Joseph Gottlieb Kölreuter - ein Pionier der Genetik

Abstammungslinie der Genetik: ohne den Karlsruher Botaniker Kölreuter hätte Mendel seine Gesetze nie gefunden.

Am 11. November 2006, dem 200. Todestag von Joseph Gottlieb Kölreuter würdigte die Fakultät für Chemie und Biowissenschaften das Lebenswerk dieses bedeutenden Karlsruher Biologen. Kölreuter zeigte mit bahnbrechenden Experimenten, dass auch Pflanzen eine Sexualität besitzen und dass die Vererbung von beiden Eltern (nicht nur vom Vater) in gleichem Maße abhängt. Die Bedeutung seiner Versuche wurde allerdings erst über ein halbes Jahrhundert nach seinem Tod von der wissenschaftlichen Öffentlichkeit verstanden. Heute gilt er als entscheidender Wegbereiter für die Entwicklung der Genetik und damit der modernen Molekularbiologie. Mendels berühmte Arbeiten fußten auf Kölreuters Versuchen und inzwischen ist unbestritten, dass das erste Mendelsche Gesetz (die Uniformitätsregel) eigentlich Kölreutersches Gesetz genannt werden müsste.

Der als Sohn eines Apothekers in Sulz am Neckar geborene Kölreuter wurde 1763 als Professor der Naturgeschichte nach Karlsruhe berufen. Die Geschichte der Biologie ist damit noch älter als die Geschichte der Universität. Zwei Jahrhunderte nach Kölreuter ist die Genetik zu einer zentralen Wissenschaft geworden, die auch die Botanik auf eine molekularbiologische Basis gestellt hat.

Aus diesem Grund ist im Botanischen Garten eine kleine Ausstellung zu besichtigen, wo unter anderem Kölreuters entscheidender Kreuzungsversuch gezeigt wird.

Das Leben von Joseph Gottlieb Kölreuter

Geboren wurde Kölreuter 1733 als ältester Sohn einer alteingesessenen Apothekersfamilie. Wie zu jener Zeit nicht unüblich, begann er schon mit 15 Jahren sein Medizinstudium in Tübingen und verbrachte auch ein Studienjahr in Straßburg. Sein wirkliches Interesse schien jedoch schon damals mehr bei der Naturkunde denn bei der Medizin zu liegen, denn seine Doktorarbeit, 1755 beendet, befasste sich mit Käfern und seltenen Pflanzen.

Ein Jahr darauf nahm er eine Stelle an der Russischen Akademie der Wissenschaften in St. Petersburg an, wo er sich vor allem auf dem Gebiet der Fischkunde einen Namen machte und auch mehrere Arten (z.B. den links gezeigten Trichopterus) neu entdeckte und beschrieb.

1759 stellte die Akademie die Preisfrage nach einem experimentellen Beweis für die damals sehr umstrittene Sexualität der Pflanzen. Mit den berühmt gewordenen Bastardisierungsversuchen gewann Kölreuter nicht nur den Preis, sondern hatte sich nicht nur in der wissenschaftlichen Welt einen Namen gemacht.

Nach seiner Rückkehr 1761 blieb er zunächst eine Zeitlang in Sulz und wurde dann, auch auf Betreiben seines Mentors A. Gärtner (selbst ein bekannter Botaniker), zum Direktor des Botanischen Gartens in Karlsruhe ernannt. Die Hofgärtner begegneten seinen wissenschaftlichen Studien jedoch mit Mißtrauen. Der Konflikt eskalierte und verärgert zog er sich Ende der 60er Jahre in seinen Privatgarten zurück. 1775 heiratete er Caroline Auguste Süß, mit der er sieben Kinder hatte. Ansonsten führte er seine Kreuzungsversuche ungerührt weiter, veröffentlichte sein Buch „Das entdeckte Geheimnis der Kryptogamie“ (1777) und endlich auch seine Arbeiten aus der Petersburger Zeit. Der Markgraf hielt große Stücke auf ihn und zog ihn häufig für Planungen und Gutachten hinzu. Dennoch verarmte Kölreuter nach dem Tod seiner Frau (1801) und starb selbst 1806 an Lungenschwindsucht.

Ein einfaches Experiment mit großer Wirkung

Die Blüten von Nicotiana rustica (1), Nicotiana paniculata (2) und dem Hybriden

Was war die Frage?
Im Jahre 1759 schrieb die Akademie der Wissenschaft in St. Petersburg einen Preis aus: Wem gelingt es, über ein Experiment die Existenz der pflanzlichen Sexualität entweder eindeutig zu beweisen oder zu widerlegen? Den Preis errang ein junger Doktor der Naturwissenschaften, der wenige Jahre zuvor von der Universität Tübingen in die Stadt an der Newa gekommen war: Joseph Gottlieb Kölreuter.

Warum war diese Frage wichtig?
Um 1700 hatte Camerarius in Tübingen gezeigt, dass sich ohne die Gegenwart von Staubgefäßen kein Same bilden kann. Ob der Pollen jedoch die Eigenschaften der Vaterpflanze auf die nächste Generation überträgt, blieb unklar – manche nahmen an, daß der Pollen nur als eine Art nährender Einfluß wirke, andere glaubten gemäß der Lehre des Aristoteles, daß der Pollen zwar für die Vererbung zuständig sei, daß aber die Mutter nur als Gefäß diene, in dem die männlichen Erbanlagen heranwachsen. Dass beide an der Vererbung teilnahmen, glaubten nur wenige.

Was war die Idee von Kölreuters Versuch?
Kölreuter suchte sich zwei verwandte, aber klar unterscheidbare Arten und bestäubte diese kreuzweise. Die Idee war ebenso einfach wie elegant, denn es gab dabei drei Möglichkeiten:

Wenn der Pollen nur ernährt, aber nicht vererbt, sollte der Bastard der Mutterart gleichen.
Wenn nur der Pollen allein für die Vererbung verantwortlich ist, sollte der Bastard der Vaterart gleichen (wie damals von vielen behauptet wurde.)
Wenn es eine echte Sexualität gibt, sollte der Bastard zwischen Vater und Mutter stehen.

Kölreuter kreuzte die beiden Tabakarten Nicotiana rustica und Nicotiana paniculata und gewann damit 1760 den Preis der Akademie.

Wer vererbt - Vater oder Mutter?

Kölreuter musste mit einigen Arten experimentieren, bis es ihm gelang, sogenannte interspezifische Hybride zu erzeugen. Mit wilden Tabak- und Nelkenarten war er jedoch erfolgreich. Die Hybride waren weder Kopien der Väter, noch der Mütter, sondern lagen klar zwischen den Eltern. Dieses Ergebnis bestätigte sich auch, wenn man Vater- und Mutterrolle austauschte (reziproke Kreuzung). Am besten war dies an den Blüten zu erkennen, da sich diese zwischen den beiden Elternarten am deutlichsten unterschieden.

Kölreuter fasste seine Ergebnisse so zusammen:

„Ich wurde mit vielem Vergnügen gewahr, daß sie [die Bastarde] … gerade das Mittel zwischen beiden natürlichen Gattungen [Arten] hielten,... daß auch bei ihnen insbesondere alle zur Blume gehörigen Teile… eine fast geometrische Proportion zeigten, ein Umstand, der durch die alte aristotelische Lehre von der Erzeugung durch beiderlei Samen vollkommen gerechtfertigt, und hingegen der Lehre von den Samentierchen, oder den in dem Eierstocke der Tiere und Pflanzen ursprünglich durch den männlichen Samen zu belebenden Embryonen und Keimen gänzlich widerspricht."

Joseph Gottlieb Kölreuter - der eigentliche Begründer der Genetik

Mit diesem Ergebnis war auch gezeigt, daß es von jedem vererbten Merkmal eine mütterliche und eine väterliche Anlage gibt, für Gregor Mendel der entscheidende Anstoß, um das alte Problem der verdeckten Vererbung zu lösen („wie können zwei braunäugige Eltern plötzlich ein blauäugiges Kind bekommen?“).

Das erste der Mendelschen Gesetze, die sogenannte Uniformitätsregel, war eigentlich schon von Kölreuter entdeckt worden. Er beschrieb nämlich, dass die erste Generation einer Kreuzung völlig gleichförmig aussieht. Wird diese Generation nun mit sich selbst befruchtet, entstehen in der zweiten Generation eine große Bandbreite von Formen, darunter auch die ursprünglichen Eltern. Es findet also eine Aufspaltung statt (die Genetiker sprechen von Segregation). Damit war in Grundzügen auch schon das zweite von Mendels Gesetzen erkannt - was Kölreuter noch nicht untersuchte, waren die Zahlenverhältnisse dieser Aufspaltung. Dies war mit Kreuzungen zwischen zwei Arten, die sich ja in zahlreichen Merkmalen unterscheiden, auch sehr schwierig. Hier war es Mendel, der erkannte, dass die Spaltung nach ganzzahligen Verhältnissen erfolgte und er konnte dann auch erklären, warum gerade diese Spaltungszahlen auftreten mussten.

Die von Kölreuter entwickelte Technik der sorgfältigen Kreuzung und Untersuchung der Nachkommen wurde also durch Mendel auf eine mathematische Grundlage gestellt. Schon mehr als ein halbes Jahrhundert vor Entdeckung der DNA war damit eine neue Wissenschaft, die Genetik, begründet.

Die Molekularbiologie unserer Tage entwickelte sich also in einem über zwei Jahrhunderte währenden Weg aus den Pionierarbeiten von Joseph Gottfried Kölreuter.