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Auf der Suche nach dem Lebendigen: Organismische Systembiologie

PD Dr. Bernd Rosslenbroich

Im Institut für Evolutionsbiologie der Universität Witten/Herdecke beschäftigt sich PD Dr. Bernd Rosslenbroich mit den Fähigkeiten und Zusammenhängen biologischer Systeme wie Zellen, Organen und dem dazugehörigen Organismus. Zu seinem Forschungsgebiet gehört auch die Untersuchung der Evolution und Entstehungsgeschichte dieser Systeme. Im von der Software AG-Stiftung geförderten Forschungsprojekt „Organismische Systembiologie“ macht er sich zusammen mit seinen Kolleginnen und Kollegen auf die Suche nach den spezifischen Eigenschaften des Lebendigen.

Herr Dr. Rosslenbroich, Sie müssen es doch wissen: Was ist Leben?

Rosslenbroich: Diese Frage wird ja im Grunde genommen schon seit Jahrtausenden gestellt. Die moderne Wissenschaft hat dazu sehr viel Faktenwissen über einzelne Prozesse des Lebens und viele Detailkenntnisse zusammengetragen. Allerdings setzen sich diese Details noch nicht zu einem großen Ganzen zusammen. Fest steht: Das Leben ist viel komplexer, als die Wissenschaft bislang angenommen hat. Da stehen sich derzeit verschiedene Auffassungen gegenüber; manche Konzepte sind aber meiner Meinung nach bereits an der Realität gescheitert.

Inwiefern?

Rosslenbroich: Viele Ansätze gehen davon aus, dass sich das Leben auf physikalische und chemische Vorgänge reduzieren lässt. Dieses rein analytische Vorgehen sieht alles Lebendige quasi als eine Art Maschine. Die Summe der Teile ergibt das Ganze, wie bei einem funktionierenden Auto. Wenn dann ein Zahnrad kaputt ist oder fehlt, läuft das Auto nicht mehr und das Teil muss ersetzt werden. Diese Auffassung herrscht auch heute noch in großen Teilen von Wissenschaft und Medizin vor. Dieses „Maschinenparadigma“ gehört meiner Meinung nach überwunden, ein Organismus ist mehr als eine Maschine. So holt sich beispielsweise eine lebendige Zelle bestimmte Stoffe, die sie benötigt, selbst neu aus dem Körper, sie steuert somit ihre eigenen Bestandteile, reguliert und „repariert“ sich also sogar selbst. Natürlich müssen wir auch die chemischen und physikalischen Wechselwirkungen untersuchen, dabei allerdings zur Kenntnis nehmen, dass es in einem lebenden Organismus Interdependenzen zwischen den Teilen und dem Ganzen gibt. Und genau das gehört meiner Meinung nach zu den spezifischen Eigenschaften des Lebendigen.

Wenn wir einen Stein in die Hand nehmen oder vielleicht eine Katze auf dem Arm halten, merken wir doch intuitiv, was lebendig und was unbelebt ist. Warum sollten wir dieses Thema trotzdem wissenschaftlich erforschen?

Rosslenbroich: Wissenschaftlich ist dieser Unterschied tatsächlich nicht so leicht zu fassen. Trotzdem halte ich es für die zentrale Aufgabe des 21. Jahrhunderts, das Rätsel des Lebendigen wissenschaftlich zu lösen. Bei lebendigen Organismen geht es ja immer um ganze Systeme, die zu verstehen sich nicht nur im Einzelfall lohnt, etwa im Hinblick auf unseren eigenen Organismus. Die Prinzipien dahinter lassen sich ja im Idealfall auf verschiedenste Systeme übertragen, die zu verstehen unsere Zukunft wesentlich bestimmen wird. Zum Beispiel wird es essentiell für die Menschheit sein, Umweltverschmutzung, Klimaerwärmung und drohende Klimakatastrophe als Systemprobleme wahrzunehmen. Dazu müssen wir grundlegend verstehen, wie ein lebendiges System funktioniert. Ob das ein Organismus oder ein Ökosystem ist: Überall dort, wo wir eingreifen, müssen wir schauen, wie sich zusammenhängende Systeme am Laufen halten und was geschieht, wenn wir sie manipulieren. Und dabei hinken wir derzeit ziemlich hinterher.

Auch die Medizin bleibt gerade bei vielen chronischen Krankheiten stecken. Da denken wir oft noch zu mechanistisch. Ob das nun Autismus, Krebs oder andere Erkrankungen sind: Dahinter stecken jeweils interdependente Systeme. Und da kann man sich vielleicht sogar fragen: Ist Krebs wirklich nur eine Krankheit der Zellen? Oder ist es vielleicht viel eher eine Krankheit des Systems? Zu solchen Fragen haben wir einen intensiven Austausch mit Forschern aus den USA. Ein besserer Organismusbegriff könnte in der Medizin auf jeden Fall einige Fortschritte bringen.

Die Landwirtschaft ist ein weiteres Beispiel. Mit all den Pestiziden und Düngemitteln sollte man sich schon fragen: Bekommen wir so wirklich gesunde Lebensmittel und was richten wir in den ökologischen Zusammenhängen an? Das Bienensterben und der radikale Zusammenbruch vieler Teile der Insektenwelt, der derzeit stattfindet, sind alarmierend. Hier stellt sich die Frage, warum ökologisch so wichtige Tiere plötzlich in einem derartig komplexen System nicht mehr überleben können. All dies sind Dinge, die mit Lebenszusammenhängen, also komplexen Systemen, zu tun haben. Solchen Phänomenen versuchen wir, mit der Organismischen Systembiologie auf die Spur zu kommen.

An welchen Projekten arbeiten Sie aktuell?

Rosslenbroich: Vor allem geht es uns derzeit darum, die spezifischen Eigenschaften des Lebendigen zusammenzubekommen. Unsere These, für die wir inzwischen umfangreiche Belege haben, ist, dass es im Laufe der Evolution eine stetige Zunahme an Autonomie gegeben hat. Organismen entwickeln immer mehr Selbstständigkeit und können sich immer besser selbst regulieren. Dabei verändert sich das Verhältnis zwischen Organismus und Umwelt. Zu diesen Fragen arbeiten wir auch mit empirischen Methoden. In einem Projekt geht es um die Entstehung der Säugetiere aus Reptilien. Hier interessieren uns besonders die Übergänge, bei denen eine bestimmte Gruppe über viele Millionen Jahre ihr bestehendes System verändert. Die Übergänge sind paläontologisch nachvollziehbar, dazu haben wir einerseits eigene Funde gemacht, wir arbeiten aber auch mit Forschern aus China und den USA zusammen. Dazu unterziehen wir alte Funde neuen Analysen und konzentrieren uns besonders auf den langen Weg der Umgestaltung: die Änderung der Gliedmaßen, die Entstehung von Eigenwärme und Atmung usw. Die große Fragestellung für uns ist dabei: Wenn alle Bestandteile voneinander abhängig sind, wie kann es dann sein, dass Änderungen passieren, ohne dass das komplexe System dabei kaputt geht? Unsere Erkenntnisse dazu sind: Was wir alle in der Schule gelernt haben, nämlich dass Evolution durch Mutation und Selektion geschieht, kann so nicht stimmen. In diesem Punkt müssen unserer Meinung nach die Schulbücher neu geschrieben werden! Entgegen der herrschenden Lehrmeinung, dass Evolution vor allem durch kleine Mutationen passiert, zeigt die moderne Genetik zunehmend, dass die genetischen Bausteine auch während der großen Änderungen nahezu identisch geblieben sind. Es handelt sich um konservierte Gene, die größeren Übergänge können kaum durch eine Veränderung dieser genetischen Bausteine ausgelöst worden sein. Was hat sich also geändert? Aus unserer Sicht ist das vor allem die Verwendung der Gene. Die Übergänge sind also viel eher durch Änderungen am ganzen Organismus geschehen. Da geht es also hauptsächlich wieder um die Zusammenhänge im System, um die Interdependenzen, und nicht in erster Linie um eine Änderung der Genstruktur. Für uns deutet das darauf hin, dass nicht das Genom den Organismus steuert, sondern dass der Organismus das Genom für seine jeweiligen Zwecke sinnvoll nutzt.

Das bedeutet übrigens auch, dass auch der Mensch nicht von seinen Genen gesteuert wird. Die weit verbreitete Auffassung, dass der Mensch genetisch determiniert ist, ist ein Märchen! Uns geht es darum, hier ein eher organismisches Bild zu zeichnen. Es wird heute immer deutlicher, dass Information nicht nur in der DNA enthalten ist, sondern dass schon eine Zelle an sich Information sein kann. Die spannende Frage ist letztlich: Welche Rolle hat die Information im Organismus? Und wie schafft es der Organismus, damit so flexibel umzugehen? Das Bild vom Organismus als kleinem Maschinchen ist hier wenig hilfreich.

Wie soll es mit der Forschung in der Organismischen Systembiologie weitergehen? Was sind Ihre Wünsche für die Zukunft?

Rosslenbroich: Wir würden gerne noch mehr verschiedene Systeme als Beispiele erforschen. Von jedem Beispiel kann man viel über die Grundprinzipien lernen und damit das Gesamtkonzept weiter entwickeln. Dafür fehlt uns als kleinem Institut aber die nötige Zeit und das Geld. Denkbar wäre auch, hier in Witten einmal eine Konferenz abzuhalten, zu der wir internationale Wissenschaftler einladen, die an diesen Themen interessiert sind, so dass man das Konzept gemeinsam weiter denken kann. Wir sind zwar schon jetzt gut vernetzt, aber eine gemeinsame Konferenz könnte hier vieles bündeln.  

Ihr Projekt wird finanziell von der Software AG-Stiftung gefördert. Inwiefern erleichtert das Ihre Arbeit?

Rosslenbroich: Diese Förderung macht unsere Arbeit erst möglich. Wir sind extrem dankbar, dass wir dadurch eine ganze Zeit lang an einem großen Projekt wie der Suche nach einem angemessenen Systembegriff forschen können. So können wir schauen, was die empirischen Daten über die Eigenschaften lebendiger Systeme aussagen.

Genauso wertvoll ist es aber für uns, dass die Software AG-Stiftung an organismischen Problemen überhaupt Interesse und ein offenes Ohr für sie hat. Die Leute dort verstehen, dass dies eine wichtige Herausforderung für die Zukunft ist und können unsere Ansätze inhaltlich nachvollziehen. Es tut einfach gut, verstanden zu werden. Die ideelle Unterstützung durch die Software AG-Stiftung ist für uns genauso wichtig wie die finanzielle.

Vielen Dank für das interessante Gespräch!

Das Interview führte Jan Vestweber, UW/H

Zur Person:
PD Dr. Bernd Rosslenbroich studierte Veterinärmedizin an der Universität Gießen. Für seine Doktorarbeit über die Behandlung von Melanomen (Hauttumoren) wechselte er an die Fakultät für Humanmedizin. Im Anschluss forschte er an der Ohio State University (USA), bevor er an die Universität Gießen zurückkehrte. Seit 1989 ist er an der Universität Witten/Herdecke tätig, wo er sich zunächst mit Komplementärmedizin beschäftigte, bevor er 1998 ins Institut für Evolutionsbiologie wechselte. Im Jahr 2007 habilitierte er zum Thema „Autonomie in der Evolution“ und wurde Leiter des Instituts. Seine Forschungsschwerpunkte sind Muster und Prozesse der Makroevolution, organismische und System-Biologie, Philosophie der Biologie und Medizin sowie die allgemeine Zoologie.

Universität Witten/Herdecke

Die Universität Witten/Herdecke (UW/H) nimmt seit ihrer Gründung 1983 eine Vorreiterrolle in der deutschen Bildungslandschaft ein: Als Modelluniversität mit rund 2.000 Studierenden in den Bereichen Gesundheit, Wirtschaft und Kultur steht die UW/H für eine Reform der klassischen Alma Mater. Wissensvermittlung geht an der UW/H immer Hand in Hand mit Werteorientierung und Persönlichkeitsentwicklung.