1,6-Milliarden-Jahre alte Steroidfossilien deuten auf eine verlorene Welt mikrobiellen Lebens hin.

Molekulare Fossilien, die in alten sedimentären Gesteinen gefunden wurden, haben eine verlorene Welt primitiver Eukaryoten enthüllt, die vom Zeitraum von vor mindestens 1,6 Milliarden bis 800 Millionen Jahren die aquatischen Ökosysteme beherrschten.

Die Ergebnisse, die am 7. Juni in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurden, stammen aus Laboranalysen von Gesteinsproben aus der ganzen Welt, die Überreste von primitiven Verbindungen namens Protosteroiden enthüllten. Die Mehrheit dieser Moleküle, die bei der Bildung von Steroiden entstehen, wurden wahrscheinlich von urtümlichen Eukaryoten produziert, relativ komplexen Lebensformen, die heute Tiere, Pflanzen, Algen und Pilze umfassen, sagen die Forscher.

Fast alle Eukaryoten produzieren Moleküle namens Steroide, wie z.B. Cholesterin, die entscheidende Bestandteile der Zellmembranen sind. Steroide bauen sich nicht leicht ab und ihre Überreste können in sedimentären Gesteinen als molekulare Fossilien nachgewiesen werden.

Der letzte gemeinsame Vorfahr aller Eukaryoten lebte vor etwa 1,2 Milliarden bis über 1,8 Milliarden Jahren. Aber Wissenschaftler wissen fast nichts über die Häufigkeit, Ökologie und Lebensräume dieser frühen Mikroorganismen. Molekulare und physische Fossilien von Eukaryoten, die auf 800 Millionen Jahre datiert sind, wurden gefunden. Aber weiter zurück in der Zeit werden ihre physischen Fossilien knapp und molekulare Fossilien der Steroide werden undetectable. Die Existenz von Protosteroiden wurde vorausgesagt, aber es war unklar, wie sie aussehen würden - oder ob sie überhaupt nachweisbar sein würden -, bis die Forscher einen Weg gefunden hatten, diese molekularen Fußabdrücke im Labor nachzubilden.

"Diese Studie erklärt, warum wir keine Fußabdrücke dieser Jungs in den Felsen sehen, da die Forscher nach dem falschen Ding suchten", sagt die Biologin Laura Katz, eine Biologin am Smith College in Northampton, Massachusetts, die nicht an der neuen Arbeit beteiligt war. "Sie füllt eine Lücke in den Fossilienaufzeichnungen."

Ein Mangel an offensichtlichen Eukaryoten-Fossilien vor 800 Millionen Jahren ließ Wissenschaftler vermuten, dass das Ökosystem zu dieser Zeit von Bakterien dominiert wurde. Alternativ könnten urtümliche Eukaryoten einfach an Stärke in der Anzahl gefehlt haben, um nachweisliche Steroid-Überreste zurückzulassen.

Einige Wissenschaftler hatten eine andere Erklärung: Was ist, wenn ein intermediäres Molekül im chemischen Weg, der moderne Steroide produziert, tatsächlich das Endprodukt des Prozesses in urtümlichen Eukaryoten war? Diese Theorie wurde vom Biochemiker Konrad Bloch vorgeschlagen, der den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin im Jahr 1964 für die Entdeckung des Biosynthesewegs von Cholesterin gewann.

Um dies zu testen, haben Geochimiker Jochen Brocks von der Australian National University in Canberra und Kollegen Moleküle, die in den ersten Schritten der Steroid-Biosynthese hergestellt wurden, einschließlich Lanosterol und Cycloartenol, künstlich gereift. Das enthüllte, wie die molekularen Fossilien der Verbindungen aussehen würden. Dann suchten die Forscher nach diesen Fossilien in teerartigen Bitumen und Ölen, die aus alten Steinen auf der ganzen Welt extrahiert wurden.

Die Forscher entdeckten einen Regen von Protosteroiden in Proben aus tiefen und relativ flachen Wasserumgebungen. Die älteste Probe stammt aus der Barney Creek Formation in Australien und datiert auf 1,6 Milliarden Jahre.

"Eine der größten Rätsel der frühen Evolution ist, warum unsere hochfähigen eukaryotischen Vorfahren nicht die antiken Meeresstraßen der Welt dominierten. Wo haben sie sich versteckt?", sagt Benjamin Nettersheim, Geobiologe an der Universität Bremen in Deutschland. "Wir zeigen, dass die protosteroidproduzierenden Mikroorganismen die ganze Zeit vor unseren Augen verborgen waren und in den antiken Ozeanen und Seen der Welt tatsächlich häufig waren."

Während die meisten Bakterien ein anderes Molekül namens Hopanoide produzieren, haben einige Bakterien auch die chemischen Werkzeuge, um die Produktion von Protosteroiden in Gang zu setzen. Aber diese Bakterien existieren in Nischenumgebungen wie Methanaustritten und hydrothermalen Quellen. Und ihre molekularen Fußabdrücke wurden nicht in Sedimenten gefunden, die älter als 800 Millionen Jahre sind, was die Forscher zu dem Schluss führen lässt, dass Eukaryoten die antiken Ökosysteme dominierten.

"Konrad Bloch wäre begeistert gewesen, hätte er gelebt, um dies zu sehen", sagt MIT-Geobiologe Roger Summons, der nicht an der Studie beteiligt war. "Dieses Papier hat seine Vorhersage, dass biosynthetische Vorläufer von Cholesterin das Streben des antiken Lebens nach Verbesserung widerspiegeln, elegant bestätigt." (Bloch starb im Jahr 2000.)

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Das Herstellen dieser Steroidvorläufer erfordert weniger Sauerstoff und Energie, was möglicherweise den urtümlichen Eukaryoten einen Vorteil inmitten der harschen, sauerstoffarmen Bedingungen der frühen Erde verschafft hat, schlagen die Forscher vor (SN: 10/30/15).

“If true, [this study] suggests that we may be able to examine the stepwise evolution of eukaryotes at [an] unprecedented level of detail,” says evolutionary biologist Yosuke Hoshino of the GFZ German Research Centre for Geosciences in Potsdam, who was not involved in the study. “This is such a great opportunity to understand the evolution of complex life, which biologists have always dreamed of.”

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