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Freitag, 09.12.2016
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Am Ursprung der allerersten Art

Mathematisches Modell erklärt Evolution der ersten biologischen Spezies

Vom genetischen Durcheinander zur stabilen Art: Wissenschaftler haben modelliert, wie der Ur-Vorfahre aller Lebewesen auf der Erde entstanden sein könnte. Dieser Einzeller war demnach nicht plötzlich vorhanden – stattdessen ging er aus einem bunt gemischten Kollektiv verschiedenster Varianten hervor. Nach regem Austausch untereinander stabilisierte sich die erste biologische Art darin erst nach und nach, berichten die Forscher im Journal "Physical Review E".
An der Wurzel des Stammbaums des Lebens steht die allererste biologische Art, die vermutlich einem bunt gemischten genetischen Kollektiv entsprang.

An der Wurzel des Stammbaums des Lebens steht die allererste biologische Art, die vermutlich einem bunt gemischten genetischen Kollektiv entsprang.

Alle Lebewesen auf der Erde sind miteinander verwandt, und sei die Verwandtschaft noch so entfernt. Sinnbildlich zeigte dies schon Charles Darwin im Jahr 1837 in seiner Skizze vom Stammbaum des Lebens: Aus existierenden Arten gehen immer wieder neue Arten hervor. Auch heute noch ist die Idee dieses Stammbaums ein Leitbild der Evolutionsforschung, das den gemeinsamen Ursprung allen Lebens verdeutlicht.

Die Wurzel dieses Stammbaums bildet vermutlich eine eigene Art früher Einzeller, die Ur-Vorfahren aller heute existierenden Lebewesen sind. Doch diese erste Art, die vor dreieinhalb bis vier Milliarden Jahren ihr Erbgut mehr oder weniger unverändert an die nächste Generation weitergab, stellte nicht zwangsläufig auch das erste Leben dar. Leben und Evolution könnte es auch davor schon gegeben haben: "Uns faszinierte die Frage, wie die erste Art entstanden ist und wie es zum Übergang zur Darwinschen Evolution kommen konnte", sagt Marc Timme vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen.

Anfang des Lebens im gemischten Kollektiv


Die frühesten Lebensformen bildeten nach Ansicht von Evolutionsforschern wahrscheinlich ein genetisch stark durchmischtes Kollektiv. Die Biochemie der einzelnen Zellvarianten funktionierte wahrscheinlich mehr schlecht als recht, ein wirklich effektives vollständiges System hatte sich noch nicht etabliert – die Natur übte gewissermaßen noch. Allerdings tauschten diese Lebensformen über den sogenannten horizontalen Gentransfer eifrig genetisches Material untereinander aus.


Entstand der gemeinsame Vorfahr allen Lebens in einem ähnlichen Tümpel?

Entstand der gemeinsame Vorfahr allen Lebens in einem ähnlichen Tümpel?

Fanden dabei zufällig mehrere gut funktionierende oder besonders nützliche biochemische Systeme zueinander, sammelte sich deren genetischer Code in diesen Einzellern an. Diese Individuen stachen aus dem ansonsten wild gemischten Kollektiv heraus, weil sie besonders erfolgreich waren. Damit deutete sich bereits die Entwicklung einer Art an. Letztlich muss sich dann eine Zellvariante durchgesetzt haben und wurde so zum Urahn allen Lebens.

Nachlassender horizontaler Gentransfer


Diesen Übergang vom stark durchmischten genetischen Zustand hin zur ersten stabilen Art haben Timme und Kollegen nun in einem mathematischen Modell nachvollzogen. Der Wandel vollzog sich demnach nicht schlagartig: Die evolutionäre Dynamik konnte dem Modell nach leicht immer wieder hin und her schalten, und beide Zustände konnten auch gleichzeitig existieren: Während beispielsweise anfangs der stark durchmischte Zustand vorherrschte, konnten auch darin viele Zellen ähnliches Erbgut aufweisen und eine weniger durchmischte, möglicherweise herausragende Untergruppe im Kollektiv bilden.

Anfangs dauerten diese entmischten Episoden wahrscheinlich nur kurz, da sich die gewonenen Überlebensvorteile schnell im Durcheinander wieder verloren. Doch die höher entwickelten Einzeller verloren langsam die Fähigkeit zum horizontalen Gentransfer: Ihre komplexere biochemische Ausstattung ließ sich nicht mehr so einfach weitergeben. Stattdessen setzten sie mehr und mehr darauf, sich zu teilen und ihr Erbgut an Tochterzellen weiterzugeben.

Dauerhaft verwandte Zellen


Das Modell zeigt, wie sich der Trend dadurch nach und nach wandelte: Irgendwann war der horizontale Gentransfer so schwach, dass der wenig durchmischte Zustand praktisch dauerhaft war. Der stark durchmischte existierte praktisch nicht mehr. Auf diesen wichtigen qualitative Übergang weist das Modell der Forscher deutlich hin: "Stark verwandte Zellen mit ähnlichen Genomen können so dauerhaft existieren", sagt Koautor Steven Strogatz von der Cornell University im US-Bundesstaat New York.

Das heißt: Eine Ur-Spezies könnte sich gebildet haben, weil ein Teil der Population vielleicht eine so gut funktionierende biochemische Grundausstattung in sich vereinigte, dass die Zellen überlebensfähiger waren als der Rest und sich ihr Erbgut höchstens mit kleinen Abweichungen vor allem im vertikalen Gentransfer vermehrte. Ihr genetischer Bauplan stach damit dauerhaft aus dem Rest des Kollektivs hervor: Die erste definierte Art war entstanden und gab den Startschuss für die Darwinsche Evolution. (Physical Review E, 2015; doi: 10.1103/PhysRevE.92.052909)
(Max-Planck-Gesellschaft, 18.11.2015 - AKR)
 
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