Frühe Familienbande

Kein Schwamm im Stammbaum des Menschen

München, 03.04.2009

Schon seit der Zeit von Charles Darwin bemühen sich Forscher, den „Stammbaum des Lebens“ zu rekonstruieren und die Entwicklung von Tier- und Pflanzenarten im Lauf der Evolution zu verstehen. Was die Wirbeltiere betrifft, ist diese Forschung schon relativ weit fortgeschritten. Umstritten sind dagegen die Verwandtschaftsbeziehungen von Großgruppen von Tieren, die sehr früh in der Evolution, wahrscheinlich im späten Präkambrium vor ca. 650 bis 540 Millionen Jahren, entstanden sind. Nun ist es einem internationalen Forscherteam unter der Leitung des LMU-Geobiologen Professor Gert Wörheide gelungen, die Verwandtschaft zwischen einigen dieser frühen Arten mit hoher Sicherheit aufzuklären. In der bisher umfassendsten Studie dieser Art konnten die Forscher unter anderem zeigen, dass alle Schwämme von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen, der jedoch kein Vorfahr der Wirbeltiere ist. Auch der Mensch stammt damit nicht vom Schwamm ab, wie von manchen Wissenschaftlern vermutet wurde. Zudem legen die Ergebnisse nahe, dass sich das Nervensystem nur einmal im Lauf der Evolution entwickelt hat. (Current Biology online, 2. April 2009).

Im Rahmen einer „Systematik der Tiere“ unterteilen Biologen die Tierwelt in Abteilungen, Stämme und Klassen. Zu den sehr alten Tiergruppen gehören dabei die Schwämme (Porifera), die Scheibentiere (Placozoa) die Nesseltiere (Cnideria) und die Rippenquallen (Ctenophora). Die Schwämme sind recht einfach gebaut, sie haben noch keine Organe. Auch die Scheibentiere besitzen eine einfache Struktur: Sie haben einen flachen, scheibenförmigen Körper und keine inneren Organe. Bei Rippenquallen handelt es sich um quallenähnliche Lebewesen. Korallen, Quallen und Seeanemonen zählen dagegen zu den Nesseltieren. Wie diese frühen Tiergruppen miteinander verwandt sind, ist bislang nicht vollständig geklärt, verschiedene Forschergruppen kommen immer wieder zu unterschiedlichen Ergebnissen. Insbesondere widersprechen sich häufig die Resultate von morphologischen Untersuchungen, die nach strukturellen Ähnlichkeiten der verschiedenen Organismen suchen, und molekularbiologischen Studien, die sich mit der Funktion der Gene befassen und dort nach Übereinstimmungen suchen.

Um diese Widersprüche auszuräumen, betrachteten Wörheide und seine Kollegen Hervé Philippe, Montréal, und Michael Manuel, Paris, in der bislang umfangreichsten Studie dieser Art 128 Gene von insgesamt 55 Arten – unter anderem von neun Schwämmen, acht Nesseltieren, drei Rippenquallen und den Scheibentieren, von denen es nur eine einzige beschriebene Art gibt. Die Grundlage ihrer Analysen bildete der relativ neue Ansatz der Phylogenomik, bei dem die stammesgeschichtliche Ähnlichkeit von Lebewesen durch den Vergleich ihrer Gene bestimmt wird. Zusammen mit Biochemikern, Evolutionsforschern und Bioinformatikern aus Göttingen, Frankreich und Kanada analysierten die Forscher mehr als 30.000 einzelne Positionen in der Erbinformation, die für die Zusammensetzung von Proteinen kodieren. Mithilfe rechnergestützter Analysen erstellten die Forscher dann einen evolutionären Stammbaum, der den Verwandtschaftsgrad der einzelnen Arten darstellt.

Eines der Hauptergebnisse der Studie legt nahe, dass alle Schwamm-Arten von einem einzigen Vorfahren abstammen. Dieser ist jedoch kein direkter Vorfahr der Zweiseitentiere (Bilateria), zu denen Würmer, Weichtiere und Insekten, aber auch die Wirbeltiere gehören. „Wenn dies der Fall wäre, wie einige frühere molekulare Studien wiederholt behauptet haben, wären wir alle Abkömmlinge von schwammartigen Organismen“, erläutert Wörheide. „Diese These hat in der Vergangenheit für viel Aufmerksamkeit gesorgt. Unsere Ergebnisse widersprechen ihr jedoch eindeutig.“ Weiterhin ergaben die Analysen, dass Rippenquallen und Nesseltiere mit hoher Wahrscheinlichkeit eine gemeinsame Gruppe bilden. „Diese Gruppe der Hohltiere oder Coelenterata ist zugleich eng verwandt mit den Zweiseitentieren“, erklärt Wörheide. „Damit bestätigt unsere Studie nach vielen Kontroversen ein Konzept, das schon um 1848 formuliert wurde.“

Auch über die Entwicklung einzelner Organsysteme lässt die Untersuchung neue Schlüsse zu. „Sowohl Hohltiere als auch Zweiseitentiere besitzen bereits Nervenzellen. Die beobachtete enge Verwandtschaft spricht nun dafür, dass sich das Nervensystem nur einmal im Lauf der Evolution entwickelt hat“, so Wörheide. Eine kürzlich erschienene, bezüglich der nicht-Zweiseitentiere weniger umfassende Studie habe dagegen die ungewöhnliche These aufgestellt, dass sich die Rippenquallen schon vor den Schwämmen von den anderen Arten wegentwickelt hätten. „Da die Rippenquallen bereits Nerven- und Muskelzellen besitzen, würde das bedeuten, dass sich diese im Lauf der Evolution mehrmals unabhängig voneinander entwickelt haben oder in den Schwämmen und Scheibentieren verloren gegangen sind“, erklärt der LMU-Forscher.

Zugleich bildet die neue Studie, die eine größere Zahl evolutionär alter Lebensformen verglichen hat als je zuvor analysiert wurden, einen viel versprechenden Rahmen für weitere Untersuchungen. „Aufbauend auf unsere Ergebnisse können wir in Zukunft besser untersuchen, wie sich bestimmte Schlüsselmerkmale bei den Tieren entwickelt haben“, sagt Wörheide. So gebe es zum Beispiel Hinweise darauf, dass sich schon in den Genen von Schwämmen Vorläufer der Anlagen für das Nervensystem finden. Und bei einer bestimmten Quallengruppe, den Würfelquallen, lassen sich bereits augenähnliche Sinnesorgane feststellen. „In zukünftigen Studien wird es nun unter anderem darum gehen, wie früh die Anlagen für Nervensystem, Muskelzellen oder Sinnesorgane bereits vorhanden waren und wie sie sich im Lauf der Evolution entwickelt haben“, so Wörheide. (ca/suwe) Das Projekt wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Schwerpunktprogramms 1174 „Deep Metazoan Phylogeny“ (www.deep-phylogeny.org) gefördert.

Publikation:
„Phylogenomics revives traditional views on deep animal relationships”;
Hervé Philippe Romain Derelle, Philippe Lopez, Kerstin Pick, Carole Borchiellini, Nicole Boury-Esnault, Jean Vacalet, Emmanuelle Renard, Evelyn Houliston, Eric Quéinnec, Corinne Da Silva, Patrick Wincker, Hervé Le Guyader, Sally Leys, Daniel J. Jackson, Fabian Schreiber, Dirk Erpenbeck, Burkhard Morgenstern, Gert Wörheide und Michaël Manuel; Current Biology online 2. April 2009;
DOI: doi:10.1016/j.cub.2009.02.052

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Gert Wörheide
Department für Geo- und Umweltwissenschaften und GeoBioCenter Sektion Paläontologie
Tel.: +49-(0)89 / 2180 - 6718
Fax: +49-(0)89 / 2180 - 6601
E-Mail: woerheide@lmu.de
Webseite: www.lmu.de/palaeo bzw. www.mol-palaeo.de