Höhenluft Als Highlander geboren

Die Zugspitze ist keine 3000 Meter hoch, und trotzdem würde niemand auf die Idee kommen, hier oben ein Kloster, ein Dorf oder gar eine Stadt anzusiedeln. In Tibet wäre das jedoch nicht weiter ungewöhnlich. Dort leben Menschen selbst in Höhen von 4500 Metern und mehr, wo jeder Europäer mit Kurzatmigkeit und Herzrasen zu kämpfen hätte.

Dazu würden sich Schlaflosigkeit, Kopfschmerzen, Schwindel- und Schwächegefühl gesellen: Eine rechte Quälerei, zumindest in den ersten Tagen und Wochen, wenn der Körper versucht, die widrigen Luftverhältnisse zu kompensieren. Mit einer größeren Zahl an roten Blutzellen, die Hämoglobin für den Sauerstoff-Transport enthalten, zum Beispiel. Ein Effekt, den manche Sportler fürs Ausdauertraining nutzen; andere erreichen das gleiche Ziel (auf illegalem Weg), indem sie sich das Hormon Erythropoetin, kurz Epo, spritzen.

Ein Sherpa holt öfter Luft

Doch was geht im Organismus der Bergbewohner Tibets vor, denen westliche Trekkingtouristen spätestens dann Respekt zollen, wenn ihnen Sherpas leichtfüßig die Rucksäcke über den Gebirgspass tragen, während sie an sich selbst schon schwer genug zu schleppen haben? Blut, Lunge, Gehirn, Stoffwechsel, Schwangerschaft: Alles ist in der großen Höhe betroffen, denn nichts ist für den menschlichen Körper so wichtig wie die Versorgung mit Sauerstoff, ohne den Zellen und Gewebe absterben. Das Geheimnis des Lebens auf dem Dach der Welt zu entschlüsseln, ist für Mediziner daher ebenso interessant wie für Evolutionsbiologen, die Erklärungen suchen für die erstaunliche Vielfalt des menschlichen Phänotyps.

Bisher lieferten vor allem physiologische Untersuchungen Hinweise. Jetzt helfen immer mehr ausgeklügelte DNA-Analysen, die Mechanismen der Höhenanpassung bis ins kleinste Detail zu verstehen. So deuten die jüngst in Science und PNAS veröffentlichten Ergebnisse internationaler Forschungsgruppen auf erste Gen-Kandidaten hin. Eine dieser Studien kommt zu dem Schluss, die genetische Anpassung an das Leben im Hochland sei in erstaunlich kurzer Zeit erfolgt. Nur knapp drei Jahrtausende trennen demnach Tibeter und Han-Chinesen, was in auffallendem Kontrast zu historischen Aufzeichnungen, archäologischen Befunden und Ergebnissen der Sprachforschung steht und einige politische Brisanz besitzt.

Schon auf einer Höhe von 4000 Metern liefert ein Atemzug nur noch 60 Prozent der Sauerstoffmoleküle, die er der Lunge auf Meeresniveau zuführen könnte. Doch dieser elementare Mangel hat Menschen nicht davon abgehalten, die Anden, das Äthiopische Hochland oder eben Tibets Hochebenen zu bevölkern. Sie alle leben unter ähnlich extremen Bedingungen und werden dabei nicht höhenkrank. Allerdings haben sie in diesen Gegenden verschiedene Arten der Kompensation entwickelt. Die Bewohner des südamerikanischen Altiplano weisen mehr Hämoglobin im Blut auf als Menschen in tief gelegenen Regionen, können also auch mehr Sauerstoff transportieren. Die entsprechenden Werte der Tibeter sind jedoch nicht erhöht.

„In den Anden gehen die Menschen den hämatologischen Weg, Tibeter nehmen die respiratorische Route“, beschreibt die amerikanische Anthropologin Cynthia Beall den physiologischen Unterschied. Das bedeutet zum Beispiel, dass ein Sherpa öfter Luft holen muss und in ruhigen Minuten ein Volumen von etwa 15 Liter einatmet, bei einem Peruaner im Altiplano sind es lediglich zehn. Damit lässt sich jedoch noch nicht ausreichend erklären, wie Menschen im 5000 Meter hoch gelegenen Rongbuk-Kloster problemlos den Alltag bestreiten oder meditieren.

Flachlandtiroler unter Lungenhochdruck

Beall erforscht seit Jahrzehnten das Leben in dünner Höhenluft. Bei Tibetern fällt besonders der stärkere Fluss des Blutes sowie dessen hoher Gehalt an Stickstoffmonoxid auf: Mehr als das Zehnfache im Vergleich zu Probanden, die in Cleveland, Ohio, ungefähr auf Meeresniveau leben. Das im Körper gebildete Gas (NO) ist biologisch aktiv und sorgt unter anderem dafür, dass sich die Gefäße weiten. So fördert es indirekt die Sauerstoffaufnahme und würde zudem erklären, warum Tibeter nicht unter Lungenhochdruck leiden, den jeder Flachlandtiroler im Hochgebirge zu spüren bekommt.

Die körpereigene NO-Produktion ist bei einem tibetischen Highlander erhöht, und Cynthia Beall nimmt an, dass es dafür genetische Gründe gibt. Diese konnte die Anthropologin bisher zwar nicht finden, auf Chromosom 2 ließ sich jedoch ein anderes entscheidendes Erbe ausmachen. Denn dort liegt das sogenannte EPAS1-Gen, dessen Eiweißprodukt erheblichen Einfluss besitzt, weil es als Teilstück eines Transkriptionsfaktors mehr als hundert andere Genfunktionen reguliert. Unter anderem auch die Aktivität von Epo, das für die Bildung roter Blutzellen zuständig ist.

Gen in engem Zusammenhang zur Höhenanpassung

Deshalb überrascht es nicht, wenn die Untersuchungen von fast 200 Blutproben aus drei Dörfern der Himalaya-Region nun zeigen, dass EPAS1 tatsächlich eine Schlüsselrolle für die Tibeter spielt. „Unsere Teams haben ursprünglich getrennt gearbeitet und auch verschiedene Ansätze der DNA-Analyse verfolgt“, sagt Peter Robbins von der Universität in Oxford über die Zusammenarbeit mit der Gruppe um Cynthia Beall in Cleveland. Die einen suchten nach evolutionären Einflüssen, die anderen nach genetischen Unterschieden zwischen den Probanden. Mal wurde die gesamte Sequenz betrachtet, mal wurden ausgewählte Gene studiert.

Schließlich kamen die Wissenschaftler zu dem Schluss: Den untersuchten Himalaya-Bewohnern ist eine bestimmte Variante von EPAS1 gemein, das nun als erstes Gen in engem Zusammenhang mit einer Höhenanpassung steht. „Es ist absolut umwerfend, auf welche Weise die Einheimischen den problematischen Sauerstoffmangel im Hochgebirge bewältigen“, schwärmt Robbins.

Höhentraining hat nicht nur positive Effekte

Weitere Tests sollen zeigen, wie der Körper das im Einzelnen bewerkstelligt. „Das System der sogenannten Hypoxie-induzierbaren Faktoren (HIF), zu denen EPAS1 gehört, ist sehr wichtig, weil es unabhängig von Epo noch in viele weitere Stoffwechselwege eingreift und ganz generell wirkt“, sagt Robbins. Den Physiologen interessieren gerade die komplexen Regelmechanismen, die biologische Integration und Kalibrierung, die nötig wird, wenn nicht nur Zellen oder Gewebe betroffen sind, sondern das gesamte System.

Robbins und seine Mitarbeiter studieren solche physiologischen Zusammenhänge auch am Beispiel seltener Krankheiten wie etwa der erblichen „Chuvash-Polyzythämie“. Für Betroffene wirkt sich diese aus, als wären sie permanent auf Bergtour und müssten sich an die dünne Höhenluft anpassen. Ihnen fehlt ein Hemmstoff, der diese Reaktionskette im Flachland normalerweise drosselt. „An diesen Patienten können wir nun studieren, wie Gewebe und Organismus auf Sauerstoffstress reagieren“, sagt Federico Fermenti, der fünf Betroffene in Oxford untersucht hat. Die Ergebnisse ihrer Belastungstests deuten auch darauf hin, dass ein Höhentraining auf Dauer nicht nur positive Effekte für Sportler hätte: Der Energiestoffwechsel im Muskel verschlechtert sich signifikant.

Evolution zum wahren Highlander

Ursprüngliche Flachländer können sich im Hochgebirge zwar bis zu einem gewissen Grad akklimatisieren. Doch Schwangerschaften sind für Frauen, deren Blut dann meist hohe Hämoglobin-Konzentrationen aufweist, ein Problem. Sie erleiden häufiger Fehlgeburten. Ihr Erbgut besitzt nicht jene Varianten, die sich für die Bergvölker im Lauf der Evolution von Vorteil erwiesen haben. Das mussten die Spanier einst im südamerikanischen Hochland erfahren, und Chinesen heute in Tibet: „Manche Paare ziehen während einer Schwangerschaft in tiefer gelegene Gebiete um“, sagt Robbins. Auch das höhere Geburtsgewicht ist ein Hinweis, dass die Tibeter seit Generationen besser zurechtkommen. „Und wenn Gene direkt auf die Fortpflanzung wirken, können sich bestimmte Varianten schnell durchsetzen.“

Wie rasch sich diese natürliche Selektion vollzieht, zeigt ein genauerer Blick ins Erbgut. Ein Team um den dänischen Bioinformatiker Rasmus Nielsen, der an Universität in Berkeley arbeitet, war ebenfalls auf EPAS1 gestoßen, was die Resultate von Beall und Robbins bestätigt. Die kürzlich in Science veröffentlichten Sequenz-Vergleiche von 50 Tibetern mit 40 Han-Chinesen aus Peking förderten darüber hinaus weitere Gene zutage, deren Variationen wohl eine Rolle für die Evolution zum wahren Highlander spielen. Es sind beispielsweise Erbinformationen für Hämoglobin für die Blutzellbildung, die Eisenspeicherung oder wiederum andere aus dem HIF-Regelkreis. Doch für EPAS1 war das Selektions-Signal am stärksten. 87 Prozent der Tibeter besaßen ein bestimmtes Sequenzmerkmal, das wiederum nur bei neun Prozent der Chinesen vorkam und mit einer geringeren Hämoglobinkonzentration korreliert.

Politische Konsequenzen einer genetischen Frage

Daran zeigt sich, dass die menschliche Evolution manchmal in historisch kurzen Zeiträumen stattfindet. Han-Chinesen und Tibeter sind erst seit rund 3000 Jahren getrennt, schätzt Nielsens Team auf Basis von Modellrechnungen. Das sorgt jetzt für heiße Debatten zwischen Genetikern und Anthropologen, denn dieser Zeitpunkt passt nicht ins Bild. Frühe archäologische Funde lassen vermuten, dass in der Hochebene Tibets schon vor 25.000 Jahren Menschen lebten. Damals vielleicht nur sporadisch, doch seit mehr als 10.000 Jahren siedeln sie dort vermutlich permanent.

„Doch die heutige Bevölkerung Tibets stammt genetisch größtenteils von Vorfahren ab, die erst vor rund 3000 Jahren einwanderten“, erklärt Rasmus Nielsen. Ihm ist bewusst, dass dieses Ergebnis heikel ist, weil sich politische Konsequenzen an die Frage knüpfen, wann das Plateau besiedelt wurde und von wem. „Die genetischen Resultate zeigen vor allem, dass die zwei Gruppen extrem nah verwandt sind. Und nur eine sehr starke natürliche Selektion kann das Verteilungsmuster der EPAS1-Mutationen verursacht haben“, sagt Nielsen. Die Studie liefere keine Informationen bezüglich der Frage, wann die ersten Han-Ahnen die Hochebene erreichten.

Was auch immer die Gründe für die Immigration vor Jahrtausenden waren: Die Nachfahren dieser Siedler pflegen heute Tibets Traditionen und Sprache und erhalten damit die Kultur am Leben.