Wir hatten einst einen gemeinsamen Vorfahren mit Bananen, Pilzen und Seetang! Wie ist komplexes Leben entstanden?

Wenn Sie gebeten würden, kurz zu beschreiben, wie das Leben heute auf der Erde aussieht, wie würden Sie antworten? Schauen Sie sich einfach unseren Esstisch an und Sie werden es wissen: Geflügel, Vieh, Eier, Milch, Gemüse, Obst, Getreide, Nüsse, Pilze und Algen ... Um es aus einer akademischeren Perspektive zu beschreiben: Es handelt sich um Tiere, Pilze, Landpflanzen und mehrzellige eukaryotische Algen. Wenn Sie sich ein wenig mit Biologie auskennen, wissen Sie, dass es sich bei den Organismen, die wir täglich mit bloßem Auge sehen können, im Grunde genommen um eukaryotische Organismen mit komplexen mehrzelligen Strukturen handelt, die auch als komplexe Organismen oder „höheres Leben“ bezeichnet werden. Sie sind heute die wahren Herrscher der Erde. Würde ein Außerirdischer auf der Erdoberfläche landen, wären die ersten Lebensformen, die er sehen würde, höchstwahrscheinlich komplexe Organismen und nicht Bakterien, Archaeen und einzellige Eukaryoten, die mit bloßem Auge nur schwer zu unterscheiden sind.

Große rote Pilze, fotografiert im Wuliang-Berg, Autonome Präfektur Dali Bai, Provinz Yunnan (Fotoquelle: Nachrichtenagentur Xinhua)

Reife Nüsse in Yingjiang, Yunnan (Fotoquelle: Nachrichtenagentur Xinhua)

Aus dem Meer gefischte Enteromorpha (Fotoquelle: Nachrichtenagentur Xinhua)

01 Der Ursprung der Eukaryoten

Wann entstanden Eukaryoten? Es gibt viele verschiedene Meinungen, die von 2,7 bis 1,8 Milliarden Jahren reichen. Es wird jedoch allgemein angenommen, dass sein Entstehungsprozess eine Endosymbiose zwischen dem Vorfahren der Mitochondrien, der Energiefabrik eukaryotischer Zellen, einem Alphaproteobakterium , und dem Hauptvorfahren der Eukaryoten, einem Asgard -Archaeon , beinhaltete. Aus der Kombination dieser beiden Prokaryoten entstand der Vorfahr der Eukaryoten.

Der genaue Ablauf der Endosymbiose ist jedoch bis heute umstritten und könnte auch mit einem Gentransfer von anderen Archaeen und Bakterien sowie mit der Entstehung und Vermehrung von Genen innerhalb der Eukaryoten selbst verbunden sein. Als der erste Eukaryot auftauchte, waren seine Zellkomplexität und Energieeffizienz bereits um mehrere Größenordnungen höher als die seiner prokaryotischen Vorfahren. Dies legte den Grundstein für die spätere Entwicklung komplexer Mehrzelligkeit bei Eukaryoten.

Schematische Darstellung des Zellaufbaus von Tieren (eukaryotischen Organismen) (Quelle: People's Education Press High School Biology Textbook - Compulsory Course 1)

Schematische Darstellung der Zellstruktur von Escherichia coli und Cyanobakterien (Prokaryoten) (Bildquelle: People's Education Press High School Biology Textbook – Compulsory 1)

Zusätzlich zur Endosymbiose mit Mitochondrien gingen einige zur oxygenen Photosynthese fähige Cyanobakterien eine Endosymbiose mit frühen Eukaryoten ein. Dies ist die Quelle der Chloroplasten in eukaryotischen Zellen. Dies ermöglicht es Eukaryoten auch , Lichtenergie, Wasser und Kohlendioxid zur Synthese organischer Materie zu nutzen . Von da an waren die Produzenten auf der Erde nicht mehr nur Prokaryoten. Aus diesen zur Photosynthese befähigten Eukaryoten entwickelten sich später Landpflanzen und verschiedene eukaryotische Algen, die schließlich die Prokaryoten ablösten und zu den wichtigsten Primärproduzenten der Erde wurden.

02 Frühe Diversifizierung der Eukaryoten

Mit dem Ursprung der Eukaryoten ist nicht die Geburt der Eukaryoten der Kronengruppe gemeint (des jüngsten gemeinsamen Vorfahren aller heutigen Eukaryoten und seiner Nachkommen), genauso wenig wie die Menschen vor etwa 6 Millionen Jahren entstanden sein mögen, unsere Spezies, der moderne Mensch, jedoch erst vor etwa 300.000 Jahren in Erscheinung trat. Aktuelle Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die Entstehungszeit des jüngsten gemeinsamen Vorfahren aller heute lebenden Eukaryoten zwischen 1,8 und 1,2 Milliarden Jahren liegt . Von der Entstehung der Eukaryoten bis zur Entstehung der Eukaryoten der Kronengruppe könnte eine große Zahl längst ausgestorbener eukaryotischer Organismen der Stammgruppe entstanden sein.

Australische Forscher haben die ältesten bekannten eukaryotischen Fossilien entdeckt (Bildquelle: Weibo-Screenshot)

Die frühesten bestätigten eukaryotischen Fossilien wurden vor etwa 1,64 Milliarden Jahren in Schichten in China und Australien gefunden. Diese Fossilien sind sehr klein, mit bloßem Auge nicht zu erkennen und ihre biologischen Klassifizierungsmerkmale sind unbekannt, sodass sie als mehrdeutig klassifiziert werden. Aber lassen Sie sich nicht von ihrer geringen Größe täuschen. Sie sind epochale Giganten der Evolution. Die Vorsprünge und Verzierungen auf der Oberfläche ihrer Fossilien weisen darauf hin, dass es sich zweifellos um Eukaryoten handelt, es ist jedoch schwierig festzustellen, ob sie zur Kronengruppe der Eukaryoten gehören. Interessanterweise deutete eine Studie aus dem letzten Jahr darauf hin, dass Eukaryoten der Stammgruppe, die primitive Steroide produzieren konnten, vor 1,64 bis 800 Millionen Jahren auf der Erde weit verbreitet waren, und dass einige eukaryotische Fossilien, die während dieser Zeit nicht in Kronengruppen eingeordnet werden konnten, möglicherweise zu Eukaryoten der Stammgruppe gehörten.

03 Der Ursprung komplexen Lebens

Als langweilige Milliarde Jahre bezeichnet man den Zeitraum von etwa 1,8 bis 800 Millionen Jahren in der Erdgeschichte. Dies liegt daran, dass Wissenschaftler in der Vergangenheit davon ausgingen, dass sich die Umwelt und die biologische Landschaft der Erde in diesem Zeitraum nicht wesentlich verändert hätten. Doch wie bereits erwähnt, entstanden zu dieser Zeit nicht nur die frühesten Fossilien von Eukaryoten, sondern auch viele der frühesten Fossilien der eukaryotischen Kronengruppe, die zu dieser Zeit identifiziert werden konnten , darunter das früheste Fossil der Grünalge Proterocladus , das früheste Fossil der Rotalge Bangiomorpha , das früheste Fossil eines Pilzes Ourasphaira , das früheste Fossil des Tierreichs Bicellum und das mutmaßlich früheste Fossil der Gelbalge Palaeovaucheria . Alle diese Fossilien sind etwa eine Milliarde Jahre alt, und das Auftauchen dieser Fossilien bedeutet auch, dass die Mehrzellbildung komplexer Organismen möglicherweise schon vor mehr als einer Milliarde Jahren stattgefunden hat. Bei dieser Multizellularisierung handelt es sich nicht um eine einfache Zellaggregation, sondern um die Differenzierung von Zellen mit unterschiedlichen Funktionen. Damit wurde der Grundstein für die zukünftige Entstehung komplexer biologischer Gewebe, Organe, Systeme und komplexer Strukturen gelegt.

04 Frühe Versuche, eukaryotische Organismen zu vergrößern

Obwohl Fossilienfunde von Rotalgen, Grünalgen, Tieren und Pilzen bereits vor etwa einer Milliarde Jahren gefunden werden können, war das marine Ökosystem zu dieser Zeit wahrscheinlich noch von Prokaryoten und Stammzellen-Eukaryoten dominiert. Die frühen mehrzelligen Eukaryoten waren sehr klein und nur Mikrometer groß. Einige eukaryotische Organismen, deren taxonomische Stellung unbekannt ist , wie die Fossilien von Chuaria , Tawuia , Longfengshania , Pararenicola , Protoarenicola und Horodyskia , können eine Größe im Millimeterbereich erreichen. Es kann sich um Algen mit mehreren Kernen in einer einzigen Zelle handeln. Sie sind in Schichten weit verbreitet, die etwa 1,0 bis 8 Milliarden Jahre alt sind , und waren damals auch wichtige Produzenten im Ozean. Einige von ihnen entwickelten sogar einfache Verankerungsstrukturen , die es ihnen ermöglichten, sich am Meeresboden zu verankern, anstatt im Meerwasser zu schwimmen. Dies zeigt, dass eukaryotische Organismen zu dieser Zeit bereits versuchten, benthische ökologische Nischen zu besetzen, und dass sich eine dreidimensionale eukaryotische Meeresgemeinschaft mit einer Oberflächen- und einer Bodenschichtstruktur zu bilden begann.

05 Der Test der Schneeball-Erde

Wie kam es, dass winzige, unscheinbare vielzellige Eukaryoten schließlich offiziell auf der Bühne der Erde zu glänzen begannen?

Während des Cryogeniums (vor 720–635 Millionen Jahren) erlebte die Erde zwei globale Eiszeiten – die Sturtium-Kaltzeit (vor 717–659 Millionen Jahren) und die Marinoium-Kaltzeit (vor 645–635 Millionen Jahren), auch bekannt als Schneeball-Erde-Ereignis . Diese beiden Eiszeitereignisse waren nicht nur Prüfungen, sondern auch Chancen für komplexe Organismen. Die kalte Umgebung der Schneeball-Erde könnte den Rückgang der Prokaryoten in den flachen Ozeanen verursacht und so mehr ökologische Nischen für komplexe Organismen geschaffen haben. Gleichzeitig kam es zu einer starken natürlichen Selektion komplexer Organismen, die dazu führte, dass diese sich in Richtung größerer Größe und Komplexität entwickelten.

Nach dem Ende der Schneeball-Erde führte die globale warme und feuchte Umwelt zu einer verstärkten chemischen Verwitterung des Landes und dazu, dass große Mengen Nährstoffe in den Ozean gelangten, was die Produktivität der Ozeane steigerte und somit die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre und im Ozean erhöhte. Aufgrund der begrenzten weltweiten Sedimentfunde, in denen Fossilien aus dieser Zeit erhalten geblieben sind, wissen Wissenschaftler sehr wenig über die Entstehung und Entwicklung des Lebens während der Schneeball-Erde-Periode.

Wissenschaftler schlagen ein neues Modell der „Schneeball-Erde“ vor 635 Millionen Jahren vor (Bildquelle: Weibo-Screenshot)

06 Der Aufstieg des komplexen Lebens

Während des Ediacariums (vor 635 bis 538,8 Millionen Jahren), nach dem Ende der Schneeball-Erde, nahmen komplexe Organismen im Vergleich zur Zeit vor der Schneeball-Erde sowohl in ihrer Komplexität als auch in ihrer Größe dramatisch zu. Die Lantian-Biota in China, die vor etwa 600 Millionen Jahren existierte, hat diesen Prozess perfekt dokumentiert. In der Lantian-Biota wurden zahlreiche makroskopische Algenfossilien mit komplexen Formen wie Büscheln, Kegeln und Fächern sowie sogar fünf mögliche Tierfossilien entdeckt.

Gleichzeitig deutet die Entdeckung terrestrischer Zygomyceten im 635 Millionen Jahre alten Gaiman-Dolomit Chinas und von Flechtenfossilien in der 600 Millionen Jahre alten Weng'an-Biota darauf hin, dass die adaptive Radiation und Terrestrisierung von Pilzen bereits vor dem Ediacarium begann. Die frühe Landung von Pilzen könnte eine Voraussetzung für die Landung von Landpflanzen vor etwa 500 Millionen Jahren gewesen sein.

Vor 580 bis 540 Millionen Jahren waren die Ediacara-Fauna und Spurenfossilien auf der Erde weit verbreitet. Das bedeutet, dass die Tiere zu dieser Zeit begannen, einen wichtigen Einfluss auf das marine Ökosystem der Erde auszuüben. Als Algen und Tiere die Ablagerungen am Meeresboden aufwühlten, begannen sich ihre Haftorgane von einfachen Scheiben- und Kugelformen zu rhizoiden Formen zu entwickeln, um sich an den weicheren Untergrund anzupassen.

Obwohl wir heute noch keine gewöhnlichen Tierstämme und Landpflanzen sehen, läuteten am Ende des Ediacariums vor etwa 540 Millionen Jahren mehrzellige Algen, darunter Rotalgen, Grünalgen und Braunalgen, sowie die frühen Tiere, die durch die Ediacarium-Arten repräsentiert werden, offiziell das Zeitalter des komplexen Lebens ein.

Autor: Niu Changtai, Doktorand am Nanjing Institute of Geology and Paleontology, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Gutachter: Yuan Xunlai, Forscher, Nanjing Institute of Geology and Paleontology, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Science Popularization China

Quellen:

[1] Yuan Xunlai, Pang Ke, Tang Qing et al. Der Ursprung und die frühe Evolution komplexer Organismen[J]. Chinesisches Wissenschaftsbulletin, 2023, 68(Z1): 169-187.

[2] Pang Ke, Tang Qing, Li Guangjin et al. Ursprung und frühe Evolution mehrzelliger eukaryotischer Algen im Proterozoikum [J]. China Basic Science, 2024, 26(04): 1-16.

[3]Brocks JJ, Nettersheim BJ, Adam P, et al. Verlorene Welt des komplexen Lebens und der späte Aufstieg der eukaryotischen Krone[J]. Nature, 2023, 618(7966): 767-773.

[4]Vosseberg J, van Hooff JJE, Köstlbacher S, et al. Die sich entwickelnde Sicht auf den Ursprung und die frühe Evolution eukaryotischer Zellen[J]. Nature, 2024, 633(8029): 295-305.