Wir sind eine Familie: Der Evolution der Tiere auf der Spur

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Um die Ursprünge vielzelligen Lebens zu verstehen, untersuchen Forscher eine bunte Mischung einfacherer Tierverwandter. Die Gemeinsamkeiten, die sie entdecken, liefern wertvolle Hinweise auf unsere gemeinsame Vergangenheit.

Von Amber Dance 30.09.2024

Es war einmal eine Gruppe einzelliger Mikroben, die schwammen, aßen, sich vermehrten und all die Dinge taten, zu denen ein einzelliges Lebewesen fähig ist.

Einige Zeit später entstanden dann ihre Nachkommen, die frühen Tiere: vielzellige Lebewesen, die zwar immer noch schwammen, fraßen und sich fortpflanzten, dies jedoch alles in Zellteams taten.

Was genau zwischen diesen Zeitpunkten geschah, ist ein nahezu unergründliches Rätsel. Das hält Wissenschaftler jedoch nicht davon ab, sich zu fragen, Hypothesen aufzustellen und zu untersuchen, wie der Übergang vor etwa 600 Millionen Jahren abgelaufen sein könnte .

Die Frage ist alt, doch dank der genetischen Sequenzierung einzelliger Lebensformen, den nächsten Verwandten der Tiere, haben Forscher in den letzten zwei Jahrzehnten große Fortschritte erzielt . Es zeigt sich, dass die einzelligen Vorfahren der Tiere bereits damals bemerkenswert gut für Teamarbeit gerüstet waren. Sie konnten wahrscheinlich verschiedene Zellformen annehmen und eine Reihe von Aufgaben erfüllen, die für die Mehrzelligkeit von Vorteil waren. Tatsächlich könnten sie zeitweise sogar in Gruppen statt als Einzelzellen agiert haben.

„Sie experimentierten mit Mehrzelligkeit“, sagt Iñaki Ruiz-Trillo, Evolutionsbiologe am Institut für Evolutionsbiologie im spanischen Barcelona.

Und irgendwann wurde aus diesem Experiment etwas Dauerhaftes.

Vorteile des Upsizings

Es war ein Experiment, dessen Vorbereitung mehr als drei Milliarden Jahre dauerte . Die ersten lebenden Zellen entstanden vor etwa 3,5 Milliarden Jahren, und einige von ihnen machten vor etwa zwei Milliarden Jahren einen großen Schritt auf dem Weg zu Tieren, als sie einen Zellkern zur Speicherung ihrer DNA erhielten. Diese kernhaltigen Mikroben brachten im Laufe der Evolutionsgeschichte mehrfach komplexe, mehrzellige Abstammungslinien hervor, aus denen Pilze, Pflanzen und Algen hervorgingen . Vor etwa 600 Millionen Jahren entstanden aus ihnen auch Tiere.

Die überwiegende Mehrheit der Lebewesen hat seit Milliarden von Jahren an einem einzelligen Lebensstil festgehalten und dabei hervorragenden evolutionären Erfolg erzielt. Daher ist die Entstehung zellulärer Teamarbeit kaum garantiert und die Entwicklung einer überlegenen Lebensweise alles andere als sicher. „Die Entwicklung von Mehrzelligkeit braucht Zeit, Energie und Ressourcen“, sagt Thibaut Brunet, Evolutionszellbiologe am Institut Pasteur in Paris. Doch für die Lebensformen, die den Sprung wagten und sich durchsetzten, bot die Mehrzelligkeit vermutlich Vorteile, die die Kosten überwogen.

Die Größe spielte wahrscheinlich eine Rolle. Wer groß ist, kann mehr Dinge essen, und weniger Dinge, die ihn fressen können. Mehrzelligkeit ermöglicht es außerdem, dass verschiedene Körperteile gleichzeitig verschiedene Aufgaben erfüllen: Nerven zum Denken , Muskeln zum Bewegen, ein Magen zum Verdauen der Nahrung und so weiter.

Forscher spekulieren, dass etwas Großes in der Welt geschehen sein muss, um die Zusammenarbeit so erfolgreich zu machen. „Es muss in hohem Maße umweltbedingt sein“, sagt Will Ratcliff, Evolutionsbiologe am Georgia Institute of Technology in Atlanta. Zwei große Arten irdischer Veränderungen stehen als mögliche Ursachen im Raum.

Einer davon ist das Ende der Schneeball-Erde- Phase des Planeten. Dieses Zeitalter, das vor etwa 710 bis 640 Millionen Jahren dauerte, umfasste mindestens zwei Perioden, in denen die Erde, wenn nicht vollständig eisig, so doch zumindest ziemlich matschig war . Ein wärmeres Klima könnte die Entstehung von Mehrzelligkeit ermöglicht haben, vermutet Ruiz-Trillo.

Eine weitere Möglichkeit sind Veränderungen des Sauerstoffgehalts auf der Erde. Dieser war anfangs viel niedriger als heute; frühe Mikroben benötigten im Gegensatz zu modernen Tieren keinen Sauerstoff. Erstmals stieg der Sauerstoffvorrat des Planeten während des Großen Sauerstoffereignisses vor etwa 2,4 Milliarden Jahren an, als Cyanobakterien im Rahmen ihrer Photosynthese Sauerstoff freisetzten. Für die damaligen Mikroben war das hochreaktive Gas giftig und dezimierte Lebensformen. Ein zweites Sauerstoffereignis , dessen Ursache weniger eindeutig ist, ereignete sich vor etwa 850 bis 540 Millionen Jahren und könnte den Boden für die Entstehung von Tieren bereitet haben .

Der Sauerstoffgehalt ist für große Lebewesen, die Sauerstoff benötigen, wichtig, sagt Ratcliff, da das lebenswichtige Gas nur begrenzt tief in das Gewebe diffundieren kann. Für moderne Tiere sind Kreislaufsysteme, die Sauerstoff durch den Körper transportieren, die Lösung. Die ersten großen Vielzeller hatten solche Systeme vermutlich noch nicht entwickelt. Je mehr Sauerstoff außen vorhanden war, desto mehr davon konnte tief in das Gewebe diffundieren und desto leichter konnten sie wachsen.

Welcher Druck oder welche Gelegenheiten auch immer unseren Vorfahren dazu bewogen haben, sich für die Mehrzelligkeit zu entscheiden, er hat diesen Weg tatsächlich eingeschlagen – aber wer war „es“? Das bleibt ein Rätsel: Seine Zellen waren weiche, matschige Gebilde, von denen kaum Fossilien übrig blieben. „Wir wissen nicht, wie es aussah, und ich glaube ehrlich gesagt nicht, dass wir es jemals erfahren werden“, sagt Ratcliff. „Es ist sehr schwierig, etwas zurückzuentwickeln, das vor fast einer Milliarde Jahren geschah.“

Ururgroßmutter war ein Einzeller

Dennoch versuchen Forscher es. Um Hypothesen darüber zu entwickeln, wie die Lebewesen ausgesehen haben könnten, verfolgen Wissenschaftler wie Ruiz-Trillo eine ähnliche Herangehensweise wie bei einem Familientreffen: Angenommen, man veranstaltet eine große Versammlung und lädt alle Cousins, Cousinen zweiten Grades, Verwandten entfernter Verwandter usw. ein. Anschließend stellt man alle Verwandten mit einem gemeinsamen Vorfahren – beispielsweise derselben Urururgroßmutter – in einer Reihe auf und sucht nach gemeinsamen Merkmalen. Wenn alle Cousins ​​Sommersprossen und Grübchen haben, könnte man vermuten, dass die Urururgroßmutter diese wahrscheinlich auch hatte.

Wissenschaftler führen ähnliche Studien durch, wenn auch technischer Natur. Sie vergleichen die Genome von Tieren mit denen unserer entferntesten Verwandten. Dies ist in der Tat ein seltsames Familientreffen: Neben der enormen Vielfalt der Tiere, zu denen auch einige der ältesten Abzweigungen des Tierstammbaums gehören – Schwämme und Rippenquallen –, kennen Wissenschaftler vier Gruppen einzelliger Verwandter.

Am nächsten mit den Tieren verwandt sind die Kragengeißeltierchen . Sie kommen in Süß- und Salzwasser vor und nutzen peitschenartige Schwänze, sogenannte Flagellen, um umherzuschwimmen oder Bakterien als Abendessen heranzuwehen. Abgerundet wird die Familienzusammenführung durch die amöbenartigen oder geißelartigen Filastereen, die Ichthyosporeen, die oft Fische parasitieren , und die amöboiden oder unbeweglichen Corallochytreen (auch Pluriformeen genannt).

Keines dieser Lebewesen, so wie sie heute existieren, ist der Vorfahr der Tiere. Vielmehr haben sich unsere und ihre Vorfahren vor etwa 600 Millionen Jahren von einem gemeinsamen Vorfahren abgespalten, und wir haben uns seitdem alle weiterentwickelt. Doch gewisse Ähnlichkeiten zwischen uns und ihnen deuten darauf hin, dass unser lange verschollener Vorfahre diese Merkmale möglicherweise auch besaß.

In den letzten zehn Jahren haben Wissenschaftler die Genome von 15 dieser entfernten Verwandten sequenziert. Und darin lauerten Überraschungen. Diese Einzeller enthalten laut Brunet fast so viele Gene wie Menschen, darunter auch DNA-Codes, die einst als ausschließlich bei Tieren galten. Die Tiere besitzen Gene, die mit der Produktion von Integrinen und Cadherinen verwandt sind – Proteinen, die tierischen Zellen helfen, aneinander zu haften. Sie besitzen Gene für Kontrollfaktoren, die die Zellidentität steuern, ähnlich den Faktoren, die einer tierischen Zelle signalisieren, ob sie eine Gehirn-, Muskel- oder Magenzelle ist. Und sie besitzen Gene, die an der Zell-zu-Zell-Kommunikation beteiligt sind.

Mit anderen Worten: Diese Lebewesen scheinen an die Mehrzelligkeit gewöhnt zu sein, und daher war es wahrscheinlich auch unser gemeinsamer Vorfahre. Doch was hätte ein einzelliges Vortier, ganz allein, mit solchen Genen anfangen sollen?

Bei einzelligen Lebewesen könnten Proteine ​​wie Cadherine aufgrund ihrer Haftfähigkeit nützlich gewesen sein. „Ich vergleiche sie mit Klettverschlüssen“, sagt Jordi Paps, Evolutionsbiologe an der Universität Bristol in England. Für einzellige Lebewesen könnten Haftmoleküle eine hervorragende Möglichkeit sein, vorbeiziehende Bakterien als Abendessen einzufangen.

Gene, die die Zellidentität steuern, könnten den einzelligen Vorfahren der Tiere geholfen haben, zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Formen anzunehmen. Alle vier nahen Verwandten der Tiere tun dies. Filastereen beispielsweise können eine amöbenähnliche Gestalt mit langen Armen annehmen, die sich in Tochterzellen teilen können, aber auch eine armlose, sich nicht teilende Form annehmen.

Und schließlich gibt es bei allen vier nahen Verwandten der Tiere Zeiten in ihrem Leben, in denen sie mit der Mehrzelligkeit flirten. Einige Choanoflagellaten können Kolonien bilden, indem sie sich bei der Teilung nicht vollständig voneinander trennen. Mindestens ein Filastera kann einmal getrennte Zellen zusammenballen . Corallochytrea leben zumindest eine Zeit lang mit etwa zwei Kernen, während Ichthyosporaa sich wiederholt teilen und einen großen Ball aus Dutzenden oder Hunderten von Kernen bilden, bevor sie plötzlich in einzelne Einheiten explodieren . Das legt nahe, dass auch der tierische Vorläufer Zellen vorübergehend zusammenballte. Es ist nicht sicher, warum dies von Vorteil war; Wissenschaftler spekulieren, dass die Zellen möglicherweise Schutz erlangten, indem sie in einer Herde agierten oder in Massen reisten oder jagten.

Ruiz-Trillo und Kollegen vermuten, dass das einzellige Vortier im Laufe seines Lebenszyklus tiefgreifende Veränderungen durchlief. Vielleicht glich es manchmal einer Amöbe und konnte auf Nahrungssuche umherkriechen, und vielleicht entwickelte es ein Flagellum zum Schwimmen. Vielleicht überlebte es manchmal allein, und manchmal bildeten sich Zellen zu Gruppen zusammen.

Unsere einzelligen Verwandten können jedoch zu jeder Zeit nur eine Form annehmen, und Wissenschaftler gehen davon aus, dass dies wahrscheinlich auch für unseren vortierhaften Vorfahren galt. Hätte er sich geteilt, wäre er wahrscheinlich weder schwimmen noch essen können, sagt Brunet. Er musste sich entscheiden. Das bedeutet, dass selbst bei einem einzelligen Lebewesen Arbeitsteilung existiert und Vorteile gebracht haben könnte – allerdings über die Zeit, nicht über den Raum.

Wissenschaftler glauben, dass ein Trick der Mehrzelligkeit darin bestand, die Gene, die für diese zeitlichen Veränderungen verantwortlich waren, so umzufunktionieren , dass sie stattdessen räumlich wirken und die Form und Aufgaben der Zellen in verschiedenen Körperteilen steuern. Ein solches Gen-Recycling oder „Kooption“ ist im Laufe der Evolution immer wieder vorgekommen . Käfer beispielsweise bilden ihre Hörner mithilfe von Genen, die sie bei der Entstehung anderer Gliedmaßen wie Beinen und Fühlern übernommen haben. Auf ähnliche Weise wurden Fischflossen zum Schwimmen übernommen, damit die Tiere an Land gehen konnten, und Kakteen übernahmen Blätter zur Photosynthese als stachelige Abwehr. Dieselben Gene, unterschiedliche Funktionen.

Sich wie Tiere benehmen

Um das Rätsel der Vielzeller weiter zu ergründen, sei es entscheidend, über genetische Vergleiche hinauszugehen und die Biologie der einzelligen Verwandten der Tiere zu untersuchen, sagt Omaya Dudin, Evolutionszellbiologe an der Universität Genf. Bei der Erforschung von Ichthyospora entdeckte seine Gruppe verblüffende Ähnlichkeiten zur tierischen Entwicklung. Wenn Ichthyospora ihre großen Kernbälle bilden und diese dann trennen, teilen sich die Zellen auf eine Weise, die der Zellteilung in einem frühen Tierembryo sehr ähnlich sieht ( wie etwa einem Insektenembryo bei einer Art, einem Frosch- oder Mausembryo bei einer anderen).

Das bedeutet nicht unbedingt, dass der gemeinsame Vorfahre von Käfern, Säugetieren und Ichthyosporen ebenfalls embryonale Zellteilungen durchführte, sagt Dudin. Es könnte sein, dass der gemeinsame Vorfahre einfach über genügend Gene und Fähigkeiten verfügte, sodass seine Nachkommen bemerkenswert ähnliche Teilungsprozesse entwickelten.

Dennoch bedeutet es, dass selbst etwas, das sehr tierspezifisch erscheint, wie die Embryonalteilung, nicht unbedingt nur bei Tieren vorkommt.

Tatsächlich ist das gleichzeitige Vorkommen mehrerer Zelltypen möglicherweise kein ausschließlich tierisches Merkmal. Bei der Beobachtung der vielkernigen Kugeln der Ichthyospora Chromosphaera perkinsii fiel Dudins Team etwas Überraschendes auf: Es gab zwei Zellarten, eine mit und eine ohne Geißeln. Forscher entdeckten auch in Choanoflagellaten-Kolonien Hinweise auf mehrere Zelltypen – die meisten rund, einige aber auch länglich . Das deutet möglicherweise darauf hin, dass es im Vorläufer der Tiere nicht nur Phasen der Mehrzelligkeit, sondern auch der Zellarbeitsteilung gegeben haben könnte.

Insgesamt scheint es klar, dass unsere einzelligen Vorfahren für die Mehrzelligkeit bereit waren. Zwar hätte die bloße Teambildung schnell erfolgen können, doch „die Entstehung der Tiere war wahrscheinlich sehr komplex“, sagt Brunet. „Das volle Ausmaß der tierischen Mehrzelligkeit entwickelte sich sicherlich über Tausende, höchstwahrscheinlich sogar Millionen von Jahren.“

Es gibt noch viele Details, die die Wissenschaftler klären müssen: Sah das Vortier wie ein Kragengeißeltier aus, wie eine gängige Theorie behauptet , oder nahm es im Laufe der Zeit verschiedene Formen an? Waren die ersten Tiere wie Schwämme , wie traditionell angenommen, oder ähnelten sie eher Rippenquallen?

Ruiz-Trillo, Mitautor einer Studie über die Wurzeln der Mehrzelligkeit im Annual Review of Microbiology 2023, weigert sich, eine bevorzugte Hypothese zu nennen: „Ich denke, wir haben nicht genügend Daten, um eine Aussage treffen zu können“, sagt er.

Um mehr Daten zu erhalten, muss er weitere Lebewesen zum Familientreffen einladen. Und genau das tut er gerade: Er sucht weltweit nach bisher unbekannten Mikroben in Gewässern. Bisher hat er allein durch die Analyse ihrer Gene mindestens acht neue Gruppen verwandter Tiere identifiziert. Wenn Wissenschaftler diese Lebewesen finden, züchten und untersuchen können, werden sie wahrscheinlich neue Hinweise auf den Ursprung der vielzelligen Tierwelt finden.

Dieser Artikel (Wir sind eine Familie: Der Evolution der Tiere auf der Spur) erschien ursprünglich auf Knowable Magazine , einer Partnerseite, die von Wissenschaftlern und Autoren verfasste Wissenschaftsberichte veröffentlicht.