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Die Baupläne des Lebens

Fossiler Trilobit - eine ausgestorbene Klasse früher, meeresbewohnender Gliederfüßer. (Foto: Jakob Vinther/ University of Bristol)

Im Laufe der Evolution haben sich auf der Erde ganz unterschiedliche Tierformen entwickelt. Doch wann und wie sind die grundlegenden anatomischen Baupläne dieser Lebewesen entstanden? Dieser strittigen Frage sind Wissenschaftler nun nachgegangen. Ihre Analysen zeigen: Die Formenvielfalt hat nicht nur während der sogenannten kambrischen Explosion eine enorme Erweiterung erfahren. Stattdessen haben sich im Laufe der Zeit immer wieder neue Baupläne herausgebildet – angetrieben durch Einflüsse von einem zunehmenden Repertoire an regulatorischen Genen.

Es begann mit einfachen, einzelligen Wesen. Doch dabei blieb es nicht: Im Laufe der Evolution des Lebens sind zahlreiche Tierarten entstanden, die sich in ihren anatomischen Bauplänen teils ganz grundlegend voneinander unterscheiden. Gemäß dieser Unterschiede teilen Wissenschaftler Organismen traditionell in Großgruppen wie die Tierstämme ein. Zu diesen Stämmen gehören zum Beispiel die Arthropoden, die Mollusken und die Chordatiere – jener Stamm, zu dem auch wir Menschen zählen. Insgesamt werden heute rund 30 bis 40 anatomische Grunddesigns des Lebens unterschieden. Aber wann und wie sind diese Baupläne entstanden? Charles Darwin ging seinerzeit davon aus, dass die heute bekannten anatomischen Designs das Ergebnis gradueller evolutionärer Veränderungen sind und sich kontinuierlich über lange Zeiträume hinweg entwickelt haben. Demgegenüber steht die These der kambrischen Explosion. Demnach tauchten vor rund 500 Millionen Jahren fast alle grundlegenden Körperbaupläne mehrzelliger Tierstämme plötzlich und nahezu gleichzeitig auf.

Innovation in Schüben

Doch gab es wirklich nur diesen einen frühen Ausbruch evolutionärer Experimentierfreudigkeit – oder fanden auch davor und danach noch fundamentale Innovationen in Sachen Anatomie statt? Dieser strittigen Frage haben sich Wissenschaftler um Bradley Deline von der University of West Georgia in Carrollton nun erneut gewidmet. Dafür nahmen sie sich sämtliche heute lebende Tiergruppen vor und analysierten tausende von deren Körpermerkmalen: Welche Unterschiede und welche Gemeinsamkeiten gibt es? Darüber hinaus untersuchte das Forscherteam Fossilien ausgestorbener Arten und führte Modellsimulationen zu möglichen evolutionären Prozessen durch. Das Fazit ihrer Auswertung: Grundlegende anatomische Veränderungen hat es im Laufe der Evolution nicht nur einmal gegeben. „Tierische Designs haben sich immer wieder weiterentwickelt – und tun dies bis heute“, sagt Mitautor Philip Donoghue von der University of Bristol.

Demnach gab es zwar manche Baupläne, die schon früh in ihrer heutigen Form existierten. Bei Stämmen wie den Chordatieren, den Arthropoden und Mollusken haben sich neue Formen den Forschern zufolge dagegen nach und nach herausgebildet. Dabei zeichnete sich ab, dass das Auftreten neuer Tierformen nicht über alle Phasen der Entwicklungsgeschichte hinweg gleichmäßig verteilt ist. Stattdessen gab es immer wieder Schübe, in denen vermehrt neue anatomische Baupläne entstanden. „Die Erweiterung der Formenvielfalt nach dem Kambrium ging dabei oft mit anderen großen ökologischen Veränderungen einher – zum Beispiel der Eroberung des Landes“, erläutert Deline. Wie die Wissenschaftler betonen, lassen sich die scheinbar so erstaunlich großen Unterschiede zwischen einigen heute lebenden Tiergruppen nicht durch plötzliche anatomische Sprünge erklären. „Diese Unterschiede sind oft die Konsequenz davon, dass ihre evolutionären Zwischenstücke ausgestorben sind“, sagt Donoghues Kollege James Clark.

Genregulation als Antrieb

Damit scheint klar: „Die Kapazität für fundamentale Variationen beim Körperbau ist nicht auf die frühe Evolutionsgeschichte der mehrzelligen Tiere beschränkt“, schreibt das Team. Doch welche Mechanismen trieben die Entwicklung der tierischen Körperbaupläne voran? Um dies herauszufinden, analysierten die Forscher auch die Genome diverser Tiergruppen. Das Ergebnis: Bestimmte Unterschiede in den anatomischen Bauplänen korrelieren mit der Aktivität von gewissen regulatorischen Gengruppen im Erbgut der Tiere – aber nicht mit der Vielfalt der bei diesen Tieren vorkommenden Proteine, wie in der Vergangenheit vermutet wurde. „Unsere Studie bestätigt, dass die Genregulation eine Schlüsselrolle für die Evolution der Tiere spielte“, sagt Mitautor Kevin Peterson vom Dartmouth College in Hanover. Mit einem immer größer werdenden Repertoire an regulatorischen Genen entstand im Tierreich demnach auch eine zunehmende Vielfalt in Sachen Körperbau.

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Quelle: Bradley Deline (University of West Georgia, Carrollton) et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, doi: 10.1073/pnas.1810575115

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