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Oct 20, 2023

Vor einer Milliarde Jahren gedieh eine „verlorene Welt“ früher Mikroben

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Vor mehr als einer Milliarde Jahren wimmelte es in den Ozeanen von eukaryotischen Mikroorganismen (im Bild moderne eukaryotische Zellen; künstlich gefärbt). Bildnachweis: Dennis Kunkel Microscopy/Science Photo Library

Felsen, die Hunderte Meter unter dem australischen Outback liegen, haben Hinweise auf eine verlorene Welt primitiver Mikroben geliefert, die einst die Weltmeere bevölkerten und möglicherweise schließlich zur Entstehung moderner Pflanzen und Tiere geführt haben.

Die Analyse der aus den Gesteinen isolierten fettähnlichen Moleküle legt nahe, dass sie von einer bisher unentdeckten, alten Population von Organismen namens Eukaryoten hergestellt wurden, der Gruppe von Lebewesen, deren Zellen typischerweise einen Zellkern und andere innere Kompartimente enthalten. Die Moleküle sind 1,6 Milliarden Jahre alt und deuten darauf hin, dass Eukaryoten schon vor viel längerer Zeit reichlich vorhanden und weit verbreitet waren, als frühere biochemische Beweise vermuten ließen.

„Die vorherige Geschichte besagte, dass Eukaryoten bis vor 800 Millionen Jahren äußerst selten waren“, sagt Phoebe Cohen, eine Paläobiologin am Williams College in Williamstown, Massachusetts, die nicht an der Forschung beteiligt war. „Die Paläontologen waren darüber wirklich empört, denn das ist nicht das, was wir im Fossilienbestand gesehen haben.“ Die Ergebnisse, sagt sie, tragen dazu bei, die Lücke zwischen den beiden Arten von Beweisen zu schließen.

Die neuen Ergebnisse wurden am 7. Juni in Nature1 veröffentlicht.

Die meisten modernen Eukaryoten sind auf fettähnliche Verbindungen namens Sterole wie Cholesterin angewiesen, um Zellmembranen aufzubauen und andere Zellfunktionen auszuführen. Da Sterole im gesamten Stammbaum der Eukaryoten vorkommen, geht man davon aus, dass sie im letzten gemeinsamen Vorfahren aller modernen Eukaryoten vorhanden waren. Aus diesem Grund haben Paläontologen die Verbindungen als Biomarker für das Vorhandensein von Eukaryoten in alten Gesteinen verwendet.

Wie begann das Leben? Eine wichtige Zutat rückt in den Blick

Aber wenn man weiter zurück in die Zeit blickt als vor 800 Millionen Jahren, versiegt die Spur der Sterine. Forscher konnten keine Spuren dieser Verbindungen in älteren Gesteinen finden, obwohl es Fossilien einer Rot- und einer Grünalge – beides Eukaryoten – gibt, die etwa eine Milliarde Jahre alt sind.

Dieses Fehlen hat zu Spekulationen geführt, dass es vor 800 Millionen Jahren nicht genügend Eukaryoten gab, um eine nachweisbare Sterolspur zu hinterlassen.

Eine andere Möglichkeit bestand jedoch darin, dass die Forscher nach den falschen Molekülen suchten. Benjamin Nettersheim, Geobiologe an der Universität Bremen in Deutschland, Jochen Brocks, Paläobiogeochemiker an der Australian National University in Canberra, und ihre Kollegen beschlossen, sich auf kurzlebige Moleküle zu konzentrieren, die moderne Eukaryoten bei der Synthese von Sterinen herstellen. Solche modernen Zwischenprodukte könnten das Endprodukt urzeitlicher Eukaryoten gewesen sein.

Das Team durchkämmte Gesteine ​​auf der ganzen Welt und fand weit verbreitete Spuren dieser „Protosterine“ – ein Beweis dafür, dass die Eukaryoten, die sie produzierten, vor 800 Millionen bis 1,6 Milliarden Jahren in Wasserumgebungen reichlich vorhanden waren.

Dies widerspreche bisherigen Überlegungen, sagt Nettersheim. Eine Möglichkeit besteht darin, dass Eukaryoten, die modernere Sterole herstellen, vor einer Milliarde bis 800 Millionen Jahren einen Selektionsvorteil erlangten und schließlich ihre Protosterin produzierenden Gegenstücke verdrängten.

Die Arbeit könnte zeigen, warum Wissenschaftler keine biochemischen Spuren finden konnten, um den Fossilienbestand zu bestätigen, sagt Laura Katz, eine Biologin, die mikrobielle Eukaryoten am Smith College in Northampton, Massachusetts, untersucht. „Wir haben einfach nach dem Falschen gesucht.“

Die mysteriösen Mikroben, die komplexes Leben hervorbrachten

Aber Andrew Roger, der vergleichende Genomik und die Evolution von Eukaryoten an der Dalhousie University in Halifax, Kanada, studiert, stellt fest, dass versteinerte Rot- und Grünalgen, die eine Milliarde Jahre alt sind, lebenden Algen bemerkenswert ähnlich sehen und wahrscheinlich moderne Sterole hergestellt haben. Das würde darauf hindeuten, dass moderne Sterole – nicht nur ihre Vorläufer – auch in Gesteinen vorhanden sein sollten, die mehr als 800 Millionen Jahre alt sind. „Der Befund wirft ebenso viele Fragen auf, wie er beantwortet“, sagt er.

Und obwohl es Gründe für die Annahme gibt, dass die Protosterole von Eukaryoten hergestellt wurden, konnten die Forscher die Möglichkeit, dass sie von alten Bakterien hergestellt wurden, noch nicht ausschließen, sagt Susannah Porter, eine Paläontologin, die sich an der Universität auf die frühe Eukaryotenentwicklung konzentriert von Kalifornien, Santa Barbara.

Aber der Ansatz des Teams – die Verwendung von Hypothesen über die Entwicklung von Biosynthesewegen als Leitfaden für die Suche nach antikem Leben – könnte mehr über das frühe Leben verraten, fügt sie hinzu. „Es geht darum, die Aufzeichnung von Biomarkern aus einer evolutionären Perspektive zu betrachten“, sagt Porter. „Und ich denke, das ist nötig.“

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-01847-8

Lesen Sie die entsprechenden News & Views: „Die lange Kindheit der Sterol-Biosynthese“

Brocks JJ et al. Natur https://doi.org/10.1038/s41586-023-06170-w (2023).

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