Als Leonid Moroz, Neurowissenschaftler am Whitney Laboratory for Marine Bioscience in St. Augustine, Florida, begann, Kammquallen zu untersuchen, war er verwirrt. Er wusste, dass diese primitiven Meeresbewohner über Nervenzellen verfügen, die unter anderem für die Steuerung der Bewegungen ihrer Tentakel und den Schlag ihrer schillernden Flimmerhärchen verantwortlich sind. Aber diese Neuronen schienen unsichtbar zu sein. Die Farbstoffe, die Wissenschaftler normalerweise verwenden, um diese Zellen zu färben und zu untersuchen, funktionierten einfach nicht. Die neuronale Anatomie der Kammquallen war mit nichts anderem vergleichbar, das er je gesehen hatte.
Nach jahrelangen Studien glaubt er zu wissen, warum. Nach der traditionellen Evolutionsbiologie haben sich die Neuronen nur einmal entwickelt, vor Hunderten von Millionen Jahren, wahrscheinlich nachdem sich die Meeresschwämme vom Stammbaum der Evolution abgezweigt hatten. Moroz glaubt jedoch, dass dies zweimal geschah – einmal in den Vorfahren der Kammquallen, die sich etwa zur gleichen Zeit wie die Meeresschwämme abspalteten, und einmal in den Tieren, aus denen die Quallen und alle nachfolgenden Tiere, einschließlich uns, entstanden. Als Beweis führt er die Tatsache an, dass Kammquallen ein relativ fremdes neuronales System haben, das andere Chemikalien und eine andere Architektur als das unsere verwendet. „Wenn wir uns das Genom und andere Informationen ansehen, sehen wir nicht nur eine andere Grammatik, sondern ein anderes Alphabet“, so Moroz.
Als Moroz seine Theorie vorschlug, waren Evolutionsbiologen skeptisch. Neuronen sind der komplexeste Zelltyp, den es gibt, argumentierten die Kritiker, sie sind in der Lage, Informationen zu erfassen, Berechnungen anzustellen und Entscheidungen auszuführen. Weil sie so kompliziert sind, ist es unwahrscheinlich, dass sie sich zweimal entwickelt haben.
Neue Unterstützung für Moroz‘ Idee kommt jedoch von jüngsten genetischen Arbeiten, die darauf hindeuten, dass Kammquallen uralt sind – die erste Gruppe, die sich vom Tierstammbaum abzweigte. Sollte dies zutreffen, würde dies die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass sich die Neuronen eigenständig entwickelt haben.
Die Debatte hat unter Evolutionsbiologen großes Interesse geweckt. Moroz‘ Arbeit stellt nicht nur die Ursprünge des Gehirns und die Evolutionsgeschichte der Tiere in Frage. Sie stellt auch die tief verwurzelte Vorstellung in Frage, dass die Evolution stetig voranschreitet und im Laufe der Zeit an Komplexität zunimmt.
Die erste Spaltung
Vor etwa 540 Millionen Jahren war der Ozean bereit für eine Explosion des tierischen Lebens. Der gemeinsame Vorfahre aller Tiere durchstreifte die Meere und war bereit, sich in die reiche Vielfalt der heutigen Tierwelt zu verwandeln.
Wissenschaftler gehen seit langem davon aus, dass Schwämme die ersten waren, die vom Hauptstamm des Tierstammbaums abzweigten. Sie sind eine der einfachsten Klassen von Tieren, denen spezialisierte Strukturen wie Nerven oder ein Verdauungssystem fehlen.
Später, so wird allgemein angenommen, spaltete sich der Rest des Tierstammbaums in Kammquallen, auch bekannt als Ctenophoren (ausgesprochen TEN-oh-fours), Nesseltiere (Quallen, Korallen und Anemonen), sehr einfache mehrzellige Tiere, die Placozoa genannt werden, und schließlich Bilateria, der Zweig, der zu Insekten, Menschen und allem, was dazwischen liegt, führte.
Aber die genaue Reihenfolge, in der sich die frühen Tierzweige aufspalteten, ist ein bekanntlich heikles Problem. Wir wissen nur wenig darüber, wie die Tiere vor so vielen Millionen Jahren aussahen, weil ihre weichen Körper kaum greifbare Spuren im Gestein hinterlassen haben. „Die Fossilienaufzeichnungen sind lückenhaft“, sagt Linda Holland, Evolutionsbiologin an der Scripps Institution of Oceanography der University of California, San Diego.
Um unsere Unfähigkeit, in die Vergangenheit zu blicken, zu kompensieren, versuchen Wissenschaftler anhand der Morphologie (Struktur) und der Genetik lebender Tiere, die Verwandtschaftsverhältnisse der alten Tiere zu rekonstruieren. Im Fall der Kammquallen stellt die Untersuchung lebender Tiere jedoch eine große Herausforderung dar.
Über die grundlegende Biologie der Kammquallen ist nur wenig bekannt. Die Tiere sind unglaublich zerbrechlich und fallen oft in sich zusammen, wenn sie sich in einem Netz verfangen haben. Außerdem ist es schwierig, sie in Gefangenschaft zu züchten, was die Durchführung von Routineexperimenten, wie sie Wissenschaftler an anderen Tieren durchführen könnten, nahezu unmöglich macht.
Lange Zeit dachte man, dass Kammquallen eng mit Quallen verwandt sind. Mit ihrem symmetrischen Körperbau und ihrer gallertartigen Beschaffenheit ähneln sich die beiden Arten äußerlich. Doch die Tiere schwimmen und jagen unterschiedlich – Quallen haben stechende Tentakel, während Kammquallen klebrige Tentakel haben. Und auf der Ebene des Genoms sind Kammquallen den Schwämmen ähnlicher, die überhaupt kein Nervensystem haben.
Bei Kammquallen oder anderen Tieren kann eine evolutionäre Analyse, die sich auf die Morphologie stützt, zu einem Stammbaum führen, während eine Analyse, die sich auf genomische Daten oder sogar verschiedene Arten von genomischen Daten stützt, zu einem anderen Stammbaum führen kann. Diese Diskrepanzen entfachen oft hitzige Debatten auf diesem Gebiet.
Eine dieser Debatten entstand 2008, als Mark Martindale, heute Direktor des Whitney Laboratory, Gonzalo Giribet, Evolutionsbiologe an der Harvard University, und Mitarbeiter eine Studie veröffentlichten, in der Gensequenzen von 29 verschiedenen Tieren analysiert wurden. Nach Prüfung der genetischen Daten schlugen die Forscher eine Reihe von Änderungen am Stammbaum der Tiere vor.
Die bei weitem umstrittenste dieser Änderungen war der Vorschlag, dass Ctenophoren die Schwämme als frühesten Zweig der Tiere ersetzen sollten. Wenn die Evolution die Komplexität im Laufe der Zeit erhöht, wie Biologen traditionell glauben, dann sollte ein scheinbar einfacher Organismus wie der Schwamm einem scheinbar komplexeren Organismus wie dem Kammquell vorausgehen. Die genetischen Daten von Martindale und Giribet legten das Gegenteil nahe, aber die Kritiker waren skeptisch. „Wir wurden von der gesamten wissenschaftlichen Gemeinschaft belächelt“, sagte Martindale.
Martindale und seine Mitarbeiter mussten mehr Beweise für ihren Vorschlag sammeln. Sie überzeugten die National Institutes of Health, das Genom einer Kammqualle, der Meerwalnuss, zu sequenzieren, was 2013 in Science veröffentlicht wurde. Moroz und seine Mitarbeiter veröffentlichten 2014 das Genom einer zweiten Ctenophore, der Meeresstachelbeere, in Nature. Beide Arbeiten, bei denen umfangreichere Daten und ausgefeiltere Analysemethoden als bei der Arbeit von 2008 verwendet wurden, stützen den Ctenophoren-Erstling-Baum. Eine dritte Arbeit, die öffentlich zugängliche Genomdaten analysiert und Anfang des Jahres auf dem Preprint-Server biorxiv.org veröffentlicht wurde, stützt ebenfalls die Idee, dass sich die Kammquallen zuerst verzweigt haben.
Angesichts der neuen Beweise beginnen Wissenschaftler, die Idee ernst zu nehmen, obwohl viele auf dem Gebiet sagen, dass es nicht genug Daten gibt, um eindeutige Aussagen zu treffen. Dieser Standpunkt hat sich in einer Reihe von Übersichtsartikeln niedergeschlagen, die im letzten Jahr veröffentlicht wurden. Viele von ihnen behaupten, dass die Kammquallen nicht wirklich der älteste Zweig sind, sondern nur so aussehen.
Die Kammquallen haben sich schneller entwickelt als die anderen alten Tiergruppen, was bedeutet, dass sich ihre Gensequenzen im Laufe der Zeit schnell verändert haben. Dies wiederum bedeutet, dass die genetische Analyse ihres Platzes im Stammbaum der Evolution einem Rechenartefakt unterliegen könnte, das als „Long-branch attraction“ bezeichnet wird, eine Art Störung, die schnell entwickelnde Organismen an die Basis des Stammbaums ziehen kann. „Lang verzweigte Tiergruppen sind oft schwer zuzuordnen“, sagt Detlev Arendt, Evolutionsbiologe am Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie in Deutschland. „Bisher sind die phylogenetischen Daten nicht wirklich schlüssig, wo sie hingehören.“
Die Wissenschaftler hoffen, dass mehr Daten – einschließlich der Genome weiterer Ctenophorenarten – dazu beitragen werden, die tiefsten Äste des Tierbaums zu klären. Und das wiederum könnte tiefgreifende Auswirkungen auf unser Verständnis von Neuronen und ihrer Herkunft haben. „Die Verzweigungsreihenfolge hat einen großen Einfluss darauf, wie wir die Evolution des Nervensystems interpretieren“, sagt Gáspár Jékely, Biologe am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Deutschland.
Selbst diejenigen, die sich einig sind, dass die Kammquallen zuerst entstanden sind, sind sich nicht einig, wie die Neuronen entstanden sind.
Der Funke des Denkens
Die Entstehung der Neuronen war ein bemerkenswertes Ereignis in der Evolution der Tiere. Diese Zellen können kommunizieren – sie empfangen, übermitteln und verarbeiten Informationen mit Hilfe einer präzisen chemischen und elektrischen Sprache. Ihre Kraft beruht auf dem komplexen Netzwerk, das sie bilden. „Ein einzelnes Neuron ist wie der Klang einer klatschenden Hand“, so Martindale. „Die ganze Idee ist, dass man einen Haufen von ihnen zusammenbringt und sie Dinge tun können, die ein paar einzelne Zellen nicht können.“
Dieser Grad an Komplexität erfordert ein unwahrscheinliches Zusammentreffen von evolutionären Ereignissen. Es müssen Mechanismen entstehen, die die Zellen nicht nur physisch verbinden, sondern ihnen auch ermöglichen, Signale zu übertragen und zu interpretieren. „Der Grund, warum die meisten Menschen nicht glauben, dass sie sich mehrfach entwickelt haben könnten, ist die Vorstellung, dass Neuronen miteinander sprechen – und zwar mit anderen Neuronen“, so Martindale.
Das macht Moroz‘ Vorschlag – dass sich Neuronen zweimal entwickelt haben, einmal in Kammquallen und einmal in anderen Tieren – so umstritten.
Nach Moroz‘ Version des Evolutionsbaums begannen die Tiere mit einem gemeinsamen Vorfahren, der keine Neuronen hatte. Die Kammquallen spalteten sich dann ab und entwickelten ihre seltsamen Neuronen. Danach spalteten sich die Vorfahren der Schwämme und Placozoen ab. Wie ihre Vorfahren hatten auch sie keine Neuronen. Rudimentäre Neuronen, so genannte Protoneuronen, entwickelten sich dann ein zweites Mal bei den Vorfahren der Quallen und Bilataren und bildeten die Grundlage für das Nervensystem aller nachfolgenden Nachkommen, einschließlich des Menschen. „Meiner Meinung nach ist es einfacher und realistischer, dass der gemeinsame Vorfahre kein Nervensystem hatte“, sagte Moroz. (Er glaubt, dass selbst wenn sich die Kammquallen nach den Schwämmen abgespalten haben, sie dennoch unabhängig voneinander Neuronen entwickelt haben.)
Doch einige Wissenschaftler, die glauben, dass sich die Ctenophoren zuerst abgespalten haben, zeichnen ein anderes Bild. Sie vermuten, dass der gemeinsame Vorfahre aller Tiere ein einfaches Nervensystem hatte, das die Schwämme später verloren. Kammquallen und der verbleibende Zweig, zu dem auch unsere Vorfahren, die Bilateralen, gehören, bauten auf diesen Protoneuronen auf unterschiedliche Weise auf und entwickelten immer ausgefeiltere Nervensysteme.
„Die Idee, dass die Ctenophoren zuerst da waren, deutet, wenn sie richtig ist, auf etwas wirklich Interessantes hin“, sagte Christopher Lowe, ein Biologe an der Hopkins Marine Station der Stanford University. „Beide Interpretationen sind tiefgründig.“ Einerseits wären zwei unabhängige Ursprünge von Neuronen überraschend, weil es unwahrscheinlich ist, dass die genaue Abfolge von genetischen Unfällen, die Neuronen hervorgebracht haben, mehr als einmal passieren könnte. Aber es scheint auch unwahrscheinlich, dass Schwämme etwas so Wertvolles wie ein Neuron verlieren würden. „Das einzige Beispiel, das wir von Zweibeinern kennen, bei dem das Nervensystem vollständig verloren ging, ist bei Parasiten“, so Lowe.
Die beiden Möglichkeiten spiegeln ein klassisches Rätsel für Evolutionsbiologen wider. „Hat dieses Tier etwas verloren oder hatte es von Anfang an nichts?“ sagte Holland. In diesem speziellen Fall „finde ich es schwer, einen Standpunkt einzunehmen“, sagte sie.
Die Evolution ist voll von Beispielen sowohl für Verlust als auch für parallele Evolution. Einige Würmer und andere Tiere haben regulatorische Moleküle oder Entwicklungsgene verloren, die vom Rest des Tierreichs genutzt werden. „Es ist nicht ungewöhnlich, dass wichtige Genkomplexe in großen Tierstämmen verloren gehen“, so Lowe. Konvergente Evolution, bei der die natürliche Auslese zwei ähnliche Strukturen unabhängig voneinander hervorbringt, ist in der Natur recht häufig. Die Netzhaut zum Beispiel hat sich mehrmals unabhängig voneinander entwickelt. „Verschiedene Tiere verwenden manchmal extrem unterschiedliche Werkzeuge, um morphologisch ähnliche Neuronen, Schaltkreise und Gehirne zu bilden“, sagte Moroz. „
Moroz‘ Hauptbeweis für einen unabhängigen Ursprung der Neuronen in Kammquallen stammt von deren ungewöhnlichen Nervensystemen. „Das Nervensystem der Ctenophoren unterscheidet sich dramatisch von allen anderen Nervensystemen“, sagt Andrea Kohn, eine Molekularbiologin, die mit Moroz zusammenarbeitet. Kammquallen scheinen die bei anderen Tieren üblichen chemischen Botenstoffe wie Serotonin, Dopamin und Acetylcholin zu fehlen. (Sie verwenden jedoch Glutamat, ein einfaches Molekül, das bei Tieren eine wichtige Rolle bei der neuronalen Signalübertragung spielt.) Stattdessen verfügen sie über Gene, die eine ganze Reihe von neuronalen Peptiden produzieren, kleine Proteine, die ebenfalls als chemische Botenstoffe fungieren können. „Kein anderes Tier außer diesem Stamm hat so etwas“, sagte Kohn.
Aber Kritiker stellen auch diese Behauptung in Frage. Vielleicht haben Kammquallen tatsächlich die Gene für Serotonin und andere neuronale Signalmoleküle, aber diese Gene haben sich bis zur Unkenntlichkeit entwickelt, so Arendt. „
Wissenschaftler auf allen Seiten der Debatte sagen, dass diese Frage nur mit mehr Daten und, was noch wichtiger ist, einem besseren Verständnis der Biologie der Kammquallen beantwortet werden kann. Obwohl sie einige Gene mit Modellorganismen wie Mäusen und Fruchtfliegen gemeinsam haben, ist unklar, was diese Gene in Kammquallen bewirken. Ebenso wenig verstehen die Wissenschaftler ihre grundlegende Zellbiologie, etwa wie die Neuronen der Kammquallen kommunizieren.
Die anhaltende Debatte hat jedoch das Interesse an Ctenophoren geweckt, und immer mehr Forscher untersuchen ihr Nervensystem, ihre Entwicklung und ihre Gene. „Moroz und seine Mitarbeiter haben diesen Teil des Baumes beleuchtet, und das ist gut so“, sagte Holland. „Wir sollten diese Kerle da unten nicht ignorieren.“
Korrektur am 26. März 2015: In der ursprünglichen Bildunterschrift, in der zwei Kammquallen beschrieben wurden, waren die Positionen vertauscht. Die Seestachelbeere steht links, die gelappte Kammgallerte rechts.
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