Von Hanno Charisius

Seit 21 Jahren verfolgen Biologen einen Bakterienstamm sowie seine Nachkommen und beobachten dramatische evolutionäre Sprünge der Mikroben.

In einem Labor der Michigan State University in East Lansing, hinten in der Ecke, tanzt ein Tisch. Seit 21 Jahren ist der sogenannte Schüttel-Inkubator mit den darauf festgeschnallten Glaskolben die Heimat von zwölf Kulturen von Escherichia-Coli-Bakterien. Sie stammen alle von einer einzelnen Zelle ab; ihre Klone hat Richard Lenski am 24.Februar 1988 in zwölf Fläschchen mit Nährlösung gegeben. Seitdem verfolgt der Biologe die Evolution im Zeitraffer, denn seine zwölf Kulturen haben mittlerweile fast 50.000 Generationen hinter sich. Die ursprünglich bis auf ein Marker-Gen identischen Kulturen haben längst unterschiedlich große Bakterien mit neuen Fähigkeiten hervorgebracht. Alle teilen sich unter den Bedingungen in Lenskis Labor schneller als ihr Urahn.

Jeden Morgen geschieht im Labor das Gleiche: Der Mitarbeiter vom Dienst tritt an den Rütteltisch, nimmt mit einer Pipette einen Zehntel Milliliter aus jeder Kulturflasche heraus und beimpft damit jeweils einen Kolben mit frischer Nährlösung. Diese stellt er in den Inkubator und gibt den Bakterien bei kuscheligen 37 Grad Celsius einen weiteren Tag lang Zeit und Energie, sich sechs- oder siebenmal zu teilen. Alle 500 Generationen werden Proben eingefroren, um sie später mit Vorfahren und Nachkommen vergleichen zu können.

Lenskis Experiment ist schon aufgrund seiner Dauer einzigartig. An keinem anderen Lebewesen könnten Forscher die Evolution so lange so detailliert verfolgen wie an Bakterien. Menschen bräuchten eine Ahnenreihe von einer Million Jahren, um 50.000 Generationen zu vollenden. "Wir messen den Prozess, den Charles Darwin entdeckte, indem wir die jüngsten Bakteriengenerationen gegen ihre Vorgänger antreten lassen", sagt Lenski. "Stellen Sie sich vor, wir würden den Homo erectus wiederbeleben und gegen ihn im Fußball oder im Schachspiel antreten."

Mit dem ganzen Aufwand möchte der Biologe eine der zentralen Fragen seiner Wissenschaft beantworten: Strebt die Evolution einem Ziel entgegen oder verläuft sie vollkommen chaotisch? Heute sieht er viele Parallelen unter seinen Kulturen, aber auch pointierte Unterschiede. Vieles, was in den Kolben passiere, "widerspricht der Intuition", sagt Lenski, der soeben eine Zwischenbilanz über 40.000 Generationen E. coli veröffentlicht hat (Nature, online).

In den ersten Monaten seines Experiments verlief der Anpassungsprozess in allen zwölf Linien am schnellsten. Die einzelnen Zellen wurden größer und wuchsen schneller als ihre Urahnen zu Beginn des Experiments. Das Tempo der Veränderung und die maximale Größe war jedoch in jedem der Gefäße anders. Um die Mikroben herauszufordern, gab Lenski nur eine geringe Menge Zucker als Futter in die Nährlösung, das bereits nachmittags verbraucht war. Dieser Mangel verschaffte den Schnellentwicklern unter den Bakterien einen Vorteil.

In den Kolben vollzieht sich der von Darwin beschriebene Doppelschritt der natürlichen Selektion. Die normalerweise im Darm lebenden Mikroben entwickeln zufällige Mutationen in ihren Genen. Und wenn es ihnen diese Veränderung im Erbgut erlaubt, sich besser fortzupflanzen, haben sie schon bis zur nächsten Fütterung vier oder fünf Zellteilungen lang die Chance, den Vorteil auszubauen. "Auf der einen Seite sind Mutationen Zufallsereignisse, sodass sich die einzelnen Zelllinien tendenziell auseinander entwickeln", sagt Lenski. Auf der anderen Seite bevorzugten die Selektionsmechanismen die gleichen Anpassungen in jedem der Gefäße. "Wir haben deshalb viele Fälle von paralleler Evolution gesehen."