Neue Forschungen zeigen, dass alles Leben heute aus einer Zelle stammt, die vor 4,2 Milliarden Jahren lebte, nur wenige hundert Millionen Jahre nach der Entstehung der Erde. Dieser letzte universelle gemeinsame Vorfahre, von Biologen liebevoll LUCA genannt, unterschied sich nicht allzu sehr von den recht komplexen Bakterien, die es heute gibt – und er lebte in einem Ökosystem voller anderem Leben und Viren.
„Was wirklich interessant ist, ist, dass es eindeutig ein frühes Immunsystem hatte, was zeigt, dass unser Vorfahre bereits vor 4,2 Milliarden Jahren an einem Wettrüsten mit Viren beteiligt war“, sagte Davide Pisani, Genomforscher an der Universität Bristol im Vereinigten Königreich Co-Autor der neuen Studie.
Alles zelluläre Leben auf der Erde weist bestimmte Schlüsselmerkmale auf: Es verwendet dieselben Proteinbausteine, alle verwenden dieselbe Energiewährung, um ihre Zellen anzutreiben (ATP), und alle Zellen verwenden DNA, um Informationen zu speichern. Diese Ähnlichkeiten sind kaum ein Zufall; Sie alle weisen darauf hin, dass das Leben, wie wir es heute kennen, aus derselben Quelle stammt.
Vor dieser Studie schätzten Wissenschaftler, dass LUCA vor 3,9 Milliarden Jahren lebte. Es ist jedoch eine Herausforderung, genetische Ereignisse, die so lange zurückliegen, genau zu datieren.
Ein Beispiel dafür, wie LUCA bereits vor 4,2 Milliarden Jahren von Viren angegriffen wurde. Wissenschaftliches Grafikdesign
In einer neuen Studie, die am 12. Juli in der Fachzeitschrift Nature Ecology & Evolution veröffentlicht wurde, versuchten Forscher, die Ursprünge von LUCA besser zu bestimmen. Das Team verglich alle Gene von 700 lebenden Bakterien- und Archaeenarten (Keime, die Bakterien ähneln und oft in extremen Umgebungen leben). Sie wählten Organismen in diesen Bereichen, weil sie als die ältesten Lebensformen gelten und Eukaryoten aus einer Verbindung beider Zelltypen entstanden sind. Anschließend zählten die Forscher die Mutationen, die im Laufe der Zeit in den Genomen und in 57 Genen auftraten, die allen 700 Organismen gemeinsam sind, und berechneten anhand geschätzter Mutationsraten die Lebensdauer von LUCA zurück. Sie untermauerten ihre Altersschätzung mit Fossilien, die Spuren antiken Lebens enthielten, beispielsweise den Überresten 3,48 Milliarden Jahre alter mikrobieller Matten aus Australien. Die alten Fossilien gaben ihnen Einblick in die atmosphärischen Bedingungen der frühen Erde und lieferten eine geringere Schätzung, wann LUCA überlebt haben könnte.
Dadurch konnten wir feststellen, dass LUCA vor etwa 4,2 Milliarden Jahren lebte.
„Wir hatten nicht erwartet, dass LUCA so alt sein würde, da es erst Hunderte Millionen Jahre nach der Entstehung der Erde erschien“, sagte Co-Autorin Sandra Alvarez-Carretero, wissenschaftliche Mitarbeiterin am UCL im Vereinigten Königreich. Zu dieser Zeit, während der Hadean-Zeit (vor 4,6 bis 4 Milliarden Jahren), war die Erde ein unwirtlicher Ort mit heißen Ozeanen und sehr wenig Sauerstoff in der Atmosphäre.
Darüber hinaus konnten die Forscher durch die Sortierung der Gene nach ihrer zellulären Funktion Aufschluss darüber geben, wie und wo LUCA lebte und was es aß. Ihre Analysen bestimmten nicht den genauen Lebensraum von LUCA, legen aber nahe, dass es wahrscheinlich in einer ozeanischen Umgebung, einer flachen hydrothermalen Quelle oder einer heißen Quelle lebte. Sie fanden auch heraus, dass LUCA wahrscheinlich extreme Temperaturen tolerieren und ohne Sauerstoff „atmen“ könnte, anstatt sich auf den Abfall anderer zu verlassen, die sein Ökosystem teilten.
Der Beweis dafür, dass LUCA nicht allein war, stammt aus der Rekonstruktion der LUCA-Stoffwechselwege. Dies deutet darauf hin, dass LUCA organisches Material, das bereits von anderen Mikroben abgebaut wurde, zur Energiegewinnung nutzen könnte. Ein weiterer unterstützender Beweis stammt aus der überraschenden Entdeckung, dass LUCA bereits mit Genen ausgestattet war, die zum Schutz vor infektiösen Viren beitragen könnten.
Die Tatsache, dass LUCA bereits in einem blühenden Ökosystem lebte, hat interessante Auswirkungen auf das Leben auf anderen Planeten, sagte der leitende Autor der Studie, Philip Donoghue, Professor für Paläobiologie an der Universität Bristol, in einer Erklärung.
„Dies deutet darauf hin, dass Leben in erdähnlichen Biosphären anderswo im Universum gedeihen könnte“, sagte Donohue.
Eine Gruppe von Wissenschaftlern fand heraus, dass der letzte universelle gemeinsame Vorfahre des Lebens vor etwa 4,2 Milliarden Jahren existiert haben könnte, und die Autoren einer anderen Studie schlugen vor, dass polymetallische Knollen in der Tiefsee zusätzlich zu photosynthetischen Prozessen eine weitere Quelle für lebenserhaltenden Sauerstoff sein könnten unter dem Einfluss von Licht in der Nähe der Planetenoberfläche auftreten.
Nun verkompliziert eine weitere neue Studie (unter Leitung von Wissenschaftlern der Universität Cardiff) die Chronologie der antiken Erdentwicklung weiter und legt die Theorie nahe, dass die ersten Formen komplexen Lebens tatsächlich im Paläoproterozoikum auftauchten – etwa 1,5 Milliarden Jahre früher als bisher angenommen.
Ernest Chi Fru, der die Studie leitete, sagte, diese Lebensformen hätten sich wahrscheinlich in einem „nährstoffreichen Labor“ in einer sedimentären geologischen Region namens Franceville Basin im heutigen Gabun gebildet. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift Precambrian Research veröffentlicht.
„Wir glauben, dass die unterseeischen Vulkane, die auf die Kollision und das Zusammenfügen der Kratons von Kongo und San Francisco zu einem Hauptmassiv folgten, diesen Wasserabschnitt noch weiter einschränkten und sogar von den Weltmeeren abtrennten, wodurch ein nährstoffreiches, flaches Binnenmeer entstand.“ Chi sagte Fru in einer Pressemitteilung. „Dadurch entstand eine lokale Umgebung, in der über einen langen Zeitraum hinweg reichlich Photosynthese von Cyanobakterien stattfand, das örtliche Meerwasser mit Sauerstoff angereichert und eine große Nahrungsressource geschaffen wurde.“
Während die kambrische Explosion oft als das erstaunliche geologische Ereignis angepriesen wird, das komplexes Leben auf der Erde hervorgebracht hat (und das war ganz gewiss der Fall), wissen Wissenschaftler, dass in der vorangegangenen Ediacara-Zeit mehrzelliges Leben in Form von röhrenförmigen, blattförmigen Organismen existierte. In einem Interview mit der BBC beschrieb Chi Fru seine hypothetischen mehrzelligen Lebensformen eher als moderne, hirnlose Schleimpilze.
Der Hauptbeweis für dieses frühe „Labor“ des Lebens stammt aus der chemischen Analyse von Sedimentkernen, die aus einem Becken in Gabun gebohrt wurden. Das Team stellte die Hypothese auf, dass der hohe Gehalt an Sauerstoff und Phosphor in diesen Kernen auf vulkanische Aktivität zurückzuführen sein könnte, die durch die Kollision zweier Platten – des Kongo- und des San-Francisco-Kratons – verursacht wurde. Während der Rest der Welt zu dieser Zeit zu nährstoffarm war, um ein komplexes Leben zu ermöglichen. Aber diese Bedingungen, argumentiert Chi Fru, „lieferten genug Energie für eine Vergrößerung des Körpers und komplexeres Verhalten“ und stellten eine unglaubliche Gelegenheit für vielzelliges Leben dar, seinen ersten Fuß auf der Erde zu etablieren.
Laut Chi Fru hielt diese erste Chance für die Entstehung komplexen Lebens jedoch nicht lange an – die ungünstige Umgebung dieses geschlossenen Binnenmeeres begrenzte das Wachstum dieser Lebensformen und verringerte ihre Fähigkeit, die Weltherrschaft zu erlangen.
Das Franceville-Becken hat jedoch eine lange Geschichte voller Kontroversen. Die ersten „Fossilien“, die auf komplexes Leben in diesem Becken hinweisen, wurden 2008 entdeckt, und seitdem haben andere Wissenschaftler Theorien aufgestellt, die darauf hindeuten, dass es sich bei den Proben lediglich um abiotische Pyritkristalle handelte, die durch Diagenese entstanden waren – physikalische und chemische Veränderungen bei der Sedimentation, die während der Wechselwirkung entdeckt wurden Wasser und Steine.
Ebenso sind Wissenschaftler besorgt über die Ergebnisse von Chi Fru. Graham Shields, ein Geologe am University College London, sagte beispielsweise gegenüber der BBC, dass selbst wenn das Becken vor 2,1 Milliarden Jahren tatsächlich mehr Nährstoffe enthielt als üblich, dies nicht unbedingt ausreichen würde, um darauf hinzuweisen, dass damals vielzelliges Leben begann.
Eine neue Studie legt nahe, dass alte L-förmige Bakterien seltsame Mikrofossilien erklären könnten, die in einigen der ältesten Gesteine der Welt gefunden wurden. Weltweit gefundene Mikrofossilien enthalten Exemplare, die nicht wie moderne Zellen aussehen.
Eine neue Studie, die einige Bakterien aus dem Toten Meer analysiert, denen Zellwände fehlen, stellt eine Theorie darüber auf, wie diese seltsamen Mikrofossilien entstanden sind.
Während diese Erkenntnis dazu beiträgt, einige der seltsamen Morphologien dieser Fossilien zu veranschaulichen, ist sie kein endgültiger Beweis dafür, dass das Leben auf der Erde auf diese Weise begann.
Mikrofossilien neigen dazu, unsere Chronologie der Entstehung des Lebens auf der Erde durcheinander zu bringen. Wie der Name schon sagt, enthalten diese alten Gesteine winzige versteinerte Überreste von Protozoen und Bakterien, und als der Geologe Stanley Tyler von der University of Wisconsin-Madison 1953 die ersten Mikrofossilien in präkambrischen Gesteinen entdeckte, verschob dies den Ursprung des Lebens um mehr als eine Milliarde Jahre.
70 Jahre später haben neue Mikrofossilien diese Zeitskala weit in das Archaikum verschoben. Die meisten gehen davon aus, dass die ersten Zellen wahrscheinlich einfacher waren als die 1–2 Mikrometer großen Bakterien, die wir heute haben und die keine inneren Strukturen wie Eukaryoten haben. Die in diesen teilweise etwa 3,8 Milliarden Jahre alten Sedimentgesteinen gefundenen Zellen stützen diese Annahme jedoch nicht.
Stattdessen können diese uralten Mikrofossilien, die in Gebieten auf der ganzen Welt gefunden wurden, einen Durchmesser von bis zu 70 Mikrometern haben und innere Strukturen unterstützen. Dies inspirierte Dheeraj Kanaparthi, einen Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Biochemie in München, zu der uralten Frage: Warum?
„Diese Fossilien sehen zu komplex aus“, sagte Canaparti gegenüber New Scientist. Er veröffentlichte einen von Experten begutachteten Vorabdruck in der Zeitschrift eLife. „Sie sind auch zu groß. Was wir finden, ist immer verwirrend.“
Merkwürdigerweise fand er Hinweise auf eine Erklärung, als er Süßwasserquellen am Grund des sehr salzigen Toten Meeres untersuchte. Diese Strukturen wurden erstmals 2011 während der allerersten Tauchexpedition im Toten Meer entdeckt, und entgegen dem Namen des Gewässers stießen sie rund um diese Quellen auf eine Reihe von Mikroorganismen. Einige der Bakterien in diesem einzigartigen Ökosystem zeigten im Vergleich zu anderen Bakterien seltsame Formen, und das liegt daran, dass sie tatsächlich L-Formen hatten.
Benannt nach dem Lister Institute in London, das sie in den 1930er Jahren entdeckte, zeichnen sich diese L-Formen durch eine besondere Eigenschaft aus, die sie von anderen Bakterien unterscheidet: Sie haben keine Zellwand. Typischerweise schwellen diese Zellen aufgrund der Osmose an und platzen (es stellt sich heraus, dass Zellwände in dieser Hinsicht sehr wichtig sind), aber unter bestimmten besonderen Bedingungen können sie überleben und wachsen.
Es wurde zuvor vermutet, dass diese L-Formen als Vorlage für Protozellen auf der alten Erde gedient haben könnten, aber Kanaparti und Kollegen zeigen, dass die Formen, die diese L-Formen erzeugten, wenn sie in die Umgebung mit hohem Salzgehalt gebracht wurden, von der Wissenschaftler glauben, dass sie existierten entlang der Küsten während des Archäikums beginnen, den Mikrofossilien zu ähneln, die in diesen alten Gesteinen gefunden wurden.
Kanaparti und sein Team argumentieren außerdem, dass die innere Struktur dieser Mikrofossilien tatsächlich nur eine Illusion sei, die durch die Bildung neuer Zellen in L-Form entsteht.
Wenn Sie sich heute umschauen, werden Sie natürlich feststellen, dass der Verzicht auf eine Zellwand nicht gerade eine erfolgreiche Evolutionsstrategie ist, und das würde auch für diese hypothetischen alten L-Formen gelten. Sie wären „ihrer Umwelt ausgeliefert“, sagte Canaparti dem New Scientist, und wären nicht sehr effizient bei der Fortpflanzung.
Dies ist lediglich eine Theorie, die versucht, die unterschiedlichen Morphologien zu erklären, die in Mikrofossilien auf der ganzen Welt vorkommen. Da es schwierig ist, die Bedingungen der paläoarchäischen Erde wirklich nachzubilden oder ihre globale Variabilität zu erfassen, ist über diese Zeit viel Unbekanntes bekannt, aber die L-Formen könnten der erste Schritt zur Lösung des jahrzehntelangen Rätsels sein, warum diese Mikrofossilien dies nicht tun passen durchaus zu unserem Verständnis des Lebens und seiner Entstehung.