Wolf-Ekkehard Lönnig (2000/2001)
:
Hoimar von Ditfurth und der Lederbergsche Stempelversuch: Sind Antibiotikaresistenzen Beweise für Makroevolution im Labor?
Vorbemerkung: Der folgende Aufsatz soll nicht
die generellen Verdienste
Hoimar von Ditfurths zur Wissenschaftskommunikation (Popularisierung von Naturwissenschaft) in Frage
stellen. Jedoch sollte auch der an den naturwissenschaftlichen Realitäten interessierte H.v.D-Fan
eine Sachkritik grundlegender evolutionstheoretischer Fehler, die H.v.D. bei der Niederschrift seiner
Arbeiten
zum Teil noch gar nicht selbst erkennen konnte, grundsätzlich willkommen heißen. Wir alle
möchten doch wissen, was auf unserer Erde tatsächlich geschieht und nicht etwa evolutionäre
Wunschvorstellungen
mit der Wirklichkeit verwechseln. Dass solche Verwechslungen jedoch heute
noch w e i t v e r b r e i t e t
sind und daher dringender Informations- und Aufklärungsbedarf besteht, das zeigen sehr deutlich die
Einwände von
H.v.D.-Fans, die ich in den nächsten beiden Kapiteln
diskutiert habe (siehe
die "Diskussion von Einwänden" sowie weitere LINKS).
Inhaltsverzeichnis Kurzbeschreibung
des
Lederbergschen
Stempelversuchs (Prinzip) Einleitung zum Hauptthema Der Lederbergsche
Stempelversuch zu den Phagen- und Antibiotikaresistenzen - Evolution
im Laboratorium? 1. Hoimar von Ditfurths
Generalisierung der an
Bakterien gemachten Entdeckungen samt (Mikro-) Evolution ist unrichtig 2. Hoimar von
Ditfurths
evolutionistische
Interpretation der Lederbergschen Versuche ist naturwissenschaftlich
nicht
haltbar (Entstehung neuer Gene, "neuer Enzyme" etc. zur Erklärung der Phagen- und Antibiotikaresistenzen)
3. Worauf die Phagen- und Antibiotikaresistenzen in den Lederbergschen Stempelversuchen (im klaren Gegensatz zu H. von Ditfurths Behauptungen von der Entstehung neuer Gene und neuer Enzyme etc.) tatsächlich beruhen
4. Haldane's Dilemma: ein populationsgenetischer Einwand gegen von Ditfurths Verallgemeinerung bakterieller Befunde
Schlußbemerkung: Der vorliegende Aufsatz wurde nicht als ad hominem Kritik gegen Hoimar von Ditfuth geschrieben, sondern um einige (im Namen der Naturwissenschaft) weit verbreitete Irrtümer richtig zu stellen
Diskussion von Einwänden zum vorliegenden Beitrag
Zitierte Literatur
Nach Hoimar von Ditfurth liefert der Lederbergsche Stempelversuch zu den Phagen- und Antibiotikaresistenzen einen experimentellen Beweis für die postulierte Gesamt-Evolution durch Mutation und Selektion. Danach entstehen in jedem einzelnen, neuen Stempelversuch durch Zufallsmutationen Tausende von 'Umstellungen komplizierter Stoffwechselfunktionen', auch "neue Enzyme" (und damit neue Gene), "also gezielt wirkende und höchst kompliziert funktionierende chemische Abwehrwaffen". Weiter sei "die Entstehung von Ordnung, zweckmäßiger Anpassung und Erwerb neuer, überlegener Lebensfunktionen" festzustellen. Mit einem Wort, wir haben mit dem Lederbergschen Stempelversuch den experimentellen Beweis für die Makroevolution.
Tatsächlich bleiben jedoch auch bei Bakterien alle bisher bekannt gewordenen Mutationsereignisse "eindeutig im Bereich der Mikroevolution" (Junker und Scherer 1998, 2001). Die Grundaussage von Ditfurths, dass in diesen Experimenten laufend neue Gene und Enzyme etc. entstehen, ist naturwissenschaftlich nicht haltbar. Was sich in den Lederbergschen Versuchen tatsächlich regelmäßig abspielt, ist die Bildung von Allelen von bereits vorhandenen Genen. Diese Allele unterscheiden sich von den Wildtypgenen nur in einem (oder wenigen) Nucleotid(en). Entfällt der Selektionsdruck durch Phagen oder Antibiotika, so mutieren die Allele häufig wieder zum Wildtyp zurück
. Die Entstehung komplexerer Ordnung unter Bildung völlig neuer Gene und Enzyme konnte in keinem einzigen der Lederbergschen Stempelversuche nachgewiesen werden.Eine weitere häufige Resistenzursache ist von Lengeler (1980) wie folgt zusammengefasst worden: "Antibiotics usually enter bacterial cells by means of preexisting carbohydrate-, amino acid-, or ion-specific transport systems, whose natural substrates they mimic (Brown, 1977). Consequently, mutants deficient in one of these transport systems are resistant to an antibiotic entering through this system." - Oder um ein Beispiel aus der neuesten Literatur zu zitieren: "Mutations that reduce production of specific channels make certain Gram-negative cells less permeable to specific agents. For example, some P[seudomonas] aeruginosa variants exhibit resistance to imipenem, a carbapenem antibiotic, as these strains have lost the porin channel that normally permits transit of this antibiotic" (Mobashery und Azucena, 2000). (Hervorhebungen im Schriftbild von mir.) In allen diesen Fällen handelt es sich bei der "Entstehung von Ordnung, zweckmäßiger Anpassung und Erwerb neuer, überlegener Lebensfunktionen" in Wahrheit um einen Ordnungsverlust.
Vom Lederbergschen Stempelversuch einmal abgesehen, ist die häufigste Ursache des Auftretens neuer Antibiotika- (und anderer) Resistenzen bei Bakterien der (über die Art- und Gattungsgrenzen hinausgehende) Transfer von Genen über Plasmide. Mit diesem regelmäßig ablaufenden, horizontalen Gentransfer von Resistenz- und Virulenzgenen verfügen Bakterien jedoch über einen Mechanismus, der bei Eukaryoten unbekannt ist. (Anmerkung: Es bedarf eigentlich gar keiner besonderen Erwähnung, dass dieser plasmidbedingte Gentransfer nicht mit der direkten mutativen Bildung völlig neuer Gene und Enzyme gleichgesetzt oder gar verwechselt werden darf; ich erwähne diesen Punkt hier jedoch, da das auch heute noch hin und wieder geschieht.)
Zu weiteren Ursachen siehe die Diskussion der Details.
Kurzbeschreibung des Lederbergschen Stempelversuchs (Prinzip)
Ein Samttuch wird auf eine Agar-Ausgangsplatte gedrückt, die zahlreiche E. coli (Bakterien-) Kolonien aufzuweisen hat. An den Haaren des Samttuches bleiben aus jeder ursprünglichen Kolonie einige Zellen hängen. Anschließend werden die Zellen des Samttuches im Muster der ursprünglichen Kolonie-Anordnung auf Replikaplatten mit Phagen oder Antibiotika übertragen. Nur an den Stellen, an denen in der (von Phagen und Antibiotika völlig freien) Ausgangsplatte schon resistente Bakterien vorhanden waren, bilden sich auf den neuen Platten Kolonien. Die (wenn auch nur relative) Konstanz des Musters weist auf schon vorher abgelaufene Mutationsprozesse hin. Bei jeweils aktiver Anpassung (Modifikation) wären die Muster bei jeder neuen Replika-Plattierung verschieden.
In ihrer Originalarbeit beschreiben Joshua und Esther M. Lederberg ihre Methode wie folgt (1952, pp. 400/401): "In our practice, twelve cm squares were cut from velveteen yardage, packed in large petri dishes, and sterilized in the autoclave. A square is placed, nap up, on a cylindrical wood or cork support of nine cm diameter and held firmly in place with a metal flange or hoop pushed over the fabric and around the rim of the support. The agar plate carrying the initial colonies is inverted onto the fabric with slight digital pressure to transfer the growth. The imprinted fabric then provides the pattern for transferring replica-inocula to subsequent plates impressed in the same way." (Und p. 402:) "In several experiments, at least half and often nearly all of the resistant mutants on the replica-plates recurred at congruent sites. The preoccurrence of the resistant cells in coherent families or clones within the confluent film on plain agar is inferred from this result" (unterstrichen von mir).
(Weitere Details: Siehe unten die Zitate nach von Ditfurth und Hartl und Jones.)
Im Jahre 1999 erschien im Deutschen Taschenbuch Verlag (dtv) die 16. Auflage des Buches IM ANFANG WAR DER WASSERSTOFF von Hoimar von Ditfurth (1921-1989). Das Buch war 1972 im Hoffmann und Campe Verlag erstmals publiziert worden und stand monatelang auf der Spiegel-Bestsellerliste. Beim Deutschen Taschenbuch Verlag erfolgte die 1. Auflage im Mai 1981. Die 16 dtv-Auflagen in nur 19 Jahren lassen weitere Auflagen erwarten. Das Thema des Buches ist eine populärwissenschaftliche Einführung in die Evolutionstheorie. Es ist gewiss keine Übertreibung festzustellen, dass diese Schrift das Weltbild von Hunderttausenden (vor allem jungen) Menschen beeinflusst oder sogar geprägt hat.
Anhand einer Stichprobe, nämlich von v. Ditfurths Darstellung des Lederbergschen Stempelversuchs, möchte ich einmal einen ersten Schritt machen zur Frage nach der Zuverlässigkeit seiner Ausführungen nach dem heutigen Stand der Wissenschaft. Dabei möchte ich vorausschicken, dass ich selbstverständlich H. von Ditfurth keinen Vorwurf mache für Dinge, die er damals noch nicht wissen konnte. Da aber Thesen, die inzwischen als eindeutig wissenschaftlich unrichtig erwiesen sind, im Zuge der weiten Verbreitung der zahlreichen (aber keineswegs verbesserten) Auflagen auch heute noch als Beweise für die Richtigkeit der Synthetischen Evolutionstheorie (Neodarwinismus) zitiert werden, erscheinen mir einige sachlich-naturwissenschaftliche Anmerkungen angebracht.
Vorweg sei noch angemerkt, dass Resistenzerscheinungen bei Bakterien keineswegs erst mit dem Lederbergschen Stempelversuch entdeckt worden sind (welches Missverständnis mit dem Anspruch auf absolute Richtigkeit mir erst kürzlich von einem begeisterten v. Ditfurth-Leser vorgetragen wurde - im Gegensatz übrigens zu v. Ditfurths Angaben), sondern dass (sogar) die Frage nach den Ursachen solcher Resistenzerscheinungen (Modifikation oder Mutation) spätestens seit dem Jahre 1921 diskutiert worden ist. S. E. Luria und M. Delbrück schreiben in ihrem Beitrag MUTATIONS OF BACTERIA FROM VIRUS SENSITIVITY TO VIRUS RESISTANCE (1943, p. 491/492):
"D'HERELLE (1926) and many other investigators believed that the virus by direct action induced the resistant variants. GRATIA (1921), BURNET (1929), and others, on the other hand, believed that the resistant bacterial variants are produced by mutation in the culture prior to the addition of the virus. The virus merely brings the variants into prominence by eliminating all sensitive bacteria."
Luria und Delbrück haben diese Frage für ihre Versuche schon 1943 zugunsten der Mutationshypothese entscheiden können (p. 510):
"The distribution of the numbers of virus resistant bacteria in series of similar cultures of a virus-sensitive strain has been analyzed theoretically on the basis of two current hypotheses concerning the origin of the resistant bacteria.
The distribution has been studied experimentally and has been found to conform with the conclusions drawn from the hypothesis that the resistant bacteria arise by mutations of sensitive cells independently of the action of the virus" (Hervorhebung im Schriftbild von mir).
Luria und Delbrück waren jedoch vorsichtig bei der Frage, inwieweit ihre Ergebnisse verallgemeinert werden konnten ("It remains to be seen whether or not this is the general rule" - vgl. ihre Diskussion p. 509).
Dazu sei an dieser Stelle nur kurz angemerkt, dass seit Ende der 80er Jahre einige Befunde diskutiert werden, die nach Auffassung mehrerer Autoren nicht in Übereinstimmung mit der Mutationsauffassung sind (vgl. Stahl 1988, Garret 1994, Thaler 1994, Sniegowski und Lenski 1995, Chicurel 2001).
Joshua und Esther M. Lederberg haben jedenfalls im Jahre 1952 mit ihrer Versuchstechnik des replica plating die Schlussfolgerungen von Luria und Delbrück zur Phagenresistenz weiter untermauert und vor allem unmittelbar nachvollziehbar und relativ leicht überprüfbar dargestellt.
Über die seit 1921 laufenden Phagenresistenzversuche hinaus gab es systematische Untersuchungen zur Antibiotikaresistenz bei Bakterien, und zwar mit der These und dem Ergebnis, dass Mutationen für die Resistenz verantwortlich waren, mit M. Demerec seit spätestens 1945, vgl. auch Demerec 1948. Die ersten klinischen Beobachtungen reichen in das Jahr 1944 zurück: "In 1944 penicillin was introduced to general clinical practice, causing a world-wide sensation that would be impossible to overstate…amid the near fanatic enthusiasm for antibiotics there were reports, from the first days of their clinical use, of the existence of bacteria that were resistant to the chemicals" (L. Garret 1994, p. 36). - Die älteste mir bislang bekannte Arbeit zum Thema Modifikationen und Mutationen unter Einsatz einer sauberen Methodik bei Bakterien (überhaupt) stammt aus der Feder von Franz Wolf aus dem Jahre 1909 mit dem Titel:" Über Modifikationen und experimentell ausgelöste Mutationen von Bacillus prodigiosus und anderen Schizophyten."
Gehen wir zum Hauptthema über:
Im Kapitel 14 ("Evolution im Laboratorium") erörtert Hoimar von Ditfurth zunächst die Frage, welche Bedingungen erfüllt sein müssen, "wenn man das Phänomen der Evolution experimentell untersuchen will", nämlich große Zahlen von lebenden (möglichst kleinen) Organismen mit möglichst kurzer Generationsdauer. "Beide Voraussetzungen werden in geradezu idealer Weise von den Bakterien erfüllt" (p.231). Weiter bemerkt Hoimar von Ditfurth zu den Studien der ‚zahlreichen wissenschaftlichen Institute, die sich ausschließlich mit "Bakteriengenetik" beschäftigen’ (1999, p. 231):
"Der Esperanto-Charakter des genetischen Codes gibt den an diesen Instituten arbeitenden Wissenschaftlern die Gewähr, dass die Entdeckungen, die sie an diesen relativ einfachen Versuchsobjekten machen, ebenso auch für alle anderen irdischen Lebewesen gelten, einschließlich des Menschen. Auch Joshua Lederberg hat seinen berühmt gewordenen Stempelversuch zur Untersuchung der Grundsätzlichkeit des Evolutionsmechanismus an Bakterien durchgeführt. Das spezielle Phänomen, dessen er sich dabei als "Evolutions-Modell" bediente, war das der sogenannten "Resistenz"."
Hier ist nun ein entscheidender Punkt zu korrigieren. Die Verallgemeinerung, dass "der Esperanto-Charakter des genetischen Codes den an diesen Instituten arbeitenden Wissenschaftlern die Gewähr gibt, dass die Entdeckungen, die sie an diesen relativ einfachen Versuchsobjekten machen, ebenso auch für alle anderen irdischen Lebewesen gelten, einschließlich des Menschen", ist heute nicht mehr haltbar.
Sehen wir uns dazu einige Punkte näher an:
(1) Das an Bakterien erarbeitete Genmodell trifft nicht auf die Eukaryoten zu. Dazu bemerkt Rolf Knippers in seinem Lehrbuch MOLEKULARE GENETIK (7. Aufl. 1997, p. 283):
"Dieses Modell galt etwa bis zum Jahre 1975 uneingeschränkt. Dann fanden einige Forschergruppen gleichzeitig und unabhängig voneinander, dass eine solche Verallgemeinerung falsch ist. Die meisten eukaryotischen Gene sind anders: Die Kodierungs-Sequenzen können oft von langen nichtkodierenden DNA-Strecken unterbrochen sein. Das alte Modell gilt für die Gene von Bakterien und Bakteriophagen, also für Prokaryoten, aber nicht für die meisten Gene von Eukaryoten" (R. Knippers 1997, p. 283).
(2) Die Struktur der Bakterien-DNA unterscheidet sich von der der Eukaryoten-DNA:
"Die DNA der Bakterien besteht aus einem zirkulären Molekül, das im Gegensatz zur eukaryotischen DNA nicht mit Histonen komplexiert ist und als Genophor oder Nucleoid bezeichnet wird. Daneben enthalten Bakterien in der Regel mehrere Plasmide, kleinere zirkuläre DNA-Moleküle, die nur wenige Gene tragen und unter anderem für die Ausbildung von Antibiotikaresistenzen verantwortlich sind" (Ude und Koch: DIE ZELLE, 1994, p. 28).
(3) Die Kompartimentierung der Eukaryotenzelle ist ein weiterer gravierender Unterschied zu den Prokaryoten:
"Die eukaryotische Zelle zeichnet sich gegenüber der prokaryotischen vor allem durch eine höhere Komplexität aus, die ihren morphologischen Ausdruck in einer vielfältigen Kompartimentierung findet. Dadurch werden innerhalb der Zelle eine Reihe membranbegrenzter Reaktionsräume geschaffen, die eine höhere Komplexität biochemischer und physiologischer Prozesse ermöglichen. Auffälligstes und bestimmendes Merkmal ist dabei der von einer Doppelmembran umgebene Zellkern, mit dem die Prozesse der Transkription und der Translation räumlich voneinander getrennt werden" (Ude und Koch: DIE ZELLE, 1994, p. 30).
Hier sind also mehrere, wesentliche Unterschiede festzuhalten: (a) Prokaryoten haben keinen Zellkern (keine Trennung von Transkription und Translation in verschiedenen Kompartimenten); (b) bei Eukaryoten ist das Gros der DNA-Moleküle nicht ringförmig geschlossen (es liegen statt dessen mehrere lineare Moleküle vor; Ausnahmen: Chloroplasten- und Mitochondrien-DNA); (c) die DNA der Eukaryoten ist mit Histonen 'komplexiert'; (d) die Eukaryoten enthalten keine Plasmide, die mit Antibiotikaresistenzen (oder anderen Faktoren) die Art- und Gattungsgrenzen regelmäßig überspringen könnten.
(4) Nach Hinweis, dass bei Prokaryoten der Informationsträger (der Genophor, oder das Bakterienchromosom) "eine Doppelhelix aus zwei gegenläufigen durch Wasserstoffbrücken verbundenen Molekülen mit einem +- und einem --Strang" ist, kommen wir zu einem weiteren fundamentalen Unterschied zwischen Pro- und Eukaryoten (Zitat gemäß Czihak, Lange, Ziegler (Hrsg.) BIOLOGIE, 5. Aufl 1992, p. 191):
"Bei Eukaryoten liegen die DNA-Moleküle im Zellkern in Vielfachen von zwei, nach der S-Phase in Vielfachen von vier vor: je 2 gegenläufige DNA-Moleküle bilden eine Doppelhelix, die zusammen mit unzähligen Nucleosomen das Chromatin aufbauen, das während der Mitose in verdichteter Form als Chromosom im Lichtmikroskop sichtbar wird."
Einige weitere Unterschiede zwischen Pro- und Eukaryoten:
(5) Bei Bakterien entfällt der Zellzyklus (G1, S, G2, M).
(6) Generationsdauer bei Bakterien ist 20 (und mehr) Minuten, bei Eukaryoten mehrere Stunden.
(7) Zellteilung findet bei Bakterien durch Septenbildung statt, bei Eukaryoten durch Mitose und Cytokinese.
(8) Die genetische Rekombination erfolgt bei Prokaryoten durch Konjugation, bei Eukaryoten durch Meiose und Syngamie.
(9) Bei Bakterien finden sich keine separaten RNA-Polymerasen für mRNAs, rRNAs und tRNAs.
(10) Haldane's Dilemma trifft zwar auch auf Bakterien zu, aber zu vielen komplexeren Organismen (wie dem Elefanten, der Giraffe, dem Schimpansen und dem Menschen) mit relativ geringer Nachkommenzahl besteht ein wesentlicher Unterschied (siehe unten).
Zahlreiche weitere Unterschiede findet der daran interessierte Leser in der Arbeit von Kleinig und Sitte (1986): ZELLBIOLOGIE (Tabelle, p. 12); und in der 4. Auflage des gleichen Werkes von H. Kleinig und U. Maier 1999 (Tabelle, p. 13 und Ausführungen u.a. p. 22)(G. Fischer, Stuttgart).
Fazit: Was gut für Escherichia coli ist — so die neue Erkenntnis in Umkehrung eines alten Slogans — ist das noch lange nicht für den Elefanten. Die Andersartigkeit der Gen- (und weiterer) Struktur(en) der Bakterien im Vergleich zu den Eukaryoten führt also immer wieder zu dem generellen Problem, inwieweit die an Bakterien gewonnenen wissenschaftlichen Erkenntnisse auch tatsächlich verallgemeinert werden dürfen.
Jedenfalls gelten ’Die Entdeckungen, die Wissenschaftler an diesen relativ einfachen Versuchsobjekten machen’, keineswegs immer ’für alle anderen irdischen Lebewesen, einschließlich des Menschen’. Seit etwa 1975 hätte H. von Ditfurth seine Äußerung modifizieren können. Aber damit wäre auch die evolutionäre Aussage, die er in Verbindung mit dem Lederbergschen Stempelversuch vermittelt hatte, in Schwierigkeiten geraten.
Seine Auffassung formuliert H.v. Ditfurth wie folgt (1972/1999, p. 233):
"Die Tatsache, dass bereits kurze Zeit nach Einführung des Penicillins die ersten resistenten Bakterienstämme auftraten, beweist, dass Evolution heute noch stattfindet.
Damit aber zeichnete sich mit einem Male die faszinierende Möglichkeit ab, diesen Vorgang "Evolution" zu untersuchen, seinen Mechanismus im einzelnen analysieren zu können."
Die darauf folgende Beschreibung des Lederbergschen Versuchs sowie die Beantwortung der Frage, ob ‚rein zufällige Mutationen’ für die Resistenzen verantwortlich waren oder "doch irgendwelche "lenkenden Umwelteinflüsse", die dafür sorgten, dass die Mutationen sich den Veränderungen der Umwelt gezielt anpassten", ist zwar im Prinzip richtig, bedauerlicherweise aber in zahlreichen Details falsch. So spricht von Ditfurth auf den Seiten 233-236 seines Buches ununterbrochen von Staphylokokken als den Versuchsobjekten der Lederbergs (und zwar siebenmal), statt von Escherichia coli K12, mit welcher Bakterienart (und Linie) die Versuche tatsächlich durchgeführt wurden. Weiter spricht er genauso ausschließlich von der Penicillinresistenz (achtmal) der Bakterien. Tatsächlich arbeiteten die Lederbergs jedoch mit Streptomycin. Von Ditfurth erwähnt hingegen nichts von der Resistenz gegen Phagen, von denen der Hauptteil der Lederbergschen Versuche handelt. Außerdem fällt auf, dass von Ditfurth nur von Joshua Lederberg spricht, jedoch seine Frau, Mitarbeiterin und Koautorin, die Mikrobiologin Esther M. Lederberg, mit keinem Wort erwähnt.
Zur Frage, wie die Lederbergs an die oben erwähnten Probleme herangingen, lesen wir bei von Ditfurth unter anderem (Auszüge pp. 233-235; Hervorhebungen im Schriftbild von mir; die Staphylokokken sind jeweils durch E. coli zu ersetzen und für Penicillin schreibe man richtig Streptomycin bzw. verbessere den Text für Bakteriophagen; - zu den folgenden von Ditfurth genannten Zahlen der Kolonien sei noch angemerkt, dass die Lederbergs nur ihre Phagen-Resistenzversuche, jedoch nicht die Antibiotikaversuche im Detail beschreiben):
"Er goss flüssigen Nährboden in eine Petri-Schale und ließ ihn zu einer gallertartigen Masse erstarren. Dann impfte er darauf Bakterien einer einzigen Art, z. B. Staphylokokken [richtig: E. coli!], und ließ sie in der Wärme eines Brutschrankes sich solange vermehren, bis die Schale nahezu lückenlos mit sichtbaren kleinen Fleckchen, winzigen Staphylokokken-[E. coli-!]Kolonien, angefüllt war. Unter den geschilderten Bedingungen passen in eine Petri-Schale ca. 100000 solcher punktförmigen Kolonien.
Nach diesen Vorbereitungen folgte das eigentliche Experiment. Lederberg drückte jetzt einen kreisrunden Holzstempel, den er mit feinem Samt überzogen hatte und der genau den Durchmesser der Petri-Schale hatte, kurz auf den mit Kolonien übersäten Nährboden. Auf dem Samt war mit bloßem Auge auch hinterher nichts zu sehen. Der Bakteriologe wusste jedoch, dass bei der kurzen Berührung aus jeder der zahllosen kleinen Kolonien mindestens einige wenige Bakterien an den feinen Härchen des Samtüberzuges hängen geblieben sein mussten. Daher drückte er seinen Stempel anschließend auf den Nährboden einer zweiten Petri-Schale, der keine Bakterien enthielt, dafür aber eine geringe Konzentration Penicillin [richtig: T-1 Phagen oder Streptomycin!]. Anschließend kam auch die zweite Petri-Schale in den Brutschrank, um den mit dem Samtstempel auf sie überimpften Bakterien Gelegenheit zu geben, sich zu vermehren und dabei wieder zu sichtbaren kleinen Kolonien auszubreiten.
Als der amerikanische Bakteriologe sein Versuchsschälchen am nächsten Tage wieder aus dem Schrank herausholte und betrachtete, stellte er fest, dass auf dessen Nährboden nur an vier Stellen kleine Kolonien entstanden waren. Die ganze übrige Oberfläche des Nährbodens war glasklar und bakterienfrei geblieben. Von den rund 100000 Staphylokokken[E. coli!]-Kolonien der ersten Petri-Schale hatten also nur vier auf dem penicillin[T-1 phagen- oder streptomycin!]haltigen Nährboden Fuß fassen können. Es musste sich bei ihnen um die Nachkommen von vier Bakterien handeln, denen das Antibiotikum nichts anhaben konnte. Während die mit dem Samtstempel übertragenen Vertreter der vielen Millionen anderen Staphylokokken[E. coli-Bakterien!] zugrunde gegangen waren, wuchsen die vier resistenten Kolonien auf dem penicillin[T-1 phagen- oder streptomycin!]haltigen Boden ungehindert weiter und weiter, bis sie die ganze 'Welt' der zweiten Petri-Schale besetzt hatten, die sich jetzt in ihrem Aussehen von der ersten Schale in nichts mehr unterschied. Im Unterschied zur ersten Schale enthielt sie aber jetzt ausschließlich penicillin[T-1 phagen oder streptomycin!] resistente Staphylokokken [E. coli-Bakterien!]."
Die Zahl von hunderttausend (sichtbaren) Kolonien in der ersten Petri-Schale ist, nach den Abbildungen und Hinweisen der Lederbergs zu urteilen, übertrieben (tausend und weniger dürfte der Wahrheit näher kommen). Für die ein typisches Resultat zeigende Abb. 2 der Originalarbeit wurde "0,01 ml inoculum" gebraucht "to restrict the number of clones" (vorher 0,1 ml; p. 402). Nach Hinweis, dass "Lederberg seinen Versuch von Anfang an so angelegt hatte", dass er der entscheidenden Frage nachgehen konnte, "wie die vier resistenten Bakterien die Fähigkeit erworben hatten, auch in einer mit dem Antibiotikum verseuchten Umwelt zu überleben" (Reproduktion der exakten räumlichen Anordnung) etc., lesen wir weiter (pp. 235/236):
"Lederberg stellte sich jetzt eine große Zahl von Petri-Schalen mit penicillin[T-1 phagen- oder streptomycin!]haltigen Nährböden her und begann damit, auf jede von ihnen eine Probe aus einer der unzähligen kleinen Kolonien seiner giftfreien Ausgangsschale zu überimpfen. Das Resultat entsprach genau seinen Erwartungen und denen all der Biologen, die von dem Zufallscharakter der Mutationen schon immer überzeugt gewesen waren. So oft Lederberg auch versuchte, die Staphylokokken[E. coli-Bakterien!] aus seiner ersten Schale auf penicillin[T-1 phagen- oder streptomycin!]haltigem Boden anwachsen zu lassen, keine einzige der Proben, die er überimpfte, wuchs an. In keinem Falle bildeten sich auf dem für Staphylokokken[E. coli!] giftigen Boden die typischen kleinen Kolonien — mit vier wichtigen Ausnahmen: Immer dann, und nur dann, hatte sein Vorgehen Erfolg, wenn er Proben aus den vier winzig kleinen Fleckchen nahm, deren Vertreter von Anfang an resistent und daher auf dem Giftboden gewachsen waren.
Die Deutung dieses Ergebnisses lässt nur einen Schluss zu. An den vier bewussten Stellen der Originalschale mussten zu Versuchsbeginn schon resistente Bakterien gesessen haben."
Joshua und Esther M. Lederberg berichten zwar ausführlich über ihre Ergebnisse zur indirekten Selektion auf Phagenresistenz (zwei Versuchserien mit resistenen Phagen: "A total of 836 and 447 colonies tested, respectively, were all resistant to the phage as determined by replica plating, and by a few tests of cross-streaking colonies against the phage" - p. 402); sie berichten auf den Seiten 403/404 ähnliches auch für die Streptomycin-Resistenz (bei welchen Versuchen sie mit höher konzentrierten E. coli Inocula begannen und 239 Kolonien erfolgreich testeten). Sie berichten aber nichts davon, dass sie "eine große Zahl von Petri-Schalen mit penicillinhaltigen Nährböden" herstellten und dann damit begannen, "auf jede von ihnen eine Probe aus einer der unzähligen kleinen Kolonien seiner giftfreien Ausgangsschale zu überimpfen…. So oft Lederberg auch versuchte, die Staphylokokken aus seiner ersten Schale auf penicillinhaltigem Boden anwachsen zu lassen, keine einzige der Proben, die er überimpfte, wuchs an" etc. Dass diese Kolonien nicht resistent gegen Streptomycin waren, war ja in den replica tests schon wiederholt festgestellt worden.
Ein Wort zur Vorsicht zur Beurteilung der Lederbergschen Versuche erscheint mir jedoch noch notwendig: Dazu sei an die anfangs zitierte Mitteilung der Lederbergs zur Konstanz der mit der Stempeltechnik erhaltenen Muster erinnert: "In several experiments, at least half and often nearly all of the resistant mutants on the replica-plates recurred at congruent sites." Auf der Replikaplatte D der Abb. 2 ("Clonal occurrence of mutants resistant to phage T-1") der Lederbergschen Originalarbeit sind zwar 4 resistente Kolonien mit Nummern von 1 bis 4 gekennzeichnet, auf Platte B fehlt jedoch die Kolonie Nr. 4 und auf der Platte C die Kolonie Nr. 2; dafür sind allerdings andere Kolonien, nämlich die Kolonien 5, 6 und 7 auf den Platten B und C aufgeführt. Diese treten jedoch auf der Platte D nicht auf. Also nur die Kolonien 1 und 3 waren tatsächlich auf allen 3 Replikaplatten nachweisbar. Dies ist übrigens die einzige Abbildung, auf der die Lederbergs das klonale Auftreten resistenter Mutanten genau wiedergeben. 'Aber immerhin', kann man sagen, 'das Prinzip stimmt' - wenn auch nicht in der Absolutheit, mit der es oft dargestellt wird.
Eine wesentlich genauere (Kurz-)Beschreibung des Lederbergschen Stempelversuchs als bei Hoimar von Ditfurth findet der daran interessierte Leser zum Beispiel bei D. L. Hartl und E. W. Jones (1998). Nach der Feststellung, dass Joshua und Esther M. Lederberg eine von ihnen entwickelte Technik gebrauchten, die man als "replica plating" bezeichnet, schreiben Hartl und Jones 1998, p. 561)(
Die Abbildungen kann ich derzeit wegen der Copyright-Frage nicht wiedergeben):
"In this procedure, a suspension of bacterial cells is spread on a solid medium. After colonies have formed, a piece of sterile velvet mounted on a solid support is pressed onto the surface of a plate. Some bacteria from each colony stick to the fibers, as shown in Figure 13.3A. Then the velvet is pressed onto the surface of fresh medium, transferring some of the cells from each colony, which give rise to new colonies that have positions identical with those on the first plate. Figure 13.3B shows how this method was used to demonstrate the spontaneous origin of phage T1-r mutants. A master plate containing about 107 cells growing on nonselective medium (lacking phage) was replica-plated onto a series of plates that had been spread with about 109 T1 phages. After incubation for a time sufficient for colony formation, a few colonies of phage-resistant bacteria appeared in the same positions on each of the selective replica plates. This means that the T1-r cells that formed the colonies must have been transferred from corresponding positions on the master plate. Because the colonies on the master plate had never been exposed to the phage, the mutations to resistance must have been present, by chance, in a few original cells not exposed to the phage.
The replica-plating illustrates the principle that selective techniques merely select mutants that preexist in a population."
Weiter schreibt von Ditfurth (p. 236) zu den Antibiotikaresistenzen, also jenem Teil der Versuche, die nicht einmal eine Seite in der Lederbergschen Originalarbeit einnehmen:
"Die wichtigste Besonderheit dieses Versuchs besteht darin, dass er jedes Mal klappt, so oft auch immer man ihn mit neuen Bakterien wiederholt. Ohne Rücksicht darauf, welches Antibiotikum man benutzt, in jedem Falle wachsen, von einigen Bakterien ausgehend, auf dem Giftboden Kolonien heran, bei denen es sich um Mutanten handelt, die sich an das neue Milieu zufällig als angepasst erwiesen."
In der schon wiederholt zitierten Originalarbeit von Joshua und Esther M. Lederberg REPLICA PLATING AND INDIRECT SELECTION OF BACTERIAL MUTANTS (Journal of Bacteriology 63, 399-406, 1952) lesen wir jedoch auf Seite 404:
"Only two or three resistants were seen in experiments with 20 or 30 initial plates….The infrequency of sm-resistant mutants hinders the tests for clonal occurrence."
Erst die Kultur 58-278 zeigte eine höhere Mutationsrate, oder wörtlich (1952, p. 404): "culture 58-278, derived from E. coli K-12, has been found to exibit a much higher rate for this mutation, about 10-7 per division (H. P. Treffers, personal communication)".
Ich schließe aus all diesen Detailfehlern von Hoimar von Ditfurth, dass er die oben genannte Originalarbeit der Lederbergs entweder nicht kannte oder aber von der Thematik her mit der Arbeit von M. Demerec PRODUCTION OF STAPHYLOCOCCUS STRAINS RESISTANT TO VARIOUS CONCENTRATIONS OF PENICILLIN von 1945 verwechselt hat.
Ändern aber alle diese Detailfehler etwas an der evolutionären Aussage von v. Ditfurth? Sehen wir uns zunächst noch einmal die oben zitierte Aussage von v. Ditfurth näher an:
"Die wichtigste Besonderheit dieses Versuchs besteht darin, dass er jedes Mal klappt, so oft auch immer man ihn mit neuen Bakterien wiederholt. Ohne Rücksicht darauf, welches Antibiotikum man benutzt, in jedem Falle wachsen, von einigen Bakterien ausgehend, auf dem Giftboden Kolonien heran, bei denen es sich um Mutanten handelt, die sich an das neue Milieu zufällig als angepasst erwiesen."
Es gibt mehr als 6000 natürliche Antibiotika und dazu zahlreiche synthetisch veränderte. ("By 1965 more than 25,000 different antibiotic products had been developed" - L. Garrett 1994, p. 36). Gegen alle diese (und von Zehntausenden anderen Substanzen und von Phagen ganz zu schweigen) müssten demnach in jedem Versuch einige Bakterien resistent sein. D.h. nach dieser (und v. Ditfurths weiterer) Beschreibung müssten in jedem Versuch Zehntausende von Mutanten mit unterschiedlichen und ganz spezifischen Resistenzen auftreten. Dass die Situation jedoch nicht auf diese Weise verallgemeinert werden kann, zeigt schon die obige Bemerkung der Lederbergs aus ihrer Arbeit von 1952:
"Only two or three resistants were seen in experiments with 20 or 30 initial plates….The infrequency of sm-resistant mutants hinders the tests for clonal occurrence."
Weiter bemerkt L. Weinstein zum Thema "Bacterial resistance" (1982, p. 987):
"Resistance to antibiotics does not occur in all organisms or with all drugs. After 25 years of widespread use of penicillin G, for example, no important degree of resistance had developed in species of Streptococcus that usually cause throat infections or in pneumococcus, the most common bacterial cause of pneumonia. In contrast, penicillin-resistantStaphylococcus, which developed within a short time after penicillin was first widely used, are commonly found in hospitalized patients.
Ca. 50% der gesunden Bevölkerung sind Streptococcus pneumoniae (=Pneumococcus) Keimträger (Pschyrembel 1998, p. 1517), also jener Pneumokokken, die für eine Lungenentzündung verantwortlich sein können. Genug Möglichkeiten zur Resistenzentwicklung gegen Penicilline hat es also in den oben erwähnten 25 Jahren schon gegeben. Dennoch besteht die hauptsächliche Therapie bis heute in der Verabreichung verschiedener nicht penicillinase-resistenter Penicilline. Selbst die kritischen Autoren Langbein, Martin und Weiss erwähnen in ihrem Werk (BITTERE PILLEN 1996-1998) noch Natrium-Penicillin G als "Therapeutisch zweckmäßig bei….Lungenentzündung…". Auch die meisten für die Jahre 1999-2001 des gleichen Werkes (unter anderem) gegen Lungenentzündung aufgeführten Penicilline sind nicht penicillinasefest. (Die kleinere Gruppe der penicillinasefesten Penicilline (Staphylokokkenpenicilline), "z. B. Oxacillin, Dicloxacillin, Flucloxacillin, sind wirksam gegen penicillinase-bildende Staphylokokken" - Pschyrembel 1998, p. 1213.)
Pschyrembel (1998, p. 1213) führt ebenfalls das zu injizierende "Penicillin G bei schwer verlaufenden Infektionen" u.a bei Streptokokken-Angina und Pneumonie (Lungenentzündung) auf, auch ist 'bei ambulanten Patienten mit Pneumokokken-Pneumonie Penicillin das Mittel der Wahl' (p.1266; unterstrichen von mir) ('bei allen anderen und insbesondere bei den im Krankenhaus auftretenden bakteriellen Pneumonien' sollte jedoch vor einer Therapie der Erreger isoliert und eine Resistenzbestimmung der Bakterien vorgenommen werden). - Das schließt allerdings nicht aus (und der letzte Punkt deutet vielleicht schon an), dass verschiedene Streptococcus-Stämme gegen Penicillin resistent sein können: Die ersten Fälle solcher Resistenzen wurden Ende der 70er Jahre beschrieben. Die Zeit (Jahrzehnte) und die Ursachen (Plasmid-Übertragung des Penicillinase-Gens) haben jedoch mit dem Lederbergschen Stempelversuch nur noch wenig zu tun (hier handelt es sich sowohl um "alterations in the penicillin-target proteins as well as gene transfer events even between different streptococcal species that are responsible for the spread of resistance determinants" oder: "In bisherigen Studien wurde deutlich, daß Gentransfer zwischen verschiedenen Spezies - S. pneumoniae und verwandten, nicht pathogenen Streptokokken - eine wesentliche Rolle für die Verbreitung von Antibiotikaresistenzen spielt" - R. Hakenbeck, Kaiserslautern).
Pelczar/Chan/Krieg bemerken in ihrem Werk MICROBIOLOGY zum horizontalen Gentransfer bei Bakterien über die Art- und Gattungsgrenzen hinweg (1993, p. 572):
"Transmission of antibiotic resistance by conjugation was first reported independently in 1958 by two Japanese microbiologists, Akiba and Ochiai. They had isolated pathogenic Shigella dysenteriae bacteria from patients with bacillary dysentery and found that some of the cells were resistant to sulfonamides, tetracyclines, streptomycin, and chloramphenicol. Other cells of the same strain of S. dysenteriae showed no such resistance. Where had the resistant cells acquired the genes for their resistance? Akiba and Ochiai showed that the genes had been acquired from conjugation with antibiotic-resistant E.coli cells that resided in the patients' intestinal tracts. Transfer of antibiotic resistance by bacterial conjugation has subsequently been observed in other species of bacteria and in other parts of the world."
Und Bachmann et al. schreiben (1998, p. 9082):
"The principal cause of bacterial resistance to penicillin and other
Wenn weiter (zumindest für die Anzahl der 'Phänotypen') "die hohe Nachkommenszahl eines einzelnen Bakteriums schon innerhalb von 24 Stunden das Auftreten nahezu jeder möglichen Mutation" garantiert (Czihak/Langer/Ziegler 1992, p. 196; kursiv von den Verfassern), dann deuten auch die in solchen Versuchen nicht-auftretenden Resistenzen zugleich auf Grenzen der durch Mutagenese erzeugbaren Resistenz-Mechanismen hin (Gesetz der rekurrenten Variation).
Nach den Berechnungen von Klaus Wittlich (Mathematik/Physik) (persönliche Mitteilung am 26. 4. 2000) beläuft sich die Anzahl der in 24 Stunden auftretenden Mutationen für E. coli (mit 3 Teilungen pro Stunde und bei einer durchschnittlichen Mutationsrate von 10-8 pro Gen und Generation und 10-11 pro Nucleotid und Generation) auf 9,44 x 1013 Mutationen pro Gen und 9,44 x 1010 pro Basenpaar. Mit anderen Worten mutiert an nur einem einzigen Tag jedes einzelne Gen von E. coli rund 100 Billionen Mal, - und jedes einzelne Nukleotid wird rund 100 Milliarden Mal substituiert. [Nachtrag: Nach Knippers 1997, p. 231, ereignet sich "ein Nucleotid-Austausch pro 109-1010 Basenpaare/Generation", die Mutationsrate ist demnach 10 bis 100mal höher als für die obige Kalkulation angenommen und es ist entsprechend hoch zu rechnen]. Und dennoch sind die Mutationen nicht die Hauptursache für die Resistenzerscheinungen bei Bakterien:
"Most examples of antibiotic resistance in pathogenic bacteria are not the result of a mutation that alters the protein that the antibiotic attacks, although this mechanism can occur in laboratory experiments" (Kadner 1997, p. 585; unterstrichen von mir).
"Grundlagen der Resistenzentwicklung sind Mutationen, Rekombinationen (beides selten) und (häufig) der Erwerb von Plasmiden, die Resistenzgene tragen" (Zetkin/Schaldach 1999, p. 1724; unterstrichen von mir).
Der Hauptgrund dafür ist, dass die Zahl der Bakterien für das Auftreten jeder möglichen Mutation (alle Kombinationen durch!) - und damit für die gesetzmäßig-mutative Erzeugung der für die Antibiotikaresistenzen notwendigen, spezifischen DNA(-Plasmid)-Sequenzen - wesentlich größer sein müßte als die Zahl der Atome des Universums (vgl. Wittlich 1998: Über die Wahrscheinlichkeit der zufälligen Entstehung brauchbarer DNA-Ketten). Dagegen sind die oben genannten Zahlen vernachlässigbar klein.
Bleibt als Zwischenbilanz erst einmal festzuhalten, dass zwei Generalisationen Ditfurths wie folgt relativiert werden müssen: (1) was für Bakterien gilt, trifft nicht notwendigerweise auf alle Organismen zu; (2) das durch Mutationen bedingte Auftreten der Resistenzen weist bei Bakterien offenbar nicht die von v. Ditfurth behauptete allgemeine Größenordnung auf (das war jedoch eine wesentliche Grundlage für seine generalisierende neodarwinistische Aussage). Vielmehr spielt hier der plasmidbedingte horizontale Gentransfer über die Art- und Gattungsgrenzen hinweg eine ganz entscheidende Rolle (Plasmide sind dagegen bei Eukaryoten von untergeordneter Bedeutung und natürlicher, horizontaler Gentransfer ist bei letzteren die ganz seltene Ausnahme). Die Frage jedoch, inwieweit v. Ditfurths unzutreffende Verallgemeinerungen etwas an seiner evolutionären Aussage ändern, ist damit noch nicht vollständig beantwortet. Wir lesen weiter (direkt anschließend an das letzte oben wiedergegebene Zitat von v. Ditfurth, pp.236):
"Was das bedeutet, kann man erst voll würdigen, wenn man berücksichtigt, wie kompliziert die Leistungen sind, auf denen eine solche Resistenz beruht. Penicillin, Tetracyclin und all die vielen anderen Antibiotika, die es heute gibt, sind außerordentlich spezifisch wirkende Gifte. "Spezifisch" bedeutet hier, dass sie nur an ganz bestimmten chemischen Verbindungen angreifen, oder dass sie nur ganz bestimmte einzelne Stoffwechselschritte blockieren. Ohne eine solche Spezifität der Wirkung wäre kein Antibiotikum als Heilmittel zu gebrauchen. Ohne sie würden sie selbstverständlich auch die Zellen des menschlichen Organismus in ihrer Funktion stören und damit schädigen. Ihre medizinische Verwendbarkeit beruht gerade darauf, dass sie Stoffwechselfunktionen stören oder Zellwandbestandteile chemisch auflösen, die nur in Bakterienzellen vorkommen, nicht aber bei Zellen eines menschlichen Organismus."
Obwohl zum Teil richtig, ist dazu doch ein Wort zur Vorsicht angebracht: "No antibiotic developed thus far is free of the potential to produce undesirable effects" (Weinstein). Zur Auflistung potentieller und aktueller Nebenwirkungen der gebräuchlichen Antibiotika vgl. man Langbein/Martin/Weiss 1999. Und: "Since 1940, many…antibiotics have been isolated and identified, and new antibiotics are still being discovered today. Unfortunately, most of them not only inhibit pathogenic microorganisms but are also toxic to human tissue; thus many are of no practical importance for treatment or disease" (Pelczar/Chan/Krieg 1993, p. 595).
Tatsächlich sind nur etwa 1 Prozent der natürlich vorkommenden Antibiotika klinisch einsetzbar.Weiter schreibt Hoimar von Ditfurth (pp. 236/237):
"Die "Sicherung" vor der zerstörenden Wirkung eines Antibiotikums gelingt einer Bakterienzelle also nur durch die Umstellung komplizierter Stoffwechselfunktionen. Einige von ihnen bringen es sogar fertig — durch Zufallsmutationen! - , Enzyme zu produzieren, welche die Antibiotika auflösen, von denen sie bedroht werden. Hier entstehen also gezielt wirkende und höchst kompliziert funktionierende chemische Abwehrwaffen durch die „Mutations-Lotterie"" (Hervorhebung im Schriftbild von mir).
Nach Hinweis, dass es noch immer große Schwierigkeiten bereitet, sich vorzustellen, wie solche Leistungen im einzelnen zustande kommen und "dass für diese Unfähigkeit letzten Endes Gründe maßgeblich sein dürften, die in unserer psychischen Konstitution zu suchen sind", bemerkt der Autor (p. 238):
"Andererseits beweist der Lederbergsche Stempelversuch klipp und klar, "dass es geht", dass die Entstehung von Ordnung, zweckmäßiger Anpassung und Erwerb neuer, überlegener Lebensfunktionen durch ungerichtete Mutationen möglich ist" (Hervorhebung im Schriftbild wieder von mir).
Und auf der Seite 239 lesen wir:
"So informiert uns auch das Experiment Lederbergs unmissverständlich über eine Tatsache der Natur, die gültig ist und die wir hinzunehmen haben, unabhängig davon, ob sie uns einleuchtet oder wie plausibel sie uns erscheinen mag" (Hervorhebung von mir).
Die evolutionäre Aussage von v. Ditfurth ist unmissverständlich: Der Lederbergsche Stempelversuch ist der experimentelle Beweis für die postulierte Gesamt-Evolution von Moneren bis zum Menschen durch Mutation und Selektion. Denn in jedem einzelnen, neuen Stempelversuch entstehen durch Zufallsmutationen Tausende von 'Umstellungen komplizierter Stoffwechselfunktionen', auch "neue Enzyme", "also gezielt wirkende und höchst kompliziert funktionierende chemische Abwehrwaffen". Und weiter sei "die Entstehung von Ordnung, zweckmäßiger Anpassung und Erwerb neuer, überlegener Lebensfunktionen" zu konstatieren. Mit einem Wort, wir haben mit dem Lederbergschen Stempelversuch den experimentellen Beweis für die Makroevolution. Irgendwelche Schwierigkeiten, das zu akzeptieren, liegen in unserer mangelhaften psychischen Konstitution.
Welche Zweifel an dieser "Tatsache der Natur" könnte ein Leser noch haben, der mit dieser Materie nicht gründlich vertraut ist. Ein jugendlicher Leser z.B. kann wohl überhaupt nur noch den Eindruck mitnehmen, dass die Evolution von Prokaryoten bis zum Menschen (dessen Evolution in diesem Zusammenhang auch auf S. 238 ausdrücklich angesprochen wird) durch Mutation und Selektion absolut sicher bewiesen ist.
Wird diese evolutionäre Behauptung mit dem Lederbergschen Stempelversuch nun tatsächlich bewiesen? Sehen wir uns den Hauptbeweis von v. Ditfurths Aussagen noch etwas genauer an.
"Die "Sicherung" vor der zerstörenden Wirkung eines Antibiotikums gelingt einer Bakterienzelle also nur durch die Umstellung komplizierter Stoffwechselfunktionen. Einige von ihnen bringen es sogar fertig — durch Zufallsmutationen! - , Enzyme zu produzieren, welche die Antibiotika auflösen, von denen sie bedroht werden. Hier entstehen also gezielt wirkende und höchst kompliziert funktionierende chemische Abwehrwaffen durch die "Mutations-Lotterie"."
"Andererseits beweist der Lederbergsche Stempelversuch klipp und klar, "dass es geht", dass die Entstehung von Ordnung, zweckmäßiger Anpassung und Erwerb neuer, überlegener Lebensfunktionen durch ungerichtete Mutationen möglich ist."
Die Lederbergsche Stempeltechnik ist in der Bakteriengenetik seit der Mitte des 20. Jahrhunderts als Standardmethode für zahlreiche weitere wissenschaftliche Fragen ("fermentation characters, nutritional requirements, or any characteristic for which a selective or indicator agar medium can be devised" - Lederberg und Lederberg, p. 400) in Laboratorien in aller Welt wohl schon millionenmal praktiziert worden. Nach v. Ditfurth müßten dann in diesen Versuchen auch schon millionenmal neue Gene und Enzyme etc. entstanden sein. Wenn also die Makroevolution durch die ununterbrochene Bildung neuer Enzyme, neuer Ordnung, neuer Anpassungen und dem Erwerb überlegener Lebensfunktionen durch Mutation und Selektion mit dem Lederbergschen Stempelversuch praktiziert und bewiesen wird — warum, so darf man sich fragen, hat sich dann E. coli noch nie in etwas ganz anderes als E. coli entwickelt?
Wenn wir hier die Makroevolution tatsächlich experimentell in den Griff bekommen hätten, dann müsste nicht nur die Entwicklung von E. coli zu völlig anderen Bakterienarten und -Gattungen, sondern auch die experimentelle Darstellung der Höherentwicklung zu ganz anderen, neuen Lebensformen, möglich sein. Die Entstehung neuer Enzyme impliziert auch die Entstehung neuer Gene. Die Liste der Gene und Enzyme müsste — wenn die obige Beschreibung von v. Ditfurth auch nur annähernd richtig wäre — für E. coli und den davon abgeleiteten neuen Formen laufend erweitert werden.
Das Genom von E. coli K-12 wird jedoch mit 4288 Genen ("protein-coding genes") und "4,639,221 base pairs" angegeben (Science 277, pp. 1453-1474, 5. Sept. 1997). Wenn diese Werte auch durch horizontalen Gentransfer, Deletionen, Duplikationen etc. schnell relativ geringfügig verändert werden können, so sind sie doch im großen und ganzen sehr konstant.
Fassen wir zusammen (und ergänzen), was auf molekularer Ebene bei den Antibiotikaresistenzen geschieht:
(1) In den Lederbergschen Experimenten werden in der Regel durch Punktmutationen Allele von vorhandenen Genen gebildet, d. h. die bestehenden Gene und Enzyme werden geringfügig so abgewandelt (häufig nur eine einzige Nukleotid- und Aminosäuresubstitution!), dass ein Antibiotikum nicht mehr in das Gefüge des bakteriellen Stoffwechsels eingreifen und diesen blockieren kann. Im Vergleich zu den ursprünglichen Enzymen (den Wildtypenzymen) arbeiten jedoch die meisten dieser "neuen" Enzyme nicht so effizient, d. h. die Enzymkinetik und -Effektivität ist herabgesetzt, so dass bei Ausfall des Antibiotika-Selektionsdrucks diese Linien in der Regel wieder zurückmutieren - ein Problem, welches schon von den Lederbergs diskutiert worden ist. (Den in weit über den Rahmen des Lederbergschen Stempeltests hinausgehenden Untersuchungen festgestellten (bleibenden) Rest mutativ bedingter Veränderungen kann man wohl am besten als "horizontale Mikroevolution" klassifizieren.)
Beispiel: "Die Resistenz gegen das Antibiotikum Spektinomycin hängt mit der Struktur des sogenannten S5-Proteins der kleinen Ribosomen-Untereinheit zusammen. Dort bindet das Antibiotikum. Eine Mutation führt zum Austausch der Aminosäure Serin gegen Prolin an einer bestimmten Stelle des S5-Proteins. Dieser Austausch hat eine Veränderung der Raumstruktur des Proteins zur Folge, von der auch die Bindungsstelle für das Spektinomycin betroffen ist. Dadurch kann das Antibioticum nicht mehr am S5-Protein "angreifen"" (Junker und Scherer 1998, 2001, p. 109).
(2) Bereits vorhandene Gene werden vervielfacht. Damit werden ausreichende Mengen von Enzymmolekülen produziert, um das Antibiotikum abzubauen. Als Beispiel diene das auch für den Menschen gefährliche Chloramphenicol, gegen welches sich Bakterien wie folgt wehren können:
"Das Enzym Chloramphenicol-Acetyltransferase (CAT) ist normalerweise in sehr geringer Konzentration in der Zelle vorhanden. Als Anpassung an steigende Antibiotika-Konzentrationen erfolgt eine Vervielfachung des CAT-codierenden Resistenzgens. Auf diese Weise kann die CAT in höherer Konzentration auftreten und somit das Chloramphenicol schneller entgiften. Verringert sich die Konzentration des Antibiotikums, wird die Genvervielfältigung allerdings wieder rückgängig gemacht" (Junker und Scherer 1998, 2001, p. 113).
(3) Viele Resistenzen entstehen hingegen durch den totalen Funktionsausfall bestimmter Enzyme. Der Grund für die Resistenzerscheinungen liegt in diesen Fällen darin, dass das Antibiotikum oder andere Stoffe nicht mehr aufgenommen werden können. Lengeler schreibt in seiner Arbeit Characterization of Mutants of Escherichia coli K12, Selected by Resistance to Streptozotocin (1980, p. 50 und p.49: Summary):
"Antibiotics usually enter bacterial cells by means of preexisting carbohydrate-, amino acid-, or ion-specific transport systems, whose natural substrates they mimic (Brown, 1977). Consequently, mutants deficient in one of these transport systems are resistant to an antibiotic entering through this system."
"From cultures of sensitive bacteria, treated with the antibiotic streptozotocin, two classes of resistant mutants can be isolated: 1) mutants, resistant under all conditions tested to even the highest doses of the antibiotic. These are either pleiotropic-defective pts-mutants, or more frequently, mutants lacking a transport system (enzyme IINag-complex of PEP-dependent phosphotransferase system) encoded by the gene nagE. This gene is inducible by N-acetyl-glucosamine and seems to be part of the nag operon. The transport system in question is responsible for the uptake of N-acetyl-glucosamine, of D-glucosamine and of streptozotocin; 2) conditional resistant mutants which are unable to energize or to synthesize the streptozotocin transport system under certain growth conditions but do have the transport activity under other conditions. These include a) mutants auxotrophic for amino acids, vitamins, or nucleotides, b) mutants negative or sensitive to carbohydrates in the medium, and c) mutants with defects in energy metabolism such as PEP synthesis" (Hervorhebungen im Schriftbild wieder von mir).
Und in diesem Zusammenhang sei auch an die schon in der Zusammenfassung zitierte Bemerkung von Mobashery und Azucena (2000, ELS) erinnert: "Mutations that reduce production of specific channels make certain Gram-negative cells less permeable to specific agents. For example, some P[seudomonas] aeruginosa variants exhibit resistance to imipenem, a carbapenem antibiotic, as these strains have lost the porin channel that normally permits transit of this antibiotic."
Der nächste Punkt, nämlich die häufigste Ursache für Antibiotikaresistenzen bei Bakterien, geht bereits über den Lederbergschen Stempelversuch hinaus:(4) Durch horizontalen Gentransfer (über Plasmide/Transposons) können bei Bakterien schon vorhandene Resistenzgene übertragen werden (der folgende, erste Satz sei wegen seiner Schlüsselbedeutung wiederholt):
"Most examples of antibiotic resistance in pathogenic bacteria are not the result of a mutation that alters the protein that the antibiotics attacks, although this mechanism can occur in laboratory experiments. Instead, antibiotic resistance in nature usually involves the production by the bacterium of enzymes that alter the antibiotic, rendering it inactive. The major factor in the spread of antibiotic resistance is transmissible plasmids, which carry the genes for drug-inactivating enzymes from one bacterial species to another. Although the original source of the gene for these enzymes is not known, mobile genetic elements (transposons) may have played a role in their appearance and may also allow their transfer to other bacterial types" (R.J.Kadner 1997, p. 585 in: Encyclopaedia Britannica Vol. 14; Hervorhebung im Schriftbild von mir).
Laurie Garret veranschaulicht das Ausmaß des horizontalen Gentransfers bei Bakterien wie folgt (man beachte dabei besonders die Reihenfolge, in der sie die verschiedenen Punkte aufführt)(1994, p. 431):
"The tricks commonly used by bacteria to spread or absorb helpful genes included plasmids, sexual conjugation, transposons within their own genomes, and mutations at single sites along their DNA. The world, it turned out, was awash with highly mobile segments of DNA. And bacteria were terrific scavengers. Keeping track of all the newly discovered plasmids and mobile DNA pieces seemed an impossible task, though in 1993 the World Health Organization issued contracts to research groups bent on trying.
Thomas O'Brian, whose Harvard Medical School laboratory was among those toiling for WHO to catalogue the world's plasmids, declared in 1992 that what the whorld faced was not so much an antibiotic resistance crisis as an "epidemic of plasmids"."
Ein weiterer Gentransfer-Mechanismus bei Bakterien sei hier kurz noch erwähnt: Die virulente EHEC-Linie von E.coli hat durch Bakteriophagen mehrere Gene von Shigella dysenteriae (dem Ruhr-Erreger) erhalten: "These toxin genes are transferred between bacteria on bacteriophages acting as "molecular carpetbaggers" - David W. K. Acheson: E. coli O157:H7 and other shiga-toxin producing bacteria - are these important pathogens? - Siehe Internet unter EHEC plus Acheson).
Abgesehen von der Nichtgeneralisierbarkeit der Situation bei Bakterien, sei in diesem Zusammenhang die folgende Bemerkung erlaubt: Wenn nicht einmal durch horizontalen Gentransfer aus E. coli und anderen Bakterien völlig neue Organismen entstehen - bzw. Makroevolution (Entstehung neuer Typen des Lebens) nachweisbar ist - wieviel weniger dann durch die Mutationen des Lederbergschen Stempelversuchs!
EHEC gilt allgemein als Linie ("strain") von E. coli - und das zurecht, denn bis auf die übertragenen neuen Gene ist EHEC weitgehend mit K12 identisch: In der Zahl und Funktion der Gene dürften die Werte bei annähernd 100% liegen (die Frage nach Deletionen und horizontalem Gentransfer älteren Datums ist jedoch meines Wissens noch nicht ausreichend untersucht). Nach neuesten Ergebnissen von Reid et al.(2000) liegt die Variabilität auf der Sequenzebene von 7 "housekeeping genes" bei 21 untersuchten Linien (strains) von E. coli zwischen "1% and 8% at both the nucleotide and the amino-acid level". Untersucht wurden "14 strains representing common clones of enteropathogenic E. coli (EPEC), an important cause of infantile diarrhoea in the developing world, and enterohaemorrhagic E. coli (EHEC), one of the primary food-borne pathogens in the industrialized world" sowie "strains of other Shigatoxin-producing E. coli serotypes and laboratory strain K-12" (Reid et al. 2000, p.64). Die Pathogenität ist jedoch in erster Linie auf den horizontalen Gentransfer zurückzuführen und nicht auf die im Laufe der Zeit erfolgten Punktmutationen oder auf eine ursprüngliche Virulenz: "Comparison of the distribution of specific genes that mark mobile elements associated with virulence (Table 1) supports the hypothesis that the high virulence of clones is a recent, derived state resulting from acquisition of virulence genes rather than an ancestral condition of primitive E. coli " (Reid et al. 2000, p. 65). Nach Berechnungen der Autoren begann jedoch die Radiation von E. coli- Klonen ("radiation of clones") vor etwa 9 Millionen Jahren und wäre damit älter als die hypothetische Trennung der Linien von Mensch, Gorilla und Schimpanse (Beginn der Linien von K12 und EHEC aus gemeinsamem E. coli- Vorfahren jedoch 'erst' vor 4,5 Millionen Jahren). - Interessant ist weiter, dass "old lineages" von E. coli "the same virulence factors in parallel" (p. 64) erworben haben (rekurrente Variation!): "The phylogenetic analysis suggests that gain and loss of mobile virulence elements has occurred several times, and in parallel in separate lineages of pathogenic E. coli" (Hinweis auf Fig. 3b; Reid et al. p. 66) (Hervorhebung im Schriftbild im Zitat von mir).
Die beiden folgenden Punkte beschreiben Möglichkeiten, die (nach meinem gegenwärtigen Stand des Wissens) für Antibiotikaresistenzen noch weiter zu eruieren sind:
(5) Bakterien können durch die konstitutive Synthese eines Stoffwechselwegs über "neue" Reaktionswege verfügen. Junker und Scherer erläutern das Prinzip (1998, 2001, p. 110) wie folgt:
"Das Enzym C sei relativ spezifisch, d.h. es kann nur den Stoff Y sehr gut umsetzen. Der chemisch ähnliche Stoff S kann zwar mit sehr geringer Reaktionsgeschwindigkeit durch das Enzym C zum Produkt I umgesetzt werden (geringe Substrataffinität), ist aber nicht in der Lage, die Synthese der Proteine A, B und C zu induzieren. So kann der Stoff S von der Wildtypzelle nicht genutzt werden. Eine Mutation im Operator kann nun zur Folge haben, daß der Repressor nicht mehr an den Operator binden kann. Dadurch kommt es zur konstitutiven (andauernden) Synthese der Enzyme A,B und C. Enzym C kann jetzt in Abwesenheit von W bis zum 1000fachen seiner sonstigen Konzentration vorliegen. Damit ist die Umsetzung des Stoffes S zum Stoff I möglich. Der Stoff I hingegen kann durch das von einem zweiten Operon gebildete Enzym E zum Produkt P umgewandelt werden. Durch eine einzige Mutation verfügt das Bakterium damit über den "neuen" Reaktionsweg S->I->P und kann mit S als einziger Kohlenstoffquelle leben" (Hervorhebungen im Schriftbild wieder von den Verfassern).
Ist der Stoff S ein Antibiotikum, so kann es durch diesen "neuen" Reaktionsweg abgebaut werden.
(6) Wie anfangs schon erwähnt, besteht bei Bakterien als weitere (zur Zeit noch recht umstrittene) Möglichkeit das Auftreten gezielter Mutationen
(Stahl 1988, Garret 1994, Thaler 1994, Sniegowski und Lenski 1995). L. Garret berichtet (1994, p. 586):"In 1994 the Cairnsian view of directed mutation got a boost from experiments performed at Rockefeller University and the University of Alberta, Canada. Researchers first confirmed Cairn's initial experiments, showing that there was a specialized pathway of mutations that was switched on during E.coli starvation. Further, they showed that genetic recombination and resultant adaptive mutation occurred in the absence of bacterial reproduction. In other words, bacteria altered themselves not just through a process of random, error-prone reproduction that eventually yielded a surviving strain - the classic Darwinian view. In addition, they changed themselves in some concerted manner, without reproducing" (kursiv von der Verfasserin).
Zu dieser Hypothese sind viele Einwände erhoben worden, die ich aber an dieser Stelle nicht diskutieren kann.
In keinem Falle entstehen jedoch bei den Resistenzerscheinungen E. colis und anderer Bakterienspezies durch Mutationen wirklich neue Gene und Enzyme. Die neue durch Mutation und Selektion erworbene Ordnung liegt in der Regel auf einem niedrigeren Enzymkinetik-Niveau. Viele dieser Resistenzen entstehen sogar durch den totalen Funktionsausfall bestimmter Enzyme. - Der Erhalt dieser "überlegenen Lebensfunktionen" ist an die anomalen Antibiotika-Umwelten gebunden. Nach Wegfall dieser Umweltfaktoren treten regelmäßig Reversionen auf. Mit dem Lederbergschen Stempelversuch kann man zwar Mikroevolution demonstrieren (auch horizontale), aber keine Makroevolution.
Junker und Scherer fassen ihre Ausführungen zum Thema Laborevolution bei Bakterien wie folgt zusammen (1998, 2001, p. 113) (Scherer ist Professor für Mikrobiologie an der Technischen Universität München):
Die Frage nach der Makroevolution hat hingegen eine ganz andere Dimension. Dieses Problem diskutieren Junker und Scherer zum Thema WAHRSCHEINLICHKEIT DER ENTSTEHUNG EINER MOLEKULAREN MASCHINE in Verbindung mit der Entstehung des Elektrorotationsmotors von E. coli auf den Seiten 128 bis 134 ihres Buches (unter Zugrundelegung von leider noch "grob falschen Annahmen", insbesondere zur neutralen Evolution). An anderer Stelle (Lönnig 1993, 1998) habe ich ausführlich diskutiert, warum bei der Neubildung solcher komplex-synorganisierter Strukturen - hier die genaue Abstimmung der spezifischen Sequenzen und raum-zeitlichen Expression von mehr als 48 Genen mit insgesamt über 60 000 Basenpaaren und der Synorganisation zahlreicher anatomischer Strukturen und Funktionen plus Chemotaxis - die intelligente DNA-Programmierung als naturwissenschaftliche Hypothese ins Spiel kommt (vgl. dazu weiter die hervorragenden Ausführungen von Michael J. Behe 1996 und besonders zu methodischen Fragen William A. Dembski 1998a und b). Nach den Ausführungen der oben genannten (und weiterer) Autoren kann man mit den Mutationen des Lederbergschen Stempelversuchs zum Beispiel die Entstehung des Elektrorotationsmotors grundsätzlich nicht erklären.
Wir kommen mit dieser Thematik kurz auf das anfangs erwähnte Problem zurück, inwieweit die an Bakterien gewonnenen wissenschaftlichen Erkenntnisse für alle Organismen verallgemeinert werden dürfen.
Haldane's Dilemma zeigt uns, dass selbst dann, wenn bei Bakterien Makroevolution durch Mutation und Selektion nachgewiesen werden könnte, eine Extrapolation auf den Ursprung komplexer neuer Strukturen bei 'höheren' Organismen mit relativ geringer Nachkommenzahl keineswegs selbstverständlich wäre (vgl. auch oben die Unterschiede zwischen Pro- und Eukaryoten).
Walter James ReMine führt uns (1993, p. 208) wie folgt in die Problematik ein:
"In the 1950s the evolutionary geneticist, J.B.S. Haldane, calculated the maximum rate of genetic change due to differential survival. He reluctantly concluded there is a serious problem here, now known as Haldane's Dilemma. His calculations show that many species of higher vertebrates could not plausibly evolve in the available time."
"Evolution requires the substitution of old prevalent traits with new rare traits. There are limits to the rate these substitutions can occur, limits that depend primarily on the reproductive capacity of the species. Haldane's Dilemma examines these limits.
Imagine a breeding population of 100,000 individuals. Imagine 99,998 have the old trait O, and two (a male and a female) have the new trait N. Imagine trait N has just arisen from O by beneficial mutation. The evolutionary goal is to substitute trait N for trait O in the population. To accomplish this goal, differential survival must eliminate the 99,998 type O individuals and all their heirs.
This can be accomplished in a single generation if there is perfect selection. (That is, if the survival values of O and N are 0 and 1 respectively.) Yet, there is an enormous cost involved. For every surviving type N individual there are 49,999 individuals (type O) that must perish without heirs. The population must be regenerated from the two survivors."
Wie der Lederbergsche Stempelversuch zeigt, ist eine solch perfekte Selektion im Prinzip für Bakterien mit 20 Minuten Generationsdauer und geometrischer Vermehrungs-Reihe etc. kaum ein Problem. Bei Organismen wie dem Elefanten mit relativ seltenen Mutationen in kleinen Populationen mit geringer Nachkommenzahl stößt die Substitution von Allelen jedoch sehr bald an ihre Grenzen. Dobzhansky hat das Problem wie folgt charakterisiert (1977, pp. 163/164):
"In 1957 Haldane analyzed the consequences of this situation. During the passage of a favorable mutant from its origin to fixation many individuals have to suffer genetic death; the number of such individuals is generally much greater than the number of individuals alive in any one generation. Crow and Kimura (1970) give the following example of gene substitution: "if the typical allele has an initial frequency of 10-4, a population of one million individuals will have to have nine million genetic deaths each generation if it is to substitute an average of one allele per generation. Or more probably, if there is to be a gene substitution every 100 generations, the average fitness will be lowered by 0.09." Now, in evolution many genes must be changed to transform one species into another. Granted that most living species produce numbers of progeny far in excess of those needed to have the population survive, it is difficult to understand how evolution can happen at such an enormous cost in genetic deaths. Haldane saw clearly that he was confronted by a dilemma. In his words, I am quite aware that my conclusions will probably need drastic revision. But I am convinced that quantitative arguments of the kind here put forward should play a part in all future discussions of evolution.""
Die zu diesem Problem vorgetragenen Lösungsversuche sind von Walter James ReMine detailliert diskutiert worden (1993, pp. 208-253 und 499-507). Das Ergebnis von ReMines gründlichen Recherchen lautet in Übereinstimmung mit Haldanes Studien, dass insbesondere bei höheren Organismen die Kosten für eine kontinuierliche Evolution durch Mutation und Selektion zu hoch sind und hier ein schweres Problem für den Neodarwinismus vorliegt. (Das soll nicht bedeuten, dass Haldane's Dilemma nicht auch auf Bakterien zutrifft, doch ist hier noch Folgendes zu berücksichtigen: "Ordinarily, microorganisms are effectively haploid and therefore have no recessive or semi-dominant genes. All their genes are 'dominant', and so incur the lowest cost of substitution" - ReMine, p. 224.)
Um dem eventuellen Missverständnis einer persönlich motivierten ad hominem Kritik gegen Hoimar von Ditfurth mit vorliegendem Aufsatz vorzubeugen, möchte ich mit folgender Bemerkung abschließen: In den 1970er Jahren habe ich fast regelmäßig v. Ditfurths populärwissenschaftliche Sendungen (Querschnitte) verfolgt. Neben ganz hervorragenden Sendungen - so zum Beispiel über das Rätsel des Vogelzugs mit Interviews des Tübinger Zoologen Klaus Schmidt-König - waren seine Aussagen zum Thema Evolution jedoch fast immer falsch. So erinnere ich mich noch gut daran, wie v. Ditfurth mit dem Brustton der Überzeugung einige Zeit vor der (unbemannten) Viking-Expedition zum Mars (Start 1975, Landung 1976) seinem Millionenpublikum die erwarteten Evolutionsergebnisse auf diesem Planeten mit anschaulichen Bildern in Form seestern- (und anders-)artiger Petro- und Kryophagen (zu Deutsch: Stein- und Eisfresser) vorgestellt hatte, - und ich nahm mit großer Skepsis zur Kenntnis, wie er unbewiesene Thesen als Tatsachen darstellte. Zurecht, wie sich später herausstellte: denn nicht einmal die Entstehung von mikrobiellem Leben konnte auf dem Mars nachgewiesen werden ("Experiments designed to detect evidence of living organisms provided no convincing evidence of life on the surface of the planet" - Encyclopaedia Britannica 1997, Bd. 12, p. 367). Persönlich war er mir jedoch nie unsympathisch: Er hatte vielmehr für mich als jungen Mann eine fesselnde Art, seine Aussagen überzeugend darzustellen - auch dann, wenn er mit seinen Behauptungen total daneben lag. Ich habe also die vorliegende Abhandlung nicht als ad hominem Kritik gegen Hoimar von Ditfurth geschrieben, sondern um einige im Namen der Naturwissenschaft weit verbreitete Irrtümer richtig zu stellen.
Diskussion von Einwänden zum vorliegenden Beitrag
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