Selbst die ältesten Eukaryotenfossilien weisen eine überwältigende Vielfalt und Komplexität auf

Die Sonne ist gerade über einem ruhigen Watt im australischen Northern Territory untergegangen; es wird in weiteren 19 Stunden wieder aushärten. Ein junger Mond ragt groß über der trostlosen Landschaft auf. Im schwindenden Licht huschen keine Tiere. Keine Blätter rascheln im Wind. Keine Flechten verkrusten den freigelegten Fels. Der einzige Hinweis auf Leben ist etwas Abschaum in ein paar Pfützen und Teichen. Und darunter lebt eine vielfältige mikrobielle Gemeinschaft unserer alten Vorfahren.

In einem neuen Bericht über hervorragend erhaltene Mikrofossilien enthüllen Forscher der UC Santa Barbara und der McGill University, dass sich eukaryotische Organismen bereits vor 1,64 Milliarden Jahren zu vielfältigen Formen entwickelt hatten. Das Papierveröffentlicht in der Zeitschrift Aufsätze zur Paläontologie, erzählt eine Ansammlung eukaryontischer Fossilien aus einer frühen Ära in der Evolutionsgeschichte der Gruppe. Die Autoren beschreiben vier neue Taxa sowie Hinweise auf mehrere fortgeschrittene Merkmale, die bereits in diesen frühen Eukaryoten vorhanden waren.

„Dies gehören zu den ältesten Eukaryoten, die jemals entdeckt wurden“, erklärte Hauptautorin Leigh Anne Riedman, eine wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Abteilung für Geowissenschaften der UCSB. „Aber schon bei diesen ersten Platten sehen wir eine große Vielfalt.“

Eukarya bildet eine der Hauptdomänen des Lebens und umfasst die Pflanzen-, Tier- und Pilzgruppen sowie alle anderen Gruppen, deren Zellen einen membrangebundenen Zellkern haben, wie Protisten und Algen. Viele Wissenschaftler gingen davon aus, dass die frühen Eukaryoten im späten Paläoproterozoikum alle ziemlich ähnlich waren und dass die Diversifizierung vor etwa 800 Millionen Jahren stattfand. Aber Riedman und ihre Co-Autoren fanden Fossilien einer wunderbar vielfältigen und komplexen Besetzung von Charakteren in fast doppelt so altem Gestein.

Wissenschaftler wussten aus früheren Studien, dass sich Eukaryoten zu diesem Zeitpunkt entwickelt hatten, ihre Vielfalt in dieser Zeit war jedoch kaum verstanden. Also machte sich Riedman Ende 2019 auf den Weg ins Outback. Innerhalb einer Woche hatte sie etwa 430 Proben aus acht Kernen gesammelt, die von einem Schürfunternehmen gebohrt wurden; Sie befinden sich jetzt in der Bibliothek des Northern Territory Geological Survey. Die beiden für diese Studie verwendeten Bohrkerne umfassten etwa 500 Meter Stratigraphie oder 133 Millionen Jahre, mit etwa 15 Millionen Jahren bedeutender Ablagerung.

Riedman kehrte mit Schiefer und Tonstein in die Vereinigten Staaten zurück, Überreste eines alten Küstenökosystems, das zwischen flachem, Gezeitenwatt und Küstenlagunen wechselte. Ein Eintauchen in Flusssäure löste das Matrixgestein auf und konzentrierte die wertvollen Mikrofossilien, die sie dann unter dem Mikroskop analysierte.

„Wir hatten gehofft, Arten mit interessanten und unterschiedlichen Eigenschaften ihrer Zellwände zu finden“, sagte Riedman. Sie hoffte, dass diese Merkmale Aufschluss darüber geben könnten, was in dieser Zeit in den Zellen geschah. Um Rückschlüsse auf das Zellinnere ziehen zu können, wären jedoch umfangreiche Nachforschungen erforderlich, da die Fossilien nur das Äußere der Zellen konservieren.

Die Forscher waren von der Vielfalt und Komplexität dieser Fossilien überrascht. Sie erfassten 26 Taxa, darunter 10 bisher unbeschriebene Arten. Das Team fand indirekte Hinweise auf Zytoskelette sowie plattenförmige Strukturen, die auf das Vorhandensein interner Vesikel schließen lassen, in denen die Platten gebildet wurden – möglicherweise Vorfahren der Golgi-Körper, die in modernen eukaryotischen Zellen vorkommen. Andere Mikroben hatten Zellwände aus gebundenen Fasern, was ebenfalls auf das Vorhandensein eines komplexen Zytoskeletts hindeutet.

Die Autoren fanden auch Zellen mit einer winzigen Falltür, ein Beweis für ein gewisses Maß an Raffinesse. Einige Mikroben können eine Zyste bilden, um ungünstige Umweltbedingungen abzuwarten. Um herauszukommen, müssen sie in der Lage sein, eine Öffnung in ihre Schutzhülle zu ätzen. Die Herstellung dieser Tür ist ein spezialisierter Prozess.

„Wenn Sie ein Enzym produzieren wollen, das Ihre Zellwand auflöst, müssen Sie wirklich vorsichtig sein, wie Sie dieses Enzym verwenden“, sagte Riedman. „In einer der frühesten Aufzeichnungen über Eukaryoten sehen wir also ein ziemlich beeindruckendes Maß an Komplexität.“

Viele Fachleute dachten, diese Fähigkeit sei erst später entstanden, und die Beweise dafür in dieser Zusammenstellung unterstreichen noch mehr, wie vielfältig und fortgeschritten Eukaryoten bereits zu diesem frühen Zeitpunkt waren. „Die Annahme war immer, dass dies ungefähr zu der Zeit war, als Eukaryoten auftauchten. Und jetzt glauben wir, dass die Menschen einfach noch keine älteren Gesteine ​​erforscht haben“, sagte Co-Autorin Susannah Porter, Professorin für Geowissenschaften an der UC Santa Barbara.

Dieses Papier ist Teil eines größeren Projekts zur Untersuchung der frühen Eukaryotenentwicklung. Riedman und Porter möchten wissen, in welchen Umgebungen sich die frühen Eukaryoten diversifizierten, warum sie dort waren, wann sie an andere Orte auswanderten und welche Anpassungen sie brauchten, um diese neuen Nischen zu füllen.

Ein großer Teil dieser Bemühungen besteht darin, zu verstehen, wann verschiedene Merkmale von Eukaryoten erstmals entstanden sind. Die Autoren sind beispielsweise sehr daran interessiert zu erfahren, ob diese Organismen an sauerstoffhaltige oder anoxische Umgebungen angepasst waren. Ersteres lässt darauf schließen, dass sie einen aeroben Stoffwechsel und möglicherweise Mitochondrien hatten. Jeder moderne Eukaryote, der gefunden wurde, stammt von Vorfahren ab, die Mitochondrien besaßen. Dies deutet darauf hin, dass Eukaryoten die Organelle schon sehr früh erworben haben und dass sie ihnen einen erheblichen Vorteil verschaffte.

Riedman und Porter arbeiten derzeit an einer neuen Darstellung der Eukaryotenvielfalt im Laufe der Zeit. Sie haben auch noch ältere Proben aus Westaustralien und Minnesota gesammelt. Unterdessen leiten ihre geochemischen Mitarbeiter bei McGill eine Studie über den Sauerstoffgehalt und die bevorzugten Lebensräume von Eukaryoten, Aspekte, die Aufschluss über ihre Entwicklung geben könnten.

„Diese Ergebnisse sind eine Anweisung, nach älterem Material, älteren Eukaryoten, zu suchen, denn dies ist eindeutig nicht der Beginn der Eukaryoten auf der Erde“, sagte Riedman.