Die molekulare Uhr und das plötzliche Auftauchen komplexer Tiere

Die ältesten versteinerten Spuren komplexer Tiere treten im Fossilbericht unvermittelt auf: in Gesteinen, die 538 Millionen Jahre alt sind, scheinen sie wie aus dem Nichts zu erscheinen.

Zu den allerfrühesten zählen schlichte fossilisierte Spuren, die als Treptichnus bezeichnet werden und von einem wurmartigen Lebewesen mit Kopf und Schwanz stammen. Kurz darauf folgt eine Vielzahl weiterer Tiere – Vorfahren der heute bekannten, vielfältigen Tiergruppen: urzeitliche, krabbenähnliche Gliederfüsser, beschalte Weichtiere sowie die Ahnen von Seesternen und Seeigeln.

Dass so unterschiedliche Tiere rasch auftauchten, während sie in nur geringfügig älteren Gesteinen fehlen, bereitete Charles Darwin Kopfzerbrechen. Dieses Muster schien seiner Vorstellung einer schrittweisen Evolution zu widersprechen – und beschäftigt Forschende bis heute.

Eine neue Facharbeit könnte nun jedoch eine Erklärung liefern.

Darwins Problem mit den frühen Tieren

1859 schrieb Darwin in Über die Entstehung der Arten: „Wenn meine Theorie wahr ist … muss die Welt während dieser gewaltigen … Zeiträume von lebenden Geschöpfen gewimmelt haben. Auf die Frage, warum wir keine Aufzeichnungen dieser gewaltigen Urperioden finden, kann ich keine zufriedenstellende Antwort geben.“

Die Fachwelt ist sich heute uneinig darüber, wann sich diese frühen Tiere entwickelten. Auslöser des Problems ist eine Erfindung des späten 20. Jahrhunderts: die molekulare Uhr.

Wie ich in meinem Buch Der Baum des Lebens erläutere, beruht die molekulare Uhr auf der Annahme, dass sich Veränderungen in Genen gleichmässig ansammeln – ähnlich den regelmässigen Schlägen einer Standuhr.

Trifft diese Annahme zu, lässt sich aus der Zahl genetischer Unterschiede zwischen zwei Tieren berechnen, wie weit sie voneinander entfernt verwandt sind – also wie lange ihr gemeinsamer Vorfahr zurückliegt.

Menschen und Schimpansen etwa trennten sich vor 6 Millionen Jahren. Nehmen wir an, ein Schimpansengen weist im Vergleich zum entsprechenden menschlichen Gen sechs genetische Unterschiede auf. Wenn die molekulare Uhr regelmässig tickt, bedeutet dies: Ein genetischer Unterschied zwischen zwei Arten entspricht einer Million Jahren.

Damit sollte die molekulare Uhr es ermöglichen, Evolutionsereignisse im gesamten Baum des Lebens geologisch zu datieren.

Molekulare Uhr und die Lücke im Fossilbericht

Als Zoologinnen und Zoologen molekulare Uhren erstmals auf diese Weise einsetzten, kamen sie zum aussergewöhnlichen Schluss, dass der gemeinsame Vorfahr aller komplexen Tiere bereits vor bis zu 1,2 Milliarden Jahren lebte. Spätere Verbesserungen ergaben deutlich plausiblere Schätzungen: Der tierische Vorfahr wird nun auf rund 570 Millionen Jahre datiert.

Das liegt allerdings noch immer ungefähr 30 Millionen Jahre vor den ersten Fossilien.

Für Darwin ist diese 30 Millionen Jahre umfassende Lücke eigentlich hilfreich. Sie lässt ausreichend Zeit, damit sich der Vorfahr komplexer Tiere ohne Hast weiterentwickeln und in neue Arten aufspalten konnte, die durch natürliche Selektion allmählich so unterschiedliche Formen wie Fische, Krabben, Schnecken und Seesterne annahmen.

Doch dieses hohe Alter setzt voraus, dass zahlreiche urzeitliche Tiere 30 Millionen Jahre lang durch die damaligen Meere schwammen, glitten und krochen, ohne auch nur ein einziges Fossil zu hinterlassen. Lücken im Fossilbericht werden zwar erwartet, aber diese wäre gewaltig.

Eine verbreitete Erklärung für die fehlenden Fossilien lautet, dass komplexe Tiere während dieser 30 Millionen Jahre winzig und weich waren und sich daher nur schwer fossilisierten. Um etwa 540 Millionen Jahre vor heute sollen diese kleinen Tiere dann grösser geworden sein, möglicherweise wegen steigender Sauerstoffwerte.

Einige Forschende erklären mit diesem Grössenzuwachs das plötzliche Auftauchen komplexer Tiere im Fossilbericht.

Eine schneller tickende molekulare Uhr

Die neue Arbeit des Paläontologen Graham Budd und des Mathematikers Richard Mann bietet eine andere Erklärung für die Kluft zwischen dem von der molekularen Uhr vorhergesagten alten Vorfahren und dem späteren, abrupteren Erscheinen komplexer Fossilien. Budd und Mann vermuten, dass die molekulare Uhr möglicherweise weniger gleichmässig tickt als bislang angenommen.

Ihre neue Idee lautet: Sobald eine grosse Organismengruppe erstmals entsteht, beschleunigt sich die Evolution.

Um zum Beispiel zurückzukehren: Unsere gedachte Uhr könnte über einige Millionen Jahre hinweg nicht einmal, sondern zweimal pro Million Jahre getickt haben. Eine schneller laufende Uhr erweckt den Eindruck, dass mehr Zeit vergangen ist – wie beim Vorspulen eines Videos – und würde das Alter des tierischen Vorfahren weiter in die Vergangenheit verlegen.

Gene, die sich rascher verändern, würden auch eine schnellere Veränderung des Erscheinungsbilds der Tiere erlauben. Das entschärft Darwins Dilemma, weil sich die verschiedenen Äste des Stammbaums der Tiere leichter voneinander unterscheiden könnten. Der erste tierische Vorfahr hätte sich rasch in Wirbeltiere, Weichtiere, Gliederfüsser und Seesterne aufspalten können.

Insgesamt würde diese neue Vorstellung das Alter des Vorfahren komplexer Tiere wesentlich besser mit dem Auftreten seiner unmittelbaren Nachfahren im Fossilbericht in Einklang bringen.

Die Hypothese einer schneller tickenden Uhr muss zwar noch geprüft werden, könnte aber auch andere Abweichungen zwischen molekularen Uhren und dem Fossilbericht erklären. Vielleicht existierten die ersten Blütenpflanzen tatsächlich bereits viele Millionen Jahre, bevor sie endlich ein Fossil hinterliessen. Ebenso könnte sie wissenschaftliche Debatten darüber klären, ob frühe Primaten, Fleischfresser und Nagetiere tatsächlich neben den letzten Dinosauriern lebten.

Zumindest bei der Entstehung der Tiere bin ich überzeugt, dass Darwin zustimmen würde.

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Max Telford, Jodrell-Professor für Zoologie und vergleichende Anatomie, UCL

Dieser Artikel wird unter einer Creative-Commons-Lizenz von The Conversation erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.