Biologie > Genetik > Einführung

Reaktionsnorm

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.

Reaktionsnorm

Zusammenhang zwischen Gentyp und Umweltfaktoren. Die Reaktionsnorm wird vererbt und gibt vor, wie stark ein bestimmtes Merkmal durch Umweltfaktoren geprägt werden kann. Bei einer engen Reaktionsnorm hat die Umwelt keinen großen Einfluss auf das Merkmal, bei einer weiten Reaktionsnorm können Umweltfaktoren große phänotypische Variationen hervorrufen.

Beispiel 1

Reaktionsnorm bei drei Drosophila-Mutanten

Zahl der Facetten von drei Drosophila-Mutanten in Abhängigkeit von der Temperatur.
Das Drosophila-Bild stammt von Wikipedia-User Bbski und steht unter der GNU Free Documentation License. Die Graphik wurde von mir selbst angefertigt nach einer Abbildung aus dem Genetik-Lehrbuch von Suzuki, Griffiths, Miller und Lewontin ("Genetik", Weinheim 1991).

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.

Ultrabar-Mutanten haben deutlich weniger Facetten in den Komplexaugen als nicht mutierte Wildtyp-Tiere, ungefähr 200 Facetten pro Auge bei 15 ºC, im Gegensatz zu den 1000 Facetten pro Auge beim Wildtyp. Ähnlich wie bei den Wildtyp-Tieren nimmt auch bei den Ultrabar-Mutanten die Zahl der Facetten mit steigender Tempratur ab, bei 30 ºC haben die Tiere nur noch gut 60 Facetten pro Auge.

Interessant sind jetzt die Infrabar-Mutanten. Bei 15 ºC haben sie ähnlich wie die Ultrabar-Tiere um die 200 Facetten pro Auge. Bei steigender Temperatur nimmt hier jedoch die Zahl der Facetten stark zu, von ca. 180 auf knapp 300.

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 sieben verschiedenen Pflanzen der Schafgarbe 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 in Bremen).

Wuchshöhe von Achiella-Pflanzen in unterschiedlicher geographischer HöheWuchshöhe von Ablegern sieben verschiedener Achillea-Pflanzen, die in unterschiedlichen geographischen Höhen aufgezogen wurden. Die Graphik wurde von mir selbst angefertigt nach einer Abbildung aus dem Genetik-Lehrbuch von Suzuki, Griffiths, Miller und Lewontin ("Genetik", Weinheim 1991).

Nehmen wir als Beispiel die Pflanze mit der Nummer 2. In einer Höhe von 50 m über dem Meeresboden entwickelt sie sich prächtig. Der Ableger im Harz (mittlere Höhe) entwickelt sich viel schlechter, er wird nur ca. 25 cm hoch. Man sollte nun denken, in den Alpen wächst der genetisch gleiche Ableger der Mutterpflanze noch schlechter - aber nein, hier erreicht der Ableger eine Höhe von fast 40 cm.

Vergleichen wir dieses Verhalten nun mit dem der Pflanze Nr. 4. In geringer Höhe wird die Pflanze 40 cm groß, im Harz wird sie etwas größer, im Hochgebirge dagegen deutlich kleiner.

Reaktionsnormen der Pflanzen 2 und 4

Reaktionsnorm der Pflanzen Nr. 2 und Nr. 4

Hier sehen wir das Gesagte noch einmal als Graphik. Die Reaktionsnorm der Pflanze 2 scheint größer zu sein als die der Pflanze 4. Je nach Umweltbedingungen kann die Pflanze 2 unterschiedlich hoch wachsen, sie kann bis zu über 50 cm hoch werden.

Die Reaktionsnorm der Pflanze 4 sieht etwas anders aus. Unter ungünstigen Umweltbedingungen wird sie etwas größer als die Pflanze 2, aber unter günstigen Bedingungen wird sie nicht so groß wie Pflanze 2; die Reaktionsnorm ist hier also deutlich kleiner oder enger.

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 Genotyp in der Regel nicht auf den Phänotyp 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).

Umweltfaktoren die hier eine Rolle spielen können gibt es viele. Wasser ist ein unglaublich wichtiger Punkt, da man es zum Leben benötigt. Deswegen müssen die Menschen mit genügend Trinkwasser versorgt werden. In Deutschland ist das die Aufgabe der Kommunen. Diese können aber externe Dienstleister zu diesem Zwecke beauftragen. Remondis ist ein Beispiel für einen Anbieter, der die kommunale Wasserversorgung übernimmt. Doch auch Faktoren wie die Sozialisation, Ernährung oder das Erleben von Traumata zählen zu Umweltfaktoren, die in der Epigenetik genauer betrachtet werden. Besonders Studien mit eineiigen Zwillingen sind gefragt, da sie von Natur aus das gleiche Erbmaterial haben und die Unterschiede zwischen ihnen mit äußeren Faktoren begründet werden können. Im Grunde waren die Versuche mit den Schafgarben-Pflanzen (siehe oben) ja auch Versuche mit "eineiigen Viellingen", da man die Mutterpflanzen ja geklont hat.

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 weniger aktiv, 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.

Interne Links:

Externe Links: