Überreste einer ausgestorbenen Welt von Lebewesen entdeckt

Neu entdeckte Überreste von Biomarkern, Protosteroide, deuten auf eine
ganze Reihe bisher unbekannter Organismen hin, die vor etwa einer
Milliarde Jahren das damalige komplexe Leben auf der Erde beherrschten.
Sie unterschieden sich von den eukaryontischen Lebewesen, wie wir sie
kennen, also von Menschen, Tieren, Pflanzen und Algen, durch ihren
Zellaufbau und wahrscheinlich auch durch ihren Stoffwechsel, der an eine
Welt angepasst war, die weit weniger Sauerstoff in der Atmosphäre aufwies
als heute. Ein internationales Forscherteam, dem auch der GFZ-Geochemiker
Christian Hallmann angehört, berichtet jetzt in der Fachzeitschrift Nature
über diesen Durchbruch für die evolutionäre Geobiologie.

Die neu entdeckten „Protosteroide“ waren im Erdmittelalter überraschend
häufig. Produziert wurden diese Ur-Fette in einem früheren Stadium der
eukaryontischen Komplexität. Die Funde verlängern damit das Alter der
fossilen Belege von Steroiden auf über 800 Millionen Jahre vor heute
hinaus bis zu 1600 Millionen Jahre vor heute. Eukaryonten ist die
Bezeichnung für ein „Reich“, zu dem alle Tiere, Pflanzen und Algen gehören
und das sich von den Bakterien (einem anderen „Reich“ des Lebens) durch
eine komplexe Zellstruktur mit einem Zellkern und einem komplexeren
molekularen Apparat unterscheidet. „Das Besondere an dieser Entdeckung ist
nicht nur der viel früher zu datierende molekulare Nachweis von
Eukaryonten“, sagt Hallmann: „Da der letzte gemeinsame Vorfahre aller
modernen Eukaryonten, einschließlich des Menschen, wahrscheinlich in der
Lage war, 'normale' moderne Sterine zu produzieren, ist die
Wahrscheinlichkeit groß, dass die Eukaryonten, die für diese seltenen
Signaturen verantwortlich sind, zum „Stamm“ des evolutionären Baumes
gehörten."

Beispielloser Einblick in verlorene Welt

Dieser „Stamm“ stellt die gemeinsame Linie jener Organismen dar, die
Vorfahren aller heute lebender Zweige der Eukaryonten waren. Ihre
Vertreter sind längst ausgestorben, doch Einzelheiten über ihre Natur
könnten Aufschluss über die Bedingungen für die Entstehung von komplexem
Leben geben. Die Forschenden sehen zwar noch weiteren Forschungsbedarf, um
etwa zu ermitteln, wie hoch der Anteil der Protosteroide ist, der
möglicherweise aus einer seltenen bakteriellen Quelle stammt.

Aber die Entdeckung dieser neuen Moleküle bringt nicht nur die
geologischen Spuren der herkömmlichen Fossilien mit denen der fossilen
Lipidmoleküle in Einklang, sondern gewährt auch einen beispiellosen
Einblick in eine verlorene Welt des frühen Lebens. Die Verdrängung der
Eukaryonten der Stammgruppe, die durch das erste Auftreten moderner
fossiler Steroide vor etwa 800 Millionen Jahren gekennzeichnet ist, könnte
eines der einschneidendsten Ereignisse in der Evolution des zunehmend
komplexen Lebens darstellen.

„Fast alle Eukaryonten erzeugen Steroide, wie z. B. Cholesterin, das von
Menschen und den meisten anderen Tieren produziert wird“, fügt Erstautor
Benjamin Nettersheim von der Universität Bremen hinzu. „Aufgrund der
potenziell gesundheitsschädlichen Auswirkungen eines erhöhten
Cholesterinspiegels beim Menschen hat Cholesterin aus medizinischer Sicht
nicht den besten Ruf. Diese Lipidmoleküle sind jedoch integraler
Bestandteil der eukaryontischen Zellmembranen, wo sie eine Vielzahl
physiologischer Funktionen erfüllen. Durch die Suche nach fossilen
Steroiden in alten Ablagerungen können wir die Entwicklung von immer
komplexerem Leben nachvollziehen.“

Was der Nobelpreisträger nicht für möglich hielt

Der Nobelpreisträger Konrad Bloch hatte bereits vor fast 30 Jahren in
einem Aufsatz über einen solchen Biomarker spekuliert. Bloch postulierte,
dass kurzlebige Zwischenprodukte in der modernen Biosynthese von Steroiden
möglicherweise nicht immer nur Zwischenprodukte waren. Er nahm vielmehr
an, dass sich die Lipidbiosynthese im Laufe der Erdgeschichte parallel zu
den sich ändernden Umweltbedingungen entwickelt hat. Im Gegensatz zu
Bloch, der nicht glaubte, dass diese alten Zwischenprodukte jemals
gefunden werden könnten, machte sich Nettersheim auf die Suche nach
Protosteroiden in Gesteinen, die zu einer Zeit abgelagert wurden, als
diese Zwischenprodukte tatsächlich das Endprodukt gewesen sein könnten.

Aber wie findet man solche Moleküle in alten Gesteinen? „Wir haben eine
Kombination von Techniken angewandt, um verschiedene moderne Steroide
zunächst in ihr fossiles Äquivalent umzuwandeln; andernfalls hätten wir
gar nicht gewusst, wonach wir suchen sollten“, sagt Jochen Brocks,
Professor an der Australian National University, der sich die
Erstautorenschaft der neuen Studie mit Nettersheim teilt. Forschende
hatten diese Moleküle jahrzehntelang übersehen, weil sie nicht in das
typische Raster der Molekülsuche passen. „Sobald wir unser Ziel kannten,
entdeckten wir, dass Dutzende anderer Gesteine, die aus Milliarden Jahre
alten Gewässern auf der ganzen Welt stammten, mit ähnlichen fossilen
Molekülen übersät waren“, sagt Brocks.

Umweltveränderungen und der Niedergang des urtümlichen Lebens

Die ältesten Proben mit dem Biomarker kommen aus der Barney-Creek-
Formation in Australien und sind 1,64 Milliarden Jahre alt. In den
Gesteinsschichten der nächsten 800 Millionen Jahre finden sich nur fossile
Moleküle von Ur-Eukaryonten, bevor molekulare Signaturen moderner
Eukaryonten erstmals in der so genannten Tonium-Periode auftreten. Laut
Nettersheim „erweist sich die Tonium-Transformation als einer der
tiefgreifendsten ökologischen Wendepunkte in der Geschichte unseres
Planeten“. Hallmann fügt hinzu, dass „sowohl primordiale Stammgruppen als
auch moderne eukaryotische Vertreter wie Rotalgen viele hundert Millionen
Jahre lang nebeneinander gelebt haben dürften“.

In dieser Zeit wurde die Erdatmosphäre jedoch zunehmend mit Sauerstoff
angereichert – einem Stoffwechselprodukt der Cyanobakterien und der ersten
eukaryontischen Algen, das für viele andere Organismen giftig war. Später
kam es zu globalen Vereisungen („Schneeball-Erde“) und die Protosterol-
Gemeinschaften starben weitgehend aus. Der letzte gemeinsame Vorfahre
aller lebenden Eukaryonten könnte vor 1,2 bis 1,8 Milliarden Jahren gelebt
haben. Seine Nachkommen waren wahrscheinlich besser in der Lage, Hitze und
Kälte sowie UV-Strahlung zu überleben und verdrängten ihre ursprünglichen
Verwandten.

Da alle Stammgruppen-Eukaryonten längst ausgestorben sind und nur die Äste
überlebt haben, werden wir nie mit Sicherheit wissen, wie die meisten
unserer frühen Verwandten aussahen. Aber die Ur-Steroide werfen
möglicherweise mehr Licht auf ihre Biochemie und Lebensweise. „Die Erde
war während eines Großteils ihrer Geschichte eine mikrobielle Welt, deren
Bewohner nur wenige Spuren hinterlassen haben“, fasst Nettersheim
zusammen. Die Forschung an der ANU, dem MARUM und dem GFZ ist weiterhin
auf der Suche nach den Wurzeln unseres Lebens – die Entdeckung der
Protosterole bringt uns nach Ansicht der Forschenden einen Schritt näher
an das Verständnis, wie unsere frühesten Vorfahren lebten und sich
entwickelten.