Gesundheit: In der Werkstatt der Natur sind unabhängig voneinander mehr als 40 verschiedene optische Systeme entstanden

Die Welt einmal mit anderen Augen sehen - wer möchte das nicht? Den britischen Naturforscher Charles Darwin indes brachte just die Entstehung von Augen ins Grübeln. "Die Annahme, dass das Auge mit all seinen unnachahmlichen Vorrichtungen zur Einstellung der Brennweite auf unterschiedliche Entfernungen, zur Dosierung unterschiedlicher Lichtmengen und zur Korrektur sphärischer und chromatischer Fehler durch natürliche Selektion geformt worden sein könnte, erscheint, ich bekenne es freimütig, hochgradig absurd."

Darwins Problem wäre für ihn leicht zu lösen gewesen, hätte er die Chance gehabt, am Dienstagabend aus Anlass der diesjährigen "Ernst-Mayr-Lecture" im Akademiegebäude am Gendarmenmarkt den britischen Zoologen Michael Land zu hören, der über die jüngsten Entdeckungen zur Evolution von Augen berichtete. Während Darwin vor allem das menschliche Auge im Blick hatte, erforscht Michael Land seit drei Jahrzehnten die Vielfalt optischer Systeme im Tierreich.

Unabhängig entstanden

Mehr als vierzig Mal, so schätzt Land, sind Augen unabhängig voneinander im Tierreich entstanden, darunter bei so verschiedenen Organismen wie den Pilgermuscheln, Springspinnen, Tiefseegarnelen und Tintenfischen. Auch das Linsenauge des Menschen ist nicht einfach vom Himmel gefallen; vielmehr ist dieser komplizierte optische Apparat das Ergebnis eines langwierigen Prozesses mit zahlreichen Abstufungen und Verbesserungen, mit zahlreichen Übergängen von den ersten simplen Grubenaugen bis hin zu elaborierten Linsenformen und Facettenaugen.

Die Evolution, das graduelle Wirken der natürlichen Selektion, betätigte sich gerade bei der Entstehung des Auges als ein zwar "blinder Uhrmacher", wie der britische Biologe Richard Dawkins vor Jahren in einem Buch gleichen Titels zu zeigen versuchte. Doch dass die Natur dabei ein Uhrmacher mit einer geradezu genialen Arbeitsweise ist, nämlich der Auslese des jeweils Tauglichsten, das haben Evolutionsbiologen seit Darwin in einer Fülle von Beispielen belegt.

Michael Land, heute Professor an der Universität von Sussex in England ließ die Frage keine Ruhe, warum es eigentlich so viele verschiedene Augenformen gibt. Ihm waren bereits während seiner Promotion in Cambridge und der Postdoc-Zeit an der Universität von Kalifornien in Berkeley in den 60er Jahren entscheidende und spektakuläre Entdeckungen gelungen. So fand er bei Muscheln einen bis dahin unbekannten Sehmechanismus, gleichsam eine Art optischen Parabolspiegel. Einen weiteren, sehr eigenwilligen Mechanismus entdeckte er später bei Springspinnen, die ihre Netzhaut innerhalb des Auges bewegen können.

Mit britischen Humor gewürzt, berichtete Land über diese und zahlreiche andere erstaunliche optische Mechanismen, mit denen Tiere die Welt um sich sehen. Er entschlüsselte wenigstens acht verschiedene optische Mechanismen. Klassischerweise haben Zoologen diese verschiedenen Entwürfe unterteilt in Einkammer-Augen (wie beispielsweise unser eigenes Auge), in dem alle Sinneszellen ein gemeinsames optisches System nutzen, und in die Facettenaugen vor allem bei Insekten und Krebsen, die gleich vielfach nebeneinander geschaltete optische Systeme verwenden.

Vielseitige Schnecken

Modellhaft verkörpern viele der im Tierreich verwirklichten Sehsysteme jene evolutionären Zwischenformen, von denen Darwin gern im Detail gewusst hätte. Zum Beispiel bei einem der größten und artenreichsten Tierstämme, den Mollusken. Schnecken haben - von einfachsten Augen mit kaum mehr als einer eingesenkten Grube aus Pigmentzellen bis hin zum komplexen Linsenauge - sämtliche optische Möglichkeiten verwirklicht und taugen damit zum Prüfstein für Darwins Evolutionstheorie.

In seinem Vortrag beleuchtete Land den Prozess innovativer Pfadfinderei im Tierreich von Würmern über Weichtiere bis hin zu Wirbeltieren, und er machte dabei deutlich, dass Augen keinen planenden Baumeister brauchten. Dass auch nicht zwangsläufig Perfektion das Ziel der Evolution ist, führt er am Beispiel des Perlbootes Nautilus vor Augen. Dieser tropische Kopffüßer oder Tintenfisch besitzt - trotz seines hohen erdgeschichtlichen Alters (Nautiliden gab es schon im frühen Erdaltertum) - ein vergleichsweise simples Lochkameraauge. Zeit genug zur Verbesserung wäre für Nautilus, belegte Land mit einer Modellrechnung. So daure es "nur" 365 000 Generationen, bis sich ein komplexes Linsenauge wie bei den meisten Wirbeltieren entwickeln kann.

Dass Nautilus sich mit einem vergleichsweise schlichten optischen Design begnügt, verwundert umso mehr, als dieser Kopffüßer jener Gruppe von Wirbellosen angehört, die es ansonsten zu höchsten optischen Leistungen gebracht haben. Denn die ganz ähnlich einem Wirbeltierauge konstruierten Tintenfischaugen sind ein mustergültiges Beispiel für eine konvergente, also parallele anatomische Entwicklung im Tierreich.

Beider Augen sind eindeutig nicht auf gemeinsames Erbe, sondern vielmehr gleiche Erfordernisse der Umwelt zurückzuführen. Und für beide Gruppen gelten die gleichen optischen Gesetze; doch die Tiere haben unterschiedliche Wege beschritten, um ihnen gerecht zu werden. Während die Kopffüßer everse Augen haben, in deren Netzhaut die lichtempfindlichen Zellen mit den Sehpigmenten dem Licht direkt zugewandt sind, kehren in den inversen Wirbeltieraugen die Sehzellen dem Lichteinfall gleichsam den Rücken zu. Der Grund: Die Netzhaut eines Wirbeltieres ist entwicklungsgeschichtlich Teil des Gehirns und wird aus neuralem Gewebe gebildet, bei den Wirbellosen entwickelt sich das Auge aus epidermalem Gewebe, das an anderer Stelle die Körperwand aufbaut.

Entscheiden die Gene?

Zu einer Kontroverse hat die Forschung des Molekulargenetikers Walter Gehring geführt. Der hatte bei den meisten von ihm untersuchten Tieren die gleichen Kontrollgene identifiziert, die die Entwicklung der Augen steuern. Wie gut Augen funktionieren und wie sie im einzelnen aufgebaut sind, werde mithin von der Zahl der abgelesenen Genkopien mit der Anweisung für den Bau von Augen bestimmt. Gehring glaubt aufgrund dieser gleichen genetischen Grundlage, dass Augen doch homologe Strukturen darstellen und nicht mehrfach konvergent im Tierreich entstanden sind.

Dieser Homologiebegriff jedoch wird derzeit von nur wenigen Zoologen geteilt. Auch Michael Land sieht in den Befunden Gehrings nur den Ursprung für die Entstehung einiger weniger baugleicher Augentypen, aber längst nicht aller bekannten Augenformen. Molekulargenetiker und Morphologen sehen die Welt bislang also noch mit verschiedenen Augen. Es wird sicher noch einige neue Forschungsergebnisse und "Ernst-Mayr-Lectures" brauchen, bis diese unterschiedlichen Sichtweisen sich zu einem scharfen Abbild der organismischen Welt vereinigt haben werden.

Matthias Glaubrecht