Wie Gletscheralgen unser Verständnis von der Evolution in Frage stellen

Menschen unterschätzen winzige Lebewesen oft. Doch mikroskopisch kleine Algenzellen haben sich nicht nur so entwickelt, dass sie in einem der extremsten Lebensräume der Erde – Gletschern – gedeihen können, sondern sie prägen diese auch.

Mit einem Team von Wissenschaftlern aus Großbritannien und Kanada haben wir die Evolution der Purpuralgen Hunderte Millionen Jahre zurückverfolgt und unsere Erkenntnisse stellen eine zentrale Vorstellung über die Funktionsweise der Evolution in Frage. Obwohl diese Algen klein sind, haben sie dramatische Auswirkungen auf die Gletscher, auf denen sie leben.

Gletscher gehören zu den die sich am schnellsten verändernden Ökosysteme des Planeten. Während der Schmelzsaison im Sommer, wenn sich flüssiges Wasser auf den Gletschern bildet, verdunkeln Blüten von Purpuralgen die Oberfläche des Eises. Beschleunigung der Schmelzgeschwindigkeit. Diese faszinierende Anpassung an Gletscher erfordert mikroskopisch kleine Algen, die ihr Wachstum und ihre Photosynthese kontrollieren. Dies muss mit der Toleranz gegenüber extremer Eisschmelze, Temperatur und Lichteinwirkung in Einklang gebracht werden.

Unsere Studie, veröffentlicht in Neuer Phytologezeigt, wie und wann sich ihre Anpassungen an das Leben in diesen extremen Umgebungen erstmals entwickelten. Wir haben Genomdaten der Gletscheralge Ancylonema nordenskiöldii sequenziert und analysiert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die violette Farbe der Gletscheralgen, die wie ein Sonnenschutz wirkt, durch neue Gene erzeugt wurde, die an der Pigmentproduktion beteiligt sind.

Dieses Pigment, Purpurogallinschützt Algenzellen vor Schäden durch ultraviolettes (UV) und sichtbares Licht. Es ist auch mit der Toleranz gegenüber niedrigen Temperaturen und Austrocknung verbunden, charakteristische Merkmale von Gletscherumgebungen. Unsere genetische Analyse legt nahe, dass die Entwicklung dieses violetten Pigments wahrscheinlich für mehrere Anpassungen bei Gletscheralgen von entscheidender Bedeutung war.

Wir haben auch neue Gene identifiziert, die dazu beigetragen haben, die Toleranz der Algen gegenüber UV- und sichtbarem Licht zu erhöhen, wichtige Anpassungen an das Leben in einer hellen, exponierten Umgebung. Interessanterweise waren diese mit einer erhöhten Lichtwahrnehmung sowie verbesserten Mechanismen zur Reparatur von Sonnenschäden verbunden. Diese Arbeit zeigt, wie sich Algen an das heutige Leben auf Gletschern angepasst haben.

Als nächstes wollten wir verstehen, wann sich diese Anpassung im Laufe der Erdgeschichte entwickelt hat.

Die Evolution der Gletscheralgen

Die Erde hat viele Schwankungen erlebt von kälteres und wärmeres Klima. Im Laufe von Tausenden und manchmal Millionen von Jahren hat sich das globale Klima langsam zwischen Eiszeiten (kalten) und Zwischeneiszeiten (warmen) verändert.

Eine der dramatischsten Kälteperioden war die Kryogenischdie auf die Zeit vor 720-635 Millionen Jahren zurückgehen, als die Erde fast vollständig mit Schnee und Eis bedeckt war. Diese Vereisungen waren so weit verbreitet, dass Wissenschaftler sie manchmal als „Schneeball Erde“.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass diese Bedingungen den Gletschern und Eisschichten ähnelten, die wir heute auf der Erde sehen. Daher fragten wir uns: Könnte dieser Zeitraum die treibende Kraft für die Entwicklung der Gletscheralgen sein?

Nach der Analyse genetischer Daten und fossilierter Algen schätzten wir, dass Gletscheralgen vor etwa 520 bis 455 Millionen Jahren entstanden. Dies deutet darauf hin, dass die Evolution der Gletscheralgen nicht mit den Schneeball-Erde-Umgebungen des Cryogeniums zusammenhängt.

Da der Ursprung der Gletscheralgen später als im Cryogenium liegt, muss eine jüngere Eiszeit der Auslöser für die Gletscheranpassung der Algen gewesen sein. Wissenschaftler gehen davon aus, dass es auf der Erde bis vor 60 Millionen Jahren ununterbrochen Gletscherumgebungen gab.

Wir haben jedoch festgestellt, dass sich der gemeinsame Vorfahr der Gletscheralgen und Landpflanzen ungefähr im Cryogenium entwickelte.

Im Februar 2024 Analyse zeigte, dass diese urzeitlichen Algen vielzellig waren. Die Gruppe mit den Gletscheralgen verlor die Fähigkeit, komplexe vielzellige Formen zu bilden, möglicherweise als Reaktion auf die extremen Umweltbelastungen des Cryogeniums.

Anstatt komplexer zu werden, haben wir gezeigt, dass diese Algen einfach wurden und bis heute bestehen. Dies ist ein Beispiel für Evolution durch Reduzierung der Komplexität. Es widerspricht auch der etablierten „Marsch des Fortschritts“ Hypothese, die Idee, dass Organismen sich zu immer komplexeren Versionen ihrer Vorfahren entwickeln.

Unsere Arbeit zeigte, dass dieser Verlust der Vielzelligkeit mit einem enormen Verlust der genetischen Vielfalt einherging. Diese verlorenen Gene waren hauptsächlich mit der Entwicklung von Vielzellern verbunden. Dies ist ein Zeichen für die Entwicklung ihrer einfachen Morphologie aus einem komplexeren Vorfahren.

In den letzten 700 Millionen Jahren haben diese Algen überlebt, weil sie winzig klein waren und vor Kälte und Sonne geschützt waren. Diese Anpassungen haben sie auf das heutige Leben auf Gletschern vorbereitet.

Diese Anpassung ist so spezialisiert, dass nur eine Handvoll Algen haben sich so entwickelt, dass sie auf Gletschern leben. Dies steht im Gegensatz zu den Hunderten von Algenarten, die auf Schnee leben. Trotzdem haben Gletscheralgen dramatische Auswirkungen auf riesige Eisfelder, wenn sich auf Gletscheroberflächen flüssiges Wasser bildet. Im Jahr 2016 auf dem grönländischen Eisschildführte das Algenwachstum zu einem zusätzlichen Abfluss von 4.400 bis 6.000 Millionen Tonnen.

Wenn wir diese Algen verstehen, können wir ihre Rolle bei der Gestaltung fragiler Ökosysteme besser einschätzen.

Unsere Studie gibt Einblick in die Evolutionsgeschichte der Gletscheralgen von der tiefen Vergangenheit bis in die Gegenwart. Angesichts des Klimawandels ist das Verständnis dieser mikroskopischen Organismen der Schlüssel zur Vorhersage der Zukunft der eisigen Umgebungen der Erde.

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