Wo Darwin noch erschauderte

Ein Forscherteam erklärt den Ursprung des menschlichen Auges

Wo kommen die Augen her? Gehen sie alle auf ein Modell zurück oder gab es viele verschiedene unabhängige Neuerfindungen im Verlauf der Evolution? Diese Fragen beschäftigen die Wissenschaft schon seit vielen Jahrzehnten. Forscher des Europäischen Laboratoriums für Molekularbiologie haben darauf jetzt eine Antwort gefunden. In der aktuellen Ausgabe von Science erklären sie die stammesgeschichtliche Herkunft des menschlichen Auges.

"Der Gedanke an das Auge lässt mich am ganzen Körper erschauern", laut der Internet-Enzyklopädie Wikipedia soll kein anderer als Charles Darwin diesen Satz gesagt haben. Tatsächlich haben Kritiker der Evolutionstheorie vor allem das Auge als Gegenargument angeführt, und Darwin selbst war immer wieder ins Zweifeln darüber geraten, ob dieses so perfekte und komplizierte Organ allein durch spontane Mutation und natürliche Selektion entstanden sein könne.

Darwins Dilemma

Detlev Arendt, Jochen Wittbrodt, Adrian Dorresteijn, Heidi Snyman und Kristin Tessmar-Raible, Biologen vom Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie in Heidelberg und den Universitäten Gießen und Marburg, sind Darwins Dilemma auf den Grund gegangen und der Evolution des Auges auf die Spur gekommen.

Die EMBL-Wissenschaftler Detlev Arendt, Jochen Wittbrodt, Heidi Snyman und Kristin Tessmar-Raible (im Uhrzeigersinn)

"Was wir herausgefunden haben ist, dass das Repertoire an photorezeptiven Zellen, wie wir sie heute in den Augen von Mensch, Wirbeltieren, Fischen oder Insekten finden, schon beim letzten gemeinsamen Vorfahren vorlagen", erklärt Jochen Wittbrodt im Gespräch mit Telepolis. "Die Daten, die wir gefunden haben, könnte man so interpretieren, dass bereits in den Vorläufern aller Wirbeltiere und Nichtwirbeltiere tatsächlich Vorläuferzellen der Augen vorlagen. Und das bedeutet, dass die zellulären Bausteine der Augen der verschiedenen Organismen sehr alt sind, auch wenn die Augen selbst immer wieder neu aus ihnen zusammen gesetzt werden können."

Lebendes Fossil unter der Lupe

Zur Lösung des Rätsels gelangten die Molekularbiologen, als sie eine Art lebendes Fossil ins Visier nahmen. Gemeint ist Platynereis dumerilli, ein borstiger Seeringelwurm von zirka fünf Zentimetern Länge. Er gleicht bis heute frühen Vorläufern, die vor bis zu 600 Millionen Jahren lebten. Bei der Untersuchung des "Urtiers" entdeckten die Forscher, dass in seiner Larve zwei Arten lichtempfindlicher Zellen koexistieren: rhabdomere und ziliäre Lichtsinneszellen.

Molekularer Fingerabdruck

Arendt fiel auf, dass die ziliären Photorezeptorzellen im Gehirn des Wurms in ihrer Form den Zapfen und Stäbchen im menschlichen Auge glichen. Der Nachweis darüber, dass es hier einen Zusammenhang gibt, gelang über die Bestimmung des molekularen Fingerabdrucks der Gehirnzellen des Wurms. Dabei fanden die Forscher ein Opsin, also ein lichtempfindliches Molekül, das dem Opsin in den Zapfen- und Stäbchenzellen des Menschen auffallend ähnlich war.

Als ich diese Moleküle in den Gehirnzellen von Platynereis fand, war klar, dass diese Zellen und die Zapfen und Stäbchen der Wirbeltiere einen identischen molekularen Fingerabdruck haben – ein deutlicher Hinweis auf einen gemeinsamen evolutionären Ursprung. Damit hatten wir ein großes Rätsel der Evolution des menschlichen Auges, nämlich die Herkunft der Lichtsinneszellen, gelöst.

Ko-Autorin Kristin Tessmar-Raible

Was bedeutet das? Bislang vermuteten die Molekularbiologen, dass die lichtempfindlichen Zellen, also die rhabdomeren und die ziliären Lichtsinneszellen, einander entsprechen. Den Heidelberger Forscher gelang es nun aber zu zeigen, dass Platynereis zwei Photorezeptortypen besitzt, die einen im Auge, die anderen im Gehirn, die morphologisch unterschiedlich und nicht austauschbar sind. Damit steht fest, dass es diese Zelltypen schon im letzten gemeinsamen Vorfahr von Wirbeltieren und Insekten gegeben haben muss und also schon zu diesem frühen Zeitpunkt eine Trennung der beiden Typen existierte.

Das lebende Fossil Platynereis dumerilli

Die Zapfen und Stäbchen unserer Augennetzhaut entstammen also einer urzeitlichen Population lichtempfindlicher Zellen, die ursprünglich im Gehirn angesiedelt waren. Sie haben sich dann als Augen ausgestülpt und wurden zu den Sehzellen des menschlichen Auges. Ein paar lichtsensitive Zellen sind in unserem Gehirn übrigens immer noch vorhanden. Mit ihnen nehmen wir Helligkeit wahr und sie beeinflussen unseren Tag-Nacht-Rhythmus.

Gemeinsamer Vorfahr

"Man dachte bislang immer, dass Wirbeltiere und Wirbellose wenig gemeinsam haben, d. h. dass sie aus sehr einfachen Tierformen hervorgegangen sind. Doch über unsere molekularen Untersuchungen konnten wir zeigen, dass es gemeinsame Grundlagen gibt und dass der gemeinsame Vorfahr schon recht komplex gewesen ist", so Wittbrodt. "Was ich dabei besonders spannend finde ist, dass man in unserem Auge noch beide Nachkommen der Vorläuferzellen findet und sich im Grunde alle Augen auf zwei basale Zelltypen zurückführen lassen, die es in unseren Vorläufern schon gab."

Für die Arbeitsgruppen von Arendt und Wittbrodt wirft das Forschungsergebnis viele neue Fragen auf. Zum Beispiel: Warum ist dieser schlichte Wurm schon so komplex ausgestattet? Welcher Unterschied in der Funktion der Photorezeptorzellen hat dazu geführt, dass sie über die Jahrhunderte koexistierten? Warum haben die Wirbeltiere die einen Zellen als Hauptphotorezeptoren behalten und fast alle anderen Tierstämme die anderen? An der Beantwortung dieser Fragen wird bereits gearbeitet. (Katja Seefeldt)

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