder fehlen. Mutationen können spontan durch Kopierfehler auftreten oder durch äußere Faktoren wie Radioaktivität oder krebserregende Chemikalien hervorgerufen werden. Einige Mutationen haben keine Auswirkungen; andere können hingegen beeinflussen, welche Proteine das Gen produziert, oder die Funktion des Gens behindern. Dies kann Probleme für den ganzen Organismus verursachen. Beispiele für solche Störungen sind Mukoviszidose und Sichelzellenanämie.

Mutierte Blutkörperchensind Zeichen der Erbkrankheit Sichelzellenanämie. Sie tritt auf, wenn beide Eltern das defekte Gen tragen, verursacht Schmerzen und erhöht das Infektionsrisiko.

Zwar sorgen viele Mutationen für Nachteile, doch gelegentlich kann ein Individuum von ihnen profitieren und dadurch in seiner Umwelt besser überleben als seine Artgenossen. Solche Veränderungen können dann durch natürliche Selektion weitervererbt werden. Über viele Generationen hinweg sind Mutationen ein Mechanismus, der Vielfalt und damit Selektion und Evolution ermöglicht.