Altes Leben auf der Erde: 1,64 Milliarden Jahre alte Eukaryoten zerstören wissenschaftliche Annahmen.

Eine bahnbrechende Studie der UC Santa Barbara und der McGill University hat enthüllt, dass eukaryotische Organismen, einschließlich Pflanzen, Tiere und Pilze, bereits vor 1,64 Milliarden Jahren vielfältig und komplex waren und bisherige Annahmen über ihre Evolution in Frage stellen. Diese Forschung, basierend auf neu entdeckten Mikrofossilien, deutet darauf hin, dass die Diversifizierung von Eukaryoten viel früher und unter einer breiteren Palette von Umweltbedingungen stattfand als bisher angenommen und neue Einblicke in die Ursprünge und Entwicklung komplexen Lebens auf der Erde bietet. Ein sanfter Sommerabend im Paleoproterozoikum, wie von DALL-E vorgesehen. Gutschrift: DALL-E, Vorgabe von Harrison Tasoff

Die Sonne ist gerade über einem ruhigen Schlickflach in Australiens Northern Territory untergegangen; sie wird in weiteren 19 Stunden wieder untergehen. Ein junger Mond erhebt sich über der öden Landschaft. Keine Tiere huschen im schwindenden Licht umher. Keine Blätter rascheln im Wind. Kein Flechten überzieht den freiliegenden Felsen. Der einzige Hinweis auf Leben ist etwas Schlick in einigen Pfützen und Teichen. Und unter ihnen lebt eine vielfältige mikrobielle Gemeinschaft unserer urzeitlichen Vorfahren.

In einem neuen Bericht über exquisit erhaltene Mikrofossilien haben Forscher der UC Santa Barbara und der McGill University enthüllt, dass eukaryotische Organismen bereits vor 1,64 Milliarden Jahren in eine vielfältige Formenvielfalt evolviert waren. Der in der Zeitschrift Papers in Paleontology veröffentlichte Artikel beschreibt eine Ansammlung von eukaryotischen Fossilien aus einer frühen Ära ihrer evolutionären Geschichte. Die Autoren beschreiben vier neue Taxa sowie Hinweise auf mehrere fortgeschrittene Merkmale, die bereits in diesen frühen Eukaryoten vorhanden waren.

"Das sind einige der ältesten Eukaryoten, die jemals entdeckt wurden", erklärte die Hauptautorin Leigh Anne Riedman, eine Assistenzforscherin am Fachbereich für Geowissenschaften der UCSB. "Aber selbst in diesen ersten Aufzeichnungen sehen wir eine große Vielfalt."

Eukarya ist eine der Hauptdomänen des Lebens und umfasst die Klassen Pflanzen, Tiere und Pilze sowie alle anderen Gruppen, deren Zellen einen kernhaltigen Zellkern haben, wie Protisten und Algen. Viele Wissenschaftler gingen davon aus, dass frühe Eukaryoten während des späten Paleoproterozoikums alle ziemlich ähnlich waren und dass die Diversifizierung vor etwa 800 Millionen Jahren stattfand. Riedman und ihre Co-Autoren fanden jedoch Fossilien einer wunderbar vielfältigen und komplexen Besetzung von Charakteren in Gestein, das fast doppelt so alt ist.

Wissenschaftler wussten aus früheren Studien, dass Eukaryoten zu dieser Zeit bereits evolviert waren, aber ihre Vielfalt in dieser Ära war schlecht verstanden. Daher machte sich Riedman Ende 2019 auf den Weg ins Outback. Innerhalb einer Woche sammelte sie etwa 430 Proben aus acht von einem Prospektionsunternehmen gebohrten Bohrkernen ein; sie befinden sich jetzt in der Bibliothek des Northern Territory Geological Survey. Die für diese Studie verwendeten beiden Kerne umspannten etwa 500 Meter Stratigraphie oder 133 Millionen Jahre mit rund 15 Millionen Jahren signifikanter Ablagerungen.

Riedman kehrte mit Schiefer und Tonstein in die Vereinigten Staaten zurück: Überreste eines antiken Küstensystems, das zwischen flachen, untergeordneten Schlickflächen und Küstenlagunen wechselte. Ein Tauchgang in Flusssäure löste den Matrix-Fels auf und konzentrierte die wertvollen Mikrofossilien, die sie dann unter dem Mikroskop analysierte.

"Wir hofften, Arten mit interessanten und verschiedenen Merkmalen ihrer Zellwände zu finden", sagte Riedman. Sie hoffte, dass diese Merkmale Licht auf das werfen könnten, was innerhalb der Zellen während dieser Zeitperiode geschah. Schlussfolgerungen über das zelluläre Innere zu ziehen würde jedoch viel Detektivarbeit erfordern, da die Fossilien nur die äußere Schale der Zellen bewahren.

Die Forscher waren von der Vielfalt und Komplexität, die in diesen Fossilien erhalten geblieben ist, überrascht. Sie dokumentierten 26 Taxa, darunter 10 zuvor unbeschriebene Arten. Das Team fand indirekte Hinweise auf Zellskelette sowie plattenartige Strukturen, die auf das Vorhandensein von internen Vesikeln hindeuten, in denen die Platten gebildet wurden - möglicherweise Vorfahren der Golgi-Körper, die in modernen eukaryotischen Zellen vorhanden sind. Andere Mikroben hatten Zellwände aus gebundenen Fasern, die ebenfalls auf das Vorhandensein eines komplexen Zytoskeletts hindeuten.

Die Autoren fanden auch Zellen mit einer winzigen Falltür, ein Hinweis auf eine gewisse Raffinesse. Einige Mikroben können eine Zyste bilden, um ungünstige Umweltbedingungen zu überstehen. Um wieder hervorzukommen, müssen sie in der Lage sein, eine Öffnung in ihrer schützenden Hülle zu ätzen. Die Herstellung dieser Tür ist ein spezialisierter Prozess. "Wenn Sie ein Enzym produzieren möchten, das Ihre Zellwand auflöst, müssen Sie sehr vorsichtig sein, wie Sie dieses Enzym verwenden", sagte Riedman. "In einer der frühesten Aufzeichnungen von Eukaryoten sehen wir also ziemlich beeindruckende Komplexitätsniveaus."

Many people in the field had thought this ability emerged later, and the evidence for it in this assemblage further emphasizes how diverse and advanced eukaryotes were even at this early juncture. “The assumption has always been that this is around the time that eukaryotes appeared. And now we think that people just haven’t explored older rocks,” said co-author Susannah Porter, an Earth science professor at UC Santa Barbara.

This paper is part of a larger project investigating early eukaryote evolution. Riedman and Porter want to know in what environments early eukaryotes were diversifying, why they were there, when they migrated to other places, and what adaptations they needed in order to fill those new niches.

A big part of this effort involves understanding when different characteristics of eukaryotes first arose. For instance, the authors are quite interested to learn whether these organisms were adapted to oxygenated or anoxic environments. The former would suggest that they had an aerobic metabolism, and possibly mitochondria. Every modern eukaryote that’s been found descends from ancestors that possessed mitochondria. This suggests that eukaryotes acquired the organelle very early on, and that it provided a significant advantage.

Riedman and Porter are currently working on a fresh account of eukaryote diversity through time. They’ve also collected even older samples from Western Australia and Minnesota. Meanwhile, their geochemist collaborators at McGill are spearheading a study on oxygen levels and preferred eukaryote habitats, aspects that could shed light on their evolution.

“These results are a directive to go look for older material, older eukaryotes, because this is clearly not the beginning of eukaryotes on Earth,” Riedman said.