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Oct 12, 2023

Überreste einer ausgestorbenen Organismenwelt

Bisher haben bestimmte Biomarker, die „Protosteroide“, dies getan

Bisher wurden bestimmte Biomarker, die „Protosteroide“, als fossile Zeugen urzeitlichen Lebens übersehen.

GFZ GeoForschungsZentrum Potsdam, Helmholtz Centre

Bild: Künstlerische Vorstellung einer Ansammlung ursprünglicher eukaryotischer Organismen der „Protosterol-Biota“, die eine Bakterienmatte auf dem Meeresboden bewohnen. Basierend auf molekularen Fossilien lebten Organismen der Protosterol-Biota vor etwa 1,6 bis 1,0 Milliarden Jahren in den Ozeanen und sind unsere frühesten bekannten Vorfahren (Quelle: Orchestrated in MidJourney by TA 2023).mehr sehen

Bildnachweis: Orchestriert in MidJourney von TA 2023

Neu entdeckte Biomarker-Signaturen deuten auf eine ganze Reihe bisher unbekannter Organismen hin, die vor etwa einer Milliarde Jahren das komplexe Leben auf der Erde dominierten. Sie unterschieden sich vom komplexen eukaryotischen Leben, wie wir es kennen, wie Tieren, Pflanzen und Algen, in ihrer Zellstruktur und ihrem wahrscheinlichen Stoffwechsel, der an eine Welt angepasst war, in der die Atmosphäre weitaus weniger Sauerstoff enthielt als heute. Ein internationales Forscherteam, darunter GFZ-Geochemiker Christian Hallmann, berichtet nun in der Fachzeitschrift Nature über diesen Durchbruch für das Gebiet der evolutionären Geobiologie.

Es zeigte sich, dass die bisher unbekannten „Protosteroide“ im gesamten Mittelalter der Erde überraschend häufig vorkamen. Die Urmoleküle wurden in einem früheren Stadium der eukaryotischen Komplexität hergestellt – was die aktuelle Aufzeichnung fossiler Steroide vor über 800 und bis zu 1.600 Millionen Jahren erweitert. Eukaryoten ist die Bezeichnung für ein Lebensreich, das alle Tiere, Pflanzen und Algen umfasst und sich von Bakterien durch eine komplexe Zellstruktur mit einem Zellkern sowie eine komplexere molekulare Maschinerie unterscheidet. „Der Höhepunkt dieser Entdeckung ist nicht nur die Erweiterung der aktuellen molekularen Aufzeichnungen von Eukaryoten“, sagt Hallmann: „Angesichts der Tatsache, dass der letzte gemeinsame Vorfahre aller modernen Eukaryoten, einschließlich uns Menschen, wahrscheinlich in der Lage war, ‚normale‘ moderne Sterole zu produzieren, Die Chancen stehen gut, dass die Eukaryoten, die für diese seltenen Signaturen verantwortlich sind, zum Stamm des Stammbaums gehörten.“

Beispielloser Einblick in eine verlorene Welt

Dieser „Stamm“ stellt die gemeinsame Ahnenlinie dar, die ein Vorläufer aller noch lebenden Zweige der Eukaryoten war. Ihre Vertreter sind schon lange ausgestorben, dennoch könnten Einzelheiten ihrer Natur mehr Licht auf die Bedingungen werfen, unter denen sich komplexes Leben entwickelte. Obwohl weitere Untersuchungen erforderlich sind, um zu ermitteln, wie viel Prozent der Protosteroide möglicherweise aus seltenen Bakterien stammen, bringt die Entdeckung dieser neuen Moleküle nicht nur die geologischen Aufzeichnungen traditioneller Fossilien mit denen fossiler Lipidmoleküle in Einklang, sondern ermöglicht auch einen seltenen und beispiellosen Einblick in eine verlorene Welt des antiken Lebens. Der konkurrierende Niedergang der Stammgruppen-Eukaryoten, der durch das erste Auftauchen moderner fossiler Steroide vor etwa 800 Millionen Jahren gekennzeichnet war, spiegelt möglicherweise eines der einschneidendsten Ereignisse in der Entwicklung immer komplexer werdenden Lebens wider.

„Fast alle Eukaryoten biosynthetisieren Steroide, wie zum Beispiel Cholesterin, das von Menschen und den meisten anderen Tieren produziert wird“, fügt Benjamin Nettersheim von der Universität Bremen, Erstautor der Studie, hinzu – „aufgrund der möglicherweise gesundheitsschädlichen Auswirkungen eines erhöhten Cholesterinspiegels beim Menschen, Cholesterin.“ hat aus medizinischer Sicht nicht den besten Ruf. Allerdings sind diese Lipidmoleküle integraler Bestandteil der eukaryontischen Zellmembranen, wo sie eine Vielzahl physiologischer Funktionen unterstützen. Durch die Suche nach versteinerten Steroiden in alten Gesteinen können wir die Entwicklung von zunehmendem Alter verfolgen komplexes Leben“.

Was der Nobelpreisträger für unmöglich hielt ...

Nobelpreisträger Konrad Bloch hatte bereits vor fast 30 Jahren in einem Aufsatz über einen solchen Biomarker spekuliert. Bloch vermutete, dass kurzlebige Zwischenprodukte in der modernen Biosynthese von Steroiden möglicherweise nicht immer Zwischenprodukte waren. Er glaubte, dass sich die Lipidbiosynthese parallel zu den sich ändernden Umweltbedingungen im Laufe der Erdgeschichte entwickelte. Im Gegensatz zu Bloch, der nicht glaubte, dass diese alten Zwischenprodukte jemals gefunden werden könnten, begann Nettersheim mit der Suche nach Protosteroiden in alten Gesteinen, die zu einer Zeit abgelagert wurden, als diese Zwischenprodukte tatsächlich das Endprodukt gewesen sein könnten.

Doch wie findet man solche Moleküle in alten Gesteinen? „Wir haben eine Kombination von Techniken eingesetzt, um zunächst verschiedene moderne Steroide in ihre versteinerten Äquivalente umzuwandeln; sonst hätten wir nicht einmal gewusst, wonach wir suchen sollten“, sagt Jochen Brocks, Professor an der Australian National University, der auch Erstautor der Studie ist neue Studie mit Nettersheim. Wissenschaftler hatten diese Moleküle jahrzehntelang übersehen, weil sie nicht den typischen molekularen Suchbildern entsprechen. „Als wir unser Ziel kannten, entdeckten wir, dass Dutzende anderer Gesteine, die aus Milliarden Jahre alten Wasserstraßen auf der ganzen Welt stammten, von ähnlichen fossilen Molekülen durchsickerten.“

Die ältesten Proben mit dem Biomarker stammen aus der Barney-Creek-Formation in Australien und sind 1,64 Milliarden Jahre alt. Die Gesteinsaufzeichnungen der nächsten 800 Millionen Jahre enthalten nur fossile Moleküle ursprünglicher Eukaryoten, bevor in der Tonian-Zeit erstmals molekulare Signaturen moderner Eukaryoten auftauchen. Laut Nettersheim „stellt sich die Tonian-Transformation als einer der tiefgreifendsten ökologischen Wendepunkte in der Geschichte unseres Planeten heraus“. Hallmann fügt hinzu, dass „sowohl Urstammgruppen als auch moderne eukaryotische Vertreter wie Rotalgen möglicherweise viele Hundert Millionen Jahre lang nebeneinander gelebt haben“. In dieser Zeit wurde die Erdatmosphäre jedoch zunehmend mit Sauerstoff angereichert – einem Stoffwechselprodukt der Cyanobakterien und der ersten eukaryotischen Algen, das für viele andere Organismen giftig gewesen wäre. Später kam es zu globalen „Schneeball-Erde“-Vergletscherungen und die Protosterol-Gemeinschaften starben weitgehend aus. Der letzte gemeinsame Vorfahre aller lebenden Eukaryoten lebte möglicherweise vor 1,2 bis 1,8 Milliarden Jahren. Seine Nachkommen überstanden Hitze und Kälte sowie UV-Strahlung vermutlich besser und verdrängten ihre Urverwandten.

Da alle Stammgruppen-Eukaryoten längst ausgestorben sind, werden wir nie mit Sicherheit wissen, wie die meisten unserer frühen Verwandten aussahen, aber künstlerische Bemühungen haben vorläufige Visualisierungen geschaffen (siehe Bilder im Anhang), während die ursprünglichen Steroide vielleicht irgendwann mehr Licht auf ihre Biochemie werfen könnten Lebensstil. „Die Erde war die meiste Zeit ihrer Geschichte eine mikrobielle Welt und hinterließ nur wenige Spuren.“ Nettersheim schließt. Die Forschung an ANU, MARUM und GFZ verfolgt weiterhin die Suche nach den Wurzeln unserer Existenz – die Entdeckung von Protosterinen bringt uns dem Verständnis, wie unsere frühesten Vorfahren lebten und sich entwickelten, nun einen Schritt näher.

Natur

10.1038/s41586-023-06170-in

Beobachtungsstudie

Unzutreffend

Verlorene Welt des komplexen Lebens und der späte Aufstieg der eukaryotischen Krone

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Keiner erklärt

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