Rekombination ist Trumpf

Warum pflanzt sich die überwältigende Mehrheit der zellkerntragenden Lebensformen durch Sex fort? Wo liegen die Vorteile? Bis heute gibt es keine Einigkeit darüber, was der sexuellen Reproduktion zu ihrem enormen Erfolg verhalf. An Hypothesen herrscht jedoch kein Mangel.

Die älteste und in allen Lehrbüchern vertretene Hypothese dazu geht auf den deutschen Biologen August Weissmann zurück. Dieser postulierte Ende des 19. Jahrhunderts, dass sexuelle Fortpflanzung die Variationsbreite an Merkmalen in einer Population erhöht. Dies wiederum soll dafür sorgen, dass sich eine Spezies weiterentwickeln und besser an ihre Umwelt anpassen kann.

Meiose – die Basis der Rekombination

Grundlage für Weissmanns Hypothese ist der Mechanismus, über den das Erbgut der Elterngeneration an die Nachkommen weitergegeben wird. Während für die asexuelle Fortpflanzung eine normale Zellteilung – Mitose – ausreicht, um zwei gleiche Tochterzellen zu erzeugen oder eine Knospung hervorzubringen, erfordert die sexuelle Reproduktion eine weit komplexere Logistik auf Zellebene. Denn wenn die Nachkommen nach der Befruchtung wieder die gleiche Zahl an Chromosomen tragen sollen wie ihre Eltern, muss das Erbgut zuvor halbiert werden. Dies geschieht in der Meiose, der Reifeteilung, bei der jede Tochterzellen von jedem Chromosomenpaar nur eines der beiden Schwesterchromosomen erhält.

Der Clou dabei: Die komplexen Abläufe der Meiose sorgen auf doppelte Weise dafür, dass die Tochterzellen genetisch nicht identisch sind. Zum einen sind die Schwesterchromosomen eines Paares nicht identisch, weil eines von der Mutter und eines vom Vater stammt. Welches Exemplar in welcher Tochterzelle landet, ist oft Zufall. Zum anderen kommt es vor Auftrennung der Paare zu einem Austausch von Genomabschnitten zwischen den Einzelsträngen der Chromosomen. Dieses Crossing-Over sorgt für eine mosaikartige Durchmischung der chromosomale DNA-Stränge.

Große Fische, kleine Fische

Weissmanns Hypothese nach ist es diese Rekombination des Erbguts, die den entscheidenden Vorteil der geschlechtlichen Vermehrung ausmacht. Sie kann dafür sorgen, dass sich Merkmale neu kombinieren und so einem Organismus bei der natürlichen Selektion Vorteile bringen. Letzteres ist aber nicht immer der Fall, wie man heute weiß: „Zum einen erhöht Sex keineswegs immer die Variabilität der Nachkommen, und zum anderen ist eine höhere Variabilität nicht automatisch vorteilhaft“, erklärt Sarah Otto vom der University of British Columbia.

Ein Beispiel: Gehen wir davon aus, dass es ein Gen gibt – A – durch das große Individuen einer Fischart entstehen, ein zweites – a – bringt kleine Exemplare hervor. Würde sich diese Spezies asexuell vermehren, gäbe es nur diese beiden Körpergrößen. Durch die sexuelle Fortpflanzung entstehen jedoch auch mittelgroße Formen mit dem Gentyp Aa. Im Prinzip erhöht sich damit zunächst die Variabilität.

Wenn Variabilität zum Nachteil wird

Doch jetzt kommt die natürliche Selektion hinzu. Weil unsere Fische in einem Riff leben, können sich kleine Exemplare dort gut verstecken und entgehen so den Fressfeinden. Sehr große Exemplare wiederum sind für die Räuber zu sperrig und werden daher meist verschmäht. Im Endeffekt sind es daher die mittelgroßen Fische, die am stärksten dezimiert werden. Dies bedeutet: Die Mischvarianten, die erst durch die sexuelle Fortpflanzung entstanden sind, gehen wieder verloren und der Aufwand für sie war letztlich vergeudet. Hätten sich die großen und kleinen Exemplare asexuell reproduziert, wären die biologischen Kosten geringer gewesen.

„Dieses Beispiel illustriert einen generellen Punkt: Wenn die Elterngeneration gut an ihre Umwelt angepasst ist, führt die Mischung ihrer Gene durch Sex und genetische Rekombination meist zu Nachkommen mit geringerer Fitness“, erklärt Otto. Die Rekombination reißt bereits von der Selektion optimierte Genensembles wieder auseinander. Forscher sprechen deshalb auch von der Rekombinationslast. Unter stabilen Umweltbedingungen ist demnach eine sexuelle Fortpflanzung im Nachteil.

Vorteil nur unter wechselnden Bedingungen

Lag Weissmann demnach falsch? Nicht ganz. Der Blick in die Natur zeigt, dass die Rekombination durch sexuelle Fortpflanzung vor allem dann ihre Vorteile ausspielen kann, wenn sich die Umweltbedingungen häufig verändern. Viele Rädertierchen beispielsweise pflanzen sich solange asexuell fort, wie sie genug Futter finden und die Wasserbedingungen optimal sind. Trocknet ihr Gewässer aber aus oder bleibt die Nahrung weg, wechseln sie zur geschlechtlichen Vermehrung.

Ähnlich sieht es aus, wenn eine Art einen neuen Lebensraum erschließt: Weil sie an diesen noch nicht optimal angepasst ist, verbessert eine variantenreichere Nachkommenschaft die Überlebenschancen der Spezies. Denn dies erhöht die Chance, dass zumindest einige der Nachkommen die für die neuen Bedingungen nötigen Eigenschaften aufweisen.

„Weissmann hatte demnach durchaus Recht in seiner Annahme, dass Sex sich entwickelt hat, um Variantenreichtum zu entwickeln“, sagt Otto. Aber seine Hypothese gilt eben nur in ganz bestimmten Grenzen. Aber reicht dies aus, um die Dominanz der sexuellen Fortpflanzung zu erklären?