Einfachste Lebewesen – Kolibakterien und Bierhefe – lernen evolutionär, sich auf künftige Ereignisse und veränderte Umwelten einzustellen: zu planen.
Dass Tiere lernen können, verschiedene, nacheinander ablaufende Ereignisse in ihrer Umwelt zu verknüpfen, weiß man seit den Hunde-Experimenten von Iwan Petrowitsch Pawlow in den 1890er-Jahren: Pawlow hatte bemerkt, dass den Tieren das Wasser schon im Maul zusammen- bzw. aus ihm herauslief, wenn sie noch gar kein Futter bekamen, aber wussten, dass es bald so weit ist. Er vermutete, dass sie andere Zeichen zu deuten lernten – etwa die herannahenden Schritte der Tierpfleger –, er probierte es mit einer Glocke. Die ließ er ertönen, bevor es Futter gab, die Tiere lernten rasch, der Glockenklang setzte den Speichelfluss in Gang.
Solche „konditionierten Reflexe“ sind also erlernt, sie können auch wieder verlernt werden: Kam nach der Glocke kein Futter, kam auch bald kein Speichel, so klug sind Hunde. Nicht nur sie: Schlichte Kolibakterien und Bierhefen stehen ihnen nichts nach, auch sie lernen, von Erfahrungen auf die Zukunft zu schließen und sich auf erwartbare Ereignisse vorzubereiten: zu planen.
Wärme des Mauls als Signal
Das empfiehlt sich auch, denn die Zukunft kann dramatisch anders aussehen: Kolibakterien etwa pendeln zwischen zwei Lebensräumen, dem Erdboden und – wenn sie von einem grasenden Tier aufgenommen werden – dem Verdauungstrakt. Draußen gibt es Sauerstoff, drinnen keinen, die Bakterien müssen beizeiten ihren Stoffwechsel umstellen, andere Gene aktivieren. Das tun sie, wenn sie in ein Tiermaul geraten sind, dort ist es warm – das ist das Pawlow'sche Signal –, es löst den Wandel zum Leben ohne Sauerstoff aus (und bereitet zugleich auf das Leben in der Wärme vor), Saeed Tavazoie (Princeton) hat es vor einem Jahr gezeigt: Die Bakterien lernen, zwar nicht als Individuen – die stellen sich so rasch nicht um –, aber im Kollektiv, es braucht einige Generationen und Evolution.
Und sie lernen auch wieder um, verlernen, ganz wie die Hunde: Gibt man ihnen erst das Wärmesignal und dann viel Sauerstoff, stellen sie bald den Stoffwechsel nicht mehr um (Science, 320, S.1313). In der Natur tun sie es natürlich, sie kommen ins Gedärm, und dort wartet Futter: Zucker. Aber nicht irgendein Zucker, sondern zwei verschiedene, und die nicht gleichzeitig, sondern nacheinander: Oben im Darm gibt es Laktose, weiter unten Maltose. Treffen die Bakterien auf Laktose, aktivieren sie die Gene, die sie zu deren Verarbeitung brauchen – und zugleich (etwas geringer) die, die sie zur Verarbeitung von Maltose brauchen. Es geht nur in dieser Richtung: Bietet man ihnen zuerst Maltose an, werden allein die dafür nötigen Gene aktiviert, nicht die für Laktose.
Das hat Yitzhak Pilpel (Weizman Institute, Rehovot) in seinem Labor nun gezeigt, er ist auch den nächsten Schritt gegangen und hat nur Laktose gefüttert, ohne folgende Maltose. Die dafür zuständigen Gene wurden bald nicht mehr aktiviert.
Ganz ähnlich bereitet sich Bierhefe auf die Zukunft vor: Wenn sie Kohlehydrate zu Alkohol vergärt, wird es warm, der pH-Wert ändert sich etc. Auf all das muss sich die Hefe einstellen, sie tut es vorausblickend, auf das erste Signal von Wärme hin. „Evolution ersetzt konditioniertes Lernen, aber das Endergebnis ist ähnlich, es erhöht die Überlebensfähigkeit“, schließt Pilbel. Er vermutet, dass auch die einzelnen Zellen von Mehrzellern in die Zukunft schauen und sich vorbereiten. Das brächte ganz neue Perspektiven für die Medizin (Science, 17.6.).
("Die Presse", Print-Ausgabe, 24.06.2009)