Evolution: Vielzellige Lebewesen erscheinen

Evolution: Vielzellige Lebewesen erscheinen

 

Von der Entstehung des Lebens und seinen ersten Entwicklungsstufen gibt es zu wenige Zeugnisse, um diesen Teil der Erdgeschichte schlüssig nachvollziehen zu können. Vom Beginn des Lebens vor spätestens 3,6 Milliarden Jahren bis vor etwa 545 Millionen Jahren fehlen im Buch des Lebens fast alle Seiten. Nur ein paar Papierfetzen — um im Bild zu bleiben — sind erhalten geblieben. Betrachtet man das Alter der Erde von rund 4,6 Milliarden Jahren, so heißt das: Praktisch alle erhalten gebliebenen Seiten des Buchs der Erdgeschichte gehören zum letzten Achtel dieses auch dort noch sehr lückenhaften Werks.

 

Das letzte Achtel beginnt sozugsagen mit einem Paukenschlag — der Kambrischen Explosion. Von dieser Zeit an erlauben Fossilienfunde, die Entwicklungslinien der belebten Natur genauer zu verfolgen. Diese treten umso klarer hervor, je näher sie an die Gegenwart heranreichten. Es ist die Epoche des frühen Erdaltertums oder Paläozoikums. Dort wiederum ist es dessen frühester deutlich erkennbarer Abschnitt, das Kambrium. Wissenschaftler prägten diesen Namen im 19. Jahrhundert, als man in Gesteinen aus dieser und den darauf folgenden Perioden, dem Ordovizium und dem Silur, Überreste von Lebewesen aufspürte.

 

Damals galt ein geologisches Zeitalter als nachgewiesen, wenn man Sedimentgesteine gefunden hatte, die ganz oder teilweise erhalten gebliebene Organismen in Form von Fossilien enthielten und deren Alter sich bestimmen ließ — eine komplizierte Angelegenheit, die den Geologen lange Zeit Kopfzerbrechen bereitete. Außerdem mussten solche fossilienhaltigen Gesteine auch andernorts nachweisbar sein. Zu jener Zeit setzte man die einzelnen Erdzeitalter mit Gesteinsformationen gleich. Noch heute sprechen Fossiliensammler von den »Formationen« Kambrium, Ordovizium und Silur. Sie meinen damit die entsprechenden geologischen Zeiten, obwohl diese in der heutigen geologischen Terminologie als Systeme (stratigraphische Einheiten) oder Perioden (chronologische Einheiten) bezeichnet werden.

 

 An der Schwelle der Entwicklung vielzelliger Organismen

 

Der Ursprung vielzelliger Lebewesen liegt im Dunkeln. Fossile Überreste sind äußerst rar, vermutlich weil die ersten höheren Lebewesen keine harten Schalen besaßen und daher nur ausnahmsweise erhalten geblieben sind. Klar ist lediglich, dass die frühesten Spuren dieser Organismen weit ins Präkambrium zurückreichen. Die ersten fossil in großer Zahl erhaltenen Vertreter dieser Organismen, die Ediacara-Fauna, weisen jedenfalls bereits eine verblüffend hohe Organisationsstufe auf. Sie hatten mit Sicherheit ältere und einfacher gebaute Vorfahren.

 

 Ediacara-Fauna

 

Eigentlich sollte der Bergbaugeologe Reginald C. Sprigg im Auftrag seiner Firma in den südaustralischen Ediacara Hills alte Bleiminen erforschen. Sein Auftrag führte ihn an Orte, an denen damals kein Paläontologe auf die Idee gekommen wäre, nach Fossilien zu suchen. Doch Sprigg hatte ein Faible für Fossilien. Er untersuchte reine Quarzsandsteine, die nur selten Fossilien enthalten und zudem erheblich älter sind als jene kambrischen Schichten, in denen man bereits Trilobiten, die häufigsten Tiere jener Periode, gefunden hatte. Ein Zufall ließ ihn eines Morgens auf fossile Überreste von seltsamen Organismen mit offenbar weichem Körper stoßen — er stand vor dem ersten weit geöffneten Fenster, von dem aus er auf die bislang ältesten Zeugnisse vielzelliger Lebewesen blicken konnte, die Ediacara-Fauna. Deren Alter reicht rund 550 Millionen Jahre zurück, umspannt also die letzte Phase vor dem Kambrium.

 

Spriggs Fund rief die Paläontologen auf den Plan, die seit 1946 dieses zur Flinders Range gehörende Gebiet im Süden Australiens, in dem weiträumig frühe kambrische Sedimente von präkambrischen Sedimenten unterlagert sind, systematisch untersuchten. In den 1960er-Jahren gelang es schließlich dem australischen Geologen deutscher Herkunft Martin F. Glaessner, mehr als tausend Fossilien in der präkambrischen Ediacara-Formation zu finden und so weit wie möglich zu rekonstruieren. Diesen frühen vielzelligen tierischen Lebewesen fehlen generell noch Hartteile wie ein Kalkskelett oder Kalkschalen. Allerdings stießen einzelne Forscher auf Skelettnadeln (Spiculae), wie man sie später bei Schwämmen findet. Außerdem gibt es Hinweise auf Organismen, die flexible, wahrscheinlich aus organischer Substanz bestehende Schalen bildeten.

 

Mehr als die Hälfte der Ediacara-Weichkörperfossilien (»soft bodies«) ließ sich den Quallenartigen (Medusoiden) zuordnen. Etwa ein Viertel von ihnen stellte Glaessner zu den frühen Würmern (Anneliden), und möglicherweise waren einige Arten frühe Gliederfüßer (Arthropoden) und Stachelhäuter (Echinodermata). Andere Paläontologen lehnen es jedoch ab, die Arten der Ediacara-Fauna in die später auftretenden Tierstämme einzugruppieren. Um sie davon begrifflich abzugrenzen, fasste der Tübinger Paläontologe Adolf Seilacher diese Lebewesen unter dem Begriff Vendozoa (nach der jüngsten Stufe des Präkambriums, dem Vendium) zusammen, um den Unterschied zu den wirklichen Metazoa, also vielzelligen Tieren im späteren Sinn, deutlich zu machen (zeitweise sprach man auch von Petalo-Organismen, zu griechisch pétalon »Blatt«). Später prägte er den Begriff Vendobionta, um auch sprachlich die Zuordnung zu den Tieren zu vermeiden.

 

Folgt man Seilacher, so besaßen die Arten der Ediacara-Fauna eine flächige, zum Teil sehr ausgedehnte Gestalt (bis über ein Meter Durchmesser) und eine weiche Körperdecke. Die große Körperoberfläche ermöglichte vielleicht, zusätzlich Sauerstoff zu absorbieren — wichtig in dem damals sehr sauerstoffarmen Meerwasser. Querwände untergliederten die Körper in einzelne Kammern, ähnlich einer Luftmatratze, wobei die Körper allerdings nicht luft-, sondern flüssigkeitgefüllt waren und wahrscheinlich keine äußeren oder inneren Organe besaßen. Dieser Aufbau spricht dafür, dass die Ediacara-Lebewesen einer ausgestorbenen Entwicklungsrichtung, einem blinden Seitenzweig der Evolution, angehören, die sich von den späteren Tierarten mit einer sekundären Leibeshöhle (Coelom), den Coelomata, unterscheidet.

 

Auf ähnliche präkambrische Faunen waren Geologen — zum Teil schon seit der Jahrhundertwende — auch in Namibia (1908), Neufundland, der Mongolei und Sibirien gestoßen. Aber erst im Licht der australischen Funde erkannte man ihre Bedeutung. Vielleicht gab es damals auch schon echte Tiere im Sinn der späteren Evolution. Jedenfalls gibt es Spurenfossilien von Lebewesen, die sich noch nicht befriedigend deuten lassen (daher »Dubiofossils« genannt). So entdeckte man etwa Löcher, Gänge sowie Kriech- und Weidespuren oder Exkremente von sedimentfressenden, uns noch unbekannten präkambrischen Weichtieren. Vermutlich handelte es sich dabei um kleine, wurmartige Organismen, die am oder im Meeresboden lebten und an die ihn bedeckenden Mikroben- oder Biomatten gebunden waren, sie von unten abweideten. Erst im Licht der Ediacara-Fauna zeigten sie sich als erste Lebensspuren von präkambrischen Vielzellern.

 

Die dem Boden der Flachmeere aufliegenden, nur wenige Millimeter dicken Mikroben- oder Biomatten setzten sich aus Cyanobakterien und anderen Bakterien, Algen und Pilzen zusammen, die in Symbiose miteinander lebten. Solche Mikrobenmatten kommen auch heute von den Tropen bis zu den Polargebieten an Extremstandorten vor, insbesondere auf dem Grund von Lagunen und eingedampften Salzseen, wo sie vor den sonst herrschenden vielzelligen Fressfeinden (Schnecken, Muscheln, Fische, Krabben, Würmer) sicher sind. Fossil sind sie selten direkt nachweisbar, allenfalls durch Stromatolithen, sie müssen aber den Hauptanteil der präkambrischen Biomasse gebildet haben. Sie bewirkten die Umwandlung der Atmosphäre vom reduzierenden zum oxidierenden Milieu (Entwicklung der Sauerstoffatmosphäre). Auf sie geht auch die Bildung der Bändereisenerze und anderer Erze zurück. Sie bestimmten über fünf Sechstel der Erdgeschichte das sedimentäre Geschehen.

 

Ältere Überreste von vielzelligen Tieren aus dem Präkambrium wurden zunächst nicht bekannt oder nicht eindeutig identifiziert. Der Beginn dieser Entwicklung — wohl in der Zeit vor 650 Millionen Jahren — liegt noch weitgehend im Dunkeln. Allerdings fand man neuerdings in Namibia und China in Schichten der Ediacara-Fauna einzelne fossile Reste von Organismen, die schon mineralisierte Hartteile bildeten: calcitische Röhren, Außenskelette eines Cloudina genannten Tiers, wohl eines Polypen (Nesseltier).

 

 Die Welt vor 570 Millionen Jahren

 

Ein Globus, der die Erde vor 570 Millionen Jahren zeigt, müsste völlig anders aussehen als ein Globus der heutigen Erde. Rund 180 Millionen Jahre früher, also vor 750 Millionen Jahren, gab es möglicherweise schon einmal einen Superkontinent, den der Berliner Geologe Hans Stille Megagäa nannte. Ähnlich wie knapp eine halbe Milliarde Jahre später — Alfred Wegener sprach in diesem Zusammenhang von dem permzeitlichen Urkontinent Pangäa — waren damals fast alle Landmassen miteinander verbunden. Doch die plattentektonische Aktivität sorgte dafür, dass dieser präkambrische Superkontinent zerbrach und die einzelnen Fragmente sich immer weiter voneinander entfernten.

 

Für die Zeit des beginnenden Kambriums lässt sich aufgrund der thermoremanenten Magnetisierung der damals entstandenen Gesteine folgendes Bild der Erdoberfläche erschließen: Alle Landmassen liegen in niederen Breiten. Die größte Landmasse, Gondwana, befindet sich annähernd gleichermaßen beiderseits des Äquators. Der steigende Meeresspiegel lässt immer größere Bereiche der kontinentalen Landmassen überfluten. Riesige Flachwassermeere entstehen, die — bedingt durch die äquatornahe Lage — warmes Wasser führen, was sich aus Kalkablagerungen ablesen lässt, die biologischen Ursprungs sind. Diese Regionen sind die Geburtsstätten jener Arten, die die Kambrische Explosion begründeten.

 

Doch das Klima ist nicht einheitlich. Neben biogenen Kalken, die warme Meeresgebiete kennzeichnen, gibt es auf allen Kontinenten Zeugen eines kalten Klimas mit ausgedehnten Vereisungsgebieten, die über den unvorstellbar langen Zeitraum von mehr als 100 Millionen Jahren existiert haben müssen. An der Wende zum Kambrium erreichen diese Kälteperioden ihren Höhepunkt und hinterlassen Gesteine mit entsprechenden Spuren in Schottland, Nordirland, der Normandie, in Böhmen und Norwegen, in Grönland, China und Australien.

 

Vor 650 Millionen Jahren erstreckten sich Eiszeitgletscher in der Nähe des Äquators über weite Gebiete Australiens. Sie verursachten die erste paläontologisch nachweisbare Aussterbekatastrophe. Man konnte sie an mikroskopisch kleinen Zellen, den Acritarchen, nachweisen. Einige dieser planktonischen Organismen hat man als Dauerzysten von Dinoflagellaten identifiziert. Diese Acritarchen sind seit etwa 1,8 Milliarden Jahren belegt, wurden seit etwa 800 bis 900 Millionen Jahren häufiger und starben dann bis auf wenige einfache kugelige Formen aus.

 

Das Festland hätte einem Beobachter ein ödes Bild vermittelt: nackter oder von Gletschern bedeckter Fels, leblose Flussbetten, tote Geröllhalden und Sandflächen. Alles Leben war auf die wärmeren Bereiche des Weltmeers beschränkt. Die Landnahme der Pflanzen und später der Tiere ließ noch viele Millionen Jahre auf sich warten.

 

 Das Dunkel der präkambrischen Zeit

 

Lange Zeit stand das Kambrium in dem geheimnisumwitterten Ruf, den Beginn des Lebens auf der Erde zu markieren. Ob nun Forscher in der Prager Mulde, in Wales, in Schweden, an der ostbaltischen Küste oder in Nordamerika suchten, immer stießen sie auf eine scharfe Grenze zwischen den fossilführenden Schichten des frühen Kambriums und den praktisch fossilfreien, zumeist metamorphen Gesteinen des Präkambriums. Sie nannten diese scheinbar leblose Periode die »Zeit der Urgesteine«. Noch zu Beginn des 20. Jahrhunderts schienen diese »Urgesteine« in ihrer Zeitenfolge unerforschbar. Gleichzeitig wurden sie für den Bergbau, etwa bei der Suche nach Gold und hochwertigen Eisenerzen, immer wichtiger. Geologen erkannten in ihnen die alten Kontinentalkerne oder Kratone.

 

Die anhand von Fossilien datierbaren Gesteinsformationen vom Kambrium bis zur Jetztzeit fasst man seit 1930 zum Phanerozoikum zusammen, dem Zeitalter des »sichtbaren Lebens«. Die davor liegende, wie wir heute wissen ungleich längere Periode von fast vier Milliarden Jahren nannte der Geologe und Paläontologe Otto Heinrich Schindewolf Kryptozoikum, das Zeitalter des »verborgenen Lebens«. Er wollte damit ausdrücken, dass die Herkunft mehrzelliger Arten, die in Form von Fossilien vom Kambrium an in Gesteinen zu finden sind, sich uns in präkambrischer Zeit immer noch verbirgt.

 

Beide Begriffe sind klug gewählt, schließlich markiert die Grenze zwischen beiden Perioden durchaus nicht das erste Auftreten von Lebewesen. Vielmehr wissen wir heute, dass das Leben wesentlich früher, vor mindestens 3,6 Milliarden Jahren begann. Doch diese frühen, ausschließlich einzelligen Lebensformen erschließen sich erst im Mikroskop, vor allem im Elektronenmikroskop. Dem bloßen Auge bleiben sie verborgen, sie sind »kryptisch«. Erst die kalkhaltigen fossilen Überreste von Muscheln, Schnecken, Korallen und Schwämmen aus dem Kambrium bieten sich dem bloßen Auge als Zeugen des Lebens dar.

 

Kryptozoikum bedeutet nicht, dass die Biomasse damals insgesamt gering gewesen wäre. Hinweise darauf sind die rund eine Milliarde Jahre alte anthrazitische Steinkohle (Schungit) vom Ufer des Ladogasees und das 1,4 bis 1,7 Milliarden Jahre alte australische Erdöl. Das belegen auch die Kalk abscheidenden Cyanobakterien der Stromatolithen im Präkambrium Südafrikas, Australiens, Sibiriens und Kanadas, die weite Teile des flachen Meeresbodens bedeckten.

 

 Ursachen der Kambrischen Explosion

 

Salopp und treffend schreibt der amerikanische Paläontologe David Raup: »Vor 600 Millionen Jahren war in der Evolution der Teufel los.« Wie und weshalb es zu dieser Entwicklung, also zu einer ersten Blütezeit der vielzelligen Organismen kam, bleibt jedoch im Dunkeln. Lediglich einzelne biologische und geologische Prozesse lassen sich anführen, um diesen Sprung plausibel zu machen. Restlos erklären kann man ihn damit nicht.

 

Unter den biologischen Entwicklungen muss man sich in diesem Zusammenhang vor Augen halten, dass vor über zwei Milliarden Jahren das Leben die Photosynthese »erfand«. Dieser Prozess ermöglichte unter den Lebewesen einen globalen Energiekreislauf. Vor 1,9 Milliarden Jahren entstanden die eukaryontischen Einzeller. Diese haben im Gegensatz zu den Prokaryonten einen echten Zellkern, der ihre Erbinformation enthält. Die Evolution hatte damit einen Mechanismus hervorgebracht, um besser angepasste Individuen mit erfolgreicheren Gen-Kombinationen zu entwickeln. Eukaryonten sind, neben den eukaryontischen Einzellern, alle vielzelligen Lebewesen, also Pflanzen, Pilze, Tiere und auch der Mensch. Aber auch tektonische und andere abiotische Veränderungen mögen zur Kambrischen Explosion beigetragen haben.

 

Durch die Photosynthese der präkambrischen Mikroorganismen wurde die Atmosphäre sauerstoffhaltig. Erste Organismen entstanden, die in Anwesenheit von Sauerstoff leben konnten, aber dieses Element noch nicht nutzten. Schließlich traten erste »atmende« Arten auf, die den Sauerstoff ihrer Umgebung zum Aufschluss der aufgenommenen Nahrung benötigten (aerobische, im Gegensatz zu den anfänglichen anaerobischen Lebewesen). Vielleicht war es diese »Sauerstoff-Krise«, die die Evolution vielzelliger Organismen mit gänzlich neuen Stoffwechseleigenschaften und -leistungen während der Kambrischen Explosion ermöglichte. Einen anderen Grund sehen Geologen in der Änderung der Meerwasserzusammensetzung. So gibt es Hinweise darauf, dass dessen Gehalt an Calciumcarbonat vor dem Kambrium zunahm. Es ist durchaus plausibel, dass erst dieses »Angebot« den Organismen die Möglichkeit eröffnete, schützende Kalkschalen auszubilden.

 

Das Aufbrechen des Superkontinents Megagäa während des Präkambriums führte dazu, dass neue, lange Küstenlinien mit riesigen Flachwasserbereichen entstanden. Gerade sie stellen den Lebensraum der kambrischen Fauna dar. Vereinfacht könnte man sagen: Zu Beginn des Kambriums vervielfachte die Erde ihren verfügbaren Laborraum für evolutionäre Experimente. Es entstanden neue marine Lebensräume, die auf die Besiedlung durch »Pioniere« geradezu warteten.

 

Einen letzten Punkt gilt es zu beachten: So plötzlich, wie es die Bezeichnung nahe legt, entwickelten sich die kambrischen Lebensformen nicht. Neue Fossilfunde in der chinesischen Provinz Guizhou zeigen, dass bereits vor 570 bis 590 Millionen Jahren, also mehrere Millionen Jahrzehnte vor dem Beginn des Kambriums, »kambrische« Arten wie Quallenartige (Medusoide), Wurmartige (Anneliden-Verwandte) und sogar Schwämme mit Nadeln existierten; außerdem konnten dort Cyanobakterien, Acritarchen und Thallusfragmente vielzelliger Algen (ähnlich den heutigen Rotalgen) identifiziert werden. Schließlich gelang es, in der Fundschicht, einer Phosphorit-Lagerstätte, in der Doushantuo-Formation, kugelige Mikrofossilien (Durchmesser etwa 0,5 Millimeter) zu erkennen. Sie sind von einer dünnen Hülle umgeben und zeigen geometrisch exakte innere Untergliederungen ähnlich den Furchungen bei befruchteten Eizellen. Wahrscheinlich handelt es sich um frühe Embryonen von wirbellosen Tieren.

 

Während die Interpretation dieser Fossilien allgemein akzeptiert wird, sind die jüngst in Indien in präkambrischen Sandsteinschichten entdeckten fossilen Strukturen noch stark umstritten. Adolf Seilacher hält sie für die Gänge von Würmern. Diese sollen in den Biomatten des Meeresbodens gelebt und die Sauerstoffproduktion der Cyanobakterien direkt genutzt haben. Die Entstehungszeit (990 Millionen bis 1,15 Milliarden Jahre) ist noch nicht gesichert, sie würde aber molekularbiologischen Überlegungen entsprechen, die die Entstehung der Vielzeller vor 670 Millionen bis 1 Milliarde Jahren nahe legen. Die Entfaltung der vielzelligen Tiere begann jedenfalls schon im späten Proterozoikum vor 550 bis 590 Millionen Jahren. Vor kurzem erkannte man schließlich eindeutig der Ediacara-Fauna zugehörende Fossilien in Sedimenten des untersten Kambriums in Südaustralien, und zwar zusammen mit ebenso eindeutig der kambrischen Fauna zuzuordnenden Resten. Das Ende der präkambrischen Welt war also nicht schlagartig, sondern ein gleitender Übergang.

 

Prof. Dr. Rudolf Daber

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

Kambrium: Die Lebenswelt im Kambrium

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

Leben auf der Erde: Von der Uratmosphäre zu den ersten Lebewesen

 

Literatur:

 

Das Buch des Lebens, herausgegeben von Stephen Jay Gould. Aus dem Englischen. Köln 1993.

 

Entwicklungsgeschichte der Lebewesen, herausgegeben von Gerhard Heberer und Herbert Wendt. Zürich 1972.

 Erben, Heinrich K.: Evolution. Eine Übersicht sieben Jahrzehnte nach Ernst Haeckel. Stuttgart 1990.

 Erben, Heinrich K.: Leben heißt Sterben. Der Tod des einzelnen und das Aussterben der Arten. Taschenbuchausgabe Frankfurt am Main u. a. 1984.

 Gould, Stephen Jay: Zufall Mensch. Das Wunder des Lebens als Spiel der Natur. Aus dem Amerikanischen. Taschenbuchausgabe München 1994.

 Kowalski, Heinz: Trilobiten. Verwandlungskünstler des Paläozoikums. Korb 1992.

 Krumbiegel, Günter / Krumbiegel, Brigitte: Fossilien der Erdgeschichte. Lizenzausgabe Stuttgart 1981.

 Kuhn-Schnyder, Emil / Rieber, Hans: Paläozoologie. Stuttgart u. a. 1984.

 Lehmann, Ulrich / Gero Hillmer: Wirbellose Tiere der Vorzeit. Stuttgart ⁴1997.

 Norman, David: Ursprünge des Lebens. Aus dem Englischen. München 1994.

 

Ökologie der Fossilien. Lebensgemeinschaften, Lebensräume, Lebensweisen, herausgegeben von William S. McKerrow. Aus dem Englischen. Stuttgart ²1992.

 Omphalius, Ruth: Planet des Lebens. Meilensteine der Evolution. Köln 1996.

 Pflug, Hans D.: Die Spur des Lebens. Paläontologie - chemisch betrachtet. Berlin u. a. 1984.

 Probst, Ernst: Deutschland in der Urzeit. Von der Entstehung des Lebens bis zum Ende der Eiszeit. München 1986.

 

Die Urzeit in Deutschland. Von der Entstehung des Lebens bis zum Neandertaler, Beiträge von Günther Freyer u. a. Augsburg 1995.