ADAPTIVE EVOLUTION DURCH MENSCHLICHE KULTUR VERURSACHT
Es besteht kein Zweifel, dass die Landwirtschaft und ihre fortschreitende Entwicklung die menschliche Umwelt stark verändert hat. Umweltveränderungen führen oft zu einer anpassungsfähigen Evolution, und der Mensch ist da keine Ausnahme. Ich werde dies zunächst anhand von Beispielen der menschlichen Evolution als Reaktion auf Infektionskrankheiten erläutern. Die Landwirtschaft hat die Umwelt des Menschen in vielerlei Hinsicht verändert, aber zwei wichtige Veränderungen betrafen die Anzahl der Menschen und ihre lokale Bevölkerungsdichte. Seit der Entwicklung der Landwirtschaft ist die menschliche Bevölkerung in etwa exponentiell gewachsen. Die Landwirtschaft führt zu einem sesshafteren Lebensstil, und die Menschen müssen in der Nähe ihrer Felder leben. Infolgedessen führten schon die frühen landwirtschaftlichen Systeme zu einem starken Anstieg der lokalen Bevölkerungsdichte. Diese Kombination aus einer größeren Anzahl von Menschen und einer höheren lokalen Bevölkerungsdichte schuf ein neues demografisches Umfeld, das ideal für die Verbreitung von Infektionskrankheiten war. Auf diese Weise steigerte die Landwirtschaft die Bedeutung von Infektionserregern als selektive Faktoren in der menschlichen Evolution. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Pionierarbeit von Wiesenfeld.5 Das malaysische Agrarsystem, das sich zuerst in Südostasien entwickelte, nutzt in großem Umfang Wurzel- und Baumkulturen, die an feuchte, tropische Umgebungen angepasst sind. Die malaiisch-polynesisch sprechenden Völker, die dieses Agrarsystem entwickelten, wurden auch zu ausgezeichneten Seefahrern, die viele Inseln kolonisierten, darunter die Insel Madagaskar vor der Ostküste Afrikas vor etwa 2000 Jahren. Das malaysische Agrarsystem wurde später, vor etwa 1500 Jahren, von Bantu-Völkern auf dem afrikanischen Festland übernommen und verbreitete sich rasch in den feuchten, tropischen Gebieten des Kontinents. In den intakten Regenwäldern Afrikas ist Malaria eine seltene Krankheit, aber in den Gebieten, in die der malaiische Landwirtschaftskomplex eingeführt wurde, wurde Malaria weit verbreitet. Durch die höhere Anzahl und Dichte der Menschen konnten mehr Menschen infiziert werden und infizierte Menschen hielten sich in unmittelbarer Nähe zu nicht infizierten Menschen auf, was wiederum die Wahrscheinlichkeit der Übertragung von Malaria durch Moskitos erhöhte. Durch die Landwirtschaft wurde die Malaria in dieser und anderen menschlichen Populationen zu einem wichtigen Infektionserreger und damit zu einem wichtigen Selektionsfaktor. Das Ergebnis ist, dass sich die menschlichen Populationen durch natürliche Selektion an die Malaria anzupassen begannen. In den afrikanischen Ländern südlich der Sahara bestand eine der wichtigsten Anpassungen darin, dass durch natürliche Selektion die Häufigkeit des Sichelzellen-Allels am β-Ketten-Locus des Hämoglobins erhöht wurde, das bei Personen, die für das Sichelzellen-Allel heterozygot sind, eine Resistenz gegen Malaria verleiht. Ähnliche Selektionskräfte traten überall dort auf, wo die Landwirtschaft die Bedingungen schuf, um Malaria zu einer anhaltenden, epidemischen Krankheit zu machen, und die menschlichen Populationen passten sich ihrerseits an die Malaria an, indem sie die Häufigkeit einer Reihe von Allelen an vielen verschiedenen Loci erhöhten, einschließlich der verschiedenen Thalassämien und der Allele des Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase-Mangels zusätzlich zur Sichelzellkrankheit.4 Gemessen an der Zahl der betroffenen Menschen machen diese Anpassungen an die Malaria allein den größten Teil der klassischen mendelschen Erbkrankheiten aus, von denen die Menschheit betroffen ist. Auch bei anderen mendelschen Erbkrankheiten wurde angenommen, dass sie als Anpassungen an die vom Menschen geschaffene Umwelt ausgewählt wurden. So weisen beispielsweise aschkenasische jüdische Populationen eine hohe Häufigkeit von Krankheitsallelen an vier verschiedenen genetischen Loci auf – Tay-Sachs, Gaucher, Mukolipidose Typ IV und Niemann-Pick -, die alle zu Defekten in der Sphingo-Lipid-Speicherung führen. Motulsky6 stellte die Hypothese auf, dass alle vier genetisch bedingten Krankheiten Anpassungen an die Tuberkulose darstellen, die ihrerseits durch die Bildung von Ghettos zu einem wichtigen Selektionsfaktor wurde, obwohl diese Hypothese umstritten bleibt.7 Ungeachtet dessen besteht kein Zweifel daran, dass die meisten genetisch bedingten Krankheiten beim Menschen auf die natürliche Auslese zurückzuführen sind, durch die sich menschliche Populationen an Infektionserreger angepasst haben, deren selektive Bedeutung durch die kulturelle Evolution verstärkt und nicht vermindert wurde.8
Trotz der Fortschritte in der modernen Medizin sind Infektionserreger auch heute noch ein wichtiger selektiver Faktor beim Menschen. Die Geißel der Malaria ist nicht verschwunden, und jede Woche sterben 20.000 Menschen an Malaria.9 Außerdem haben wir mit dem Wachstum der menschlichen Bevölkerung unsere Umwelt verändert, indem wir in den Lebensraum von immer mehr anderen Arten eingedrungen sind. Dies hat dazu geführt, dass viele Infektionskrankheiten anderer Arten immer größere Chancen haben, Menschen zu infizieren, und einige dieser artenübergreifenden Infektionserreger haben sich erfolgreich an den Menschen als Wirt angepasst. Diese kulturell bedingten Umweltveränderungen haben einen ganz neuen Bereich der Gesundheitsproblematik geschaffen: neu auftretende Infektionskrankheiten. Eines der dramatischsten Beispiele aus jüngster Zeit ist die Evolution von HIV aus SIV, einem Retrovirus, das andere Primaten wie Schimpansen infiziert.10 Die erfolgreiche Anpassung von HIV an den Menschen hat wiederum eine Selektionskraft für die Anpassung des Menschen an HIV geschaffen, die wir in den heutigen menschlichen Populationen beobachten können.11,12
Wie die obigen Beispiele zeigen, hat die kulturelle Evolution des Menschen die Anpassung menschlicher Populationen an Infektionskrankheiten nicht verhindert, sondern höchstwahrscheinlich eher noch verstärkt. Das Gleiche gilt auch für systemische Krankheiten. Vieles deutet darauf hin, dass die Gene, die das Risiko für viele weit verbreitete systemische Krankheiten bedingen, nach der Entwicklung der menschlichen Landwirtschaft selektiert wurden, anstatt ein evolutionäres Erbe aus der Steinzeit zu sein. Eine der häufigsten Systemkrankheiten, von denen die Menschen heute geplagt werden, ist Diabetes Typ II, die mit alarmierender Geschwindigkeit zunimmt. Diese Zunahme ist so rasant, dass sie nicht auf evolutionäre Veränderungen in der menschlichen Bevölkerung zurückzuführen sein kann, sondern eher auf Umweltveränderungen, wie z. B. Veränderungen der Ernährung und des Lebensstils.13 Dennoch können Typ-II-Diabetes und viele andere systemische Krankheiten immer noch die Auswirkungen der adaptiven Evolution in der jüngeren Menschheitsgeschichte widerspiegeln.
Der Gedanke, dass Gene, die ein Individuum für Typ-II-Diabetes prädisponieren, die jüngste adaptive Evolution darstellen könnten, wurde erstmals von Neel14 als „thrifty genotype hypothesis“ vorgeschlagen. Diese Hypothese besagt, dass dieselben genetischen Eigenschaften, die für Diabetes prädisponieren, auch zu einem schnellen Insulinauslöser führen, selbst wenn der Phänotyp des Diabetes nicht ausgeprägt ist. Ein solcher schneller Auslöser ist von Vorteil, wenn Menschen regelmäßig unter Hungersnöten leiden, da er den renalen Glukoseverlust minimiert und zu einer effizienteren Nahrungsverwertung führt. Wenn Nahrung im Überfluss vorhanden ist, würde die Selektion gegen diese Genotypen gering ausfallen, da das Alter, in dem der diabetische Phänotyp auftritt, in der Regel nach der Fortpflanzung liegt und weil die zucker- und kalorienreiche Ernährung in modernen Gesellschaften, die zur Auslösung des diabetischen Phänotyps beiträgt, in der menschlichen Evolutionsgeschichte erst seit kurzem existiert.
Als Neel diese Hypothese aufstellte, war wenig über genetische Faktoren bekannt, die eine Person für Diabetes prädisponieren würden, aber viele genomweite Assoziationsstudien haben inzwischen mehrere genetische Loci identifiziert, die solche prädisponierenden Allele aufweisen.15 Darüber hinaus gibt es inzwischen mehrere Bevölkerungsumfragen, die zeigen, dass die Häufigkeit von Diabetes unter den heutigen Bedingungen einer hochkalorischen Ernährung in Bevölkerungsgruppen höher ist, die in der jüngeren Vergangenheit Hungersnöten oder einer kalorienreduzierten Ernährung ausgesetzt waren.16-19 Die Pima-Indianer im amerikanischen Südwesten beispielsweise waren früher Jäger und Sammler sowie Bauern, die mit Hilfe von Bewässerungsanlagen eine Vielzahl von Feldfrüchten, vor allem aber Mais, anbauten. Sie lebten jedoch in einem trockenen Teil des Landes, und ihr auf Mais basierendes landwirtschaftliches System war in Dürrezeiten immer wieder von Misserfolgen betroffen. Jahrhundert, als europäisch-amerikanische Einwanderer die Oberläufe der von den Pimas zur Bewässerung genutzten Flüsse umleiteten, was zu einer weit verbreiteten Hungersnot führte. Mit dem Zusammenbruch ihres landwirtschaftlichen Systems waren die überlebenden Pimas auf eine von der Regierung verordnete Diät angewiesen, die aus fettreichen, stark verfeinerten Lebensmitteln bestand. Gegenwärtig leiden unter den erwachsenen Pima-Indianern 37 % der Männer und 54 % der Frauen an Typ-2-Diabetes, eine der höchsten bekannten Inzidenzen in menschlichen Populationen.19 Ein weiteres Beispiel liefert die menschliche Bevölkerung auf der mikronesischen Insel Nauru.17,18 Die Nauruaner litten in ihrer jüngeren Geschichte unter zwei extremen Ausprägungen der natürlichen Selektion für sparsame Genotypen. Erstens wurde ihre Bevölkerung von Menschen gegründet, die mehrwöchige Kanufahrten zwischen den Inseln unternahmen. Bei zahlreichen bezeugten Beispielen für solche langen Kanufahrten starben viele Reisende an Hunger. Zweitens unterschieden sich die Nauruer von den meisten anderen pazifischen Inselbewohnern durch ihre extreme Hungersnot und Sterblichkeit während des Zweiten Weltkriegs. Beide Ereignisse dürften zu einer starken Selektion auf sparsame Genotypen geführt haben. Nach dem Zweiten Weltkrieg schloss ein externes Bergbauunternehmen mit den Nauruanern einen lukrativen Vertrag über die Rechte an phosphatreichem Vogelguano. Mit dem neu gewonnenen Reichtum wurden raffinierte Lebensmittel im Überfluss vorhanden. In diesem neuen Ernährungsumfeld leiden etwa 28 % der erwachsenen Bevölkerung an Typ-2-Diabetes, während in der vorangegangenen Generation Diabetes praktisch unbekannt war.
Die oben zusammengefassten Beobachtungen unterstützen die Hypothese des sparsamen Genotyps, aber der vielleicht stärkste Beweis stammt aus der Entwicklung von Analysemethoden, die das Vorhandensein einer kürzlich erfolgten positiven Selektion für ein Allel anhand der Signatur, die eine solche Selektion in der genomischen Region um eine ausgewählte Variante herum hinterlässt, nachweisen können. Mehrere Allele, die für Diabetes prädisponieren, weisen eine deutliche Signatur der jüngsten positiven Selektion auf, insbesondere in den Populationen, die am anfälligsten für Diabetes sind.20-23 Diese Beobachtungen zeigen direkt, dass die genetischen Risikofaktoren für Diabetes in der jüngeren menschlichen Evolutionsgeschichte durch natürliche Selektion begünstigt wurden. Darüber hinaus haben dieselben neuen Analysemethoden eine große Anzahl anderer Gene aufgedeckt, die beim Menschen einer intensiven positiven Selektion unterworfen waren und die mit den jüngsten kulturellen Veränderungen, insbesondere in der Landwirtschaft, in Verbindung stehen.24
Interessanterweise gibt es keine zwingenden Beweise dafür, dass Futtersuch- und Agrargesellschaften sich in der Häufigkeit oder Schwere von Nahrungsmittelknappheit unterscheiden.25 Die mathematische Theorie, die solchen sporadischen selektiven Episoden zugrunde liegt, deutet jedoch darauf hin, dass die Erhöhung der Häufigkeit solcher prädisponierenden Allele unmittelbar nach der Nahrungsmittelknappheit am stärksten ist und im Laufe der Zeit abnehmen sollte.26 Folglich sind steinzeitliche Hungersnöte als Erklärung für die derzeitige hohe Häufigkeit dieser Allele unwahrscheinlich. Außerdem würden steinzeitliche Hungersnöte nicht das beobachtete Muster vorhersagen, wonach diese Allele in heutigen Populationen, die in der jüngeren Vergangenheit schweren Nahrungsmittelengpässen ausgesetzt waren, am häufigsten vorkommen. Leider wird die Hypothese des sparsamen Genotyps oft als Beispiel für die Anpassung an einen paläolithischen Lebensstil in der Vergangenheit dargestellt25,27 , obwohl Neel, der Urheber der Hypothese, Beispiele von Populationen, die in jüngster Zeit unter Nahrungsknappheit litten, wie die Pima-Indianer, als primäre Stütze für die Hypothese anführt.19 Daher deuten sowohl Beobachtungen als auch die Theorie darauf hin, dass sparsame Genotypen in heutigen menschlichen Populationen als Anpassung an jüngste Ereignisse vorhanden sind und nicht ein Erbe der menschlichen Evolution sind, die im Paläolithikum zum Stillstand gekommen ist.
Der sparsame Genotyp wurde erweitert und auf die genetischen Risikofaktoren angewandt, die Individuen für viele andere häufige systemische Krankheiten prädisponieren, wie koronare Herzkrankheit,28,29 metabolisches Syndrom,27 und Bluthochdruck.27 Die meisten der beim Menschen verbreiteten Systemerkrankungen könnten also durchaus auf eine natürliche Selektion zurückzuführen sein, die in jüngerer, ja sogar historischer Zeit stattgefunden hat. Unsere Kultur stellt ein Umfeld dar, das beim Menschen eine natürliche Selektion hervorruft. Die adaptive Evolution schreitet daher in modernen menschlichen Populationen voran, und ein Großteil dieser jüngsten menschlichen Evolution wirkt sich direkt auf das Auftreten von infektiösen, genetischen und systemischen Krankheiten beim Menschen aus.