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Streiflichter


Studium Integrale Journal
19. Jahrgang / Heft 2 - Oktober 2012
Seite 112 - 119





Der Wurmfortsatz (Appendix) des menschlichen Blinddarms ist vielleicht das bekannteste Beispiel eines rudimentären Organs, das seine frühere Funktion verloren habe und daher oft als nutzloser und sogar gefährlicher Rest einer evolutiven Rückbildung angesehen wird. Solche (vermeintlich) rudimentären Organe werden oft auch als Belege gegen Schöpfung gewertet. Es gibt allerdings schon lange Hinweise auf eine Funktionalität des Wurmfortsatzes und es spricht auch manches dagegen, dass dieser bleistiftgroße Darmanhang überhaupt als rückgebildet gelten kann (zusammenfassend bei Junker 2008). Und vor einigen Jahren fanden Bollinger et al. (2007) heraus, dass der Wurmfortsatz des Menschen eine Art Zufluchtsort und Rettungsstation für symbiotische Bakterien darstellt, die das Wachstum nützlicher Darmbakterien fördert und bei durchfallbedingten Darmentleerungen die Wiederbesiedlung mit diesen Bakterien ermöglicht bzw. erleichtert. Diesen Bakterien fällt die Aufgabe zu, die Ausbreitung gefährlicher Krankheitserreger im menschlichen Verdauungstrakt zu verhindern, was besonders nach Durchfallerkrankungen sehr wichtig ist. Die Forscher schlussfolgerten, dass der Wurmfortsatz für eine bedeutsame Funktion offensichtlich optimal eingerichtet ist.

Die Hypothese vom Wurmfortsatz als Zufluchtsort konnte inzwischen getestet werden. Es wurde untersucht, ob Patienten, die eine schwere Darminfektion hatten, sich besser erholten, wenn sie noch im Besitz des Wurmfortsatzes waren, als solche Patienten, bei denen das nicht der Fall war und die die dieselbe Infektion hatten. James Grendell vom Winthrop University-Hospital und Kollegen untersuchten die Folgen von Infektionen mit dem Krankheitserreger Clostridium difficile (Im et al. 2011). C. difficile ist besonders gefährlich, wenn die natürliche Darmflora, die den Erreger normalerweise in Schach hält, zu stark dezimiert ist (z. B. nach einer Antibiotikatherapie). Patienten mit dem Wurmfortsatz sollten daher einen messbar größeren Schutz vor einer Wiederholungsinfektion nach erfolgreicher Ersttherapie einer bakteriellen Darminfektion mit C. difficile besitzen.

Grendells Team konnte 254 geeignete Patienten entsprechend untersuchen. Dabei zeigte sich tatsächlich, dass Personen ohne Wurmfortsatz viermal häufiger von einem Wiederauftreten von C. difficile betroffen waren, genau wie aufgrund der Hypothese vom Wurmfortsatz als Zufluchtsort für schützende Darmbakterien vorhergesagt wurde.

Diese Hypothese ist damit noch nicht endgültig bewiesen, da die festgestellten Unterschiede auch andere Ursachen haben könnten oder gar nicht typisch sind (vgl. Dunn 2012). Zur endgültigen Klärung sind weitere Studien erforderlich.

R. Junker

[Bollinger RR, Barbas AS, Bush EL, Lin SS & Parker W (2007) Biofilms in the large bowel suggest an apparent function of the human vermiform appendix. J. Theor. Biol. 249, 826-831; Dunn R (2012) Your Appendix Could Save Your Life. http://blogs.scientificamerican.com/guest-blog/2012/01/02/your-appendix-could-save-your-life; Im GY, Modayil RJ, Lin CT, Geier SJ Katz DS, Feuerman M & Grendell JH (2011) The appendix may protect against Clostridium difficile recurrence. Clin. Gastroenterol. Hepatol. 9, 1072–1077; Junker R (2008) Der Wurmfortsatz als Rettungsstation Stud. Int. J. 15, 31-32.]


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Wie ist die Vielfalt der frühen Homininen zu erklären, wenn sich ihr Lebensraum in Ostafrika über Jahrmillionen kaum verändert hat?

Bei den meisten Diskussionen um den Ursprung des Menschen spielt die Savannenhypothese eine grundlegende Rolle. Ganz allgemein steht dahinter die Vorstellung, dass sich in Afrika der Lebensraum der frühen Homininen („Vormenschen“ und echte frühe Menschen) vom Wald im Miozän vor 23 bis 5 Millionen Jahren in eine Savanne im Plio-Pleistozän (letzte 5 Millionen Jahre) verändert hat. Die Savanne ist eine Landschaft der Tropen, die durch ihren offenen Bewuchs (Graslandschaft) mit in relativ regelmäßigen Abständen stehenden Bäumen charakterisiert ist. Im Plio-Pleistozän entstanden nach der Evolutionshypothese aufgrund der Änderungen der Lebensräume der zweibeinige Gang, die Gehirnvergrößerung und andere Merkmale des Menschen.

Aber dieses Bild hat in den letzten Jahren Risse bekommen und scheint nun sogar widerlegt zu sein. So zeigen sich Hinweise darauf, dass im Miozän Afrikas echte Wüsten wie die Sahara existiert haben und dass Afrika im Plio-Pleistozän stärker bewaldet war (Feibel 2011). Forscher um Thure Cerling von der Universität Utah in Salt Lake City haben dieses Bild weiter zerstört. Damit treten grundsätzliche Fragen zur Evolution des Menschen auf.

Die Forschergruppe untersuchte 1300 Proben fossiler Böden von homininen Fundplätzen Ostafrikas des Awash- und Omo-Turkana-Beckens oder von nahe gelegenen Gebieten (Abb. 1). Dabei dienten Kohlenstoffisotope als Anhaltspunkte für den einstigen Bewuchs.

Gosses Bild
Abb. 1: Cerling et al. (2011) sammelten zahlreiche Bodenproben vom Awash- (links) und von Omo-Turkana-Becken (rechts) aus dem östlichen Afrika, um den Lebensraum der frühen Homininen zu erforschen. Aus Feibel (2011), Abdruck mit freundlicher Genehmigung.

Die Auswertung ergab, dass während der letzten sechs Millionen Jahre die untersuchten Gebiete die meiste Zeit von weniger als 40% Baumbedeckung geprägt waren. Weniger als 1% der fossilen Proben ließ auf eine Landschaft schließen, die zu 70% mit Bäumen bedeckt war. Geschlossener Wald (über 80%) herrschte nur auf einem ganz kleinen Gebiet vor. Dem relativ offenen Habitat vom Späten Miozän (6 Mill. Jahre) bis Frühen Pliozän folgte im Mittleren Pliozän eine mehr bewaldete Landschaft mit 40-60% Baumbedeckung. Vom Mittleren Pliozän bis zum Pleistozän (3,6 bis 1,4 Mill. Jahre) entwickelte sich wieder eine offene Landschaft, die während des Pleistozäns (1,8 bis 0,01 Mill. Jahre) am stärksten ausgebildet war. Die Daten zeigen also, dass an den Fundplätzen der frühen Homininen des Awash- und Omo-Turkana-Beckens in Ostafrika in den letzten sechs Millionen Jahren vorwiegend offene Savanne herrschte (Cerling et al. 2011). Diese Ergebnisse werfen neue Fragen zum Ursprung der frühen Homininen („Vormenschen“) auf.

Im Evolutionsmodell wird angenommen, dass der letzte gemeinsame Vorfahre von Mensch und Schimpanse in einem mit Wald bedeckten Gebiet lebte. Nach der Aufspaltung vor 5 bis 8 Millionen Jahren in eine Linie, die zum Menschen führt, und eine zweite Linie, die zum Schimpansen führt, nahm die Bewaldung ab (Cerling et al. 2011).

Die Rolle des Savannenökosystems auf die Evolution der frühen Homininen wird zwar kontrovers diskutiert, aber dass das Savannenökosystem einen Einfluss auf Merkmale der frühen Homininen wie Fortbewegung (Zweibeinigkeit) und Ernährung hatte, darüber besteht weitestgehend Konsens. Die Rolle der Savanne („Savannenhypothese“ seit 1925) in der menschlichen Evolution wird bis heute in dem Bemühen diskutiert, die Fossilfolge der Homininen in Beziehung zur Umwelt zu interpretieren (Cerling 2011).

Die Untersuchung von Cerling et al. (2001) hat nun aber gezeigt, dass der Lebensraum der frühen Homininen überwiegend wenig bewaldet war. Aber auch die Variation der Habitate im zeitlichen Verlauf war unerwartet: Während der sehr frühe Hominine Ardipithecus ramidus mit deutlichen Kletteranpassungen in einem offenen Habitat existierte, lebten die frühen Australopithecinen (Au. afarensis), denen eine viel effizientere zweibeinige Fortbewegung als Ardipithecus ramidus zugeschrieben wird, in einer waldreicheren Gegend. Dieses Ergebnis hat die Beziehung zwischen der vermuteten Evolution der Fortbewegung der frühen Homininen und ihrem Lebensraum – zumindest in Ostafrika – entkoppelt.

Damit ist im Evolutionsmodell die Frage nach den Selektionsdrücken, die zur Entstehung des gewohnheitsmäßig schreitenden zweibeinigen Ganges des Menschen von miozänen Menschenaffen über teils zweibeinig sich fortbewegende „Vormenschen“-Formen geführt haben soll, völlig ungeklärt.

M. Brandt

[Cerling TE, Wynn JG, Andanje SA, Bird MI, Kimutai Korir D, Levin NE, Mace W, Macharia AN, Quade J & Remien CR (2011) Woody cover and hominin environments in the past 6 million years. Nature 476, 51-56; Feibel CS (2011) Shades of the savannah. Nature 476, 39-40.]


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Bekanntlich gelten Bauplanähnlichkeiten – klassisch als Homologien bezeichnet – als Beleg für gemeinsame Abstammung und Orientierung für konkrete Abstammungsverhältnisse. Eines der drei berühmten Hauptkriterien für Homologie, die der Zoologe Adolf Remane 1952 aufstellte, ist das der „spezifischen Qualität“: Ähnliche Strukturen sind demnach (unabhängig von ihrer Lage im Organismus) homolog, wenn sie in zahlreichen spezifischen Merkmalen übereinstimmen. Das dahinterstehende Argument ist einsichtig: Eine unabhängige mehrfache Entstehung detaillierter Ähnlichkeiten durch einen ungerichteten Evolutionsprozess ist extrem unwahrscheinlich, wenn nicht ausgeschlossen.

Das Homologie-Argument wird in der Evolutionsbiologie schon lange kritisch diskutiert; eine Übersicht dazu bietet Junker (2002). Nun wurde durch eine Studie gezeigt, dass auch das Kriterium der spezifischen Qualität kein sicheres Kriterium für Homologie ist, jedenfalls dann nicht, wenn Homologien evolutionstheoretisch interpretiert werden als Anzeiger einer gemeinsamen Abstammung. Untersuchungen von Genen, die an der Bildung der quergestreiften Muskulatur bei Nesseltieren und Bilateriern (Zweiseitentiere, das ist der größte Teil der Vielzeller) beteiligt sind, haben gezeigt, dass diese spezielle Muskelform mindes­tens zweimal unabhängig entstanden sein muss.

Dieses Ergebnis ist für die Forscher völlig überraschend, denn die ausgeprägten ultrastrukturellen Ähnlichkeiten der quergestreiften Muskeln bei den verschiedenen Tiergruppen galten als starker Hinweis auf einen gemeinsamen evolutionären Ursprung (Steinmetz et al. 2012, 231; Hejnol 2012, 182). Die charakteristische Streifung kommt dadurch zustande, dass die kontraktilen (zusammenziehbaren) Muskelfibrillen regelmäßig angeordnet sind, so dass ein Muster aus roten Myosinfilamenten und weißen Aktinfilamenten entsteht, die durch die sogenannte Z-Linie begrenzt sind. Der Vorgang der Kontraktion ist hochkomplex. Unter dem Mikroskop sehen die Muskeln der verschiedenen Tiergruppen immer ganz gleich aus.

Eine Untersuchung von 47 Muskelproteinen von 22 Tierarten, deren komplette Genome sequenziert sind, zeigte, dass Quallen und Wirbeltiere nicht ein einziges dieser Gene gemeinsam haben. Dazu gehört der bei den Bilateriern vorkommende Troponin-Komplex, der aus drei Untereinheiten besteht. Gemeinsam mit Myosin und Actin bilden die Troponin-Komplexe den kontraktilen Teil der Muskulatur. Bei Quallen sind die Muskelstreifung und die Regulation der Kontraktion jedoch nicht vom Troponin abhängig (Steinmetz et al. 2012, 232). Damit ist der Schluss unvermeidlich, dass dieses komplexe und spezifische ultrastrukturelle Merkmal der Muskelstreifung und ihre identische Funktion konvergent entstanden sind, was völlig unerwartet ist.

Darüber hinaus müssen zusätzlich weitere Konvergenzen bei der Entstehung der Z-Linie innerhalb der Bilaterier angenommen werden (Steinmetz et al. 2012, 232). Die Autoren schließen (S. 234), dass ultrastrukturelle Ähnlichkeit allein kein zuverlässiger Anzeiger für den Schluss auf einen gemeinsamen evolutiven Ursprung darstellt. In einem Kommentar wirft Hejnol (2012, 182) die Frage auf, in wie vielen weiteren Fällen die Ähnlichkeiten von Zell- und Gewebstypen im Rahmen evolutionärer Interpretationen irreführend sein könnten. Er schließt seinen Kommentar mit dem Satz: „In the meantime, Steinmetz and colleagues have taught us a familiar lesson that which looks similar in nature is not necessarily similar by descent.“

Einige andere Muskelgene bzw. -proteine kommen auch bei Organismen vor, die gar keine Muskeln haben; das zentrale Myosin gehört dazu. In solchen Fällen wird evolutionstheoretisch angenommen, dass diese Gene für eine neue Funktion zusätzlich genutzt wurden (sogenannte Kooption); hier also für eine Funktion im Bereich der Muskeln; ein solcher Vorgang ist aber bis auf geringfügige Änderungen rein hypothetisch.

R. Junker

[Hejnol A (2012) Muscle’s dual origins. Nature 487, 181-182; Junker R (2002) Ähnlichkeiten, Rudimente, Atavismen. Design-Fehler oder Design-Signale? Holzgerlingen; Steinmetz PRH, Kraus JEM et al. (2012) Independent evolution of striated muscles in cnidarians and bilaterians. Nature 487, 231-234.]


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Nachdem aus verschiedenen tief gelegenen Goldminen in Südafrika bzw. damit in Zusammenhang stehenden abgeschlossenen Tiefengewässern wiederholt Hinweise auf Mikroben veröffentlicht worden sind (Lippmann-Pipke et al. 2011), haben kürzlich Borgonie et al. (2011) mehrzellige Organismen (Metazoa) in diesen Systemen dokumentiert. Sie haben in Wasserproben aus Gesteinsrissen aus Tiefen von 0,5 bis 3,6 km einen bisher unbekannten Fadenwurm (Nematoda) beschrieben: Halocephalobus mephisto (mephisto, gr.: der das Licht nicht liebt).

Der Fadenwurm ist in der Lage, bei erhöhten Temperaturen zu leben (Temperatur maximalen Wachstums: 41 °C), reproduziert sich ungeschlechtlich und ernährt sich von Mikroben.

Für ihre Untersuchungen nutzte das Forscherteam um T. C. Onstott 22 Wasserproben aus 6 Bohrlöchern von fünf Minen in Südafrika. In Proben der Beatrix Goldmine wurde der neue Nematode gefunden. Auch in anderen Proben wurden Nematoden gefunden, diese konnten jedoch bekannten Arten zugeordnet werden. Die Gefahr einer Infektion der beprobten Bohrungen halten die Autoren aufgrund der Vorsichtsmaßnahmen und von Kontrollexperimenten für sehr gering.14C-Datierungen ergaben ein Alter der Wasserproben von 2.900 bis 12.100 Jahren.

Es scheint also tief unter der Erdoberfläche komplexe Ökosysteme zu geben, in welchen Mikroorganismen chemolithotroph leben und an den Gesteinsoberflächen Biofilme bilden. Dabei handelt es sich um eine Ernährungsform, bei der ausschließlich auf anorganische Chemikalien zurückgegriffen wird. Die hier genannten Befunde weisen darauf hin, dass die Mikroorganismen von Nematoden abgeweidet werden. Die Autoren ziehen aus ihren Befunden optimistische Hoffnungen in Bezug auf zukünftige Suche nach komplexeren Lebensformen auf dem Mars. Dabei geben ihre Studien bislang jedoch nur Hinweise darauf, dass wir die Lebensräume auf der Erde noch sehr ungenügend kennen und zunächst großer Bedarf besteht, diese gründlich zu studieren und besser kennen zu lernen.

H. Binder

[Borgonie G, Gracia-Moyano A, Litthauer D, Bert W, Bester A, van Heerden E, Möller C, Erasmus M & Onstott TC (2011) Nematoda from the terrestrial deep subsurface of South Africa. Nature 474, 79-82; Lippmann-Pipke J, Lollar BS, Niedermann S, Stroncik NA, Naumann R, van Heerden E & Onstott TC (2011) Neon identifies two billion year old fluid components in Kaapvaal Craton. Chem. Geol. doi: 10.1016/j.chemgeo.2011.01.028]


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Abb. 1: Sinosauropteryx aus der Inneren Mongolei. Die faserigen Strukturen entlang der Wirbelsäule werden von einigen Forschern als primitive Federn interpretiert. (Wikimedia Commons, © Sam / Olai Ose / Skjaervoy from Zhangjiagang, China)

In den letzten 15 Jahren hat sich das evolutionstheoretische Bild von der Entstehung der Vögel sehr stark verändert. Lange Zeit stand der „Urvogel“ Archaeopteryx relativ isoliert im Übergangsfeld von Reptilien und Vögeln, vor allem in Bezug auf seine im Wesentlichen „modern“ gebauten Federn. Seit den 1990er Jahren sind jedoch vor allem in China zahlreiche Fossilgattungen von Dinosauriergruppen entdeckt worden, die Federn oder mutmaßlich federähnliche Körperbedeckungen besaßen (einen kurzen Überblick gibt Junker 2005). Daher gilt es heute weithin als gesichert, dass Vögel von zweibeinigen kleinen Raubdinosauriern aus der Gruppe der Theropoden abstammen und dass verschiedene Stufen einer evolutiven Federentwicklung fossil dokumentiert seien. Beide Auffassungen werden nur von einer Minderheit in der Fachwelt in Frage gestellt.

Zu ihnen gehört der Biologe Theagarten Lingham-Soliar von der Universität University of KwaZulu Natal / Südafrika. Seit vielen Jahren führt er Fossilisierungsversuche mit Reptilien- und Fischhäuten durch und hat in mehreren Arbeiten gezeigt, dass Zerfallsstadien von Kollagenfasern der Haut einigen fossilen Strukturen stark ähneln, die gewöhnlich als Protofedern bzw. Federvorstufen bei Dinosauriern gewertet werden (vgl. z. B. Feduccia et al. 2005). Damit würde eine mögliche Zwischenform einer evolutiven Entstehung von Federn wegfallen. Bei den als Federvorstufen interpretierten Körperanhängen handelt es sich um z. T. verzweigte faserige Strukturen, die einem hypothetischen Stadium eines populären Modells der Federentstehung entsprechen. Solche Strukturen wurden bei den Gattungen Sinosauropteryx, Sinornithosaurus und Beipiaosaurus entdeckt. Andere Gattungen besitzen voll entwickelte Federn, die z. T. als rückgebildet interpretiert werden; es kommen wieder bei anderen Formen auch unverzweigte faserige Integumentstrukturen vor, deren Federnatur allerdings schon aufgrund ihrer Einfachheit als zweifelhaft betrachtet werden muss (haarartige Körperbedeckungen gibt es bei vielen Reptilgattungen, die in keiner näheren Beziehung zu vogelähnlichen Dinosauriern stehen).

Nun behaupten Zhang et al. (2010), einen Nachweis erbracht zu haben, dass es sich bei den federähnlichen Strukturen bei der Gattung Sinosauropteryx um Körperanhänge handeln müsse, die Federn entsprechen. Es könne ausgeschlossen werden, dass es sich um zerfallende Kollagenfasern der Haut handelt. Als Belege führen sie den Nachweis von zwei Arten von Melanosomen an, das sind Organelle, die Farbstoffe enthalten und für die Gefiederfärbung sorgen. Solche Melanosomen sind aus Federn heutiger Vögel bekannt; sie sind nur wenige µm groß und länglich bis rundlich geformt.

Sollte Sinosauropteryx tatsächlich Federvorstufen besitzen, wäre das evolutionstheoretisch auch insofern bedeutsam, als diese Gattung als basaler Coelurosaurier nur relativ weitläufig verwandt mit Vögeln oder vogelähnlichen Dinosauriern ist. Es wäre dann naheliegend anzunehmen, dass solche Protofedern unter Dinosauriern weit verbreitet sind.

Lingham-Soliar (2011) hat die Arbeit von Zhang et al. kritisch analysiert und kommt zu einem negativen Urteil über deren wissenschaftliche Qualität, und zwar in zweierlei Hinsicht. Zum einen sei der Nachweis, dass es sich bei den nachgewiesenen Gebilden wirklich um Melanosomen handelt, nicht erbracht. Er mahnt methodische Mängel an: so seien keine Quer- und Längsschnitte durchgeführt worden und es fehle eine statistische Analyse von Größe und Form der betreffenden Strukturen (Lingham-Soliar 2011, 575). Bei stärkerer Vergrößerung zeige sich, dass Form und Größe der Stukturen nicht klar bestimmbar seien; die bei geringerer Vergrößerung erkennbare Form sei eine optische Tauschung (Lingham-Soliar 2011, 567).

Darüber hinaus äußert Lingham-Soliar eine grundsätzliche Kritik: Zhang et al. hätten gar nicht alle denkbaren Möglichkeiten über die mögliche Natur der mutmaßlichen Melanosomen in Erwägung gezogen, sondern nur die Alternative „Melanosomen oder Bakterien“ geprüft. Daraus aber, dass die ausschließen können, dass es sich um Reste von Bakterien handelt, könne nicht geschlossen werden, dass es sich um Melanosomen handelt; das wäre eine falsche Dichotomie. Alle denkbaren Arbeitshypothesen müssten getestet werden; und Lingham-Soliar bringt aufgrund seiner experimentellen Studien eine Reihe von Indizien dafür, dass es sich um zerfallene Reste von Kollagenfasern handeln kann und hält diese Deutung durch die Befunde für besser gestützt. Außerdem könne die Deutung nicht verallgemeinert werden. Die Deutung als Melanosomen könne zwar nicht ausgeschlossen werden, sei aber völlig spekulativ, da Zhang et al. (2010) keine Belege dafür bringen; so müsste z. B. der Zerfall von Melanosomen untersucht und mit den fossilen Stukturen verglichen werden.

Lingham-Soliar (2011) weist aufgrund dieser Kritikpunkte die Schlussfolgerung von Zhang et al. (2010) zurück, dass schlüssig gezeigt worden sei, dass die Integumentstrukturen von Sinosauropteryx Körperanhänge seien. Weder sei dies positiv gezeigt worden noch seine alle alternativen Deutungsmöglichkeiten geprüft worden. Die Federnatur des mutmaßlichen einfachen Federstadiums ist damit weiterhin nicht sicher belegt.

Falsche Dichotomien gibt es häufig Ursprungsfragen. Auch Darwin beging diesen Fehler, als der die Widerlegung der Artkonstanz als Beleg für eine allgemeine Evolution wertete und damit die Möglichkeit einer gewissen Flexibilität innerhalb eines engeren Verwandtschaftskreises nicht prüfte.

R. Junker

[Feduccia A, Lingham-Soliar T & Hinchliffe JR (2005) Do Feathered Dinosaurs Exist? Testing the Hypothesis on Neontological and Paleontological Evidence. J. Morphol. 266, 125-166; Lingham-Soliar T (2011) The evolution of the feather: Sinosauropteryx, a colourful tail. J Ornithol. 152, 567-577; Zhang F, Kearns SL, Orr PJ, Benton MJ, Zhou Z, Johnson D, Xu X & Wang X (2010) Fossilized melanosomes and the colour of Cretaceous dinosaurs and birds, Nature 463, 1075-1078.]


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Mit Seeigelstacheln verbinden manche vielleicht unangenehme Erinnerungen an einen vergangenen Urlaub am Meer. Tritt man versehentlich auf einen Seeigel, so hinterlassen dessen durch die Fußsohle gedrungene und darin abgebrochene Stacheln schmerzhafte und lang dauernde Eindrücke.

Seeigelstacheln sind bereits seit langem ein intensiv untersuchter Forschungsgegenstand und ein bekanntes Beispiel für Biomineralisation, also einen Vorgang, bei dem unter biochemischer Steuerung aus Mineralien feste Komposite mit erstaunlichen Eigenschaften entstehen. Bisher erhielt man aus Röntgenstreuungs-Experimenten Hinweise darauf, dass Seeigelstacheln aus kristallinem Kalzit bestehen (ein Mineral aus Calciumcarbonat: CaCO3), andererseits weisen die Bruchflächen charakteristische Merkmale für glasartige Materialien auf, also für ungeordnete, amorphe Strukturen. Nun haben Wissenschaftler erstmals nachgewiesen, dass Seeigelstacheln eine Struktur aufweisen, die man als mesokristallin bezeichnet. Etwa 92 % des Materials besteht aus kleinen Kalzitkristallen, diese sind mit amorphem CaCO3 miteinander verkittet und in diesem ganzen Verbund findet man auch noch etwa 0,1 % Proteine (Seto et al. 2012). Dieser besondere Aufbau der Seeigelstacheln verleiht ihnen eine Festigkeit und gleichzeitig eine Elastizität, die aus mineralischen Kalkvorkommen völlig unbekannt ist.

Gosses Bild
Abb. 1: Heterocentrotus mammillatus, eine der untersuchten Seeigel-Arten, auf einem Korallenriff in Hawaii (Wikimedia Commons, © Scott Roy Atwood)

Forschungen sind in vollem Gang, um diesen Befund technisch anzuwenden, z. B. bei der Herstellung von Hochleistungsbeton.

Die Untersuchungen von mehreren internationalen Arbeitsgruppen, die von H. Cölfen koordiniert wurden, belegen erstmals direkt das Vorkommen von Mesokristallen in Naturprodukten. Die Autoren schreiben am Ende ihres Artikels, dass es sehr verwunderlich wäre, wenn weitere Biomineralien nicht nach demselben Mechanismus aufgebaut wären. In einem Beitrag im Journal der Universität Konstanz wird über die Arbeit unter dem Titel: „Geniales Bauprinzip der Natur“ berichtet.

So können Seeigelstacheln nicht nur für unangenehme Urlaubseindrücke sorgen, sondern auch Anlass für faszinierende Entdeckungen sein und Impulse für technische Entwicklungen geben.

H. Binder

[Seto J, Ma Y, Davis SA, Meldrum F, Gourrier A, Kim Y-Y, Schilde U, Sztucki M, Burghammer M, Maltsev S, Jäger C & Cölfen H (2012) Structure-property relationship of a biological mesocrystal in the adult sea urchin spine. Proc. Natl. Acad. Sci. 109, 3699-3704; siehe auch: Journal der Universität Konstanz: uni‘kon (2012) 46, 9-10. http://www.aktuelles.uni-konstanz.de/uni-kon/uni-kon-46/]


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Abb. 1: Weibchen der Feuerlibelle (Crocothemis erythraea) beim Fressen. (Creative Commons Lizenz, © Sandy Rae)

Libellenmännchen von Sympetrum (Heidelibellen) und Crocothemis (in Deutschland kommt von dieser Art die Feuerlibelle, Crocothemis erythraea, vor) wechseln bei Erreichen der Geschlechtsreife die Körperfärbung und erscheinen rot. Diese Farbänderung beeinflusst auch das Verhalten der Tiere. Die Weibchen und die jungen Männchen zeigen eine gelbe Körperfärbung.

Eine japanische Arbeitsgruppe (Futahashi et al. 2012) hat nun versucht, die chemischen Grundlagen dieser Farbänderungen aufzuklären. In den Hautzellen des Libellenkörpers konnten die Autoren so genannte Ommochrome nachweisen (von gr.: omma, Auge, Blick, Anblick, Erscheinung; gr. chroma, Farbe). Die analytisch identifizierten Pigmente (Xanthommatin-Verbindungen) werden aus der Aminosäure Tryptophan gebildet und ändern unter veränderten Redox-Bedingungen die Farbe zwischen gelb und rot. Unter oxidierenden Bedingungen erscheinen die Pigmente gelb und unter reduzierenden Bedingungen rot. Dies wurde an extrahierten Proben und auch an Tieren demonstriert. Allerdings ist noch unklar, wie die Farbänderungen in den Hautzellen der Libellen ausgelöst wird, da keine Hinweise auf ein Reduktionsmittel gefunden wurden. Die Autoren vermuten eine enzymatische Reduktion, ohne dass sie eine solche bisher eindeutig nachweisen konnten.

Farbänderungen sind in der belebten Natur häufig im Zusammenhang mit der geschlechtlichen Reife zu finden; gesteuert werden sie durch verschiedene Mechanismen. Beim Gefleckten Lungenkraut (Pulmonaria offinicalis) korreliert der Farbwechsel der Blüte von rot nach blau z. B. mit der Nektarproduktion und wird durch Änderung des pH-Werts ausgelöst.

So finden wir in der Natur eine Vielfalt chemischer Mechanismen, die auffällige Änderungen verursachen und damit ökologische Signale liefern und für das Zusammenleben von Bedeutung sind. Dies geht im Fall der errötenden Libellenmännchen nach Aussage von Futahashi et al. (2012) so weit, dass diese Farbänderung für die Menschen in Japan ein Symbol für die jahreszeitliche Änderung des Sommer-Herbst-Übergangs geworden ist.

H. Binder

[Futahashi R, Kurita R, Mano H & Fukatsu T (2012) Redox alters yellow dragonflies into red. Proc. Nat. Acad. Sci., doi: 10.1073/pnas.1207114109]


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Die Grenze zwischen Präkambrium und Kambrium (auf ca. 542 Millionen Jahre datiert) gilt allgemein als markanteste Diskontinuität in der Fossilüberlieferung. Dafür hat sich der Begriff „kambrische Explosion“ eingebürgert (Valentine 2004). Zahlreiche sehr verschieden gebaute Tierstämme erscheinen abrupt in der Fossilüberlieferung. Präkambrische Formen eignen sich kaum als mögliche Vorläufer. Wenn Darwins Gradualismus Evolution plausibel erklären würde, müsste es in den präkambrischen Ozeanen nur so von Lebewesen gewimmelt haben, trotz ihres Fehlens in der frühen Fossilüberlieferung, schreibt Butterfield (2011). Vor diesem Hintergrund waren 1998 beschriebene Fossilien aus dem oberen Präkambrium von besonderem Interesse, die als Em­bryonen von Vielzellern interpretiert wurden. Immerhin könnte es sich dabei um einen Beleg für den Übergang von Einzellern zu vielzelligen Tieren (Metazoa) handeln.

Gosses Bild
Abb. 1: Obere Reihe: Verschiedene embryonenähnliche Fossilien aus der südchinesischen Doushantuo-Formation, die nach Ansicht von Huldtgren et al. (2012) fehlinterpretiert wurden (zur Begründung siehe Text). In der unteren Reihe sind verschiedene Entwicklungsstadien der Grünalge Volvox carteri f. nagariensis abgebildet, die gewisse Ahnlichkeiten mit den vermeintlichen Embryonen zeigen. (Aus Huldtgren et al. 2012)

Diese Deutung erwies sich nun als falsch. Huldtgren und Mitarbeiter (2011) untersuchten eine große Anzahl dieser ungewöhnlich gut erhaltenen Fossilien aus der Doushantuo-Formation in Südchina (auf 570 Millionen Jahre datiert) mit Hilfe einer neuen Methode von Röntgen-Tomographie und konnten zeigen, dass keinerlei Strukturen vorkommen, die für Embryonen typisch wären. Vielmehr handelt es sich wahrscheinlich um einzellige Amöben-artige Organismen, die in keiner näheren verwandtschaftlichen Beziehung mit den Metazoen (vielzellige Tiere) stehen. Die Fossilien stellen demnach verschiedene Stadien im Lebenszyklus eines Amöben-artigen Organismus dar, der sich in einem asexuellen Zyklus in 2, dann 4, 8, 16, 32 Zellen usw. teilt und schließlich hunderttausende sporenartige Zellen bildet, die einen weiteren solchen Zyklus starten.

Einer der Co-Autoren, Philip Donoghue sagte, dass die Forscher selber über ihre Resultate überrascht seien, da man lange davon überzeugt gewesen sei, dass es sich um Embryonen der ältesten Tiere handle; vieles von dem, was darüber in den letzten zehn Jahren geschrieben worden sei, habe sich als falsch herausgestellt (www.sciencedaily.com/releases/2011/12/111222142444.htm).

Die hervorragende Erhaltung der Doushantuo-Fossilien, bei denen sogar die Zellkerne erkennbar sind, zeigt erneut, dass aus dem Präkambrium Fossilien in guter Erhaltung vorliegen. Das Fehlen von Fossilien geeigneter Vorstufen der zahlreichen kambrischen Baupläne kann somit kaum auf mangelnde Fossilisierbarkeit zurückgeführt werden. Das Beispiel zeigt auch, dass die Deutung von Fossilien mit einigen Unsicherheiten behaftet sein und – wie hier geschehen – in eine ganz falsche Richtung weisen kann.

Eine Kritik von Xiao et al. (2012) entgegneten Huldtgren et al. (2012) und schließen mit der Feststellung, dass Einigkeit darüber bestehe, dass es sich bei den Doushantuo-Fossilien nicht um fortschrittliche Metazoen handle.

R. Junker

[Butterfield NJ (2011) Terminal Developments in Ediacaran Embryology. Science 334, 1655-1656; Huldtgren T, Cunningham JA, Yin C, Stampanoni M, Marone F, Donoghue PDJ & Bengtson S (2011) Fossilized Nuclei and Germination Structures Identify Ediacaran „Animal Embryos“ as Encysting Protists. Science 334, 1696-1699; Huldtgren T, Cunningham JA, Yin C, Stampanoni M, Marone F, Donoghue PCJ & Bengtson S (2012) Response to Comment on „Fossilized Nuclei and Germination Structures Identify Ediacaran 'Animal Embryos' as Encysting Protists“. Science 335, 1169-d; Valentine JW (2004) On the origin of phyla. Chicago; Xiao S, Knoll AH, Schiffbauer JD, Zhou C & Yuan X (2012) Comment on „Fossilized nuclei and germination structures identify Ediacaran 'animal embryos' as encysting protists“. Science 335, 1169-c.]


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In der Biogeneseforschung (erstmalige Entstehung des Lebens) wird eine unmittelbare Bildung von Nukleinsäuren (DNA, RNA) aus einfachen anorganischen Molekülen unter anderem aufgrund der hohen Komplexität dieser Makromoleküle generell ausgeschlossen. Alternativ dazu bleibt die Möglichkeit der stufenweisen Synthese über die weniger komplexen organischen Moleküle (Desoxy-)Ribose und Stickstoffbasen.1 Neben einer Vielzahl offener Fragen zur Herkunft der Zuckereinheiten (Ribose bzw. Desoxyribose) von Nukleinsäuren ist auch der Hergang der präbiotischen Entstehung der Stickstoffbasen (Adenin, Guanin, Purin etc.) nicht geklärt. In der Literatur werden zwei verschiedene Erklärungen für den Ursprung dieser Molekülsorte angeführt. Als eine mögliche Quelle von Stickstoffbasen werden Meteoriten in Betracht gezogen (Callahan 2011). Allerdings ist das nachgewiesene Vorkommen von Stickstoffbasen auf Meteoritengestein im Vergleich zu anderen organischen Verbindungen sehr gering. Ebenso sind Fälle von Kontaminationen irdischen Ursprungs im Zusammenhang mit der Untersuchung von Meteoritengestein auf Stickstoffbasen bekannt. Als Alternative wird die Entstehung von Stickstoffbasen auf unserem Planeten diskutiert.

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Abb. 1: Ausgangsstoffe, Reaktionsbedingungen und Produkte der von Krishnamurthy diskutierten, potentiell präbiotischen Entstehung der Stickstoffbasen Adenin und Purin.

Ein kürzlich veröffentlichter Artikel zu dieser Fragestellung stammt von der Forschergruppe um Krishnamurthy (2012). Darin wird die Synthese von Purin bzw. Adenin durch Erhitzen von Kaliumcyanid oder einfacher Moleküle wie Glycin, 2-Aminoacetonitril bzw. 5-Aminoimidazol in einer hoch konzentrierten Lösung von Ammoniumformiat in reinem Formamid auf 150 °C beschrieben (siehe Abb. 1). Zur Stützung der Plausibilität dieses Reaktionswegs werden hauptsächlich zwei Argumente angeführt: Zum einen sei eine Anreicherung des Formamids aufgrund des im Vergleich zum Wasser geringeren Dampfdrucks wahrscheinlicher als diejenige von Blausäure, die in früheren experimentellen Arbeiten als Ausgangsstoff angenommen wurde (Oró 1960). Zum anderen wird die Ähnlichkeit des Reaktionsverlaufs zur Biosynthese des Adenins angeführt. Solche Ähnlichkeiten könnten nach Ansicht der Autoren bei der Aufklärung der Evolution früher, für den Stoffwechsel von Lebewesen relevanter Reaktionskaskaden hilfreich sein.

Auch wenn die Ergebnisse der Arbeit gegenüber früheren Modellen (Oró 1960) einige Vorteile aufweisen, kann dieses Experiment jedoch kaum als plausible Simulation einer präbiotischen Synthese gewertet werden. Denn die angenommenen Voraussetzungen sind unter geologischen Verhältnissen sehr unwahrscheinlich. Dazu gehören die außerordentlich hohe Konzentration an Ammoniumformiat (4.4 M oder 15 mol%, d. h. das Verhältnis von Ammoniumformiat zu Formamid ist 3:17, eine unwahrscheinlich hohe Konzentration!), die Verwendung reiner Ausgangsverbindungen wie z. B. des Lösungsmittels Formamid und eines geschlossenen Reaktionsgefäßes, das keinen Austausch von Materie mit der Umgebung ermöglicht und eine Verflüchtigung der Bestandteile des Gemischs verhindert. Auch das allgegenwärtige Wasser durfte in diesen Gemischen nicht enthalten gewesen sein.

Noch wesentlich größere Schwierigkeiten beinhaltet die Frage, wie ein solches Gemisch zustande gekommen sein könnte. Es ist fraglich und eine Untersuchung wert, ob ein vergleichbares Experiment im Sinne einer Anreicherung der Komponenten aus einer verdünnten wässrigen Lösung ebenfalls zu Stickstoffbasen führen würde. Denn in diesem Fall könnten auch die wichtigen, zwischenzeitlich gebildeten Komponenten Blausäure und Ammoniak aus der Lösung verdampfen. Es erscheint daher naheliegend, dass die Wahl der Reaktionsbedingungen im Blick auf das erwünschte Ergebnis konzipiert worden ist. Auch der Verweis auf die Ähnlichkeit des diskutierten Reaktionswegs mit der Biosynthese von Adenin ist nicht notwendigerweise ein hilfreiches Indiz für die Aufklärung postulierter evolutiver Prozesse. Diese Resultate zeigen nur, dass es möglich ist, Bedingungen zu finden, unter denen eine Reaktionskaskade außerhalb des zellulären Kontextes über einen ähnlichen Weg verläuft wie diejenige des betrachteten Stoffwechselvorgangs.

B. Schmidtgall

[Binder H (2009) Neue Synthese für Nukleinsäure-Bausteine – ein plausibler Weg zu ersten Nukleinsäuren? Stud. Int. J. 16, 111-113; Callahan MP, Smith KE, Cleaves HJ, Ruzicka J, Stern JC, Glavin DP, House CH & Dworkin JP (2011) Carbonaceous meteorites contain a wide range of extraterrestrial nucleobases. Proc. Natl. Acad. Sci. 108, 13995-13998; Hudson JS, Eberle JF, Vachhani RH, Rogers LC, Wade JH, Krishnamurthy & Springsteen G (2012) A unified Mechanism for Abiotic Adenine and Purine Synthesis in Formamide. Angew. Chem. 124, 5224-5227; Oró J (1960) Synthesis of adenine from ammonium cyanide. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2, 407-412; Powner MW, Gerland B & Sutherland JD (2009) Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions. Nature 459, 239-242.]

Anmerkung

1 Die Arbeitsgruppe von Sutherland (Powner et al. 2009) hat eine Synthese von Nukleotiden vorgestellt, die freie Ribose und N-Basen umgeht. Auch dieser Vorschlag stellt bisher jedoch keine plausible Antwort auf die Frage nach ersten Nukleotiden dar (Binder 2009).


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Letzte Änderung: 16.02.2015
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