Eine neue in „Nature“ veröffentlichte Studie zeigt, dass der Ursprung des komplexen Lebens möglicherweise fast eine Milliarde Jahre früher liegt als die traditionelle Ansicht, und dass seine frühen Entwicklungsstadien in alten Ozeanen stattfanden, in denen es fast keinen Sauerstoff gab. Diese Arbeit rekonstruiert die evolutionäre Zeitlinie früher Genfamilien durch groß angelegte molekulare Uhrenanalysen und weist darauf hin, dass Schlüsselmerkmale eukaryotischer Zellen allmählich gebildet wurden, bevor Mitochondrien und der Luftsauerstoffgehalt deutlich anstiegen, und schlägt so ein neues Modell für die Entstehung komplexen Lebens vor.
Die Forschung wurde von der Universität Bristol geleitet und in Zusammenarbeit mit einem multinationalen wissenschaftlichen Forschungsteam durchgeführt. Die Kernfrage ist: Wie und wann haben sich einfache Prokaryoten zu Eukaryoten mit komplexen Strukturen wie Kernen entwickelt? Die Erde entstand vor etwa 4,5 Milliarden Jahren. Das früheste mikrobielle Leben entstand vor 4 Milliarden Jahren. Zu dieser Zeit umfasste es nur zwei große prokaryotische Gruppen, Bakterien und Archaeen. Sie dominierten Hunderte Millionen Jahre lang das Ökosystem der Erde. Es wird angenommen, dass Eukaryoten – darunter Algen, Pilze, Pflanzen und Tiere – nach und nach entstanden sind, der genaue Zeitpunkt und der Evolutionsverlauf sind jedoch höchst ungewiss.
Da es keine klaren Übergangsfossilien und Zwischenformen gibt, blieben verschiedene Theorien über die Entstehung von Eukaryoten lange Zeit spekulativ, wobei bestehende Zeitschätzungen oft um bis zu eine Milliarde Jahre schwankten. Um diese Unsicherheit zu verringern, erweiterte das Forschungsteam die Datenskala und das Methodensystem auf der Grundlage der traditionellen Methode der „molekularen Uhr“ erheblich, sammelte Sequenzinformationen von Hunderten von Arten und integrierte vorhandene Fossilienbestände, um einen „Baum des Lebens“ mit einer Zeitskala zu erstellen. In diesem Rahmen analysierten Wissenschaftler die Evolutionssequenz von Hunderten von Genfamilien in verschiedenen biologischen Systemen weiter und konzentrierten sich dabei auf die Verfolgung der Schlüsselmerkmale, die Eukaryoten von Prokaryoten unterscheiden.
Die Ergebnisse zeigen, dass der Übergang zu komplexen Zellstrukturen vor etwa 2,9 Milliarden Jahren begann, fast eine Milliarde Jahre früher als einige frühere Schätzungen. Die Daten zeigen auch, dass der Zellkern und andere innere Zellstrukturen deutlich älter waren als die Mitochondrien, was darauf hindeutet, dass die Komplexität innerhalb der Zellen eher ein langer und kumulativer Prozess als ein plötzlicher Sprung in kurzer Zeit ist. Auf dieser Grundlage ist das Forschungsteam der Ansicht, dass mehrere frühere Mainstream-Hypothesen über den Ursprung der Eukaryoten (Eukaryogenese) nicht vollständig mit dieser neuen Zeitsequenz übereinstimmen und erneut überprüft werden müssen.
Nach der Integration von Beweisen aus der molekularen Systematik, Paläontologie und Molekularbiologie schlug das Team ein neues Evolutionsszenariomodell vor – „CALM“ (Complex Archaeon, Late Mitochondrion), was „Complex Archaeon, Late Mitochondrion“ bedeutet. Dieses Modell betont, dass die archaischen Vorfahren der Eukaryoten bereits eine beträchtliche strukturelle und funktionelle Komplexität erreicht hatten, bevor sie Mitochondrien erwarben, und dass die Entstehung von Mitochondrien ein relativ spätes Ereignis in dieser komplexen Architektur war. Die Studie weist darauf hin, dass die Entstehungszeit der Mitochondrien ungefähr mit dem ersten signifikanten Anstieg des Sauerstoffs in der Erdatmosphäre zusammenfällt, was in gewissem Maße einen direkten Zusammenhang zwischen der biologischen Evolution und der geochemischen Geschichte der Erde darstellt.
Es ist erwähnenswert, dass die Analyseergebnisse zeigen, dass die Entwicklung dieser komplexen Merkmale bei den eukaryotischen Vorfahren etwa eine Milliarde Jahre vor dem signifikanten Anstieg des Sauerstoffgehalts der Atmosphäre begann und in einer alten Meeresumgebung stattfand, die fast vollständig anoxisch war. Dies steht in krassem Gegensatz zur traditionellen Ansicht, dass „Sauerstoff eine notwendige Voraussetzung für fortgeschrittenes Leben“ ist und impliziert, dass die frühe Bildung komplexer Zellstrukturen nicht unbedingt auf einer sauerstoffreichen Umgebung beruht, sondern unter sauerstoffarmen oder sogar anaeroben Bedingungen beginnt. Den Forschern zufolge bietet dies eine neue Perspektive für das Verständnis der Vielfalt der frühen Ökosysteme der Erde und bietet auch eine wichtige Referenz für die Erforschung potenzieller Lebensformen in ähnlichen Umgebungen (einschließlich der Möglichkeit von Leben auf Exoplaneten).
Einer der Autoren der Arbeit wies darauf hin, dass die Einzigartigkeit dieser Arbeit darin besteht, dass sie sich nicht nur darauf konzentriert, wann Gene wiederholt werden und wann sie auftauchen, sondern auch die spezifischen Funktionen dieser Genfamilien und die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Proteinen im Detail untersucht und all dies auf einer absoluten Zeitachse analysiert. Dies erfordert die Paläontologie, um einen Zeitanker bereitzustellen, die Phylogenie, um einen glaubwürdigen Evolutionsbaum zu konstruieren, und die Molekularbiologie, um der Genfamilie eine biologische Bedeutung zu geben. Es ist das Ergebnis einer multidisziplinären Zusammenarbeit. Relevante Forschungsergebnisse wurden in „Nature“ unter dem Titel „Zeitkalibrierte Genduplikationsereignisse enthüllen den Zusammenbauprozess von Eukaryoten“ veröffentlicht und unterstreichen damit ihre Bedeutung für die Rekonstruktion der Evolutionsgeschichte komplexen Lebens.