In der fossilen Überlieferung der ältesten Landwirbeltiere (Vierbeiner, Tetrapoda) gibt es eine markante Lücke, in der vergleichsweise sehr wenige Fossilien bekannt sind, die sogenannte Romer-Lücke. Sie ist nach dem berühmten Wirbeltierpaläontologen Alfred S. Romer benannt und umfasst mit etwa 15 Millionen Jahren einen Teil des Unterkarbons (oft werden auch 20 Millionen Jahre angegeben). Die Romer-Lücke war schon manches Mal Gegenstand von Artikeln in Studium Integrale Journal (vgl. zuletzt Junker 2012). Im Blick auf die Gliederfüßer (Arthropoda) ist dieser Abschnitt der Fossilüberlieferung noch spannender, da hier eine sehr viel größere Lücke in der Fossilüberlieferung vorliegt, die nach radiometrischen Datierungen mit dem Zeitraum von 385-325 Millionen Jahren sogar 60 Millionen Jahre umfasst und die Romer-Lücke einschließt (360-345 Millionen Jahre).

Ein Unterschied zur Romer-Lücke ist jedoch, dass vor der Überlieferungslücke bisher nur wenige Fossilien von Insekten – die artenreichste Klasse der Arthropoda – vorliegen und diese zudem nur bruchstückhaft überliefert sind. Dazu gehört das älteste Insekten-Fossil Rhyniognatha hirsti aus dem berühmten Rhynie-Chert Schottlands (Unterdevon, auf 402 Millionen Jahre datiert), das für hervorragend erhaltene Funde früher Landpflanzen bekannt ist. Von Rhyniognatha ist ein Paar Kiefer fossil überliefert, das von einem geflügelten Insekt stammt, das innerhalb der basalen Ectognathen (Freikiefler) als abgeleitet („höherentwickelt“) eingestuft wird (Engel & Grimaldi 2004; vgl. Shear 2012, 34). Über die Entstehung der Insekten kann diese Art kaum Auskunft geben. Im US-Bundesstaat New York wurden Bruchstücke von Insektenfossilien gefunden, die auf 385 Millionen Jahre datiert werden.

Letztes Jahr wurde ein Fund beschrieben, der die Gliederfüßer-Lücke zu verkleinern schien (Garrouste et al. 2012) und als das älteste vollständig erhaltene Insektenfossil bekanntgegeben wurde. Der Fund erhielt den Namen Strudiella devonica, ist acht Millimeter lang und 1,7 Millimeter breit, wurde im Oberdevon des Namur-Dinant-Becken im Südosten Belgiens entdeckt und auf 370 Millionen Jahre datiert. Die Autoren beschrieben dreieckige Mundwerkzeuge, gegliederte Antennen, sechs Beine am Brustkorb sowie einen Hinterleib, der sich in zehn Segmente gliedert. In dieser Kombination sind diese Kennzeichen ausschließlich für Insekten typisch. Das Tier besaß lange Antennen und große Augen. Vermutlich lebte es an Land. Obwohl Flügel fehlen, gingen die Forscher davon aus, dass das Tier Flügel besaß, da es Insekten einer Insektengruppe mit Flügeln ähnelt, und dass es sich beim Fossilfund um eine Nymphe handelt und nicht um ein ausgewachsenes Exemplar.

Eine Nachuntersuchung mit Hilfe hochauflösender Kameratechnik einer Arbeitsgruppe der Universität Göttingen offenbarte jedoch, dass das Fossil mehr als die inseketentypischen sechs Beine besaß. (Hörnschemeyer et al. 2013). Weitere subtilere Details deuteten eher darauf hin, dass es sich um das Fossil eines zerfallenden Kleinkrebses handelt. Für die Interpretation von fossilen Resten als Mundwerke und Augen gebe es keine überzeugenden Hinweise. In einer Replik verteidigen Garrouste et al. (2013) jedoch die Möglichkeit, das Fossil als Insekt zu deuten. Es bestehen offenbar mehrere Deutungsmöglichkeiten und ein abschließendes Urteil scheint nicht möglich zu sein.

Ähnlich wie bei den mittlerweile entdeckten Fossilien von Vierbeinern aus der Romer-Lücke (Smithson et al. 2012) würde der umstrittene neue Fund zwar eine Überlieferungslücke verkleinern, nicht aber eine morphologische Lücke (Bauplan-Lücke) zwischen verschiedenen Formen. Nach der Gliederfüßer-Lücke taucht fossil „explosiv“ eine große Vielfalt verschiedener Insektengruppen wie Eintagsfliegen, Proto-Libellen und andere, auch ausgestorbene Formen in großer morphologischer Verschiedenartigkeit auf (Shear 2012, 34; Garrouste et al. 2012, 84) – eine bemerkenswerte Parallele zum explosiven Auftreten von Vierbeinern nach der Romer-Lücke, wenn auch zu einem späteren Zeitpunkt. Ob die Überlieferungslücke auf besondere atmosphärische Bedingungen zurückzuführen ist oder ob sie gar nicht „echt“ ist, also einfach nur zu wenige Entdeckungen gemacht wurden, ist eine offene Frage. Shear (2012, 35) beklagt, dass bisher fast gar nicht nach Insekten in Schichten gesucht worden sei, die älter als diejenigen sind, in denen Strudiella gefunden wurde. Bis auf weiteres bleiben daher sowohl die Überlieferungslücke als auch die morphologischen Lücken zwischen Insekten und möglichen Vorläufern in der Fossilüberlieferung herausfordernd groß.

[Engel MS & Grimaldi DA (2004) New light shed on the oldest insect. Nature 427, 627-630; Garrouste R, Clément G et al. (2012) A complete insect from the Late Devonian period. Nature 488, 82-85; Garrouste R, Clément G et al. (2013) Garrouste et al. reply. Nature 494, E4-E5; Hörnschemeyer T et al. (2013) Is Strudiella a Devonian Insect? Nature 494, E3-E4; Junker R (2012) Eine Lücke weniger? Vierbeiner aus der Romer-Lücke. Stud. Int. J. 19, 110-111; Shear WA (2012) An insect to fill the gap. Nature 488, 34-35; Smithson TR, Wood SP, Marshall JEA & Clack JA (2012) Earliest Carboniferous tetrapod and arthropod faunas from Scotland populate Romer’s Gap. Proc. Natl. Acad. Sci. 109, 4532-4537.]

Er gehört zu den Standardbeispielen für „lebende Fossilien“, also Formen, die fossil bekannt sind und heute in kaum veränderter oder unveränderter Form nach wie vor existieren: Der „Urzeitkrebs“ Triops (Abb. 1). Der zur Klasse der Kiemenfußkrebse (Branchiopoda) und Ordnung der Rückenschaler (Notostraca) gehörende Krebs besiedelt einen Lebensraum, dessen Bedingungen sich häufig und radikal ändern, nämlich kurzlebige, austrocknende Gewässer, und zwar hauptsächlich im Süßwasser. Solche Lebensräume entstehen beispielsweise nach starken Regenfällen oder bei jahreszeitlichen Überschwemmungen. Um hier überleben zu können, benötigen die Tiere besondere Fähigkeiten. So können ihre Embryonen in einem frühen Entwicklungsstadium (Gastrula) in einem extrem widerstandsfähigen enzystierten (eingekapselten) Zustand jahrelang im Boden ruhen (man spricht auch von „Dauereiern“). Bei einer Überschwemmung schlüpfen dann die Nauplius-Larven (Primär- oder Eilarven). Beim 6-8 cm langen Triops cancriformis ist das Überdauern von 27 Jahren Trockenheit im Freiland nachgewiesen.

Abb. 1: Triops cancriformis (Foto: Aline Waterkeyn; aus Vanschoenwinkel et al. 2012), Balken: 2 cm

Der Lebenszyklus dauert entsprechend der Kurzlebigkeit der Lebensräume maximal nur drei Monate. Umso erstaunlicher ist, dass diese Gattung nach gängigen erdgeschichtlichen Theorien vom Karbon bis heute über 300 Millionen Jahre hinweg nahezu unverändert überlebt hat. Vermutlich hilft dabei das große Maß an phänotypischer Plastizität; das ist die Fähigkeit, je nach Umweltbedingungen unterschiedliche Fähigkeiten ausbilden zu können, was den Krebsen ermöglicht, veränderliche Lebensbedingungen meistern zu können. Die winzigen Dauereier könnten durchaus durch Wind und Tiere verbreitet werden; es ist aber nicht nachgewiesen, dass dies auch geschieht. Jedenfalls sind die „Urzeitkrebse“ nahezu weltweit verbreitet und diese Verbreitung dürfte ohne entsprechende Ausbreitungsmöglichkeiten kaum möglich gewesen sein. Neben der Gattung Triops gehört auch noch die Gattung Lepidurus zur einzigen Notostraca-Familie der Triopsidae; auch sie ist ein lebendes Fossil. Die Ähnlichkeiten zwischen einigen heute lebenden und fossilen Triops-Formen aus der Trias sind so weitgehend, dass einige fossile Arten (z. B. T. cancriformis) sogar heute lebenden Biospezies zugeordnet werden können.

Eine Forschergruppe (Vanschoenwinkel et al. 2012) hat kürzlich DNA-Sequenzen zweier Gene aus den Mitochondrien von Tieren aus 60 Populationen bzw. Arten aus verschiedenen geographischen Regionen der ganzen Welt verglichen. Dabei stellte sich überraschenderweise heraus, dass die molekularen Unterschiede viel geringer (ca. 8 mal geringer) ausfallen als sie nach mehreren hundert Millionen Jahren zu erwarten wären. Die Autoren schlagen vor, diesen Widerspruch zu den evolutionstheoretischen Erwartungen durch die Annahme aufzulösen, dass die heutigen Formen von Vorläufern abstammen, die „erst“ vor etwa 30-55 Millionen gelebt haben und dass die heutigen Formen von einer einzigen damals überlebenden Linie abstammen. Diese Annahme erscheint allerdings recht willkürlich und lässt viele Fragen offen, etwa warum nur eine von mehreren früher schon existenten Linien der Triopsidae überlebt habe und wie es anschließend zu den Ähnlichkeiten zwischen fossilen und heutigen Formen auf Artebene (!) gekommen ist (s. u.). Die Hypothese der Autoren findet jedoch darin eine gewisse Stütze, dass einige Arten von Triops auf bestimmte geographische Regionen begrenzt sind, was bei einer frühen Differenzierung der Arten weniger zu erwarten wäre. Allerdings kommen manche Arten auf verschiedenen Kontinenten vor.

Die Ähnlichkeiten zwischen fossilen und heute lebenden Arten müssten unter der Annahme einer späten Radiation auf Konvergenzen zurückgeführt werden. Vanschoenwinkel et al. (2012, 7) schreiben, dass heutige Arten, die in ihrem Körperbau praktisch identisch mit fossilen Formen sind, sehr verschiedene evolutionäre Linien repräsentieren – eine ungewöhnliche Schlussfolgerung, da Ähnlichkeiten gewöhnlich als Hinweise auf gemeinsame Ahnen gewertet werden. Man könnte aber auch in eine andere Richtung fragen: Wie gut sind molekulare Uhren als Marker geeignet? Korrelieren molekulare Unterschiede überhaupt oder generell mit der Zeitdauer der Existenz der betreffenden Arten?

Sollte sich die begrenzte genetische Vielfalt dieser bereits sehr lange existierenden Krebstiere in zukünftigen umfangreicheren genetischen Studien bestätigen, so könnte das auch als ein Hinweis auf begrenzte Variabilität gesehen werden.

[Vanschoenwinkel B, Pinceel T, Vanhove MPM, DEnis C, Jocque M, Timms PV & Brendonck L (2012) Toward a global phylogeny of the „living fossil“ crustacean order of the Notostraca. PLoS ONE 7(4): e 34998; doi:10.1371/journal.pone.0034998.]

Abb. 1: Junge Seidenspinne mit Beute (parasitische Wespe) in fossilem Harz: Die Beute ist in Kontakt mit Spinnfäden des Netzes und die Spinne berührt die Wespe mit drei Beinen. Der große Beinabschnitt (fast rechtwinklig) gehört zu der sich in unmittelbarer Nähe befindlichen männlichen Seidenspinne. Mit freundlicher Genehmigung von G. O. Poinar Jr.

Es gibt bereits viele Beschreibungen von Spinnen in fossilem Harz (Wunderlich 2004). Nun wurde in einem Bernstein (ca. 12 x 5,4 x 3 mm) aus einer Mine in Myanmar (Birma bzw. Burma) eine Jagdszene von Spinnen mit einer Wespe als Beute beschrieben (Poinar & Buckley 2012). Geologisch wird das Vorkommen dieser Mine der Unteren Kreide (Oberes Albian) zugeordnet; dies entspricht einem datierten Alter von 97-110 Millionen Jahren.

In dem Bernstein fanden die Autoren zwei verschiedene Organismen, wobei es sich in beiden Fällen um neue Arten handelt. Die beiden in fossilem Harz erhaltenen Spinnen beschreiben die Autoren als zu den Webspinnen gehörige Seidenspinnen (Araneae: Nephilidae) und benennen sie als Geratonephila burmanica (von gr.: geratos, alt, in Verbindung mit dem Gattungsnamen Nephila). Es handelt sich dabei um eine Jungspinne und ein erwachsenes männliches Exemplar. Weiter ist eine parasitische Wespe (Hymenoptera: Platygastridae) in dem Stück fossilen Harzes eingeschlossen, die Poinar & Buckley als Cascoscelio incassus bezeichnen. Die Wespe ist im Spinnennetz gefangen und die Jungspinne ist mit drei Beinen in direktem Kontakt mit der Beute. Hier ist also ein dramatischer Moment in fossilem Harz mit ganz erstaunlichen Details festgehalten.

Die Autoren erkennen in der festgehaltenen fossilen Szenerie Hinweise für das Sozialverhalten der Spinnen. Das gemeinsame Vorkommen einer erwachsenen männlichen und einer jugendlichen Spinne im selben Netz legt auch die Anwesenheit einer weiblichen Spinne nahe. Sozialverhalten bei Spinnen, die weit überwiegend und typischerweise solitär (als Einzelgänger) leben, wird kontrovers diskutiert. Poinar & Buckley charakterisieren soziale Spinnen durch Zusammenleben von jugendlichen und erwachsenen Spinnen in einem gemeinsamen Netz sowie durch Kooperation beim Netzbau und/oder beim Nahrungserwerb. Mit größeren Netzen kann ein umfangreicherer Raum zum Beutefang genutzt werden. Die erwachsenen und die halbwüchsigen Spinnen tolerieren sich gegenseitig und den gemeinsamen Nachwuchs. Herabgesetzte innerartliche Aggressivität und reduzierter Kannibalismus sind das besondere Kennzeichen von sozialen Spinnen. Dieser Befund ist insofern erstaunlich, als Sozialverhalten bei Spinnen selten ist; Agnarsson et al. (2006) nennen nur 23 von mehr als 39 000 Spinnenarten, in denen diese Lebensweise vorkommt. Die genannten Kennzeichen sozialen Verhaltens treten bei heutigen Spinnen in verschiedensten Gruppen auf; sie müssen also mehrfach unabhängig voneinander entwickelt worden sein.

Obwohl die Kooperation gegenüber einem solitären Lebensstil viele Vorteile aufweist, ist dieser bei Spinnen im Gegensatz zu manchen Insekten (z. B. Bienen und Ameisen) nicht verbreitet. Poinar & Buckley (2012) präsentieren den bisher ältesten fossilen Beleg für soziale Spinnen.

Die in dem fossilen Harz erhaltenen Spinnfäden des Netzes zeigen neben den für Seidenspinnen typischen Klebetröpfchen (4-25 µm) auch daran haftende Schmetterlingsschuppen, Pollen, Sporen und Staubpartikel. Dies ist auch von Netzen heutiger Seidenspinnen bekannt, die ihre Netze bei Beschädigung ausbessern, aber nicht in kurzen Zeitabständen komplett erneuern. Dieser „Beifang“ sowie das an den Spinnfäden kondensierende Wasser könnten auch einen Beitrag zur Ernährung von Spinnen bieten.

[Agnarsson I, Aviles L, Coddington JA & Maddison WP (2006) Sociality in the Theridiid spiders: repeated origins of an evolutionary dead end. Evol. 60, 2342-2351; Poinar G & Buckley R (2012) Predatory behaviour of the social orb-weaver spider, Geratonephila burmanica n. Gen., n. Sp. (Areaneae: Nephilidae) with its wasp prey, Casoscelio incassus n. Gen., n.sp. (Hymenoptera: Platygastridae) in Early Cretaceous Burmese amber. Hist. Biol. 24, 512-525; Wunderlich J (2004) Fossil spiders in amber and copal. Beitr. Araneol. 3a und b.]

Forschungsergebnisse zeigen immer wieder die Intelligenz von Menschenaffen. Wissenschaftlerinnen vom Deutschen Primatenzentrum (DPZ) in Göttingen konnten jetzt nachweisen, dass die weniger menschlichen Anubispaviane und Javaneraffen ähnlich gut denken können (Schmitt et al. 2012). Bisher war man davon ausgegangen, dass die Großaffen den „niederen“ Tieraffen geistig überlegen sind.

Schmitt und ihre Kolleginnen zeigten beispielsweise ihren Versuchstieren zwei Tücher, auf denen sich Bananenscheiben befanden, eines war jedoch zerschnitten. Die Tiere konnten nur an die Nahrung gelangen, wenn sie an dem intakten Tuch zogen. Diese Aufgabe hatten Menschenaffen gelöst. Aber auch die Altweltaffen bewältigten sie mit ähnlichem Ergebnis.

Außer dem Verständnis der Kausalität wurde auch die soziale Intelligenz der Tiere untersucht. Dazu nahmen die Forscherinnen beispielsweise zwei Becher, von denen einer Rosinen enthielt. Vor den Affen deuteten sie auf den Becher mit den Rosinen. Damit wollten sie prüfen, ob die Tiere den Hinweis verstehen. Die Paviane und Javaneraffen verstanden wie die Menschenaffen den Hinweis nicht. Sie entschieden sich wahllos für den einen oder anderen Becher.
Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die Grenze, die in der Forschung oft zwischen Menschenaffen und den übrigen Arten gezogen wird, vermutlich weniger deutlich ist als angenommen. Die Größe des Gehirns ist für die Denkfähigkeit entgegen den bisherigen Erwartungen offenbar nicht so bedeutend. Stattdessen spielt die soziale und ökologische Umwelt eine größere Rolle als die phylogenetischen Verwandtschaftsverhältnisse (Diederich 2012, Schmitt et al. 2012).

Dieses Ergebnis wirft auch eine grundlegende Anfrage an das makroevolutionäre Denken auf. Denn in diesem Deutungsrahmen werden für die Beurteilung spezifischer Fähigkeiten unterschiedlicher Spezies allzu einfache Bewertungs-Schemata angewandt: Besser-schlechter, höher-niedriger oder fortschrittlicher-primitiver. In der Ursprungsforschung des Menschen praktisch angewendet werden meist Affen gegen Menschen, angenommene Vorläufer gegen hypothetische Nachfolger in ihren Fähigkeiten nach solchen Schemata eingestuft und in eine evolutionäre Stufenleiter angeordnet, anstatt die Andersartigkeit der betreffenden Formen möglichst umfänglich sachlich zu beschreiben (Hartwig-Scherer 1999).

[Diederich S (2012) Überraschend clevere Paviane. Deutsches Primatenzentrum GmbH – Leibniz-Institut für Primatenforschung. 26.03.2012; http://idw-online.de/pages/de/news?print=1&id=469292 (Zugriff am 7.12.2012); Hartwig-Scherer S (1999) Bemerkenswert alte und komplexe Steinwerkzeuge aus Äthiopien. Stud. Int. J. 6, 82-84; Schmitt V, Pankau B & Fischer J (2012) Old world monkeys compare to apes in the primate cognition test battery. PLoS ONE 7(4): e32024. doi:10.1371/journal.pone.0032024.]

Abb. 1: Virtuelles Modell der Entwicklung von Zähnen und Kiefer des Panzerfisches Compagopiscis. Von links oben nach rechts oben sind aufeinanderfolgende Entwicklungsstadien von Zähnen in Zahnreihen und verbindendem Gewebe dargestellt. (Aus Rücklin et al. 2012)

Alle heute lebenden kiefertragenden Wirbeltiere besitzen auch Zähne, wenn man von Formen absieht, deren Zahnlosigkeit als späterer Verlust interpretiert wird (wie z. B. bei Schildkröten). Bisher schien das aber nicht für alle fossile Formen zu gelten. Denn die nur fossil bekannten Panzerfische (Placodermi), die aus 420-360 Millionen Jahre alt datierten Schichten stammen, wurden von vielen Forschern als zahnlose Formen angesehen, die nur zahnähnliche Knochenvorsprünge besaßen. Es war umstritten, ob es sich bei diesen Strukturen um echte Zähne handelte.

Neuartige Untersuchungen haben nun eindeutig gezeigt, dass die Panzerfische Zähne hatten. Ein internationales Forscherteam hat Versteinerungen der Gattung Compagopiscis mit Hilfe von hochenergetischem Röntgenlicht aus der Synchrotron Lichtquelle des Paul-Scherrer-Instituts (Villigen/Schweiz) durchleuchtet (Rücklin et al. 2012). Auf diese Weise konnten sie zerstörungsfrei dreidimensionale Mikroskopbilder der untersuchten Objekte erzeugen, ähnlich wie bei einer Computertomographie. Dadurch war es möglich, verschiedene Gewebe, Zelltypen und Wachstumslinien innerhalb der knöchernen Kiefer sichtbar zu machen und die Existenz von Zähnen mit Dentin und Zahnmark (Pulpa) nachzuweisen. Es konnten verschiedene Stadien dargestellt werden, die mit der Embryonalentwicklung heutiger Wirbeltiere verglichen wurden.

Es gibt aber einen Unterschied zu den meisten heutigen Zähnen von Wirbeltieren. Die Zähne wuchsen nur an der Oberfläche des Kieferknochens und besaßen keine Wurzeln. Daraus kann man schließen, dass die Zähne nicht ersetzt werden konnten, wenn sie abgenutzt oder abgebrochen waren. In dieser Hinsicht gleichen sie am ehesten einigen Stachelhaien (Acanthodii), Holocephalen (eine Gruppe der Knorpelfische) und Lungenfischen (Rücklin et al. 2012, 3).

Damit erscheinen Zähne nach gegenwärtigem Wissensstand gemeinsam mit den Kiefern im Fossilbericht. Evolutionstheoretisch war man bisher davon ausgegangen, dass echte Zähne erst lange nach den Kieferknochen entstanden seien. Die anhand des Panzerfisches gewonnenen Erkenntnisse widerlegen dies nun eindeutig. Insgesamt bleibt die Entstehung von Kiefern unbekannt und dieses Geheimnis ist durch die gleichzeitige Präsenz von Zähnen nicht kleiner geworden.

[Rücklin M, Donoghue PCJ, Johanson Z, Trinajstic K, Marone F & Stampanoni M (2012) Development of teeth and jaws in the earliest jawed vertebrates. Nature, Advance Online Publication 17 October 2012; http://dx.doi.org/10.1038/nature11555]

Abb. 1: Vernanimalcula – das „Frühlingstierchen. (Aus Chen et al. 2004, Copyright 2004 by AAAS; Abdruck mit freundlicher Genehmigung) Abb. 2: Mutmaßliche Rekonstruktion von Vernanimalcula. Künstlerische Gestaltung: Amadeo Bachar (www.abachar.com).

Vor einigen Jahren wurde von Funden einfachster zweiseitig organisierter Vielzeller (Bilateria) berichtet, die als mögliche älteste fossil dokumentierte Vorläufer der ab dem Kambrium explosionsartig fossil auftretenden Tierstämme diskutiert wurden (Abb. 1). Die Fundschicht der Doushantuo-Formation im Südwesten Chinas wird ca. 50 Millionen Jahre vor den Beginn des Kambriums datiert. Es würde sich damit um die ersten Bilateria handeln, die deutlich unterhalb der Kambrium-Grenze gefunden wurden (Chen et al. 2004, 218) und die Funde würden damit in Frage stellen, ob es wirklich eine explosive Entstehung der Tierstämme zu Beginn des Kambriums gab (vgl. Bottjer 2005; Junker 2005).

Die Fossilien sind mit ca. 0,2 mm Länge ausgesprochen klein. Dennoch wurden verschiedene Strukturen als Mund, Rachen, Verdauungstrakt, Anus und paarweise Hohlräume entlang des Verdauungstraktes gedeutet und sogar paarig an der Außenhaut vorkommende Beulen als mögliche Positionen von Sinnesorganen angesehen. Es wurde sogar eine dreidimensionale Rekonstruktion veröffentlicht (Abb. 2). Die Forscher nannten diesen frühen Vielzeller Vernanimalcula, was soviel bedeutet wie „kleines Frühlingstierchen“ – in Anspielung auf ihr Auftreten nach der globalen „Snowball Earth“-Vereisung im jüngsten Präkambrium (vgl. Stephan 2004). Die organismische Natur der Fossilien war allerdings nicht unbestritten. Es könnte sich um dünne Mineralkrusten handeln, die sich rund um die Hüllen toter, einfach aufgebauter Organismen gebildet hätten, so Stefan Bengtson, zumal solche „Mini-Särge“ in den untersuchten Gesteinen im Südwesten Chinas keine Seltenheit seien (Stokstad 2004).

Die Ergebnisse einer jüngst veröffentlichten Untersuchung haben die Kritik vollauf bestätigt (Bengtson et al. 2012). Die Autoren stellen nicht nur in Frage, dass Vernanimalcula ein Vorfahre der Bilaterier war, sie halten die Fossilien nicht einmal für Reste von Lebewesen, sondern für mineralische Strukturen, die nichts mit Lebewesen zu tun haben – daher die Überschrift ihrer Arbeit: „Ein Gnadentod … für Vernanimalcula“ (Bengtson et al. 2012). Die erkennbare Schichtung sei charakteristisch für Abfolgen diagenetischer Mineralisation, die zu Ausfüllungen von Hohlräumen führe, schreiben die Autoren. (Als Diagenese bezeichnet man den Prozess der Gesteinsverfestigung.) Die Autoren der Erstveröffentlichung hätten die Anzeichen einer Diagenese ignoriert. Die Schlussfolgerung, dass es sich um einfach gebaute Tiere gehandelt habe, sei durch die Befunde von vornherein nicht gedeckt gewesen. Es gebe keine Hinweise darauf, dass es sich um tierische Überreste handle. Damit erübrigen sich alle evolutionstheoretischen Schlussfolgerungen, die unter Bezugnahme auf Vernanimalcula getroffen wurden.

Bengtson gehen mit ihrer Kritik noch weiter und unterstellen Chen und Kollegen eine Voreingenommenheit bei der Interpretation der Befunde. Sie hätten das gefunden, von dessen Existenz sie von vornherein überzeugt waren: „If you know from the beginning not only what you are looking for, but what you are going to find, you will find it, whether or not it exists“ (Bengtson 2012, 426). Sie schließen ihren Artikel mit der Hoffnung, dass Vernanimalcula nun in Frieden ruhen könne, befreit von der schweren Last einer unangemessenen evolutionären Bedeutung. Damit ist auch klar: Die Hoffnung, dass Vernanimalcula die kambrische Explosion des Lebens entschärfen könne, muss aufgegeben werden.

[Bengtson S, Cunningham JA, Yin C & Donoghue PCJ (2012) A merciful death for the 'earliest bilaterian', Vernanimalcula. Evol. Dev. 14, 421-427; Bottjer DJ (2005) The early evolution of animals. Sci. Am. 293, 42-47; Chen JY, Bottjer DJ, Oliveri P, Dornbos SQ, Gao F, Ruffins S, Chi H, Li CW & Davidson EH (2004) Small Bilaterian Fossils from 40 to 55 Million Years Before the Cambrian. Science 305, 218-222; Junker R (2005) Die kambrische Explosion des Lebens – entschärft? Stud. Int. J. 12, 38-39; Stephan M (2004) Eine katastrophische Hypothese: Die „Schneeball-Vereisung“ der Erde. Stud. Int. J. 11, 93-97; Stokstad E (2004) Controversial fossils could shed light on early animals‘ blueprint. Science 304, 1425.]

Fleischfressende Pflanzen üben immer wieder eine Faszination auf den Menschen aus. Sie fangen und verdauen Insekten oder andere Kleintiere und haben durch diese Zusatzkost einen Überlebensvorteil auf nährstoffarmen Böden. Bekanntes Beispiel ist etwa die Gattung Sonnentau (Drosera), die weltweit ca. 200 Arten umfasst und auch bei uns mit drei Arten vertreten ist. Auffälligstes Merkmal sind die in großer Zahl vorhandenen gestielten Drüsen der Blattoberfläche, die man Tentakel nennt und die an ihrer Spitze je einen großen, klebrigen Tropfen tragen. Diese glitzern im Sonnenlicht, was zum Namen der Gattung geführt hat. Die Tropfen dienen der Anlockung der Insekten, dem Festhalten der Beute und deren Verdauung. Weitere ungestielte Drüsen auf der Blattfläche dienen dann der Aufnahme der verdauten Stoffe in das Blattinnere.

Meist beteiligen sich mehrere Tentakel am Festhalten der Beute, evtl. krümmt sich auch das Blatt, um weitere Tentakel zum Festhalten bereitzustellen, wozu es einer blattinternen Informationsübertragung bedarf. Es gibt auch Sonnentau-Arten, bei denen gegebenenfalls weitere Blätter zu Hilfe kommen, um die Beute effizient festzuhalten.

Die Situation an sich ist schon sehr komplex. Man muss ja immer bedenken, dass der Vorgang nur dann einen Vorteil bringt, wenn außer der Anlockung der Insekten auch Einrichtungen zum Festhalten und zum Verdauen ausgebildet sind und dafür gesorgt ist, dass die Verdauungsprodukte auch in den Pflanzenkörper hinein transportiert werden können. Isolierte Teilschritte des Geschehens nutzen der Pflanze nichts.

Nun wurden vor einigen Jahren bei der in Südaustralien weit verbreiteten einjährigen Sonnentau-Art Drosera glanduligera zusätzlich zu den üblichen Tentakeln weitere Tentakel entdeckt, die zum Typ der Schnelltentakel zählen (vgl. Hartmeyer & Hartmeyer 2010). Sie sind deutlich länger als die übrigen Leim- oder Klebtentakel (Abb. 1), stehen ganz außen an den Blättern, sind bilateral gebaut, im unteren Teil verbreitert und im oberen Teil im Anschluss an eine Art Gelenk sehr schmal und tragen an ihrer Spitze nur ein winziges Köpfchen. Diese zusätzlichen Tentakel sind an der Spitze berührungsempfindlich und haben eine völlig andere Aufgabe als die anderen Tentakel. Bau, Funktion und biomechanische Eigenschaften dieser neu entdeckten Tentakel wurden jetzt in der Plant Biomechanics Group der Universität Freiburg näher untersucht (Poppinga et al. 2012). Die hochempfindlichen Tentakel ziehen sich nach Berührung durch ein Insekt innerhalb von nur 75 ms explosionsartig zusammen und katapultieren dabei die Beute in die deutlich vertiefte Mitte des Blattes, wo sie schließlich verdaut wird. Die Bewegung gehört zu den schnellsten des Pflanzenreichs und kann z. B. mit der des Fangblattes der zur gleichen Familie gehörenden, ebenfalls fleischfressenden Venusfliegenfalle (Dionaea) konkurrieren. Allerdings erfolgt die schnelle Bewegung anders als bei Dionaea und den meisten anderen besonders schnellen Pflanzenbewegungen nicht durch Auslösen einer unter Spannung stehenden Struktur, also aufgrund von elastischer Energie wie beim Bogenschießen, sondern sehr wahrscheinlich hydraulisch, d. h. durch schlagartige Erhöhung des Zellsaftdruckes (Turgors) auf der Unterseite bei dessen gleichzeitiger Erniedrigung auf der Oberseite. Jedenfalls konnte berechnet werden, dass die Schnelltentakel durch Turgoränderung die gemessenen Geschwindigkeiten theoretisch erreichen können.

Abb. 1: Fangblatt der australischen Sonnentau-Art Drosera glanduligera. Neben den auch von den mitteleuropäischen Arten bekannten Klebtentakeln, die ein in der Sonne glitzerndes Köpfchen tragen, bildet D. glanduligera zusätzlich noch lang ausgestreckte Schnelltentakel aus (am Rand gut zu sehen), die sich hier nach Berührung durch ein Insekt schlagartig einrollen und dabei das Tier in die Mitte des Blattes katapultieren. (Wikimedia Commons)

Der Mechanismus ist irreversibel, d. h. er kann nur einmal betätigt werden (Einweg-Tentakel). Das gleicht die Pflanze aber durch schnelles Wachstum aus, so dass nach etwa drei bis vier Tagen wieder frische Blätter mit neuen Schnelltentakeln zur Verfügung stehen.

Drosera glanduligera hat dem Boden dicht aufliegende Rosettenblätter und ist insgesamt nur etwa 4 cm im Durchmesser. Ihre Blätter sind nur 2-4 mm breit. Die Pflanze ernährt sich überwiegend von Springschwänzen (Collembolen), also flügellosen Bodeninsekten, während viele andere Arten der Gattung eher fliegende Beute fangen. Die zwei parallel geschalteten Fangmechanismen haben für die Pflanze den Vorteil, dass auch weiter entfernte und ggf. auch etwas größere (und damit stärkere) Tiere zielsicher in die auf die Verdauung spezialisierte Blattmitte gelangen, wo sie von den zahlreichen Klebtentakeln bestens festgehalten werden können. Außerdem schützt dieses Verhalten vor Beutedieben, das sind in Australien vor allem räuberische Wanzen. Wer sich die Pflanze in Aktion im Video ansehen will, hat dazu die Möglichkeit unter http://www.youtube.com/watch??v=Zzi3XDQs-i0 oder über die Links in den beiden zitierten Arbeiten.

Schnelltentakel mit Turgorbewegung gibt es zwar mehrfach in der Gattung Drosera, aber den oben beschriebenen superschnellen Typ nur bei D. glanduligera (Hartmeyer & Hartmeyer 2010). Und auch sonst ist ein solcher zweistufiger Fangmechanismus einmalig bei fleischfressenden Pflanzen. Die Autoren sprechen zu Recht von einer ausgeklügelten Methode. Wie aber all die für so einen komplexen und einmalig schnellen Mechanismus nötigen Baupläne und ihre Regulation in der Pflanze entstanden sind und verankert wurden, bleibt ein Rätsel, das evolutionäre Erklärungsansätze an ihre Grenzen bringt und bei unvoreingenommener Betrachtung eher an einen dahinterstehenden Plan denken lässt.

[Hartmeyer I & Hartmeyer RH (2010) Snap-tentacles and runway lights: summary of comparative examination of Drosera tentacles. Carnivorous Plant Newsletter (ICPS) 39 (4), 101-113. http://www.hartmeyer.de/ArtikelundBerichte/artsnaprunCPN2010.html; Poppinga S, Hartmeyer SRH, Seidel R, Masselter T, Hartmeyer I & Speck T (2012) Catapulting tentacles in a sticky carnivorous plant. PLoS ONE 7 (9), e45735. doi:10.1371/journal.pone.0045735]

Abb. 1: Zwergseegras Zostera noltii (Aus: Otto Wilhelm Thomé, Flora von Deutschland, Österreich und der Schweiz. Gera, 1885)

Seegraswiesen säumen in weiten Teilen der Welt die flachen küstennahen Regionen bis in eine Tiefe von etwa 40 m. Sie sind von großer ökologischer Bedeutung, da sie für zahlreiche Fische und viele andere Tierarten einen idealen Lebensraum bieten. Außerdem stabilisieren sie die sandigen Gezeitenbereiche und dienen damit auch dem Küstenschutz. Leider sind Seegraswiesen seit einiger Zeit vielerorts im Bestand bedroht, so dass eine Beeinträchtigung der Biodiversität befürchtet werden muss.

Seegräser gehören zu den wenigen Arten von Blütenpflanzen, die auch im Meer vorkommen. Sie wurzeln meist im sandigen Meeresboden und entwickeln bandförmige Blätter. Botanisch gesehen sind es keine Gräser, sondern Vertreter verschiedener Familien aus der ebenfalls zu den Einkeimblättrigen gehörenden Ordnung Alismatales = Froschlöffelartige.

Von ihrer Lage her sind Seegraswiesen ein Auffangbecken für organisches Material. Dieses sammelt sich im Sediment an und wird unter den dort herrschenden sauerstoffarmen Bedingungen von Bakterien abgebaut, die statt Sauerstoff das im Meerwasser reichlich vorhandene Sulfat zur Oxidation verwenden. Bei diesem Vorgang entsteht aber reichlich Sulfid, das für die Pflanzen schädlich ist und ihr Wachstum deutlich hemmt. Vor allem in wärmerem Wasser ist die Sulfid-Produktion bedenklich hoch.

Lange Zeit war unklar, wieso Seegraswiesen trotz dieses offensichtlichen Problems so erfolgreich sind. Niederländische Wissenschaftler (van der Heide et al. 2012) haben jetzt nachweisen können, dass eine Dreifach-Symbiose zwischen Seegras, den mit ihm assoziierten Mondmuscheln (verschiedene Gattungen der Familie Lucinidae) und deren kiemenbewohnenden Bakterien dafür verantwortlich ist.

Zunächst konnte durch eine umfangreiche Literaturauswertung gezeigt werden, dass in den Tropen 97 %, in den Subtropen 90 % und im gemäßigten Klima 56 % der untersuchten Seegraswiesen in ihrem Sediment Mondmuscheln enthalten. Die zugehörige Individuendichte ist dabei mit meist etwa 100 bis mehr als 1000 pro m² beachtlich hoch. Die Muscheln sind im Sediment eingegraben und besitzen in ihren Kiemen Sulfid-oxidierende Bakterien, mit denen sie in Symbiose zusammenleben.

In Laboruntersuchungen mit dem auch bei uns heimischen Zwerg-Seegras (Zostera noltii) und der Mondmuschel-Art Loripes lacteus konnten die Autoren zeigen, dass bei Anwesenheit von Sulfid die gemeinsame Aufzucht für beide Partner wesentlich bessere Wachstumsergebnisse liefert als die getrennte Aufzucht.

Insgesamt konnte durch die Literaturauswertung, die Laboruntersuchungen und eine Feldstudie im Nationalpark Banc d‘Arguin in Mauretanien gezeigt werden, dass die Seegräser und die Mondmuscheln mit ihren symbiontischen Bakterien eine gut funktionierende Dreifach-Symbiose eingehen. Die Seegräser sorgen indirekt für das Vorkommen von Sulfid und geben aufgrund ihrer Photosynthese über die Wurzeln Sauerstoff an die im Sediment benachbarten Muscheln ab. Diese wiederum transportieren Sulfid und Sauerstoff zu den in ihren Kiemen lebenden Bakterien, die durch die Sulfidoxidation Energie gewinnen und damit Zucker aufbauen, die das Wachstum beider Organismen fördern. Gleichzeitig wird dabei die – besonders in warmem Meerwasser – hohe, für die Seegräser schädliche Sulfidkonzentration herabgesetzt, was wiederum ein deutlich gesteigertes Wachstum der Seegräser zur Folge hat.
Beispiele wie dieses sind immer wieder eindrucksvoll und zeigen ein weiteres Mal, wie in genialer Weise die gegenseitige Ergänzung ganz verschiedener Organismen wesentlich zum Funktionieren komplexer Ökosysteme beitragen kann.

[Van der Heide T et al. (2012) A three-stage symbiosis forms the foundation of seagrass ecosystems. Science 336, 1432. DOI: 10.1126/science.1219973]

Lake Vida in der Antarktis ist einer der mit Eis bedeckten Seen, die außergewöhnliche Lebensräume darstellen. Bei Expeditionen im Jahr 2005 und 2010 wurde Lake Vida – auch durch Bohrungen – genauer untersucht. Nun veröffentlichten Murray et al. (2012) Resultate zur Geo- und Biochemie. Dabei erwähnen sie auch die Idee, dass der Nachweis von Mikroben in solchen extremen Biotopen Hinweise auf Lebensräume in anderen Eiswelten in unserem Kosmos liefern könnte.

Während der Untersuchungen 2005 wurde eine Bohrung auf 16 m niedergebracht, wobei sich das Bohrloch wiederholt bis 10,5 m unter der Eisoberfläche mit Salzlake füllte. Unter der Eisdecke befinden sich mehrere hundert Meter Permafrost-Boden. Zwischen diesem Boden und der Eisdecke kommt Salzlake vor, die nach Ansicht der Autoren seit mehr als 2800 Jahren isoliert ist (radiometrisch durch ¹⁴C-Analysen anhand von organischem Material aus Eisbohrkernen aus 12 m Tiefe datiert). Nach Aussage der Autoren hat sich das hydrologische System bei beiden Untersuchungen ähnlich verhalten.

Aufgrund der geochemischen und mikrobiologischen Untersuchungen (Doren et al. 2008) beschreiben die Autoren das Ökosystem Lake Vida nun folgendermaßen:

Die Salzlake hat eine Temperatur von –13,4 °C und einen leicht sauren pH-Wert von 6,2. Die Salinität (PSU) beträgt 188, der NaCl-Gehalt ist größer als 11% (zum Vergleich: Ozeane ca. 3,5 %; für das Tote Meer werden im Durchschnitt 27 % angegeben). Sauerstoff (O₂) konnte nicht nachgewiesen werden (d. h. anoxische Bedingungen), nachgewiesen wurden aber Kohlendioxid (CO₂: 8,9 mmol/l), Lachgas (N₂O: 58,8 µmol/l) und Wasserstoff (H₂: 10,5 µmol/l). Bei den gelösten Metallen fällt der hohe Gehalt an Eisen (Fe: 256-308 µmol/l) auf, dessen Herkunft – wie auch die der anderen Metalle (Sr, Mn, Zn, Al) – aus Verwitterungsprozessen der umgebenden Gesteine vermutet wird.

Mikrobiologische Studien liefern durch elektronenmikroskopische Aufnahmen Hinweise auf verschiedene Bakterien. Anhand molekularbiologischer Analysen der kleinen Untereinheit der bakteriellen ribosomalen RNA (rRNA) konnten anhand von 32 Sequenzen Bakterien aus acht verschiedenen Bakterienstämmen zugeordnet werden: Proteobacteria, Lentisphaera, Firmicutes, Spirochaeta, Bacteroides, Verrucomicrobia, TM7 und Actinobacteria. Genetische Hinweise auf Eukaryonten und Archaebakterien konnten nicht gefunden werden. Die Zusammensetzung der Mikrobengemeinschaft im Lake Vida unterscheidet sich deutlich von derjenigen in anderen Salzseen und in den antarktischen Seen.

Murray et al. (2012) interpretieren das untersuchte Ökosystem als eines, in dem seit Jahrtausenden Mikroorganismen zusammen mit photosynthetisch erzeugten organischen Kohlenstoffverbindungen in Isolation existieren. Die Stoffwechselraten sind durch die tiefen Temperaturen limitiert. Der vorhandene Wasserstoff (unabhängig davon ob er abiotisch oder durch biochemische Prozesse entstanden ist) reicht aus, dass die Mikroorganismen die biochemische Herausforderungen bestehen können, so dass z. B. in der Lage sind, Schädigungen der Polynukleinsäuren (Depurinierung) in diesem extremen Lebensraum zu reparieren.

Die Autoren deuten sehr vorsichtig an, dass dieses Ökosystem als Beispiel für andere Eiswelten auf anderen Planeten oder Monden angesehen werden könnte. Um jedoch von diesen irdischen Befunden auf mögliche Ökosysteme auf andere Planeten schließen zu können müssen die hier vorliegenden Zusammenhänge noch besser verstanden werden. In dem von Eis bedeckten See der Antarktis gehen die Autoren von überlebenden Mikroorganismen aus; aus extraterrestrischen Systemen liegt bisher kein Nachweis von Lebewesen vor. Es werden allenfalls Randbedingungen diskutiert, die mit der Existenz von Organismen verträglich wären.

[Doran PT, Fritsen CH, Murray AE, Kenig F, McKay CP & Kyne JD (2008) Entry approach into pristine ice sealed – Lake Vida, East Antarctica, a model ecosystem. Limnol. Oceanogr. Methods 6, 542-547; Murray AE, Kenig F, Fritsen CH, McKay CP, Cawley KM, Edwards R, Kuhn E, McKnight DM, Ostrom NE, Peng V, Ponce A, Priscue JC, Samarkin V, Townsend AT, Wagh P, Young SA & Doran PT (2012) Microbial life at -13 °C in the brine of an ice-sealed Antarctic lake. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, doi: 10.1073/pnas.1208607109]

Abb. 1: Früher als vogelartig beschriebene Fußspuren aus der Santo Domingo-Formation werden nun als Spuren von Vögeln anerkannt, nachdem sie neu datiert wurden. Balken: 10 cm. (© Ricardo N. Melchor, Abdruck mit freundlicher Genehmigung)

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Die fossilen Fußabdrücke der Gattung Gruipeda aus der Santa Domingo-Formation in Argentinien waren schon zweimal Gegenstand einer kurzen Betrachtung (vgl. Studium Integrale Journal 16, 118 und 9, 95-96). Es handelt sich dabei um Fußabdrücke, die Abdrücken heutiger Strandvögel gleichen, jedoch gemessen an evolutionstheoretischen Hypothesen „viel zu alt“ zu sein schienen. Jedenfalls waren die betreffenden Fundschichten ca. 50 Millionen Jahre älter datiert worden als der berühmte „Urvogel“ Archaeopteryx. Daher war bezweifelt worden, dass die eindeutig vogelartigen Fußabdrücke wirklich von Vögeln stammen. Nun stellt sich heraus, dass die von den Autoren (Melchor et al. 2002, Genise et al. 2009) präsentierten widersprüchlichen Befunde ihre Ursache in Fehleinschätzungen der komplexen stratigraphischen und tektonischen Gegebenheiten haben.

Die ehemals in den Übergang Obertrias/Unterjura (ca. 200 Millionen radiometrische Jahre) gestellte Schichtenfolge mit den vogelartigen Fußabdrücken erhielt kürzlich aufgrund neuer radiometrischer und paläomagnetischer Daten eine stratigraphische Neudefinition in das Obereozän (37 Millionen radiometrische Jahre; Vizán et al. 2013, Melchor et al. 2013). Mit dieser Revision bewertet die Autorengruppe ihre Beobachtungen neu: Bei den fossilen Fußspuren handelt es sich nicht um eine Vogelverwandtschaft, sondern sie „gehören zu Vögeln mit einem Verhalten, das heutigen Strandläufern gleicht“.

Der stratigraphischen Neudefinition, nunmehr eine Zuordnung zur Laguna Brava-Formation, waren zahlreiche Untersuchungen vorangegangen (Vizán et al. 2013). Eine Neukartierung entschlüsselte die komplexen Lagerungsverhältnisse mit zahlreichen Überschiebungen. Dies erklärte den fehlerhaften Bezug zu einer „überliegenden“ Einheit mit Basaltergüssen, Basis der bisherigen Einstufung in die Obertrias, die aber stratigraphisch älter ist. Final begründet wurde die neue stratigraphische Einstufung in das Eozän durch radiometrische Datierungen an Zirkonmineralien einer Tufflage 38 m unterhalb des ersten Auftretens der Vogelspuren, die ein ²⁰⁶Pb/²³⁸U-Alter von etwa 37 Millionen Jahren (Grenze Bartonium/Priabonium) ergaben. Für die Revision der paläomagnetischen Daten wurden ebenfalls tektonische Ursachen angeführt. Eine anzunehmende Verstellung des Laguna Brava-Blocks um 16° (im Uhrzeigersinn) war nicht berücksichtigt worden. Wird diese erwogen, erlaubt die radiometrisch geeichte paläomagnetische Zeitskala ebenfalls eine Einstufung in das Obereozän. Dass in diesem Zusammenhang gleich zwei „Fehler“ passierten, ist rätselhaft. Und – die biostratigraphische Stellung der Sedimentfolge ist trotz allem noch nicht befriedigend geklärt. Auch bleibt abzuwarten, wie andere, bisher als triassisch-jurassisch eingeordnete „vogelartige“ Fußspuren, z. B. in Südafrika (Ellenberger 1972, Lockley et al. 1992), erklärt werden.

[Ellenberger P (1972) Contribution à la classification des pistes de Vertébrés du Trias: Les types du Stormberg d‘Afrique du Sud. Palaeovertebrata. Memoire Extraordinaire, Montpellier; Genise JF, Melchor RN, Archangelsky M, Bala LO, Straneck R & de Valais S (2009). Application of neoichnological studies to behavioural and taphonomic interpretation of fossil bird-like tracks from lacustrine settings: the Late Triassic–Early Jurassic? Santo Domingo Formation, Argentina. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 272, 143-161; Lockley MG, Yang S-Y, Matsukawa M, Fleming F & Lim S-K (1992). The track record of Mesozoic birds: evidence and implications. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B 336, 113-134; Melchor RN, de Valais S & Genise JF (2002) Bird-like fossil footprints from Late Triassic. Nature 417, 936-938; Melchor RN, Buchwaldt R & Bowring SA (2013) A Late Eocene date for Late Triassic bird tracks. doi:10.1038/nature11931; Vizán H, Geuna S, Melchor R, Bellosi ES, Lagorio SL, Vásquez C, Japas MS, Ré G & Do Campo M (2013) Geological setting and paleomagnetism of the Eocene red beds of Laguna Brava Formation (Quebrada Santo Domingo, northwestern Argentina). Tectonophysics 583, 105-123.]

Biologische Information ist u. a. durch biologische Funktion gekennzeichnet. Dazu gehört bei Enzymproteinen beispielsweise die Fähigkeit, chemische Reaktionen zu katalysieren. Darüber hinaus müssen Proteine aber auch miteinander und mit anderen Zellkomponenten (Nukleinsäuren, Zuckermoleküle etc.) interagieren, also in einer Wechselwirkung zueinander stehen. Die Gesamtheit dieser Interaktionen der Komponenten einer Zelle nennt man Interaktom. Nun können die Komponenten einer Zelle auf unvorstellbar viele Arten miteinander interagieren: Wenn eine Zelle nur aus 50 verschiedenen Teilen bestünde (heutige Zellen haben tausende von Komponenten), gäbe es theoretisch rund 1032 paarweise Interaktionsmöglichkeiten. Wie viele davon für eine Funktion der Zelle nötig sind, ist unbekannt.

Tompa & Rose (2011) haben darauf hingewiesen, dass die bloße Mischung der passenden Zahl aller chemischen Komponenten einer heutigen Zelle nicht „lebt“, wenn man sie mit einer Hülle umgibt (obwohl die Einzelteile das Potential für die notwendigen Interaktionen aufweisen sollten). Anders ausgedrückt: Leben kann nicht auf die Präsenz der notwendigen chemischen Komponenten einer Zelle reduziert werden, diese müssen zusätzlich auf eine hochspezifische Weise im Interaktom konzertiert zusammenwirken. Das Interaktom repräsentiert demnach eine besondere Art biologischer Information, die von einer Mutterzelle an eine Tochterzelle weitergegeben wird und die auf zahlreichen hierarchisch geordneten, energiegetriebenen und raumzeitlich gesteuerten Proteinassemblierungssystemen beruht. Man hat bisher keine Hinweise darauf, dass diese „Information“ aus den reinen Komponenten einer Zelle durch zufällige Interaktionen („self-assembly“) von selbst entsteht.

Dieses Prinzip dürfte auch für eine hypothetische erste, primitive Zelle aus relativ wenigen Bestandteilen gelten. Für die Entstehung eines ersten zellulären Replikators reicht es daher wahrscheinlich nicht aus, wenn nur dessen chemische Bestandteile (auf unbekannte Weise) entstehen und (auf ebenfalls unbekannte Weise) zusammen in ein Kompartiment gelangen. Neben der Frage der Chemie der Lebensentstehung, der Entstehung von chemischen Molekülen als Informationsträger, der selektiv durchlässigen Umhüllung von Zellen und anderen Fragen gesellt sich zur Frage der Lebensentstehung also auch die Frage nach der Entstehung der Wechselwirkungen der molekularen Komponenten von Zellen.

[Tompa P & Rose GD (2011) The Levinthal paradox of the interactome. Protein Science 20, 2074-2079.]

Abb. 1: Zeichnerische Rekonstruktion des ausgestorbenen Priapuliden Ottoia aus dem kambrischen Burgess-Schiefer. (Wikimedia Commons, smokeybjb)

Die Priapulida (Priapswürmer) sind ein Stamm von fleischfressenden, im Meer lebenden Würmern, von denen vier Familien heute noch vorkommen. Mehrere nah verwandte Formen sind aus dem Kambrium bekannt, nämlich die sog. Archaeopriapulida und Palaeoscolecida, die heute ausgestorben sind (vgl. Abb. 1). Da von den letztgenannten viele Fossilien gefunden wurden, eignen sie sich gut für paläontologische Untersuchungen.

Die Arbeitsgruppe um Matthew Wills von der University of Bath veröffentlichte letztes Jahr eine Studie, in der sie das Maß der Verschiedenartigkeit der kambrischen bzw. modernen Priapulida verglichen. Mit Verschiedenartigkeit (disparity) wird die morphologische Variation, also die Unterschiedlichkeit von Bauplänen innerhalb einer größeren Formengruppe bezeichnet, während mit Vielfalt (diversity) die Variabilität und damit die Zahl der Äste am Stammbaum innerhalb eines engeren Verwandtschaftskreises gemeint ist. Beispielsweise würde man zehn Hunderassen als vielfältig bezeichnen, dagegen zehn sehr verschiedene Säugetierarten (etwa von Fledermaus bis Blauwal) als verschiedenartig.

Interessanterweise stellten die Forscher fest, dass sich die Verschiedenartigkeit der Priapulida seit dem Kambrium kaum vergrößert hat. Das bedeutet, dass dieser Stamm schon wenige Millionen Jahre geologischer Zeit nach seinem Erscheinen im Fossilbericht (zu Beginn des Kambriums) eine Variationsbreite erreicht hatte, die der heutigen annähernd gleichkommt. Dieser Befund scheint statt des traditionellen „Kegel der zunehmenden Verschiedenartigkeit“-Modells („cone of increasing diversity“) viel eher einen „Zylinder der gleichbleibenden Verschiedenartigkeit“ zu stützen, wie die Autoren es selbst ausdrücken. Dies stellt aber ein Problem für die Evolutionsforschung dar, da dieser Zylinder in sehr kurzer Zeit (nach evolutionären Maßstäben) bereits in großer Breite vorhanden war. Wie und wann sich diese anfänglich schon vorhandene Verschiedenartigkeit hätte entwickeln können, bleibt unbekannt. Somit wird wieder einmal der Eindruck einer „kambrischen Explosion“ verstärkt.

Die hier vorgestellte Publikation berichtet über eine Nachfolgestudie. Bereits 1998 hatte Wills eine Studie zur gleichen Fragestellung veröffentlicht, in der er größtenteils zu denselben Schlussfolgerungen gelangt war wie jetzt (Wills et al. 2012). In den zwischendurch verflossenen Jahren sind viele neue Fossilien und einige neue Spezies entdeckt worden, so dass die zweite Studie Zugriff auf ein signifikant größeres Datenset hatte als die erste. Die beobachtete Kontinuität der Verschiedenartigkeit lässt sich also schwer mit mangelnden Daten erklären.

Zusätzlich zu den morphologischen Analysen versuchten die Forscher auch, Stammbäume zu erstellen, um die evolutionären Beziehungen der verschiedenen Gattungen untereinander aufzuzeigen. Diese waren jedoch sehr instabil, d. h. je nach benutztem Datenset oder Gewichtung der verwendeten Merkmale entstanden verschiedene Stammbäume. Es ist möglich, dass schlecht erhaltene Fossilien zu Datenlücken geführt haben, die wiederum für die Instabilität verantwortlich sind. Die Autoren halten dies allerdings für unwahrscheinlich. Da sie aber keine andere Erklärung haben, wirft dies die Frage nach der grundsätzlichen Möglichkeit der Erstellung eines solchen Stammbaums auf.
Auffällig ist auch folgender Befund: Während das Maß der Verschiedenartigkeit über die Zeit hinweg konstant blieb, überlappen sich die tatsächlich im Kambrium ausgeprägten morphologischen Merkmale kaum mit denen, die wir heutzutage anfinden. Aus diesem Grund ordnen Wills et al. die von ihnen untersuchten Spezies in drei „clades“ (=Abstammungslinien) ein: zwei aus dem Kambrium und eine mit allen späteren Spezies. Dies zu erklären ist für alle Ursprungsmodelle eine Herausforderung.

Abschließend ist festzuhalten, dass diese Studie ein weiteres Beispiel dafür liefert, dass eine Tiergruppe bereits kurz nach ihrem erstmaligen Auftritt im Fossilbericht so viel Verschiedenartigkeit aufweist wie heute noch. Und trotz einer Menge neuer Daten hat sich in den letzten 15 Jahren an diesem Bild nichts Grundsätzliches geändert.

[Wills MA (1998) Cambrian and recent disparity: the picture in priapulids. Paleobiology 24, 177; Wills MA, Gerber S, Ruta M, Hughes M (2012) The disparity of priapulid, archaeopriapulid and palaeoscolecid worms in the light of new data. J. Evol. Biol. 25, 2056-2076]