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Zoologie

Beitragsreihe Zoologie

Prof. Dr. Dr. h.c. Randolf Menzel

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Aktuelle Fragen und Forschungsrichtungen

Biologie ist nicht einfach die Chemie oder Physik von komplexen Systemen, sondern eine Wissenschaft, die durch Besonderheiten ihrer Objekte gekennzeichnet ist.
Solche Besonderheiten, die es in der Chemie und Physik nicht zu untersuchen gibt, erwachsen aus der Geschichte von Lebewesen, ihrer Evolution, ihrer Ontogenese und ihrer Lebensgeschichte, die sich im ständigen Umbau des Körpers, insbesondere des Gehirns, niederschlägt (Ernst Mayr, Konzepte der Biologie, S. Hirzel-Verlag, Stuttgart 2006). Die aktuelle Forschung der Zoologie widmet sich mit besonderem Nachdruck gerade diesen Besonderheiten der Tiere.



Das Fach Zoologie wird eingeteilt in eine Reihe von Subdisziplinen, auf die hier kurz eingegangen werden soll. Eine ausführlichere Darstellung besonders forschungsintensiver zoologischer Disziplinen erfolgt weiter hinten.



Ökologie



Viele Tierarten sind wirkungsvolle Indikatoren für den Zustand von Ökosystemen, vor allem wenn diese Indikatortiere durch zoologische Forschung verstanden werden. Für diesen ökologischen Bezug wird nicht etwa nur rein ökologische Forschung benötigt, vielmehr gilt es, gerade durch die Aufklärung der strukturellen, genetischen, biochemisch-biophysikalischen, physiologischen, ethologischen und anderen Eigenschaften einer Tierart die Basis für ein Verständnis ihrer Ökologie zu legen. Zur Erfüllung dieser Anforderungen gehört neben der laborgebundenen Arbeit auch eine analytische Feldforschung. Eine Voraussetzung für ökologische Studien ist eine genaue Erfassung der Taxonomie der Tiere.



Evolution und Taxonomie



Die Zoologie erfüllt die Aufgabe, die Fülle der Tierarten nach ihrer phylogenetischen - stammesgeschichtlichen - Verwandtschaft zu klassifizieren, die Ursachen und Ablaufformen ihrer Differenzierung aufzuklären (Evolutionsforschung) und das Wissen darüber auf neuestem Stand abrufbar zu halten. Die eigentliche wissenschaftliche Aufgabe in diesem Bereich liegt dabei nicht in der eindeutigen Systematik, sondern in dem Herausarbeiten der Verwandtschaftsbeziehungen, da deren Kenntnis eine Voraussetzung für generalisierende Schlüsse von einem Untersuchungsobjekt auf andere bildet. Aktuell läuft eine weltweit angelegte Studie, die darauf zielt, alle Tiere in einer allgemein zugänglichen Datenbank zu erfassen und ihre Verbreitung kartographisch zu beschreiben.



Physiologie und Neurobiologie



Die Funktionsweise der Tiere ist am besten zu verstehen, wenn man die vernetzten molekularen und zellulären Reaktionswege in ihren Organen im Zusammenhang mit der evolutiven Verwandtschaft der Tierarten untersucht. Hierzu bieten die Methoden der Molekularbiologie und Biochemie großartige Möglichkeiten, und dennoch muss man wegen der Komplexität der Vorgänge nach neuen Lösungsmöglichkeiten suchen. So lassen sich die komplexen Eigenschaften der Organe hoch entwickelter Tiere erst an den einfacheren Organen phylogenetisch ursprünglicherer Tiere untersuchen, und dann kann man heraus arbeiten, worin die zusätzlichen Leistungen bestehen. Besonders eindrucksvoll und erfolgreich ist diese Arbeitsweise beim Studium des Nervensystems und des Gehirns von Tieren. Und was wiederum die taxonomische Zuordnung und die phylogenetische Verwandtschaftsanalyse anbelangt, so werden molekularbiologische Methoden immer wichtiger, zumal bereits von einer ganzen Reihe von Tierarten das gesamte Genom analysiert wurde.



Genetik



Die moderne Genetik arbeitet mit den Methoden der Molekularbiologie. Die DNA im Erbgut kann heute außerordentlich rasch und vollständig auf ihre Basensequenz untersucht werden. Damit steht dem Genetiker das Instrumentarium zur Verfügung, die Verwandtschaftsverhältnisse zwischen Individuen einer Art genau zu bestimmen. Außerdem lassen sich durch Veränderungen an der DNA transgene Tiere erzeugen, um die genetischen Grundlagen von funktionellen und anatomischen Eigenschaften gezielt zu studieren.



Morphologie und Entwicklungsbiologie



Zu den traditionell besonders wichtigen Disziplinen der Zoologie gehört die Strukturforschung, die Anatomie, Morphologie und Entwicklungsbiologie. Neue Methoden der Licht- und Elektronenmikroskopie haben ungeahnte Dimensionen des Körperbaues der Tiere und dessen Entwicklung im Laufe der Ontogenie (der Individualentwicklung von der befruchteten Eizelle an) eröffnet. Auch hier wieder ist es vor allem die Molekularbiologie, die mit ihren Instrumentarien dazu beiträgt, dass die Verteilung und Entwicklung von Zellen und ihren Kompartimenten (abgegrenzten Unterbereichen) gezielt verfolgt werden können.



Evolutionsforschung



Sie arbeitet mit den neuesten Methoden der molekularen Genetik und vermag evolutive Verwandtschaftsverhältnisse zwischen Tierarten mit ungeahnter Genauigkeit anzugeben. Wanderungen von Tieren und Menschen über die Kontinente, im Wechsel mit den Eiszeiten, Wiederbesiedlungen, Reliktbesiedlungen, Neuentstehung von Arten und Kreuzungen zwischen vorher getrennten Populationen können mit molekulargenetischen Methoden verfolgt werden. Solche großartigen Entwicklungen der Evolutionsforschung sind überaus wichtig, auch in der Auseinandersetzung mit unwissenschaftlichen Ideologien wie z.B. dem Kreatonismus und der These des “intelligent designs“. Die Evolutionsforschung liefert auch das Material für die Einteilung der Tiere nach ihrem Verwandtschaftsgrad (phylogenetische Taxonomie). Eine genaue Zuordnung von Arten ist eine Voraussetzung für das Studium der Lebensräume (Ökologie). Auch hier sind es die molekularbiologischen Verfahren, die auf der Grundlage der schnell wachsenden Kenntnisse der Genome von immer mehr Tierarten ganz neue Einsichten in die Wechselwirkungen zwischen Tier und Umwelt liefern.



Entwicklungsbiologie



Wie entsteht aus einer befruchteten Eizelle ein ganzer Organismus mit Millionen von Zellen in den unterschiedlichsten Organen? Zum richtigen Zeitpunkt der vielfältigen Teilungen der Zellen müssen an den richtigen Stellen des wachsenden Organismus die richtigen Gene eingeschaltet werden, damit unter ihrer Kontrolle die richtigen Proteine synthetisiert werden und an die richtige Stelle gelangen. So viele richtige Entscheidungen müssen aufeinander abgestimmt werden und zwischen den sich entwickelnden Organen und in ihrem inneren Aufbau koordiniert und kontrolliert werden. Mit eleganten molekularbiologischen Methoden kommt man heute diesen spannenden Vorgängen auf die Spur, verfolgt die molekularen Signale zwischen und innerhalb der Zellen, erfasst die beteiligten Gene und verfolgt die Proteine auf ihren Wegen.



Zoologen sind es, die mit ihren Kenntnissen und Arbeitsmethoden das grundlegende Wissen zur Verfügung stellen, damit die medizinischen Verfahren entwickelt werden können, Entwicklungsstörungen (z.B. durch Medikamente) vermieden werden können, fehlgeleitete Entwicklungen, wie z.B. beim Krebs, erkannt und therapiert werden können und das heilende Potential von embryonalen Stammzellen genutzt werden kann. Die wichtigsten Entdeckungen wurden dabei an besonders geeigneten “Modellorganismen“ gemacht, an dem Süßwasserpolypen Hydra, dem Erdwürmchen Caenorhabditis, der Taufliege Drosophila, dem Frosch Xenopus und der Maus. Nur weil an all diesen Tierarten gleichzeitig geforscht wird, erkennt man, welche Vorgängen allgemeine Bedeutung haben und welche spezielle Anpassungen sind – eine Voraussetzung für die wichtige Frage, welche Erkenntnisse sich auf den Menschen übertragen lassen.



Neurobiologie



Wer möchte nicht gerne wissen, wie das Gehirn es ermöglicht, dass wir uns als eine einzigartige Person erleben können, dass wir lernen und vergessen können, dass wir Liebe und Schmerz empfinden und uns sprachlich verständigen können. All dies sind Leistungen unseres Gehirns, die aber so komplex sind, dass wir erst noch recht wenig verstehen, wie das Gehirn des Menschen dies zustande bringt.



Auch hier sind es die Zoologen, die immer wieder die geeigneten Modellorganismen finden, um einen methodischen Zugang zu diesen spannenden Fragen zu eröffnen. Manchmal ist es wichtig, dass die Nervenzellen besonders groß sind, damit man ihre Funktionsweise in einem Netzwerk von Nervenzellen studieren kann. Hierzu haben sich Schnecken als besonders geeignet erwiesen. Manchmal braucht es ein Tier wie die Taufliege Drosophila, damit sich die eleganten Methoden der Molekulargenetik einsetzen lassen. Dann ist wieder ein Tier wie die Honigbiene besonders geeignet, um die Vorgänge im Netzwerk der Neuronen zu verstehen, wann Tiere lernen und ein Gedächtnis bilden. Will man nahe an die Arbeitsweise eines größeren Gehirns kommen, dann lassen sich Mäuse und Ratten studieren.



Mit dieser Forschungsstrategie war die Neurowissenschaft in den letzten Jahrzehnten außerordentlich erfolgreich und gehört heute zu den aufregendsten Forschungsbereichen, weil zum ersten Mal sichtbar wird, wie sich Erfahrung im Wandel der Verschaltung von Nervenzellen niederschlägt, was sich abspielt, wenn Furcht und Freude erfahren wird, wie das Gehirn plant und entscheidet, und welche Voraussetzungen für bewusstes Erleben gegeben sein müssen. Bei diesen Entdeckungen dringt die Neurowissenschaft auch in Gebiete des Nachdenkens vor, die traditionell der Philosophie und den Sozialwissenschaften zugeordnet werden. Hieraus ergeben sich für unser Verständnis des Menschseins zukunftsweisende Erkenntnisse, nicht immer im Einklang mit den vorgenannten Disziplinen, aber in einer fruchtbaren Diskussion.



Taxonomie und Phylogenetik



Die Ordnung des Tierreichs in einen evolutionsbiologischen Rahmen ist eine ureigene Aufgabe der Zoologie. Die Benennung von Arten hilft nicht nur der Verständigung über die Gegenstände, mit denen sich alle anderen Fächer der Zoologie beschäftigen, sondern auch der Klärung der verwandtschaftlichen Verhältnisse zwischen den Arten. Da es mehrere Millionen von Tierarten gibt, ist die Erfassung, Beschreibung, Benennung und Ordnung der Arten eine anspruchsvolle Forschungsanstrengung, die der Mithilfe aus allen zoologischen Disziplinen bedarf, der Strukturforschung, der Entwicklungsbiologie, der Genetik, der Verhaltensbiologie und ganz besonders der Molekularbiologie. Gerade dieses Fach hat mit seinen neuen Methoden die phylogenetische Taxonomie und die Biodiversitätsforschung außerordentlich befruchtet. Dies verlangt auch die Mitwirkung der in der Informationstechnologie ausgebildeten Zoologen.



Über die Analyse der DNA, der RNA und der Proteine lassen sich mit geeigneten Verfahren Verwandtschaftsbeziehungen zwischen den Arten und deren historische Entwicklung entschlüsseln. Damit ergibt sich ein reichhaltiges Instrumentarium, das die Methoden der klassischen Taxonomie (vergleichende Betrachtung von Körperbau, Einordnung in homologe und konvergent entwickelte Baumerkmale) ergänzt und unterstützt. Besondere Bedeutung hat die Taxonomie in der Ökologie und Biodiversitätsforschung. Das große Ziel einer weltweit kooperierenden Gemeinschaft der Taxonomen ist es, das gesamte Tierreich in einer großen Datenbank zu erfassen, die einen freien Zugriff für alle Interessierten erlaubt. Diese und viele weiteren Aufgaben hat sich die Taxonomie-Initiative gestellt (www.taxonomie-initiative.de).


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Prof. Dr. Dr. h.c. Randolf Menzel

Randolf Menzel ist Professor am Institut für Biologie und Neurobiologie der Freien Universität Berlin

Institut für Biologie und Neurobiologie, FU Berlin

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