Die Reaktionsnorm beschreibt das Verhältnis zwischen Genotyp, Phänotyp und Umwelt. Als wir im Unterricht in das Thema "Ökologie" eingestiegen sind, haben Sie verschiedene Toleranzkurven kennengelernt. Die Lage von Minimum, Maximum und Optimum charakterisieren eine solche Toleranzkurve, man bezeichnet diese Punkte auch als "Kardinalpunkte" der Toleranzkurve. Ob ein Individuum nun aber eine Vorzugstemperatur von 17°C oder eine von 25°C hat, hängt wieder von der genetischen Ausstattung des Tiers ab - von seinem Genotyp, und eventuell auch von Umweltfaktoren, die auf das Individuum längere Zeit eingewirkt haben.
Beispiel 1
Betrachten wir dazu die obige Graphik. Dargestellt wird die Anzahl der Facetten in den Komplexaugen von Drosophila-Individuen in Abhängigkeit von der Temperatur. Nicht mutierte Fliegen (Wildtyp) haben bei einer Temperatur von 15°C ca. 1000 Facetten, bei einer Temperatur von 30°C aber nur 750 bis 800 Facetten. Je wärmer es also ist, aus desto weniger Einzelaugen bestehen die Komplexaugen der Insekten. Hier sieht man direkt den Einfluss eines isolierten Umweltfaktors auf ein isoliertes physiologische Merkmal der Tiere.
Die Graphik besteht aber nicht nur aus einer Kurve, sondern aus dreien. Es sind nämlich auch die Toleranzkurven für zwei Mutanten dargestellt, die als "Infrabar" und "Ultrabar" bezeichnet werden. Infrabar-Tiere haben grundsätzlich weniger Facetten als Wildtyp-Tiere, und bei ihnen nimmt die Zahl der Facetten mit steigender Temperatur zu. Auch Ultrabar-Tiere haben weniger Facetten als Wildtyp-Tiere, und bei steigender Temperatur nimmt die Zahl der Facetten noch ab.
Was will diese Graphik uns zeigen?
Es ist gar nicht so einfach, aus dem Phänotyp eines Individuums auf den Genotyp zu schließen. Welchen Genotyp hat denn ein Tier mit 190 Facetten pro Auge? Wurde es bei 15°C gezüchtet, handelt es sich wahrscheinlich um den Infrabar-Genotyp. Wurde es bei 20°C gezüchtet, dagegen um den Ultrabar-Genotyp. Zwei Individuen mit dem gleichen Phänotyp können also einen unterschiedlichen Genotyp haben. Umgekehrt können zwei Tiere mit dem gleichen Genotyp völlig unterschiedliche Phänotypen haben.
Die Sache wird noch komplizierter: die Art und Weise, wie der Phänotyp von der Umwelt abhängt, kann wiederum genotypisch verankert sein. Bei den Infrabar-Fliegen steigt die Facettenzahl mit zunehmender Zuchttemperatur, bei den Ultrabar-Fliegen dagegen sinkt sie.
Beispiel 2
Betrachten wir ein zweites Beispiel, diesmal aus der Pflanzenwelt.
Hier hat man von verschiedenen Pflanzen der gleichen Art jeweils drei Ableger genommen und daraus drei genetisch identische Tochterpflanzen herangezogen. Die drei Ableger hat man dann unterschiedlichen Umweltbedingungen ausgesetzt. Den jeweils ersten Ableger hat man in einer großen Höhe wachsen lassen (vielleicht in den Alpen), den zweiten Ableger in einer mittleren Höhe (vielleicht im Harz), und den dritten Ableger in geringer Höhe (vielleicht an der Ostsee).
Nehmen wir als Beispiel die Pflanze mit der Nummer 4 ganz links in der Graphik. In einer Höhe von 50 m über dem Meeresboden entwickelt sie sich prächtig. Bei 1400 m Höhe muss man schon genau hinsehen, um sie überhaupt noch zu bemerken, und bei großer Höhe (über 2000 m) gedeiht sie wieder sehr gut.
Bei der Pflanze 13 - vermutlich ein völlig anderer Genotyp - sieht die Sache schon ganz anders aus. Der Ableger, der in geringer Höhe wächst, zeigt ein gutes Wachstum. Die Ableger, die bei mittlerer und großer Höhe wachsen, zeigen dagegen nur ein eingeschränktes Wachstum.
Diese Abbildung zeigt uns den Einfluss von zwei wichtigen Faktoren auf die Entwicklung eines Individuums: Genotyp und Umwelt.
Ist Genetik einfach?
So einfach, wie es in Schulbüchern immer dargestellt wird (weiße Pflanzen und rote Pflanzen ergeben rote Pflanzen, also haben wir Dominanz, oder es entstehen rosa Pflanzen, dann haben wir einen intermediären Erbgang etc.) ist die Genetik in Wirklichkeit nicht. Es ist schon sehr schwer, von einem gegebenen Phänotyp auf einen möglichen Genotyp zu schließen, umgekehrt kann man aus einem gegebenen Genotypen in der Regel nicht auf den Phänotypen schließen, weil dieser auch stark von Umweltfaktoren und Entwicklungsschwankungen abhängt. Unter Entwicklungsschwankungen versteht man die stets auftretenden, nicht von der Umwelt abhängigen, zufälligen Ereignisse in der Entwicklung eines Organismus, die seinen Phänotypen ebenfalls beeinflussen.
Denn es ist doch wohl klar, um noch einmal auf das Drosophila-Beispiel zurückzukommen, dass bei 20°C Zuchttemperatur nicht alle Infrabar-Tiere genau 180 Facetten pro Auge besitzen. Manche Tiere haben vielleicht 160 Facetten, andere dafür 200 Facetten. Diese Unterschiede sind auf zufällige Ereignisse während der Entwicklung zurückzuführen.
Epigenetik
In den letzten Jahren hat sich ein neues Teilgebiet der Genetik aufgetan, die Epigenetik. Unter diesem Begriff versteht man den Einfluss der Umwelt auf die Aktivität bestimmter Gene. Bereits seit langem weiß man, dass die Umwelt einen starken Einfluss auf die Art und Weise hat, wie sich Gene auf den Phänotyp ausprägen (siehe die beiden Beispiele oben). Neuere Studien zeigen nun aber, dass die Umwelt weit stärker als bisher gedacht in das genetische Geschehen eingreift. Durch Umweltfaktoren können offensichtlich bestimmte Gene aktiviert oder deaktiviert werden, und zwar dauerhaft. Die chemischen Mechanismen, die diesem Phänomen zugrunde liegen, sind noch nicht so ganz klar - man vermutet, dass die Methylierung der DNA hier eine große Rolle spielt. Wichtiger jedoch ist die Tatsache, dass solche umweltbedingten Aktivitätsmuster auf die nachfolgende Generation vererbt werden können. Ernährt sich eine Frau ihr Leben lang gesund, so führt das nicht nur zu einem gesunden Körper, sondern auch ihre Gene sind in einem "gesunden" Zustand: Bestimmte Gene sind stärker methyliert als üblich und damit inaktiv, andere Gene wiederum sind weniger methyliert und damit aktiver. Auch die Erbsubstanz in den Eizellen trägt dieses Muster, und ihre Kinder erben dann dieses Aktivitätsmuster. Wissenschaftliche Studien belegen eine solche Art von Epigenetik, also quasi Vererbung in einem übergeordnetem Sinn.
Ein großer Artikel zu diesem Thema ist kürzlich im Spiegel erschienen (Heft 32/2010). Hier der Link zum Artikel.
Aus verschiedenen Quellen zusammengestellt und überarbeitet von Ulrich Helmich im September 2010.
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