Abb. 1: Aquilonifer spinosus. (Wikimedia Commons)

Aus der Lagerstätte Herefordshire (England, an der Grenze zu Wales) wurden bereits viele Fossilien z. T. mit Weichteilerhaltung aus dem Silur beschrieben (Briggs et al. 2008). Die Autoren hatten seit 1996 in der Fossillagerstätte aus einer Aschelage runde, mit Kalzit gefüllte Konkretionen (Durchmesser: wenige Zentimeter) geborgen; diese enthielten häufig Fossilien.

Um die Fossilien möglichst detailliert darzustellen, haben die Autoren eine spezielle Methode entwickelt. Dabei haben sie die halbierten Konkretionen in sehr dünnen Schichten abgeschliffen und die jeweilige erkennbare Struktur des Fossils digital aufgenommen. Diese Schichtaufnahmen werden dann anschließend mit einem Computerprogramm bearbeitet, sodass ein hochaufgelöstes 3-dimensionales Bild des Fossils entsteht (Abb. 1) – das Fossil selbst wird bei der Prozedur allerdings zerstört.

Aus den genannten Sammlungen haben nun Briggs et al. (2016) einen bisher unbekannten Gliederfüßer mit auffälligen Anhängen beschrieben. Die Autoren wurden durch das Fossil an den Roman „Der Drachenläufer“ des afghanisch-amerikanischen Schriftstellers Khaled Hosseini erinnert und nannten es Aquilonifer spinosus (auf deutsch etwa: dorniger Drachenträger). Der Kopf des Drachenträgers ist durch einen Kopfschild geschützt, und am Kopf sind neben zwei auffälligen antennenartigen Fühlern noch dornenartige Anhänge erkennbar. Hinweise auf Augen fanden die Autoren nicht. Die Rückenschilde (Tergite: Chitinplatten des Außenskeletts) am Körperende sind über fadenförmige Strukturen mit 10 kleinen (0,5-2 mm) Kapseln verbunden (diese vermitteln den Eindruck von Drachen). Diese Kapseln deuten die Autoren als Embryonen, die sich in unterschiedlichen Entwicklungsstadien befinden. Trifft diese Deutung zu, dann weist A. spinosus ein besonderes Brutverhalten auf, das bei anderen Gliedertieren nicht zu finden ist. Von diesen sind zwar ebenfalls Vorkehrungen zum Schutz der Eier bzw. der Brut beschrieben, jedoch ist die beim Drachenträger gefundene Form bisher einzigartig.

Aufgrund der untersuchten Merkmale charakterisieren Briggs et al. A. spinosus als neue Gattung und Art der Mandibeltiere (Mandibulata), zu denen u. a. auch die Krebstiere (Crustacea), Tausendfüßer (Myriapoda) und Insekten (Insecta) gehören. Zur erstaunlichen Besonderheit dieser Tiere, deren Lebensraum die Autoren im Wasser vermuten, gehört, dass die Nachkommen zunächst mit einem erwachsenen Tier (ob Männchen oder Weibchen, ist nicht bekannt) verbunden sind.

Damit zeigt das von Briggs und seinen Mitarbeitern beschriebene Fossil, dass Formen komplexer Brutpflege bereits früh (Silur) ausgebildet sind – auch solche, die wir gegenwärtig nicht beobachten können.

[Briggs DEG, Siveter DJ, Siveter DJ & Sutton MD (2008) Virtual fossils from a 425 million-year-old volcanic ash. Am. Sci. 96, 474-481 • Briggs DEG, Siveter DJ, Siveter DJ, Sutton DM & Legg D (2016) Tiny individuals attached to a new Silurian arthropod suggest a unique mode of brood care. Proc. Nat. Acad. Sci. USA doi/10.1073/pnas.1600489113]

Ganz außergewöhnlich gebaut waren die Bärlappbäume (Lepidophyten), die hauptsächlich aus karbonischen Sedimentgesteinen als Fossilien bekannt sind. Diese Bäume bildeten die Hauptmasse der kohlebildenden Vegetation im Oberkarbon mit 60-95 % der Biomasse der eingebetteten und zu Kohle umgewandelten Vegetation (Hetherington et al. 2016); sie sind auch aus dem älteren Oberdevon und Unterkarbon bekannt. Die gute und häufige Erhaltung wird darauf zurückgeführt, dass die Bäume in „wasserdurchtränkten“ Biotopen wuchsen. Auch wenn es in der Fachwelt nicht vertreten wird, so sprechen doch sehr viele anatomische Besonderheiten dafür, dass diese Bäume schwimmende Wälder und zusammen mit anderen Pflanzen ein ganz einzigartiges, heute nicht mehr existierendes Ökosystem bildeten (viele Belege dafür sind in Junker 2000 zusammengestellt; vgl. Abb. 1).

Abb. 1: Der Karbonschwimmwald als Lebensraum artenreicher Flora und Fauna. Die basalen (Unterwasser-)Organe erweisen sich nun als noch deutlich stärker verflochten als bisher bekannt. (Zeichnung: Robert Geiter)

Mit bis zu 50 m Höhe hätten sie es locker mit heutigen Bäumen aufnehmen können, waren jedoch sehr schlank und besaßen nur schüttere Kronen, sodass ihr Bau fast stangenförmig war. Neben sonstigen anatomischen Besonderheiten sind besonders die langen, ziemlich waagerecht ausstreichenden basalen Organe, die sogenannten Stigmarien (Abb. 2), zu nennen. In ihrer Anatomie glichen sie den Stämmen, sodass sie nicht als Wurzeln bezeichnet werden können.

Abb. 2: Stigmarie mit Abbruchnarben der Appendices und deren Abdrücke. (Steinbruch Rauen bei Witten, Foto: R. Junker)

Die Stigmarien waren rundum flaschenbürstenartig mit Anhängseln (Appendices, vgl. Abb. 2) besetzt, die wie auch die Stigmarien hohl waren, an einer vorgebildeten Trennschicht abgeworfen werden konnten und 75 % und mehr der Pflanzenmasse des Stigmariensystems bildeten (Phillips & DiMichele 1992, 569). Insbesondere das Abtrennen der rundum angeordneten Appendices könnte nicht verstanden werden, wenn die Bäume in mehr oder weniger festem Erdreich gestanden hätten.

Die als Abdrücke und in Torfdolomitknollen erhaltenen Appendices wurden kürzlich erneut genauer untersucht (Hetherington et al. 2016). Bisher war angenommen worden, dass sie weitgehend unverzweigt waren. Nun stellte sich heraus, dass sie sehr komplex gebaut waren. Die Anhänge der Stigmarien waren bis zu vierfach gabelig verzweigt, so dass ca. 25 600 Würzelchen pro Meter Stigmarium ausgebildet waren (vgl. Abb. 3). Erstaunlicherweise entspricht ihr Bau damit weitgehend dem Bau bei der einzigen heute lebenden mit den Bärlappbäumen verwandten, aber krautförmigen Gattung Isoetes (Brachsenkraut). Die Architektur der basalen Organe von Isoetes ist so ähnlich, dass Hetherington et al. (2016) schließen, dass sich dieses System seit der Karbonzeit unverändert erhalten hat. Die kleinwüchsigen Brachsenkräuter leben als Wasser- oder Sumpfpflanzen in Seen, Teichen, Flüssen, Sumpfgebieten und in kurzlebigen Pfützen (Gifford & Foster 1989, 154).

Die verzweigten Anhänge der Stigmarien sind bis zu 90 cm lang und ermöglichten eine gute Verankerung – so Hetherington et al. (2016). Es könnte aber auch sein, dass sie zur Vernetzung und Stabilität beitrugen, falls es sich um Schwimmwälder gehandelt hat, wofür wie erwähnt zahlreiche Indizien sprechen, die kaum mit einem Wuchs in festem Boden vereinbar sind. Dazu passt, dass die Stigmarien bis zu 12 Meter ausstrichen, mit Nachbar-Stigmarien verflochten waren und die Bäume sehr dicht standen (Hetherington et al. 2016, 4).

[Gifford EM & Foster AS (1989) Morphology and evolution of vascular plants. 3rd ed. New York • Hetherington AJ, Berry CM & Dolan L (2016) Networks of highly branched stigmarian rootlets developed on the first giant trees. Proc. Natl. Acad. Sci. 113, 6695-6700 • Junker R (2000) Samenfarne, Bärlappbäume, Schachtelhalme. Pflanzenfossilien des Karbons in evolutionstheoretischer Perspektive. Studium Integrale. Holzgerlingen • Phillips TL & DiMichele WA (1992) Comparative ecology and life-history biology of arborescent lycopsids in Late Carboniferous swamps of Euramerica. Ann. Miss. Bot. Gard. 79, 560-588]

Von Paläontologen vielfach beschrieben wird die Beobachtung, dass bestimmte fossil überlieferte Arten über einen längeren Zeitraum bzw. in einer umfangreichen Abfolge von Sedimenten im Wesentlichen unverändert bleiben. Wenn solche Arten heute noch leben, nennt man sie „lebende Fossilien“. Dieses Phänomen wird als evolutionäre „Stasis“ (Stillstand) bezeichnet. Manchmal werden solche Befunde als Argumente gegen Evolution gewertet. Allerdings gibt es auch unter Annahme einer evolutiven Entstehung der Arten keinen „Evolutionszwang“; daher steht Stasis nicht notwendigerweise im Widerspruch zu einer Evolutionsgeschichte der Lebewesen.

Stasis kann dennoch zum Problem für die Theorie von einer allgemeinen Evolution werden, wenn sie 1. vorherrschend ist und 2. auch dann beobachtet wird, wenn es massive Umweltänderungen gegeben haben muss. Denn üblicherweise wird Stasis damit erklärt, dass die betreffenden Arten in konstanten Umwelten leben bzw. gelebt haben, folglich ohne nennenswerten Wechsel von Selektionsbedingungen, und es daher keinen Druck zur Veränderung gegeben hat. Unter stark wechselnden Umweltbedingungen wird evolutionär dagegen eher ein Formenwandel erwartet.

Von einem ausgesprochen hartnäckigen Fall von Stasis berichtet der Paläontologe Donald R. Prothero auf dem Blog skeptic.com (Prothero 2012; dort finden sich Angaben zu Fachartikeln). Er schreibt (in teilweise freier Übersetzung): „Bei vier der größten Veränderungen von Klima und Vegetation der letzten 50 Millionen Jahre zeigen die Säugetiere und Vögel keine beobachtbare Veränderung als Antwort auf das veränderte Klima. Wo immer ich diese Daten vorstelle, hat bisher niemand (ich eingeschlossen) eine gute Erklärung für eine solche verbreitete Stasis trotz der offensichtlichen Selektionsdrücke durch verändertes Klima.“

Das letzte Beispiel von den vieren, die Prothero anführt, sind die letzten 2 Millionen (radiometrischen) Jahre der Eiszeit mit dramatischen Klimaänderungen, die jedoch nicht zu Artbildungen führten, sondern zu Wanderungen der betroffenen Tiere in andere Gegenden. Eine detaillierte Analyse der fossilen Fauna von La Brea bei Los Angeles ergab: „Keines der allgemein vorkommenden eiszeitlichen Säugetiere und Vögel reagierte auf irgendwelche Klimaänderungen bei La Brea während der letzten 35 000 Jahre.“

Das sind eindrucksvolle Bestätigungen für die Aussagen des 1972 veröffentlichten Klassikers von Niles Eldredge und Stephen Jay Gould über die Hypothese des „unterbrochenen Gleichgewichts“ („punctuated equilibrium“; auch als Punktualismus bekannt). Prothero schrieb seinen Beitrag anlässlich des 40-jährigen Jubiläums der Veröffentlichung dieses Artikels. Gould & Eldredge (1977) machten fünf Jahre nach der Veröffentlichung ihres bahnbrechenden Artikels eine erste Bestandsaufnahme und kamen – in den Worten von Prothero – zu folgendem Ergebnis: „Die erste große Entdeckung war, dass Stasis weitaus vorherrschender im Fossilbericht ist als es zuvor vorausgesagt worden war. Viele Paläontologen meldeten sich und zeigten auf, dass die geologische Literatur ein einziges gewaltiges Monument der Stasis sei und es nur relativ wenige Fälle gebe, in denen jemand eine graduelle Evolution beobachtet hätte.“

Gould & Eldredge (1993) nahmen auch das 20-jährige Jubiläum ihres Artikels von 1972 zum Anlass für eine weitere Bilanz und resümieren: „Weil Arten während so intensiver klimatischer Änderungen wie eiszeitlichen Abkühlungen oft stabil bleiben, muss Stasis als aktives Phänomen betrachtet werden, nicht als eine passive Antwort auf unveränderte Umwelten.“ Das ist das Gegenteil von dem, was mit dem Konzept der Stasis ursprünglich verknüpft wurde.
Für Prothero ist dieser komplett unerwartete, weit verbreitete Befund übrigens kein Grund zur Irritation. Es sei gut, wenn wir statt Antworten mehr Fragen hätten. Wissenschaft komme voran, wenn wir bisher unbekannte Dinge entdecken und merken, dass unsere bisherigen einfachen Antworten nicht funktionieren. Soweit Prothero. Aber es besteht auch die Möglichkeit, dass eine falsche Spur verfolgt wird. Hat der systematische Befund der Stasis seinen Grund darin, dass der Evolvierbarkeit Grenzen gesetzt sind und eine Fehleinschätzung der real verflossenen Zeit vorliegt?

[Prothero DR (2012) Darwin‘s Legacy. http://www.skeptic.com/eskeptic/12-02-15/#feature • Eldredge N & Gould SJ (1972) Punctuated equilibria: an alternative to phyletic gradualism. In: Schopf T (ed) Models in paleobiology. Freeman, Cooper and Co., San Francisco, pp 82-115 • Gould SJ & Eldredge N (1977) Punctuated equilibria: the tempo and mode of evolution reconsidered. Paleobiology 3, 115-151 • Gould SJ & Eldredge N (1993) Punctuated equilibrium comes of age. Nature 366, 223-227]

Abb. 1: Rekonstruktion des Hakenrüsslers Eokinorhynchus rarus von verschiedenen Seiten. (Künstlerische Darstellung von Dinghua Yang, Nanjing Institute of Geology and Palaeontology; aus Zhang et al. 2015, Creative commons licence)

Eine große Anzahl ganz verschiedenartiger Tierstämme ist fossil erstmals im unteren Kambrium dokumentiert. „Diese geologisch abrupte und spektakuläre Überlieferung von frühem tierischem Leben wird kambrische Explosion genannt“ (Erwin & Valentine 2013, 5). In den letzten Jahren wurden immer wieder fossile Formen im Unterkambrium entdeckt, die die kambrische Formenvielfalt weiter vergrößerten. Dazu gehört seit kurzem auch der Stamm der Hakenrüssler (Kinorhyncha). Es handelt sich dabei um winzige wurmartige, segmentierte und mit hohlen Stacheln und gegliederten Platten ausgestattete Organismen, die maximal kaum einen Millimeter groß werden. Der im Querschnitt dreieckige bis kreisförmige Körper ist in Kopf (sog. Introvert), Hals und Rumpf mit 11 Segmenten gegliedert. Bislang waren sie fossil noch gar nicht bekannt. In der heute lebenden Fauna sind sie mit ca. 240 Arten vertreten und weltweit aus Sand und Schlick der Meere bekannt, aus der Gezeitenzone bis in mehreren Tausend Metern Tiefe. Da verwandte Tierstämme wie die Priapswürmer aus dem Kambrium bereits bekannt waren, ist die Entdeckung der Hakenrüssler in kambrischen Sedimenten nicht überraschend (Zhang et al. 2015).

Die etwa 2 mm langen Kinorhyncha-Fossilien (vgl. Abb. 1) wurden in der Provinz Sichuan in China entdeckt, in Schichten, aus denen auch die sogenannte small-shelly-Fauna bekannt ist (s. u.); datiert auf 535 Millionen radiometrische Jahre.

Ähnlichkeiten der neu entdeckten Arten (von denen nur Eokinorhynchus rarus einen Artnamen erhielt) mit heute lebenden Hakenrüsslern umfassen die hohlen Stacheln in fünf Paaren und den Aufbau des Körpers in Ringsegmenten (Hautfalten) mit gegliederten Platten. Sie unterscheiden sich aber auch deutlich in einigen Merkmalen von heute lebenden Arten, z. B. in der Zahl der Segmente (20 statt 11) und der Größe, Form und Anordnung der Stacheln (Zhang et al. 2015, 5).

Zhang et al. (2015, 5) stellen eine mögliche Verbindung zur sogenannten small-shelly-Fauna (SSF) her. Dabei handelt es sich um vielfältige winzig kleine (< 2 mm) beschalte Fossilien, die in phosphathaltigen Sedimenten des Unterkambriums vorkommen. Möglicherweise können manche von ihnen den Kinorhyncha oder ähnlichen Formen zugeordnet werden.

Auf der Basis gestaltlicher Merkmale werden die Kinorhyncha mit den Priapulida (Priapswürmer) und Loricifera (Korsetttierchen) zu den Scalidophora zusammengefasst. Diese wiederum werden mit den Nematoida (Fadenwürmer und andere Formen) zu den Cycloneuralia gestellt, welche die Schwesterngruppe der Panarthropoda (Gliederfüßer) bilden. Die Verwandtschaftsverhältnisse sind wegen inkongruenter Merkmalsverteilungen unklar (Zhang 2015, 4+5). Auch die phylogenetische Position von Eokinorhynchus rarus ist nicht klar bestimmbar.

Es beginnt also – auch in diesem Fall – nicht nur die Fossilüberlieferung abrupt (kambrische Explosion), sondern es sind auch die stammesgeschichtlichen Beziehungen unklar – beides Befunde, die evolutionstheoretisch nicht zu erwarten sind.

[Erwin D & Valentine J (2013) The Cambrian Explosion. The construction of animal biodiversity. Greenwood Village, Colorado • Zhang H, Xiao S et al. (2015) Armored kinorhynch-like scalidophoran animals from the early Cambrian. Sci. Rep. 5:1652; doi:10.1038/srep16521]

Der Birkenspanner (Biston betularia, Abb. 1) ist ein häufig verwendetes Lehrbuchbeispiel dafür, wie aufgrund von Umweltbedingungen unterschiedliche Erscheinungsformen von Lebewesen (Morphen oder Phänotypen) selektiert werden können. Die hellen und dunklen Morphen von B. betularia können z. B. von Fressfeinden auf hellem bzw. dunklem Untergrund unterschiedlich gut wahrgenommen und erbeutet werden. Obwohl der Einfluss und die Reichweite von Selektionsfaktoren bis in die Gegenwart kontrovers diskutiert werden, ist hinreichend belegt, dass Vögel als Fressfeinde die Häufigkeitsverteilung der Birkenspanner in Abhängigkeit des entsprechenden Untergrundes beeinflussen.

Abb. 1: Eines der berühmtesten Beispiele für (Mikro-)Evolution „in action“: Der Birkenspanner (Biston betularia); helle und melanistische Form in einer Collage.

Die genetischen Grundlagen für das Auftreten verschiedener Phänotypen von B. betularia sind bisher allerdings erst in Ansätzen bekannt. Van‘t Hof et al. (2011) konnten den Ort der genetischen Ursache für das Auftreten der dunklen Morphe durch einen Vergleich mit dem Seidenspinner (Bombyx mori) anhand von genetischen Markern auf dem Chromosom 17 auf einen Bereich von 200 Kilobasen (kb) eingrenzen. Die Autoren interpretierten die empirischen Befunde als Beleg dafür, dass ein Allel (Genvariante), das vor nicht langer Zeit („recent“) erstmals aufgetreten ist, für die dunklen Birkenspanner verantwortlich ist. Sie konnten damals zwar die Korrelation des Bereichs im Genom mit der farblichen Veränderung belegen, aber es war kein genetischer Zusammenhang mit der Melaninproduktion, also der Erzeugung des dunklen Pigments, erkennbar.

In einer neuen Untersuchung (Van‘t Hof et al. 2016) konnte nun nachgewiesen werden, dass die dunklen B. betularia-Formen durch ein springendes Gen (Transposon) verursacht werden. In diesem Fall haben die Autoren ein Transposon der Klasse II identifiziert, also einen mobilen DNA-Abschnitt, der seine Position im Genom selbständig verändern kann. In der Arbeit wird gezeigt, dass dieses Transposon sich in dem zuvor beschriebenen Bereich des Chromosoms 17 in das erste Intron eines Gens mit der Bezeichnung cortex integriert. Das Transposon umfasst einen DNA-Strang mit 22 kb, der sich in einen Abschnitt des cortex-Gens einbaut, der vor der Übersetzung (Translation) in das entsprechende Protein herausgeschnitten wird. Vom Protein Cortex ist aber nicht bekannt, dass es in irgendeinem Zusammenhang mit der Biosynthese des dunklen Pigments Melanin steht. Das cortex-Gen wird in bestimmten Larvenstadien in den embryonalen Flügelanlagen stark ausgeprägt (exprimiert). Das entsprechende Protein Cortex reguliert den Zellzyklus während der Entwicklung der Flügel in der Larve. Die genauen Details, wie diese Regulation die Pigmentierung beeinflusst, sind bisher jedoch nur wenig verstanden und werden weiter erforscht. In einem gleichzeitig erschienenen Artikel bestätigen Nadeau et al. (2016) jedoch, dass cortex in Schmetterlingen die Musterung der Flügel kontrolliert.

Aufgrund statistischer Untersuchungen von cortex in Birkenspannern kommen Van‘t Hof et al. (2016) zu dem Schluss, dass der Zeitpunkt, an dem das springende Gen sich an der neuen Position integriert hat, um das Jahr 1819 liegen soll. Sollte sich das bestätigen, dann hätte sich diese genetische Veränderung sehr rasch in der Population der Birkenspanner in der Gegend von Birmingham bemerkbar gemacht, denn Mitte des 19. Jahrhunderts wurden die dunklen Morphen dort beobachtet und beschrieben.

Wenn sich die hier vorgestellten Untersuchungsergebnisse und deren Interpretation durch weitere Forschung bestätigen sollten, dann würde dieser Fall von Industriemelanismus zeigen, dass die verschiedenen Erscheinungsformen des Birkenspanners quasi vorprogrammiert sind und sich in einer Population rasch etablieren können.

[Van’t Hof AE, Edmonds N, Dalikova M, Marec F & Saccheri IJ (2011) Peppered moths has a singular and recent mutational origin. Science 332, 958-960 • Van’t Hof AE, Campagne P et al. (2016) The industrial melanism mutation in British peppered moths is a transposable element. Nature 534, 102-105 • Nadeau NJ, Pardo-Diaz C et al. (2016) The gene cortex controls mimicry and crypsis in butterfly and moths. Nature 534, 106-110]

Der dreistachelige Stichling (Gasterosteus aculeatus) gehört seit Jahren zu den besonders intensiv untersuchten Modellorganismen. Er kommt in Küstengewässern und im Süßwasser der Nordhemisphäre vor. Interessant ist der ca. 10 cm lange Fisch unter anderem, weil er in verschiedenen Formen auftritt: Die im Meer lebenden Stichlinge besitzen seitliche Panzerplatten, z.T. mit stachligen Auswüchsen, vermutlich ein Schutz vor Raubfischen. Die Süßwasser-Stichlinge dagegen besitzen entweder verkleinerte oder gar keine Seitenstacheln und Panzerplatten (Abb. 1), was mit dem geringen Angebot an Calcium für den Knochenaufbau oder mit dem Fehlen von nur im Meer lebenden Raubfischen zusammenhängen könnte. Einige genetische Grundlagen dieser Unterschiede fasst Winkler (2005) zusammen. Die Entstehung der Süßwasserformen wird in der Phase des Rückzugs des Eises der Eiszeit vermutet, konventionell vor 12 000 - 20 000 Jahren. Im Meer lebende Stichlinge sollen demnach in Seen zurückgeblieben sein, die sich damals durch den Rückzug des Eises gebildet hatten. Im Laufe der Aussüßung der Seen konnten sich die Stichlinge an die neuen Bedingungen anpassen.

Abb. 1: Stichlinge verlieren im Süßwasser ihre knöchernen Panzerplatten (Mitte) sowie die Beckenstacheln (unten). (Aus Pennisi 2004)

Nun konnten Wissenschaftler um Emily A. Lescak von der University of Alaska Fairbanks und Susan L. Bassham von der University of Oregon in einer aufwändigen genetischen Studie zeigen, dass die Veränderungen bei den Süßwasserformen bereits in nur 50 Jahren auftreten, was 25-50 Generationen entspricht. Zugute kam den Forschern ein schweres Erdbeben am 27. März 1964 im Gebiet der Südküste von Alaska. Es führte zur Heraushebung mehrerer Inseln im Prinz-William-Sund. Auf diesen entstanden Teiche mit Süßwasser. Der Dreistachlige Stichling konnte dort überleben, und über Flüsse wanderten auch Stichlinge aus dem Meer in die Süßwasserteiche ein oder sie gelangen durch Sturmfluten dorthin. Lescak et al. (2015) berichten von Untersuchungen an Stichlingen von drei Inseln. Sie verglichen die Süßwasserformen mit den im Meer lebenden Fischen genetisch und nach ihrer äußeren Erscheinung (phänotypisch) und stellten fest, dass sich die Fische auf den Inseln „dramatisch“ im Vergleich zu ihren ozeanischen Vorfahren verändert haben. Die Merkmalsausprägungen der erst in den letzten 50 Jahren entstandenen Süßwasserformen unterscheiden sich kaum von den Merkmalen derjenigen Stichlinge, die andernorts schon seit mindestens 12 000 Jahren im Süßwasser leben. Anders ausgedrückt: Die phänotypische Divergenz ist nahezu identisch, gleichgültig ob die Formen in den letzten 50 oder in mindestens 12 000 Jahren entstanden sind. Die genetischen Unterschiede sind allerdings deutlich geringer. Die Untersuchungen zeigten, dass die Formen auf den neu entstandenen Inseln nicht von anderen Süßwasserformen abstammen, sondern mindestens sechs Mal unabhängig auf die ozeanischen zurückgehen. Außerdem konnten die Forscher nachweisen, dass die Veränderungen tatsächlich auf Unterschieden im Erbgut beruhen und nicht Folge phänotypischer Plastizität sind. Plastizität ist die Fähigkeit, ausgelöst durch verschiedene Umweltreize unterschiedliche gestaltliche Ausprägungen hervorzubringen, und das auf der Basis desselben Erbguts.

Auf den neuen Inseln leben nach wie vor auch Formen, die den ozeanischen Fischen ähneln, und es kommt auch zu Vermischungen der verschiedenen Formen. Die Inselpopulationen bekommen offenbar immer wieder Zuwachs aus dem Meer.

Da die Veränderungen bei den Süßwasserformen mehrfach in ähnlicher Weise auftreten, vermuten die Forscher, dass die ozeanischen Formen einen großen Pool an genetischer Variation besitzen, der unter Süßwasserbedingungen schnell genutzt werden kann. Lescak et al. (2015) folgern aus ihren Ergebnissen außerdem, dass auch in den älteren Süßwasserpopulationen die Veränderungen bereits in den ersten Generationen eingetreten sind. Die Autoren schließen: „Wenn die Befunde bei den Stichlingen auf andere Systeme verallgemeinert werden können, könnte rasche Evolution unter natürlichen Verhältnissen verbreiteter sein als bisher nachgewiesen.“ Die Autoren erwähnen einige weitere Beispiele dieser Art. Das Beispiel der Stichlinge zeigt, dass mindestens phänotypisch ein enormes Potenzial an Anpassungsmöglichkeiten in den Lebewesen angelegt sein kann. Man könnte diese Situation als Ausdruck einer Vorprogrammierung mit flexiblen Ausprägungsmöglichkeiten interpretieren.

[Lescak EA, Bassham SL, Catchen J, Gelmond O, Sherbick ML, von Hippel FA & Cresko WA (2015) Evolution of stickleback in 50 years on earthquake-uplifted islands. Proc. Natl. Acad. Sci. 112, E7204-E7212 • Pennisi E (2004) Changing a fish‘s bony armor in the wink of a gene. Science 304, 1736-1739 • Winkler N (2005) Über genetische Schalter bei Stichlingen. Stud. Integr. J. 12, 32-34]

Bei Amphibien, also Tieren, die teils an Land und teils im Wasser leben, denkt man an Frösche, Kröten, Unken oder Salamander. Dass auch unter Fischen amphibisch lebende Arten vertreten sind, ist weniger bekannt; doch es gibt eine ganze Menge davon. Manche von ihnen verbringen nur einige Sekunden oder Minuten an Land, andere dagegen Stunden oder sogar Tage. Besonders bekannt unter Letzteren sind die Schlammspringer (Gattung Periophthalmus), die mehr Zeit an Land als im Wasser verbringen und dafür eine Reihe spezieller Bauplanbesonderheiten besitzen, oder die Aale, die längere Wanderungen auf Land durchführen können und dabei über die Haut atmen.

Wegen der besonderen Anforderungen für ein zeitweiliges Leben an Land könnte man denken, dass amphibische Fische auf evolutivem Wege eher selten entstanden sind; das bringt auch Terry Ord, der mit Georgina Cooke jüngst eine Studie über deren Vorkommen durchgeführt hat, explizit zum Ausdruck („Because of the challenges fish face in being able to breathe and move and reproduce on land, it had been thought this was a rare occurrence“, http://phys.org/news/2016-06-fish-common-thought.html). Doch schon Coates & Clack (1995, 301) erwähnen, dass unter den Strahlflosser-Fischen, die nicht in eine Verbindung zum Landgang der Vierbeiner gebracht werden, 59 amphibisch lebende Arten aus 16 marinen (im Meer lebenden) und limnischen (im Süßwasserbereich vorkommenden) Familien bekannt seien, von denen keine vierbeinertypische Beine entwickelt hat.

In einer jüngst veröffentlichten detaillierten phylogenetischen Studie wiesen Ord & Cooke (2016) insgesamt sogar 130 amphibisch lebende Fischarten nach. Diese sind auf 33 Familien verteilt, und die Autoren interpretieren diesen Befund so, dass damit auch die Mindestanzahl einer unabhängigen (konvergenten) Entstehung amphibischer Fische bei 33 liegt. Vermutlich ist diese Zahl noch deutlich höher, denn allein bei der genauer untersuchten Familie der Blenniidae schließen die Autoren auf eine siebenmalige konvergente Entstehung eines „in hohem Maße amphibischen Lebensstils“. Die Fisch-Familien, bei denen es amphibische Arten gibt, sind ökologisch z. T. sehr unterschiedlich und kommen sowohl in Süß- als auch in Salzwasser vor.

Abb. 1: Ein Kletterfisch (Anabas scandens) verlässt das Wasser – ein Beispiel für einen amphibisch lebenden Fisch. Zeichnung von Richard Lydekker. Anabas-Arten können das Wasser verlassen und mit Hilfe ihrer Bauchflossen und der Kiemendeckel über Land kriechen.

Aus diesem unerwarteten Befund schließen die Autoren, dass die evolutive Entstehung der amphibischen Lebensweise nicht so schwer sein könne wie bisher angenommen, da sie sich so häufig ereignet habe. Diese Schlussfolgerung ist unlogisch. Denn die Häufigkeit des Vorkommens dieser Lebensweise hat mit der Frage, wie schwierig die dafür nötigen Voraussetzungen zu erfüllen sind, nichts zu tun. Schließlich war es beispielsweise auch nicht deshalb leichter als gedacht, eine Mondrakete zu bauen, weil das sowohl Russen als auch Amerikaner unabhängig geschafft haben. Vielmehr handelt es sich hier um einen evolutionären Zirkelschluss; er funktioniert wie folgt: 1. Eigentlich ist es für einen Fisch schwierig, evolutiv eine amphibische Lebensweise zu entwickeln. 2. Daher ist zu erwarten, dass das nicht oft vorkommt. 3. Es kommt aber oft vor, daher kann es doch nicht so schwierig sein. Diese Logik funktioniert natürlich nur, wenn man Evolution schon voraussetzt. In Wirklichkeit ist der Befund des häufigen Vorkommens der amphibischen Lebensweise jedoch eine schwerwiegende Herausforderung für evolutionsbiologische Hypothesen, da auf der Basis zukunftsblinder Mechanismen ein vielfacher Übergang zu anspruchsvollen ähnlichen Fähigkeiten nicht zu erwarten ist.

Interessant sind die Ergebnisse von Ord & Cooke auch in einer weiteren Hinsicht. Die zahlreichen amphibischen Fischarten sind keine Vorstufen zu landlebenden Formen. Die amphibische Lebensweise von Fischen scheint also keinen Startvorteil für einen Übergang an ein dauerhaftes Landleben darzustellen, wie es bei den Landwirbeltieren verwirklicht ist. Auf dieses Paradox weist auch Clack (2002, 103) in ihrer Monographie zum Ursprung der Landwirbeltiere hin: Es gibt Strahlflosser mit Anpassungen ans Landleben und solche, die fingerartige Strukturen von Flossenstrahlen ausgebildet haben. Diese zwei Gruppen überlappen sich nahezu nicht. Fische mit Fingern sollen – auch aus evolutionärer Sicht – nicht dauerhaft an Land gegangen sein, und solche, die es im evolutionären Verlauf geschafft haben sollen, zeitweise auf Land zu überleben, haben keine fingerartigen Strukturen an ihren Extremitäten.

[Clack JA (2002) Gaining Ground. The origin and evolution of Tetrapods. Bloomington and Indianapolis • Coates MI & Clack JA (1995) Romer’s gap: tetrapod origins and terrestriality. In: Arsenault M, Lelièvre H & Janvier P (eds) Studies on early vertebrates (VIIth International Symposium, Miguasha Parc, Quebec). Paris: Bull. Mus. Natl. Hist. Nat. 17, 373-388 • Ord JJ & Cooke GM (2016) Repeated evolution of amphibious behavior in fish and its implications for the colonization of novel environments. Evolution, early view, doi:10.1111/evo.12971]

Eine kleine Motte, letztes Jahr entdeckt auf der Kangaroo-Insel Südaustraliens, hat es in sich. Aenigmatinea glatzella ist so verschieden von bisher bekannten Arten, dass sie in eine neue Familie gestellt wurde, die Aenigmatineidae (Ordnung Lepidoptera, Schmetterlinge). Damit ist erstmals seit 1970 eine neue Familie unter denjenigen Gruppen der Motten aufgestellt worden, deren Flügeladerung auf Vorder- und Hinterflügel ähnlich ist.

Die 4 mm langen Flügel der insgesamt kaum einen Zentimeter großen Motte sind mit gold- und purpurfarbenen Schuppen bedeckt und am Rand mit federartigen Fransen geschmückt (Abb. 1); die Motte ähnelt in ihrem Aussehen einer Köcherfliege. Entdeckt wurde die Motte nur an einer einzigen Stelle auf einer heimischen Zypresse (Callitris gracilis).

Abb. 1: Die filigran gebaute Motte Aenigmatinea glatzella bringt in der Systematik einiges durcheinander. (Aus Kristensen et al. 2015)

Der Fund ist bemerkenswert aufgrund der ungewöhnlichen Merkmalskombination von Aenigmatinea; dadurch erweist sich die Einordnung in einen evolutionstheoretischen Rahmen als schwierig – nicht umsonst ist es eine „Rätselmotte“. Anders als die meisten anderen gleichflügeligen Motten ernährt sich Aenigmatinea von den Trieben von Koniferen. Ihre Flügel und Genitalien werden als primitiv gewertet, die Mundwerkzeuge sind degeneriert, die Tiere haben keine Zunge (die Motten leben nur einen Tag). Eine Reihe von anderen morphologischen Merkmalen und eine genetische Analyse von 25 Genorten stellen Aenigmatinea jedoch zur Schmetterlings-Unterordnung der Glossata, sie ist demnach näher verwandt mit Motten, die eine Zunge besitzen, weshalb bei Aenigmatinea ein sekundärer Verlust angenommen wird. Das hat zur Folge, dass einige Familien umgruppiert werden müssen, einige Merkmale verloren gegangen und andere mehrfach unabhängig entstanden sein müssen, wenn man die Merkmalsverteilung evolutionstheoretisch interpretiert.

Einmal mehr zeigt sich dadurch, dass es keine objektiven Kriterien für Ähnlichkeiten als „abstammungsverwandt“ (homolog) gibt, da manche bislang als homolog gedeutete Ähnlichkeiten nun zu Konvergenzen werden, obwohl sich an den Merkmalen selber nichts geändert hat. Überraschenderweise kann nun die Untergruppe der Myoglossata nicht mehr als monophyletisch (von einem nur ihnen gemeinsamen Vorfahren abstammend) angenommen werden. „Die neue Phylogenie erfordert eine zusätzliche Anzahl von ad-hoc-Annahmen von Konvergenzen oder Merkmals-Reversionen in der frühen Evolution der Lepidoptera“, stellen Kristensen et al. (2015) fest.

Das Beispiel reiht sich in viele andere Fälle ein, in denen die Systematik oberhalb des Familienniveaus sehr anfällig für Veränderungen ist. Die Merkmalskonstellation einer einzigen neuen Art kann hier einiges durcheinanderbringen. Dagegen erweist sich die Systematik auf dem Niveau der Familie oft als relativ stabil.

Aus der Sicht der Grundtypenbiologie der Schöpfungsforschung bietet diese Situation eine interessante Perspektive. Wenn Familien Grundtypen entsprechen, ist auf diesem Niveau eine deutliche Abgrenzbarkeit zu erwarten, oberhalb des Familienniveaus kann es verschiedenste Merkmalskonstellationen geben, die gerade nicht mit einem klassischen evolutionären Baumschema wiedergegeben werden können. Das Auftreten sehr ähnlicher, aber konvergent entstandener Merkmale passt zur Vorstellung einer freien Kombinierbarkeit derselben auch in nahe verwandten Formengruppen oberhalb des Grundtyp-Niveaus.

[Kristensen NP, Hilton DJ et al. (2015) A new extant family of primitive moths from Kangaroo Island, Australia, and its significance for understanding early Lepidoptera evolution. Syst. Entomol. 40, 5-16.]

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Seit über 20 Jahren werden von der Universität von Kansas mit dem Flugzeug Tiefenradarmessungen des grönländischen Inlandeises durchgeführt. Nun haben MacGregor et al. (2015) erstmals eine umfassende und datierte Radarstratigraphie des gewaltigen, bis zu über 3000 m dicken Eiskörpers präsentiert.

Die Radardaten aus den Jahren 1993-2013 umfassen über 500 Profile mit einer Gesamtlänge von fast 500 000 km. Primär dienten die Radarmessungen der Bestimmung der Eisdicke; die Beobachtung und Aufzeichnung der internen Reflexionen war ein eher sekundäres Ziel. Sie aber bilden die Grundlage der Radiostratigraphie. Mit diesem bildgebenden Verfahren können die Strukturen des Eiskörpers dargestellt werden (Abb. 1). Für die 3D-Konstruktion wurden nur ausgeprägte Reflexionen verwendet, die sich über eine Distanz von etwa 5 km und mehr verfolgen lassen.

Abb. 1: Tiefenradarmessungen mit dem Flugzeug entlang einer vorgegebenen linearen Strecke (Profil). Das Radargramm zeigt ausgeprägte Reflexionen, Eis-Schichtkörper, deren zeitgleiche Akkumulation (als Schnee) anzunehmen ist. Die Daten sind am 2. Mai 2011 im Rahmen der Operation IceBridge („Eisbrücke“, vgl. Web) gesammelt worden. Visualisierung C. Starr (Credit: NASA’s Scientific Visualization Studio; http://svs.gsfc.nasa.gov/4249).

Die zeitliche Eichung der Radiostratigraphie erfolgte über eine Verankerung mit den datierten Eiskernen, die durch Tiefbohrungen gewonnen wurden (Camp Century, DYE-3, GISP2, GRIP, NGRIP und NEEM; vgl. Kotulla 2013a); ihre Lokalitäten waren durch zahlreiche Radarmessungen erfasst worden. Über zahlreiche Zwischenschritte wurden schließlich etwa 29 500 Reflexionen über alle Profile ausgewählt, mit über 1 800 eindeutigen, über den Eiskörper verteilten (vertikalen) Reflexionsabfolgen, die aus mindestens 10 Reflexionen, teilweise auch aus über 100 Reflexionen bestehen. Schließlich konnten, sekundär auch unter Zuhilfenahme eines Eisflussmodells, 77 % der Reflexionen datiert und so die Altersstruktur des gesamten Eisschildes dargestellt werden (siehe die dem Artikel von MacGregor et al. beigefügten Animationen 2 und 3). Analog der Eiskernchronologie weisen sie drei Abschnitte aus (von oben nach unten): Postglazial (Holozän), Weichsel-Kaltzeit, Eem-Warmzeit (beide Pleistozän), s. Abb. 2. Die Altersangaben erfolgen in Jahren; z. B. soll die Holozän-Epoche vor 11 700 Jahren begonnen haben. Dies ist der Übernahme des eiskernchronologischen Altersmodells geschuldet; die von vermeintlichen „Jahresschichten“ im Eis abgeleiteten [Eiskern-] Jahre dürfen allerdings nicht mit Kalenderjahren gleichgesetzt werden (s. Kotulla 2013b).

Abb. 2: Ein Querschnitt durch den grönländischen Eisschild mit Ausweis der Bildungsperioden (Ausschnitt eines Videos). Nach MacGregor et al. (2015). Visualisierung C. Starr (Credit: NASA’s Scientific Visualization Studio; http://svs.gsfc.nasa.gov/4249).

Das radiostratigraphische Modell erlaubt eine grobe Abschätzung der geographischen Verbreitung des teilweise stark gestörten, der Eem-Warmzeit zugewiesenen Eises auf dem Untergrund sowie eine überschlägige Berechnung der Eisvolumina, die den einzelnen „Kalt-/Warmzeiten“ zugeordnet werden, sog. „Altersvolumina“.

Mit Radardaten hatten zuvor Bamber et al. (2013) die Identifizierung einer Schlucht unter der grönländischen Eisdecke vermelden können, die größer als der Grand Canyon ist. Der „Mega-Canyon“ soll etwa 750 km lang und bis 800 m tief sein; durch ihn soll Schmelzwasser des Untergrundes und möglicherweise der Oberfläche in den Arktischen Ozean fließen.

[[Bamber JL, Siegert MJ, Griggs JA, Marshall SJ & Spada G (2013) Paleofluvial Mega-Canyon beneath the Central Greenland Ice Sheet. Science 341, 997-999 • Kotulla M (2013a) Grönländische Eiskerndaten und ihre Interpretation: Absolute Datierung durch Zählung von Jahresschichten? W+W Special Paper G-13-1, Baiersbronn • Kotulla M (2013b) Eiskerndatierung: 100 000 Jahre und mehr? Stud. Integr. J. 20, 84-93 • MacGregor JA, Fahnestock MA, Catania GA, Paden JD, Prasad Gogineni S, Young SK, Rybarski SC, Mabrey AN, Wagman BM & Morligham M (2015) Radiostratigraphy and age structure of the Greenland Ice Sheet. Journal of Geophysical research: Earth Surface 120, 212-241 • NASA Scientific Visualization Studio (2015) Greenland Ice Sheet stratigraphy. ID 4249, http://svs.gsfc.nasa.gov/4249.]

Hydrothermale Tiefseequellen, die schwarzen oder auch weißen Raucher im Bereich der Mittelozeanischen Rücken, tauchen seit ihrer erstmaligen Beschreibung Mitte der 1970er-Jahre regelmäßig in Szenarien zur Entstehung des Lebens auf. Die in dem bis zu über 400 °C heißen Wasser gelösten Mineralien werden ausgefällt, wenn die heiße Lösung durch Kontakt mit dem kalten Ozeanwasser (ca. 3 °C) rasch abkühlt und sich so der namengebende „Rauch“ bildet. Aus diesen ausgefällten Mineralien bauen sich dann mit der Zeit die Schlote auf, aus denen das stark aufgeheizte, mit Mineralien übersättigte Wasser aus der Tiefe an die Oberfläche des Ozeanbodens aufsteigt. Der poröse Aufbau dieser Schlote inspirierte Dieter Braun und seine Kollegen dazu, die Porenräume genauer zu studieren und die Auswirkungen von Temperaturgradienten in Röhren mit kleinen Querschnitten zu modellieren. Sie konnten zeigen, dass durch Thermophorese, also einem durch die Temperaturunterschiede verursachten Transport, kurze Nukleinsäuremoleküle in kapillaren Röhren angereichert werden können (Baaske et al. 2007). Diese Erkenntnisse wurden ebenso zur Entwicklung technischer Geräte genutzt wie auch zum Etablieren von Mechanismen zur Anreicherung von Biomolekülen im Zusammenhang mit der Chemie zur Lebensentstehung (Binder 2011, Imming 2015).

Nun hat eine Gruppe von Wissenschaftlern ein solches thermophoretisches System in einer Modellrechnung genutzt, um die Anreicherung von Formamid (NH₂CHO) zu modellieren (Niether et al. 2016). Formamid hat in den Spekulationen zu präbiotischen Synthesen von Biomolekülen eine lange Tradition. Es lässt sich zwar analytisch fast überall nachweisen, jedoch in so geringen Konzentrationen, dass nicht nachvollziehbar ist, wie es bei der Synthese von Biomolekülen von Bedeutung sein kann. Die numerischen Modellierungen ergeben wie für die Nukleinsäuremoleküle unter entsprechenden Randbedingungen eine Anreicherung aus sehr verdünnten Formamidlösungen (10^-3 Gewichts-%) auf 85 Gewichtsprozent. Bei Konzentrationen dieser Größenordnung scheint die Synthese z. B. von Stickstoffheterozyklen wie den Basen der Nukleinsäuren vorstellbar, wie die Autoren das im Titel ihrer Arbeit zum Ausdruck bringen.

Damit kann man die Veröffentlichung als ein weiteres Beispiel dafür betrachten, dass nur in begrenztem Umfang neue Erkenntnisse dokumentiert werden, diese aber durch die Verknüpfung mit dem die Fantasie anregenden Themenfeld der präbiotischen Lebensentstehung an prominenter Stelle erscheinen und damit die Chance haben, große Öffentlichkeitswirkung zu erzielen.

Bei einer kritischen Reflexion der Bedeutung der Thermophorese in porösen Schloten von heißen Tiefseequellen für die präbiotische Synthese von Biomolekülen bleibt eine Reihe von Fragen bisher unbeantwortet. Inwieweit spiegeln die modellierten Prozesse reale Abläufe in den Tiefseeschloten wider? Ist thermophoretische Anreicherung von Stoffen im Allgemeinen und organischer Verbindungen im Besonderen dort nachweisbar? Sollte das der Fall sein, dann erhebt sich weiter die Frage, ob dieser Anreicherungsprozess irgendwelche Selektivität zeigt. Sollten sich die bisherigen Modellrechnungen bestätigen, dann scheint die Anreicherung eher allgemeinen Charakter zu haben. Das aber würde zu einer Lösung führen, die eine höhere Konzentration an vielen vorhandenen Chemikalien enthält und damit wenig zu einer spezifischen Synthese von erforderlichen Biomolekülen beitragen kann.

Insofern bleibt festzuhalten, dass thermophoretische Anreicherung in kapillaren Systemen ein sehr interessantes Phänomen ist, das technisch manche Anwendung ermöglicht. Ob dieser Prozess tatsächlich in der Natur abläuft, bleibt ebenso zu zeigen wie auch, ob er das Potenzial hat, präbiotische Synthesen in irgendeiner Weise nachhaltig und spezifisch zu beeinflussen.

[Baaske P, Weinert FM, Duhr S, Lemke KH, Russell MJ & Braun D (2007) Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems. Proc. Nat. Acad. Sci. USA 104, 9346-9351 • Binder H (2012) Wurde die RNA-Welt am Grunde des Ozeans etabliert? Stud. Int. J. 19, 61-62 • Imming P (2015) Schritte ungeplanter, ungelenkter Entstehung von DNA und RNA? Stud. Int. J. 22, 42-45 • Niether D, Afanasenkau D, Dhont JKG & Wiegand S (2016) Accumulation of formamide in hydrothermal pores form prebiotic nucleobases. Proc. Nat. Acad. Sci. USA 113, 4272-4277]

Die Arbeitsgruppe des Biophysikers Dieter Braun an der LMU München untersucht seit längerer Zeit den Einfluss von Temperaturgradienten auf wässrige Lösungen und wie sich die auftretenden Effekte auf die gelösten Stoffe auswirken (Binder 2012, Imming 2015). Ein Raum, in dem ein stabiles Temperaturgefälle etabliert ist, stellt physikalisch gesehen einen Nichtgleichgewichtszustand dar. Bei Gradienten, die nicht durch Energiezufuhr aufrechterhalten werden, gleichen sich die Unterschiede nach einer bestimmten Zeit aus und im gesamten Raum ist die Mischtemperatur messbar – ein Gleichgewicht hat sich eingestellt. Wird das Temperaturgefälle aufrechterhalten, so löst es z. B. in wässrigen Lösungen Konvektionsströme aus, die wir z. B. als Wärmewalzen in Kochtöpfen beobachten können. (Unten durch die Herdplatte aufgeheiztes Wasser, das aufgrund der geringeren Dichte zur Wasseroberfläche strebt und oben das relativ kältere Wasser, das aufgrund der größeren Dichte nach unten strebt. Dies kann zu sogenannten selbstorganisierten Strukturen, eben den Wärmewalzen, führen.) Außerdem neigen gelöste Stoffe dazu, sich im kälteren Bereich anzureichern. Bei Stoffen, die eine elektrische Ladung tragen, ist diese Tendenz besonders stark ausgeprägt. Diesen letztgenannten Effekt bezeichnet man als Thermophorese oder auch als Soret-Effekt.

Gesteinsporen in heißen Tiefseequellen (sogenannte schwarze oder weiße Raucher) könnten ein natürliches Nichtgleichgewichtssystem mit einem etablierten Temperaturgradienten darstellen. Der Temperaturgradient kommt dadurch zustande, dass eine Seite der Porenwand durch heißes mineralhaltiges Wasser, das aus der Tiefe kommt, erhitzt und die andere Seite der Pore durch kaltes Ozeanwasser entsprechend gekühlt wird. Dieses Szenario hat Braun und seine Mitarbeiter dazu angeregt, in einem Labormodell diese Situation nachzustellen und zu untersuchen, wie sich z. B. Nukleinsäuremoleküle in der mit Wasser gefüllten Pore verhalten. Die teilweise erstaunlichen Effekte, die vermutete Übertragbarkeit des Labormodells auf natürliche Gegebenheiten und der mögliche Nutzen für die hypothetische Entstehung des Lebens wurden bereits kritisch diskutiert (Binder 2012, Imming 2015).

Nun haben Morasch et al. (2016) in diesem Labormodell gezeigt, dass DNA-Moleküle sich aufgrund von kleinen Sequenzunterschieden (eine Base bei einem Polymer aus 36 Nukleotiden) auftrennen lassen und dass sie ohne weitere zugesetzte Chemikalien aufgrund der lokal erhöhten Konzentration Gele bilden können. Dazu hatten die Autoren DNA-Moleküle aus 36 Nukleotiden synthetisiert, die so konzipiert (designed) worden waren, dass es innerhalb der Moleküle (intramolekular) zu komplementärer Basenpaarung kommt. Wenn sich aufgrund des Wärmeeinflusses die Basenpaare auftrennen, so sind einige Typen von DNA so gestaltet, dass sie sogenannte „klebrige“ Enden aufweisen. Diese ermöglichen es, dass sie sich mit DNA-Molekülen desselben Typs zu längeren Molekülaggregaten zusammenlagern und damit in der wässrigen Lösung ohne weitere Maßnahmen Gele bilden können. Diesen Prozess haben Morasch et al. eindrucksvoll dokumentiert. In ihrem Fachartikel (Morasch et al. 2016) spekulieren die Autoren darüber, dass vergleichbare Situationen („wärmegetriebene Fallen“) bei der Entstehung des Lebens weit verbreitet gewesen sein könnten. Sie behaupten, dass ihr Nichtgleichgewichtsmodell einen Beitrag dazu leisten könnte zu erklären, wie bei der Entstehung des Lebens sequenzspezifische Nukleinsäuremoleküle angereichert werden konnten.

Dabei bleibt natürlich zunächst einmal die Frage offen, inwieweit die hochkomplexe und spezifische Labortechnologie natürliche Prozesse bei der hypothetischen Selektion von Nukleinsäuremolekülen abbilden kann. Weiter ist zu bedenken, dass die Synthese von DNA-Strängen mit 36 Nukleotiden bisher unter unspezifischen Bedingungen – wie sie für die Lebensentstehung angenommen werden müssen – nicht einmal ansatzweise gezeigt werden konnte. Eine Simulation mithilfe der sehr speziellen, intelligenten Techniken, wie sie im Labor von Braun und seinen Mitarbeitern genutzt wurden, ist von natürlichen Gegebenheiten weit entfernt. Selbst wenn all diese Fragen geklärt wären, bliebe immer noch zu bedenken, dass der vorgeschlagene Selektionsprozess zwar Unterschiede in der DNA-Sequenz für die Trennung und Anreicherung nutzen kann; aber die Relevanz der in dieser Sequenz abgebildeten Information bleibt unberücksichtigt. Diese ist aber im Blick auf das zu generierende lebende System von höchster Bedeutung. Die Titelformulierung in der Veröffentlichung der LMU – „Sortiermaschine des Lebens“ – erscheint unter den genannten Gesichtspunkten mehr als optimistisch.

[Binder H (2012) Wurde die RNA-Welt am Grunde des Ozeans etabliert? Stud. Integr. J. 19, 61-62 • Imming P (2015)Schritte ungeplanter, ungelenkter entstehung von DNA und RNA? Stud. Integr. J. 22, 42-45 • Morasch M, Braun D & Mast CG (2016) Heat-flow-driven oligonucleotide gelation separates single-base differences. Angew. Chem. 128, 6788-6791 • LMU Forschung: Sortiermaschine des Lebens https://www.uni-muenchen.de/forschung/news/2016/braun_ursprungleben.html]