Selbst die ältesten Eukaryotenfossilien zeigen eine atemberaubende Vielfalt und Komplexität.

11. Januar 2024

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Von Harrison Tasoff, Universität von Kalifornien - Santa Barbara

Die Sonne ist gerade auf einem ruhigen Wattgebiet im Northern Territory Australiens untergegangen; in weiteren 19 Stunden wird sie erneut untergehen. Ein junger Mond erhebt sich über der einsamen Landschaft. Keine Tiere huschen im verblassenden Licht herum. Keine Blätter rascheln im Wind. Keine Flechten überziehen den freiliegenden Felsen. Der einzige Hinweis auf Leben ist einige Schmiere in einigen Pfützen und Teichen. Und darin lebt eine vielfältige mikrobielle Gemeinschaft unserer urzeitlichen Vorfahren.

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

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

Eukarya bildet eine der wichtigsten Domänen des Lebens. Sie umfasst die Kategorien Pflanzen, Tiere und Pilze sowie alle andere Gruppen, deren Zellen einen membranumschlossenen Zellkern haben, wie zum Beispiel Protisten und Algen. Viele Wissenschaftler gingen davon aus, dass frühe Eukaryoten während des späten Paleoproterozoikums alle ziemlich ähnlich waren und dass die Diversifizierung erst vor etwa 800 Millionen Jahren stattfand. Riedman und ihre Mitautoren fanden jedoch Fossilien einer bezaubernd vielfältigen und komplexen Schar von Lebewesen, die fast doppelt so alt sind.

Wissenschaftler wussten aus früheren Studien, dass Eukaryoten zu dieser Zeit bereits evolviert waren, aber ihre Vielfalt in dieser Ära war schlecht verstanden. Daher begab sich Riedman Ende 2019 ins Outback. Innerhalb einer Woche sammelte sie etwa 430 Proben aus acht von einer prospektiven Firma gebohrten Bohrkernen. Sie befinden sich nun in der Bibliothek des Northern Territory Geological Survey. Die für diese Studie verwendeten Bohrkerne umfassten 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 alten Küstenökosystems, das sich zwischen flachen, untergetauchten Wattflächen und Küstenlagunen abwechselte. Ein Bad in Fluorwasserstoffsäure löste den Matrixgestein auf und konzentrierte die kostbaren Mikrofossilien, die sie anschließend unter dem Mikroskop analysierte.

"Wir hofften, Arten mit interessanten und unterschiedlichen Merkmalen ihrer Zellwände zu finden", sagte Riedman. Sie hoffte, dass diese Merkmale Aufschluss darüber geben können, was innerhalb der Zellen zu dieser Zeit vor sich ging. Um zu Schlussfolgerungen über das Zellinnere zu gelangen, wäre jedoch eine gründliche Nachforschung erforderlich, da die Fossilien nur die äußere Struktur der Zellen bewahren.

Die Forscher waren von der Vielfalt und Komplexität der in diesen Fossilien erhaltenen Merkmale überrascht. Sie dokumentierten 26 Taxa, darunter 10 bisher unbeschriebene Arten. Das Team fand indirekte Hinweise auf Zytoskelette sowie platte Strukturen, die d auf die Anwesenheit interner Vesikel hindeuten, in denen die Platten gebildet wurden - vielleicht Vorfahren der Golgi-Körper in modernen Eukaryoten. Andere Mikroben hatten Zellwände aus gebundenen Fasern, die ebenfalls auf ein komplexes Zytoskelett hindeuten.

Die Autoren fanden auch Zellen mit einer winzigen Falltür, ein Hinweis auf einen gewissen Grad an Raffinesse. Einige Mikroben können eine Zyste bilden, um ungünstige Umweltbedingungen abzuwarten. Um wieder hervorzutreten, müssen sie in der Lage sein, eine Öffnung in ihre schützende Hülle zu etschen. Das Herstellen dieser Tür ist ein spezialisierter Prozess.

"Wenn man ein Enzym produzieren will, das die Zellwand auflöst, muss man sehr vorsichtig sein, wie man dieses Enzym einsetzt", sagte Riedman. "In einer der frühesten Aufzeichnungen von Eukaryoten sehen wir also bereits ein beeindruckendes Maß an Komplexität."

Viele Forscher in diesem Bereich dachten, dass diese Fähigkeit erst später entstanden sei, und die Beweise dafür in dieser Ansammlung verdeutlichen umso mehr, wie vielfältig und fortgeschritten die Eukaryoten auch zu diesem frühen Zeitpunkt waren. "Die Annahme war immer, dass dies die Zeit war, in der die Eukaryoten erschienen. Und jetzt denken wir, dass die Leute einfach nicht ältere Gesteine erkundet haben", sagte Mitautorin Susannah Porter, Professorin für Erdwissenschaften an der 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.

Journal information: Papers in Palaeontology

Provided by University of California - Santa Barbara