Die ersten Organismen auf der Erde waren Prokaryoten, einfache Zellen ohne Zellkern. Milliarden von Jahren dominierten sie den Planeten. Erst viel später traten die Eukaryoten mit ihren komplexen inneren Strukturen auf. Diese Gruppe umfasst Algen, Pilze, Pflanzen und Tiere.
Um diese Geschichte nachzuvollziehen, nutzte ein internationales Team eine verbesserte Version der molekularen Uhr (siehe Erklärung am Ende des Artikels). Diese Technik ermöglicht es, den Zeitpunkt abzuschätzen, zu dem Arten einen gemeinsamen Vorfahren teilten. Durch die Analyse von über hundert Genfamilien und den Vergleich mit Fossildaten rekonstruierten die Forscher einen genaueren Stammbaum des Lebens. Die von Wissenschaftlern der Universität Bristol durchgeführte Studie kombiniert Paläontologie, Phylogenetik und Molekularbiologie, um einen detaillierten Einblick zu bieten.
Die Ergebnisse sind erstaunlich. Der Übergang zu komplexeren Zellen hätte vor etwa 2,9 Milliarden Jahren begonnen. Strukturen wie der Zellkern bildeten sich lange vor dem Auftreten der Mitochondrien. Diese Schlussfolgerungen führten zu einem neuen Modell namens 'CALM' (Complex Archaeon, Late Mitochondrion, also 'Komplexe Archaeen, späte Mitochondrien'). Die Forscher erklären, dass dieses Szenario frühere Hypothesen zur Eukaryogenese ersetzt.
Ein wichtiger Aspekt dieser Studie ist die zeitliche Lücke zwischen der Evolution der Eukaryoten und dem Anstieg des atmosphärischen Sauerstoffs (mehr Details am Ende des Artikels). Die Mitochondrien, die oft mit der Sauerstoffatmung in Verbindung gebracht werden, erschienen später und fielen mit dem ersten signifikanten Anstieg des Sauerstoffs zusammen. So entwickelte der archaeische Vorfahre der Eukaryoten komplexe Merkmale in einer anaeroben Umgebung. Dies deutet darauf hin, dass Sauerstoff keine Voraussetzung für die frühen Schritte dieser Evolution war.
Diese in Nature veröffentlichte Forschung erschüttert mehrere etablierte Vorstellungen. Sie zeigt, dass sich das Leben zu fortgeschrittenen Formen entwickeln konnte, ohne unmittelbar von Sauerstoff abhängig zu sein. Die Implikationen sind weitreichend und eröffnen neue Perspektiven auf die Bedingungen, die für die Entstehung biologischer Komplexität förderlich sind.
Die Analyse von über hundert Genfamilien half, den Entwicklungsweg komplexen Lebens nachzuvollziehen und beleuchtete die Unterschiede zwischen Prokaryoten und Eukaryoten.
Bildnachweis: Dr. Christopher Kay
Die molekulare Uhr
Die molekulare Uhr ist eine Technik in der Evolutionsbiologie, um die Zeit abzuschätzen, die vergangen ist, seit sich zwei Arten von einem gemeinsamen Vorfahren abgespalten haben. Sie basiert auf der Idee, dass sich genetische Mutationen im Laufe der Zeit mit einer relativ konstanten Rate anhäufen. Durch den Vergleich von DNA- oder Proteinsequenzen verschiedener Arten können Wissenschaftler ungefähre Daten für evolutionäre Ereignisse berechnen.
Diese Methode benötigt Kalibrierungsdaten, die oft von bekannten Fossilien stammen. Wenn beispielsweise ein Fossil eines Organismus auf ein bestimmtes Alter datiert wird, kann dies verwendet werden, um die Mutationsrate anzupassen. Die jüngste Studie erweiterte diesen Ansatz, indem sie Hunderte von Arten einbezog und sich auf bestimmte Genfamilien konzentrierte, was die Genauigkeit der Schätzungen verbesserte.
Die molekulare Uhr ist besonders nützlich für die Untersuchung von Zeiträumen, in denen Fossilien selten sind, wie etwa die frühe Evolution des Lebens. Sie hilft, Lücken im Fossilbericht zu schließen und vollständigere phylogenetische Stammbäume zu rekonstruieren. Allerdings hat sie Grenzen, da sich die Mutationsrate je nach Abstammungslinie oder Umweltbedingungen ändern kann.
Jüngste Fortschritte, wie die Verwendung ausgefeilter statistischer Modelle, haben diese Technik zuverlässiger gemacht. Sie spielt weiterhin eine wesentliche Rolle für unser Verständnis der Geschichte des Lebens auf der Erde und ermöglicht Entdeckungen, die etablierte Zeitleisten neu definieren.
Die Rolle von Sauerstoff in der Evolution
Traditionell galt atmosphärischer Sauerstoff als ein wichtiges Element für die Entstehung komplexen Lebens. Man dachte, dass hohe Sauerstoffwerte, wie sie vor etwa 2,4 Milliarden Jahren während der Großen Sauerstoffkatastrophe erreicht wurden, für die Entwicklung von Eukaryoten notwendig waren, insbesondere um die Mitochondrien durch Zellatmung mit Energie zu versorgen.
Die neue Studie zeigt jedoch, dass eukaryotische Merkmale lange vor dieser Zeit in sauerstofffreien Umgebungen auftraten. Dies deutet darauf hin, dass Sauerstoff kein anfänglicher Antrieb der Evolution hin zu komplexeren Zellen war. Die ursprünglichen Archaeen konnten sich zu fortschrittlicheren Formen entwickeln, indem sie andere Energiequellen nutzten, wie etwa chemische Verbindungen, die in den urzeitlichen Ozeanen verfügbar waren.
Diese Perspektive verändert unsere Sicht auf die Bedingungen, die Leben begünstigen. Sie zeigt, dass biologische Komplexität unter verschiedenen Stoffwechselregimen entstehen kann, ohne ausschließlich von Sauerstoff abhängig zu sein. Dies hat Implikationen für die Forschung zu den Ursprüngen des Lebens auf der Erde und möglicherweise auf anderen Planeten, wo anaerobe Umgebungen ebenfalls die Evolution begünstigen könnten.