Eine der größten Veränderungen in der Geschichte des Lebens ereignete sich vor mehr als 600 Millionen Jahren, als aus einem einzelligen Organismus die ersten Tiere hervorgingen. Mit ihren vielzelligen Körpern entwickelten sich Tiere zu einer erstaunlichen Vielfalt an Formen, wie zum Beispiel Wale, die 200 Tonnen wiegen, Vögel, die sechs Meilen in den Himmel fliegen, und Sidewinder, die über Wüstendünen gleiten.
Wissenschaftler fragen sich seit langem, wie die ersten Tiere aussahen, einschließlich Fragen zu ihrer Anatomie und wie sie Nahrung fanden. In einer am Mittwoch veröffentlichten Studie fanden Wissenschaftler verlockende Antworten in einer wenig bekannten Gruppe gallertartiger Lebewesen, den sogenannten Wabengelees. Während die ersten Tiere ein Rätsel bleiben, haben Wissenschaftler herausgefunden, dass Wabengelees zum tiefsten Zweig im Stammbaum der Tiere gehören.
Die Debatte über die Herkunft von Tieren wird seit Jahrzehnten geführt. Zunächst verließen sich die Forscher bei der Suche nach Hinweisen weitgehend auf den Fossilienbestand. Die ältesten definitiven Tierfossilien sind etwa 580 Millionen Jahre alt, obwohl einige Forscher behauptet haben, noch ältere gefunden zu haben. Im Jahr 2021 berichtete beispielsweise Elizabeth Turner, eine kanadische Paläontologin, über den Fund von 890 Millionen Jahre alten Fossilien möglicher Schwämme.
Als ältestes Tier wären Schwämme sinnvoll. Sie sind einfache Lebewesen ohne Muskeln und ohne Nervensystem. Sie verankern sich am Meeresboden, wo sie das Wasser durch ein Porenlabyrinth filtern und so Nahrungsreste einfangen.
Schwämme sind tatsächlich so einfach, dass es überraschend sein kann, dass sie überhaupt Tiere sind, aber ihre molekulare Zusammensetzung verrät ihre Verwandtschaft. Sie stellen bestimmte Proteine wie Kollagen her, die nur von Tieren produziert werden. Darüber hinaus zeigt ihre DNA, dass sie enger mit Tieren als mit anderen Lebensformen verwandt sind.
Als Wissenschaftler ab den 1990er Jahren DNA von mehr Tierarten sammelten, versuchten sie, den Stammbaum der Tiere zu zeichnen. In einigen Studien landeten die Schwämme auf dem tiefsten Ast des Baumes. In diesem Szenario entwickelten die Tiere erst nach der Abzweigung der Schwämme ein Nervensystem.
Doch Anfang der 2000er Jahre kamen andere Wissenschaftler zu einem überraschend anderen Ergebnis. Sie fanden heraus, dass der tiefste Zweig der Tiere Kammquallen waren – schlanke, ovale Kreaturen, die oft eine markante Reihe schillernder Bänder bilden, die in der Dunkelheit des tiefen Ozeans flackern.
Viele Experten zögerten, diese Schlussfolgerung zu akzeptieren, weil sie bedeutete, dass die Evolution der Tiere seltsamer war, als sie gedacht hatten. Zum einen waren Kammgelees nicht so einfach wie Schwämme. Sie haben ein Nervensystem: Ein Netz von Neuronen, die ihren Körper umkreisen, steuert ihre Muskeln.
Um die Debatte zwischen Wabengelee und Schwamm zu lösen, sammelten Forscher auf der ganzen Welt DNA von weiteren Arten von Meerestieren. Und anstatt einzelne Gene zu betrachten, fanden Forscher heraus, wie man ganze Genome sequenzieren kann.
Doch die Lawine neuer Daten konnte die Debatte nicht beilegen. Einige Wissenschaftler bauten schließlich einen Baum zusammen, bei dem Schwämme die tiefsten Zweige bildeten, während andere am Ende Wabengelees verwendeten.
Die neue, in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Studie stützte sich auf eine neue Methode zur Verwendung von DNA zur Verfolgung der Tierentwicklung.
In früheren Studien untersuchten Wissenschaftler, wie bestimmte Mutationen in verschiedenen Tierzweigen entstehen. Eine Mutation kann dazu führen, dass ein einzelner genetischer Buchstabe, eine sogenannte Base, in einen anderen Buchstaben wechselt. Diese Mutation wird dann an die Nachkommen eines Tieres vererbt.
Aber diese Mutationen können unzuverlässige Marker der Geschichte sein. Eine Basis kann von einem Buchstaben zum anderen wechseln und dann Millionen von Jahren später wieder zum ursprünglichen zurückkehren. Alternativ kann dieselbe Basis in zwei nicht verwandten Abstammungslinien zum gleichen Buchstaben wechseln. Diese parallele Entwicklung erzeugt die Illusion, dass die beiden Abstammungslinien eng miteinander verbunden sind.
In der neuen Studie untersuchten Darrin Schultz, Evolutionsbiologe an der Universität Wien, und seine Kollegen stattdessen eine andere Art genetischer Veränderung. In seltenen Fällen wird ein großer Teil der DNA versehentlich von einem Chromosom auf ein anderes übertragen.
Es ist weniger wahrscheinlich, dass diese massive Mutation Wissenschaftler täuscht. Die Wahrscheinlichkeit, dass genau derselbe DNA-Abschnitt ein zweites Mal an genau denselben Ort wandert, ist astronomisch gering. Es ist auch nahezu unmöglich, dass sich dieser Brocken genau an die Stelle zurückbewegt, von der er kam.
„Es ist ein direkter Beweis dafür, dass etwas passiert ist“, sagte Dr. Schultz.
Sein Team verfolgte die Bewegungen des genetischen Materials in den Chromosomen von neun Tieren sowie drei einzelligen Verwandten von Tieren. Sie fanden mehrere DNA-Stücke an genau derselben Stelle im Genom von Schwämmen und anderen Tieren. Bei Wabengallerten und einzelligen Verwandten der Tiere befanden sich diese Brocken jedoch an einer anderen Position. Dieser Befund führte Dr. Schultz und seine Kollegen zu dem Schluss, dass sich Wabengallerten zuerst von anderen Tieren abspalteten.
„Es ist ein neuer Blick mit einer neuen Herangehensweise an die Frage“, sagte Antonis Rokas, ein Evolutionsbiologe an der Vanderbilt University, der nicht an der Studie beteiligt war.
In einer Studie aus dem Jahr 2021 sprachen sich Dr. Rokas und seine Kollegen ebenfalls für Wabengelees aus. Er sagte, die neue Analyse sei eine starke Bestätigung.
„Ich habe gelernt, niemals zu sagen, dass die Debatte vorbei ist“, sagte Dr. Rokas. „Aber das bewegt den Zeiger.“
Die Studie wirft faszinierende neue Möglichkeiten für das Aussehen des gemeinsamen Vorfahren lebender Tiere auf. Wenn Kammquallen mit Nervensystem und Muskeln die tiefsten Zweige des Tierbaums darstellen, dann waren die frühen Tiere möglicherweise nicht einfach und schwammartig. Sie hatten auch Nervensysteme und Muskeln. Erst später gaben Schwämme ihr Nervensystem auf.
Dr. Schultz warnte davor, Wabengelees als lebende Fossilien zu betrachten, die sich seit den Anfängen der Tiere nicht verändert hätten. „Etwas, das heute lebt, kann nicht der Vorfahre von etwas sein, das heute lebt“, sagte er.
Stattdessen versuchen Forscher nun, Gelees zu durchkämmen, um herauszufinden, wie ähnlich und unterschiedlich ihr Nervensystem denen anderer Tiere ist. Kürzlich haben Maike Kittelmann, Zellbiologin an der Oxford Brookes University, und ihre Kollegen Kammgallertenlarven eingefroren, um einen mikroskopischen Blick auf ihr Nervensystem zu werfen. Was sie sahen, verblüffte sie.
Im gesamten Tierreich sind Neuronen typischerweise durch winzige Lücken, sogenannte Synapsen, voneinander getrennt. Sie können über die Lücke hinweg kommunizieren, indem sie Chemikalien freisetzen.
Doch als Dr. Kittelmann und ihre Kollegen begannen, die Kammgelee-Neuronen zu untersuchen, hatten sie Schwierigkeiten, eine Synapse zwischen den Neuronen zu finden. „Zu diesem Zeitpunkt dachten wir: ‚Das ist merkwürdig‘“, sagte sie.
Am Ende konnten sie keine Synapsen zwischen ihnen finden. Stattdessen bildet das Kammgallerten-Nervensystem ein durchgehendes Netz.
Als Dr. Kittelmann und ihre Kollegen letzten Monat über ihre Ergebnisse berichteten, spekulierten sie über eine weitere Möglichkeit für die Herkunft der Tiere. Kammquallen haben möglicherweise unabhängig von anderen Tieren ihr eigenes seltsames Nervensystem entwickelt und dabei einige der gleichen Bausteine verwendet.
Dr. Kittelmann und ihre Kollegen untersuchen derzeit andere Arten von Wabengelees, um zu sehen, ob diese Idee Bestand hat. Aber sie werden nicht überrascht sein, noch einmal überrascht zu werden. „Man muss nichts annehmen“, sagte sie.