Evolution im Eiltempo

Der Mensch als Beschleuniger

Oft heißt es aber, der Mensch sei nicht mehr Teil der Evolution. Der britische Naturforscher Sir David Attenborough behauptet etwa, die geringe Kindersterblichkeit komme einem Stopp der natürlichen Selektion gleich. Hinter der Argumentation steht der Glaube, der Mensch habe sich durch den Fortschritt von der Natur emanzipiert. „Das ist sicher falsch“, widerspricht Schneider. Stattdessen lassen sich moderne Zivilisationskrankheiten vielfach als Anpassungsstörungen bei der anthropogenen Evolution deuten. Vom Sitzen auf Stühlen bekommen Menschen Rückenleiden, von der mikrobenarmen Umgebung vor der Geburt und in den ersten Lebensjahren Allergien und Asthma. Schon im Mutterleib wird das Immunsystem der Babys auf die mikrobielle Umwelt der Mutter geprägt. Ist die Umgebung keimarm, stellt sich die kindliche Körperabwehr darauf ein. Und Feinstaub bringt laut der Europäischen Umweltagentur rund 379.000 Menschen in der EU jedes Jahr vorzeitig ins Grab.

Die Eingriffe des Menschen in die Evolution haben vor allem deren Beschleunigung zur Folge. Am eindrücklichsten ist das bei Mikroben erforscht. Diese Kleinstlebewesen ermöglichen, dass unser Darm Nährstoffe aus dem Essen aufnehmen kann. Doch einige unter ihnen können uns auch krank machen, von der Lungenentzündung bis zur Blutvergiftung.

„Die Mutationsrate von Mikroben erhöht sich um die Größenordnung von 10 bis 1000, wenn sie unter Stress gesetzt werden“, sagt Schneider. Das geschieht, indem Zellen bestimmte Enzyme aktivieren, die die Fehlerrate beim Kopieren der Gene erhöhen. Die Mutationsrate legt zu, sie ist das Gaspedal der Evolution. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit auf eine gut angepasste Mutante. „Mikroben können nützliche Erbinformationen auch untereinander tauschen, über sogenannte springende Gene“, ergänzt Schneider. „Das beschleunigt die Aufrüstung nochmals.“

Schneider hat das im weltweit längsten Evolutionsexperiment beobachtet: 1988 packte sein Kollege Richard Lenski von der Michigan State University Kolibakterien in zwölf Glasflaschen mit einer Zuckerlösung. Die Bakterien brauchen Zucker zum Überleben, aber eigentlich auch andere Nährstoffe. Die reine Zuckerlösung bedeutet für sie Stress. „Unsere spannende Frage war also: Überleben die Bakterien – und wenn ja, wie?“, sagt Schneider. 70.000 Mal haben sich die Kolibakterien seit 1988 geteilt. „In allen Flaschen ist Leben“, so Schneider. „Und noch spannender: Die Mikroben passen sich an. Sie erhöhen ihre Mutationsrate und erzeugen dabei Mutanten, die lernen, dass ihre Zellen weniger Schaden nehmen, wenn sie puren Zucker verstoffwechseln.“

Nicht nur im Labor neigen Mikroben zur Turboevolution. Es gibt Hinweise, dass die Winzlinge auch in der durch den Menschen geprägten Umwelt schneller mutieren. „Antibiotikaresistenzen treten immer rascher auf. Auch Resistenzen gegen Fungizide und Insektizide werden in immer kürzeren Abständen nach Einführung einer neuen Substanz beobachtet“, sagt der Evolutionsbiologe Jens Rolff von der Freien Universität Berlin. Er hat alle verfügbaren Daten zur Markteinführung von Antibiotika ab 1920 und zum erstmaligen Auftreten einer Resistenz zusammengetragen. Der Trend ist eindeutig, wie er vergangenes Jahr in der Fachzeitschrift Plos Pathogens darlegte. „Zuletzt dauerte es bei dem 2006 in der EU zugelassenen Antibiotikum Daptomycin nur ein Jahr, bis Bakterien die Arznei brechen konnten“, sagt Rolff. „Das ist besorgniserregend.“

Nutzlose neue Waffen

Dass neue Mittel immer rascher ihre Wirksamkeit verlieren, liegt laut Rolff an einem Selektionsdruck für immer größere Wehrhaftigkeit. „Mikroben haben nur eine begrenzte Zahl an Mechanismen, sich gegen Gifte zu wappnen“, sagt er. Sie können beispielsweise die Pumpen in der Zellwand anwerfen, die schädliche Stoffe schneller aus der Zelle transportieren. Das macht sie aber robuster gegen alle möglichen Schadstoffe. Weil Menschen massenhaft Gifte gegen Mikroben von der Tierzucht bis zu Krankenhäusern einsetzen und auch Böden und Wasser mit Fremdstoffen belasten, werden hochrobuste und hyperresistente Erreger selektiert. Am besten angepasst ist, wer möglichst wehrhaft ist. In der Folge werden die neuen Waffen des Menschen immer schneller stumpf.

„An der Mutationsrate zu drehen, ist gefährlich“, sagt Schneider. Schließlich wollen wir nicht, dass die Mikroben mit ihrem Evolutionstempo unser Innovationstempo übertrumpfen. Dann wären wir neuen Erregern immer häufiger ohne Gegenmittel ausgeliefert.

Andererseits: Vielleicht mutiert ja auch der Mensch immer schneller, um mit den selbst geschaffenen Lebensbedingungen Schritt zu halten? Anhaltspunkte dafür, dass Lebewesen ganz allgemein mit einer höheren Mutationsrate auf veränderte Umweltbedingungen reagieren, gibt es mehrfach.

Etwa aus der Anthropologie: Die Arbeitsgruppe von Henry Harpending von der University of Utah in Salt Lake City untersuchte die Veränderungen im menschlichen Genom über die letzten 80.000 Jahre. Demnach hat sich unsere Entwicklung vor 40.000 Jahren beschleunigt, als unsere Vorfahren begannen, Europa zu besiedeln. Nachdem der Mensch sesshaft geworden war, vor etwa 5000 Jahren, stieg die Rate noch einmal um den Faktor 100 an. Die neuen Lebensbedingungen haben die Evolution beschleunigt und so die Entwicklung der Menschen vorangetrieben, argumentiert Harpending. Als die Menschen etwa im Zuge des sesshaften Lebensstils Rinder zu domestizieren begannen, entwickelte sich ihre Fähigkeit, Milchzucker zu verwerten.

Auch von anderen höheren Organismen ist bekannt, dass Umweltstress die Evolution kräftig anheizt. Beispielsweise nutzt man in der Pflanzenzüchtung schon lange den Effekt, dass radioaktive Strahlung oder Chemikalien die Mutationsrate erhöhen. Auf diese Weise kommen Züchter schneller zu neuen Sorten. Die beschleunigte Evolution in den Laboren der Saatguthersteller ist eine kommerzielle Strategie.

Krebs als Folge mutierter Zellen

Wenn menschliche Zellen mutieren, kann jedoch als Kollateralschaden Krebs entstehen. „Tumore sind Mutationsherde par excellence. In Lungenkrebszellen gibt es eine Million mehr Mutationen verglichen mit gesunden Körperzellen“, sagt Michael Freissmuth, Pharmakologieprofessor an der Universität Wien. „In den meisten Krebsarten ist die Mutationsrate der bösartigen Zellen tausendfach höher oder noch größer als in umliegenden gesunden Zellen“, bekräftigt Fran Supek vom Forschungsinstitut für Biomedizin in Barcelona.

Wenn der Mensch mit mehr Mutationen auf die anthropogene Evolution reagiert, müsste das zunehmende Krebserkrankungen nach sich ziehen. Diese haben sich in der Tat in den letzten Jahren vervielfacht, doch meist wird das pauschal mit dem steigenden Lebensalter und der besseren Diagnostik erklärt. Eine wichtige Frage ist aber, ob auch neuer Umweltstress – Schadstoffe wie Zigarettenrauch oder radioaktive Strahlung – an der Mutationsexplosion im Krebsgewebe schuld ist. „Darauf gibt es keine eindeutige Antwort“, sagt Evolutionsbiologe Schneider. „Aber es ist schon so, dass wir Schadstoffe kennen, die das Krebsrisiko erhöhen und Mutationen im Erbgut hervorrufen.“ Gut nachgewiesen ist das beispielsweise bei Asbest, einem krebserregenden Stoff, der bis in die 1990er-Jahre in großem Umfang im Gebäudebau verwendet wurde und bei Sanierungsarbeiten freigesetzt werden kann. Er kann einen Tumor hervorrufen, der erst Jahrzehnte nach dem Kontakt entsteht. Da kaum ein anderer Umweltfaktor diesen Tumor initiiert, ist der Krebs als Berufserkrankung anerkannt.

Was am Anfang einer Krebserkrankung passiert, ist Gegenstand laufender Forschungen. Supek zufolge nehmen die meisten Krebsgenetiker zurzeit an, dass sich ein genetischer Unfall ereignet, der das DNA-Reparatursystem in einer Zelle ausschaltet oder dämpft. „Das kann passieren, indem ein Gen für die DNA-Reparatur durch Eingriffe von außen deaktiviert wird“, erklärt Genomforscher Supek. „In der Folge entstehen aus dieser vorgeschädigten Zelle Tochterzellen mit immer mehr Mutationen.“

Supek hat untersucht, ob das auch durch Alkohol geschehen kann. „Alkohol schädigt nicht das Erbgut selbst. Aber er sorgt dafür, dass eine DNA-Polymerase verstärkt zum Zug kommt, die das Erbgut der Zellen fehlerhaft kopiert. Die Tochterzellen häufen deshalb Mutationen an. Wenn eine solche Mutation zufällig ein DNA-Reparatursystem lahmlegt, kann das der Keim für Krebs sein“, beschreibt es Supek. Die DNA-Polymerase ist eine Art Gehhilfe der Zellteilung – ein Enzym, das nötig ist, um das Erbgut zu vervielfältigen. Supeks Erkenntnis bedeutet: Als der Mensch vor rund 9000 Jahren begann, Alkohol herzustellen und zu trinken, erhöhte das die Mutationsrate in den Zellen und damit sein Krebsrisiko. In epidemiologischen Studien ist das mittlerweile gut belegt. Entgegen vielen Meinungen steigt das Risiko auch schon bei geringen Mengen Alkohol. Ob mehr Krebsfälle aber allgemein eine Folge der anthropogenen Evolution sind, ist trotz solcher Einzelbefunde unklar.

Eines jedoch lässt sich im Labor gut beobachten: Krebszellen entkommen Krebsmedikamenten dank evolutiver Mechanismen. „An der Krebsmedizin sehen wir, dass Darwin recht hatte“, sagt Freissmuth. „Der Arzt versucht, die Krebszellen mit einer Substanz zu vernichten. Dabei überleben diejenigen Krebszellen, die aufgrund von Mutationen dem Chemotherapeutikum entgehen. Deshalb sammelt der Tumor im Lauf der Therapie immer mehr Resistenzen an.“ Das bestätigt Supeks Forschung: „Viele Krebszellen passen sich an Krebsarzneien an, indem sie die DNA-Reparatursysteme ausschalten.“ Die Folge: Die Krebszellen mutieren noch rascher – und der Tumor ist schwerer zu behandeln.

Diese evolutive Anpassung der Krebszellen ist auch der Grund für den häufigen Verlauf einer Krebserkrankung: Der Tumor spricht oft zunächst auf die Therapie an, verschwindet vielleicht sogar aus den Röntgenbildern. Jahre später aber ist er wieder da. „Wir chronifizieren die Krebserkrankungen“, sagt Freissmuth. „Wir geben Medikament A, bis der Krebs resistent ist. Dann geben wir Medikament B, bis der Krebs resistent ist und so weiter.“ Mancher Krebspatient überlebt so viele Jahre mit ständig neuen Medikamenten – allerdings auch mit deren Nebenwirkungen. Die Therapien können beispielsweise das Herz schädigen oder nach Jahren Zweittumore, oft Blutkrebs, hervorrufen. Diese entstehen, weil die Arzneien selbst das Erbgut angegriffen haben.

Erste Stimmen aus der Wissenschaft werden laut, die eine klügere Strategie gegen Krebs vorschlagen. Dafür müsste man wissen, gegen welche Stoffe die Zellen leicht resistent werden. Letztlich müssten Mediziner also die Evolution vor der Behandlung mitbedenken.

Kl trifft Vorhersage

Einen ersten Vorstoß in diese Richtung machten Forscher um Rune Linding, Biologe an der Humboldt-Universität zu Berlin. Sie stellten kürzlich eine Künstliche Intelligenz vor, die aus 850 Millionen Krebszellen jene erkennt, die gegen ein Krebsmedikament resistent werden. Dabei hilft, dass sich die unterschiedliche genetische Ausstattung in der Zellform widerspiegelt. Keine Krebszelle gleicht unter dem Mikroskop äußerlich der anderen. Das Computerprogramm von Linding konnte die Zellen anhand der Form typisieren und vorhersagen, welche Krebsmedikamente der jeweilige Zellentyp gut übersteht. Dafür knüpften die Forscher an bekanntes Wissen über die Zellform an und darüber, welche Proteine dann in der Zelle dominieren. Wissen Ärzte, welche Krebszellen Resistenzen entwickeln werden, können sie zielgenauer, kürzer und sanfter als heute behandeln. Vor allem aber können sie die Erkrankung heilen, indem sie auch die letzte Krebszelle noch abräumen, statt das Leiden zu chronifizieren.

„Es ist ein Grundproblem, dass wir in der Medizin evolutive Zusammenhänge bislang kaum berücksichtigen“, sagt der Evolutionsbiologe Rolff. Üblich ist das zurzeit nur bei der Entwicklung des Grippeimpfstoffs. Jede Saison prüfen die Hersteller neu, welche Grippeviren zirkulieren, und passen ihre Produkte an. Forscher erwarten, dass dies auch bei den Impfstoffen gegen Covid-19 der Fall sein wird.

Anders sieht es in Krankenhäusern aus. Für die Hälfte der Infektionen dort sind mittlerweile Keime verantwortlich, die gegen mindestens ein Antibiotikum resistent sind. Ob ein Erreger bereits widerstandsfähig ist, wird aber bis heute nicht systematisch in allen Krankenhäusern geprüft. Rolff schlägt für die Zukunft eine grundlegend andere Behandlung von Infektionen vor: „In einem Schnelltest müsste man zuerst klären, ob der individuelle Krankheitserreger gegen bestimmte Antibiotika leicht resistent wird und gegen welche nicht. Dann sollten Arzneien mit geringer Resistenzgefahr zum Zug kommen, damit wir uns nicht immer mehr Superkeime züchten.“ Oft wäre die Kombination verschiedener Antibiotika optimal. Denn es ist schwieriger für Mikroben, gegen Stoffe mit verschiedenen Wirkprinzipien resistent zu werden.

Die Natur nutzt dieses Prinzip der Kombination: Auf unserer Haut etwa befindet sich eine große Vielzahl antimikrobieller Substanzen. Wäre es nur ein Stoff, wären wir schlecht geschützt.

Resistenzcheck vor der Behandlung

Die Evolution in der Medizin mehr zu berücksichtigen, ist überlebenswichtig. Sonst wirken eines Tages sämtliche Antibiotika nicht mehr. Wie dringlich dieser Perspektivwechsel ist, wird klar, wenn man mit einem Forscher spricht, der sich einer der gefährlichsten Infektionskrankheiten überhaupt zugewendet hat: der Tuberkulose.

Der Infektiologe Christoph Lange vom Leibniz-Lungenzentrum am Forschungszentrum Borstel sagt: „Es gibt immer mehr resistente Erreger. Wir behandeln aktuell einen Patienten, der aus der Ukraine geflohen ist, weil er dort todgeweiht war: Seine Tuberkulosebakterien sind gegen alle Medikamente bis auf eine Gruppe resistent.“ Für eine erfolgreiche Behandlung der Lungenkrankheit sind vier Antibiotika gleichzeitig, möglichst aus verschiedenen Gruppen, nötig. In der Ukraine gab es zuletzt keine Arzneien mehr, die dem 35-Jährigen halfen.

Resistenzen und nicht verfügbare Medikamente sind der wichtigste Grund, weshalb in ärmeren Ländern viele Menschen an Tuberkulose sterben. 2020 waren es 1,5 Millionen weltweit. „In der Ukraine gibt man fünf Medikamente, die gerade verfügbar sind. Wenn der Patient aber schon resistent gegen drei ist, ohne dass der Arzt das weiß, züchtet man Resistenzen gegen das vierte und fünfte Medikament“, erklärt Lange.

Der Tuberkulosespezialist und Infektionsforscher schlägt deshalb einen eigens entwickelten Resistenzcheck vor der Behandlung vor, der sich auch für ärmere Länder eignet. Gemeinsam mit Kollegen der Universität Lübeck und des Universitätsklinikums Hamburg-Eppendorf hat sein Team das Erbgut der Krankheitserreger von 10.000 Tuberkulosepatienten durchforstet. So entstand ein Katalog der Genveränderungen, die eine Antibiotikaresistenz vorhersagen. Auf Basis dieses Katalogs können die Forscher Tuberkulosebakterien dem Resistenzcheck unterziehen und in kurzer Zeit vorhersagen, welche Arzneien bei dem speziellen Patienten wirken und welche nicht. „Das ist sehr genau. Unter 100 Medikamenten hat man nur einen Fehler“, betont Lange. „Wenn wir so präzise wie möglich behandeln, können wir das Auftreten resistenter und gefährlicher Varianten vermeiden.“ Patienten würden geheilt. Und die Welt müsste sich nicht mit einem weiteren Superkeim herumschlagen.