Biolumineszenz entwickelte sich erstmals vor mindestens 540 Millionen Jahren bei Tieren und drängte damit das bisher älteste datierte Beispiel zurück

Laut den Ergebnissen einer neuen Studie von Wissenschaftlern des Smithsonian National Museum of Natural History entwickelte sich Biolumineszenz erstmals vor mindestens 540 Millionen Jahren bei Tieren in einer Gruppe wirbelloser Meerestiere, den Oktokoralen.

Die Ergebnisse, veröffentlicht 23. April, im Verfahren der Royal Society B: Biologische Wissenschaftenverschieben den bisherigen Rekord für das älteste datierte Auftreten des leuchtenden Merkmals bei Tieren um fast 300 Millionen Jahre und könnten Wissenschaftlern eines Tages dabei helfen, zu entschlüsseln, warum sich die Fähigkeit, Licht zu erzeugen, überhaupt entwickelt hat.

Biolumineszenz – die Fähigkeit von Lebewesen, durch chemische Reaktionen Licht zu erzeugen – hat sich zumindest unabhängig voneinander entwickelt 94 Mal in der Natur und ist an einer Vielzahl von Verhaltensweisen beteiligt, darunter Tarnung, Balz, Kommunikation und Jagd. Bisher wurde angenommen, dass der früheste datierte Ursprung der Biolumineszenz bei Tieren liegt vor etwa 267 Millionen Jahren in kleinen Meereskrebsen, sogenannten Ostrakoden.

Aber für eine Eigenschaft, die im wahrsten Sinne des Wortes erhellend ist, sind die Ursprünge der Biolumineszenz im Dunkeln geblieben.

„Niemand weiß genau, warum es sich zuerst bei Tieren entwickelt hat“, sagte Andrea Quattrini, Kurator für Korallen im Museum und leitender Autor der Studie.

Doch damit Quattrini und die Hauptautorin Danielle DeLeo, Museumswissenschaftlerin und ehemalige Postdoktorandin, sich schließlich mit der größeren Frage befassen wollten, warum sich die Biolumineszenz entwickelte, mussten sie wissen, wann die Fähigkeit zum ersten Mal bei Tieren auftrat.

Auf der Suche nach den frühesten Ursprüngen des Merkmals beschlossen die Forscher, einen Blick zurück in die Evolutionsgeschichte der Oktokoralen zu werfen, einer evolutionär alten und häufig biolumineszierenden Tiergruppe, zu der Weichkorallen, Gorgonien und Seefische gehören.

Oktokorallen sind wie Hartkorallen winzige koloniale Polypen, die ein Gerüst absondern, das ihnen als Zufluchtsort dient. Im Gegensatz zu ihren steinigen Verwandten ist diese Struktur jedoch normalerweise weich. Oktokoralen leuchten normalerweise nur, wenn sie gestoßen oder anderweitig gestört werden, sodass die genaue Funktion ihrer Fähigkeit, Licht zu erzeugen, etwas rätselhaft bleibt.

„Wir wollten den Zeitpunkt des Ursprungs der Biolumineszenz herausfinden, und Oktokoralen sind eine der ältesten Tiergruppen auf dem Planeten, von denen bekannt ist, dass sie Biolumineszenz erzeugen“, sagte DeLeo. „Die Frage war also, wann sie diese Fähigkeit entwickelt haben?“

Es ist kein Zufall, dass Quattrini und Catherine McFadden vom Harvey Mudd College ein äußerst detailliertes und gut unterstütztes Projekt abgeschlossen haben Evolutionsbaum der Oktokoralen im Jahr 2022. Quattrini und ihre Mitarbeiter erstellten diese Karte evolutionärer Beziehungen oder Phylogenie anhand genetischer Daten von 185 Arten von Oktokoralen.

Nachdem dieser Evolutionsbaum auf genetischen Beweisen beruhte, lokalisierten DeLeo und Quattrini dann zwei Oktokoralfossilien bekannten Alters innerhalb des Baums entsprechend ihren physikalischen Merkmalen. Die Wissenschaftler konnten anhand des Alters der Fossilien und ihrer jeweiligen Positionen im Evolutionsbaum der Oktokorallen ungefähr herausfinden, wann sich die Abstammungslinien der Oktokorallen aufspalteten und in zwei oder mehr Zweige übergingen.

Als nächstes kartierte das Team die Zweige der Phylogenie, in denen lebende biolumineszierende Arten vorkommen.

Nachdem der Evolutionsbaum datiert und die Zweige, die leuchtende Arten enthielten, beschriftet waren, führte das Team anschließend eine Reihe statistischer Techniken durch, um eine Analyse namens „Ahnenzustandsrekonstruktion“ durchzuführen.

„Wenn wir wissen, dass diese heute lebenden Oktokoralarten biolumineszierend sind, können wir anhand von Statistiken ableiten, ob ihre Vorfahren mit hoher Wahrscheinlichkeit biolumineszierend waren oder nicht“, sagte Quattrini. „Je mehr lebende Arten das gemeinsame Merkmal aufweisen, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass diese Vorfahren wahrscheinlich auch dieses Merkmal hatten, wenn man in die Vergangenheit zurückblickt.“

Die Forscher nutzten zahlreiche verschiedene statistische Methoden für die Rekonstruktion ihres Ahnenzustands, kamen aber alle zum gleichen Ergebnis: Vor etwa 540 Millionen Jahren waren die gemeinsamen Vorfahren aller Oktokoralen höchstwahrscheinlich biolumineszent. Das ist 273 Millionen Jahre früher als die leuchtenden Muschelkrebse, die zuvor den Titel der frühesten Entwicklung der Biolumineszenz bei Tieren trugen.

DeLeo und Quattrini sagten, dass die Tausenden lebenden Vertreter der Oktokoralen und die relativ hohe Häufigkeit von Biolumineszenz darauf hindeuten, dass das Merkmal eine Rolle für den evolutionären Erfolg der Gruppe gespielt hat. Dies wirft weiterhin die Frage auf, wozu Oktokoralen Biolumineszenz genau nutzen. Die Forscher sagten jedoch, dass die Tatsache, dass sie so lange beibehalten wurde, zeigt, wie wichtig diese Form der Kommunikation für ihre Fitness und ihr Überleben geworden ist.

Da die Forscher nun wissen, dass der gemeinsame Vorfahre aller Oktokoralen wahrscheinlich bereits die Fähigkeit hatte, eigenes Licht zu erzeugen, sind sie an einer genaueren Untersuchung darüber interessiert, welche der mehr als 3.000 lebenden Arten der Gruppe noch leuchten können und welche diese Eigenschaft verloren haben . Dies könnte dazu beitragen, eine Reihe ökologischer Umstände zu ermitteln, die mit der Fähigkeit zur Biolumineszenz und möglicherweise der Beleuchtung ihrer Funktion zusammenhängen.

Zu diesem Zweck arbeiten sie und einige ihrer Co-Autoren laut DeLeo an der Entwicklung eines Gentests, um festzustellen, ob eine Oktokoralart über funktionelle Kopien der Gene verfügt, die der Luciferase zugrunde liegen, einem Enzym, das an der Biolumineszenz beteiligt ist. Für Arten mit unbekannter Leuchtkraft würde ein solcher Test es den Forschern ermöglichen, schneller und einfacher eine Antwort auf die eine oder andere Weise zu erhalten.

Abgesehen davon, dass sie Aufschluss über die Ursprünge der Biolumineszenz gibt, bietet diese Studie auch einen evolutionären Kontext und Einblicke, die als Grundlage für die Überwachung und Bewirtschaftung dieser Korallen heute dienen können. Oktokorallen sind durch den Klimawandel und Aktivitäten zur Ressourcengewinnung bedroht, insbesondere durch Fischerei, Öl- und Gasförderung und -verschmutzungen sowie in jüngerer Zeit durch den Abbau von Meeresmineralien.

Diese Forschung unterstützt das Museum Ozeanwissenschaftliches Zentrum, dessen Ziel es ist, das Wissen über den Ozean voranzutreiben und mit der Welt zu teilen. DeLeo und Quattrini sagten, es gebe noch viel mehr zu lernen, bevor Wissenschaftler verstehen könnten, warum sich die Fähigkeit, Licht zu erzeugen, erstmals entwickelt habe, und obwohl ihre Ergebnisse ihre Ursprünge tief in der Evolutionszeit verorten, besteht weiterhin die Möglichkeit, dass zukünftige Studien entdecken werden, dass die Biolumineszenz noch älter ist .

An dieser Studie sind Autoren beteiligt, die mit der Florida International University, dem Monterey Bay Aquarium Research Institute, der Nagoya University, dem Harvey Mudd College und der University of California, Santa Cruz, verbunden sind.