20.12.2010
Frühe Evolution
Forscher berechnen Geburtsstunde moderner Gene
Modell der Gen-Entwicklung: Knapp 4000 Genfamilien analysiert
Während der sogenannten kambrischen Explosion vor rund 540 Millionen Jahren veränderte sich das Leben auf der Erde dramatisch: In den Ozeanen entwickelte sich in rasantem Tempo eine Vielzahl neuer, teils bizarrer Lebensformen. Über die mehrzelligen Wesen dieser Epoche ist einiges bekannt - Fossilien, die die mit harten Panzern versehenen Tiere zurückgelassen haben, halfen den Wissenschaftlern bei der Erforschung.
Schwieriger zu klären ist die Frage, wie sich das Leben in den rund drei Milliarden Jahren davor veränderte, als die Erde von einzelligen Organismen bevölkert war.
Zwei Forscher des Massachusetts Institute of Technology in Cambridge haben diese frühen Lebensformen jetzt genauer untersucht - durch die Analyse heutiger DNA-Proben. Die Idee dahinter ist simpel: In jedem Genom finden sich Spuren der vorangegangenen Generationen - bis hin zu den frühen Mikroorganismen. Und die Verbreitung eines bestimmten Gens erlaubt Rückschlüsse darauf, wann es erstmals aufgetreten sein muss.
Mit Hilfe eines mathematischen Modells verfolgten Lawrence David und Eric Alm die Entstehung Tausender Gene zurück bis zu ihrem Ursprung. Die Daten umfassten knapp 4000 Genfamilien aus rund 100 Genomen. Finden sich im Erbgut zwei oder mehr sehr ähnliche oder identische Gene, spricht man von einer Genfamilie. Im Lauf der Evolution können Gene durch Mutationen vervielfacht werden. Ebenso können einzelne Gene wieder verloren gehen. Oder - im Fall von Mikroorganismen - von einem Organismus direkt an einen anderen weitergegeben werden. Alle diese Faktoren berücksichtigten die US-Wissenschaftler in ihrer Berechnung.
"Archäische Expansion" brachte eine Vielzahl neuer Gene
Wie sie jetzt im Fachmagazin "Nature" berichten, entwickelten sich demnach in einer Zeit vor 3,3 bis 2,8 Milliarden Jahren besonders viele neue Gene. Etwa 27 Prozent aller heute existierenden Genfamilien stammten aus dieser Epoche, die sie als "archäische Expansion" beschreiben. Als Archaikum wird das Erdzeitalter bezeichnet, das vor 4 Milliarden Jahren begann und vor 2,5 Milliarden Jahren endete.
Die Forscher glauben, dass sie so ermittelt haben, wann Lebewesen erstmals den Elektronentransfer nutzten. Wenn Sauerstoff geatmet wird oder Pflanzen sowie bestimmte Einzeller per Photosynthese aus Sonnenlicht Energie gewinnen, sind Elektronen ein entscheidender Teil des biochemischen Prozesses. Durch den Elektronentransfer konnten die Einzeller also neue Möglichkeiten der Energiegewinnung für sich erobern.
Die Photosynthese wiederum führte auf der frühen Erde dazu, dass sich in der Atmosphäre allmählich Sauerstoff anreicherte. So kam es vor rund 2,5 Milliarden Jahren zum sogenannten großen Sauerstoff-Ereignis - "der größten Katastrophe in der Geschichte des zellulären Lebens", wie Eric Alm sagt. Denn ein großer Teil der damals existierenden Mikroorganismen, die auf ein Leben ohne Sauerstoff ausgerichtet waren, starb wahrscheinlich aus.
Die erfolgreichen Einzeller entwickelten dagegen Möglichkeiten, die neuen Gegebenheiten für sich zu nutzen. Zum Ende der "archäischen Expansion" verzeichnen die Forscher einen rapiden Anstieg neuer Gene, die mit der Sauerstoffverarbeitung zu tun haben.
David und Alm spekulieren, dass die Entstehung des Elektronentransfers vielleicht die "archäische Expansion" ausgelöst hat. Direkt beweisen lässt sich das zwar nicht. Allerdings sei vorstellbar, dass die besseren Möglichkeiten der Energiegewinnung dazu geführt haben, dass eine größere Zahl von Mikroorganismen, die sich in vielfältige Richtungen spezialisierten, die Erde bevölkern konnte.
wbr
