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Evolution

Lungenfisch-Genom: Einblicke in den Landgang

Der Australische Lungenfisch ist der nächste lebende Verwandte des Menschen bei den Fischen. (Bild: Pixabay)

Ein lebendes Fossil hat sein Erbgut preisgegeben: Das Genom des Lungenfischs gibt Einblicke in die evolutionären Innovationen, die vor rund 420 Millionen Jahren den Landgang der Wirbeltiere ermöglichten, berichten Forscher. Durch viele sich wiederholende DNA-Sequenzen handelt es sich um das bislang größte sequenzierte Tiergenom. Die Analysen bestätigten, dass der skurrile Australier unser nächster lebender Verwandter bei den Fischen ist. Die Forscher konnten auch genetische Merkmale beim Lungenfisch identifizieren, die bei Landwirbeltieren mit der Entwicklung von Gliedmaßen und der Lunge verbunden sind.

Sie krochen aus dem Wasser und begründeten eine Entwicklung, aus der letztlich auch wir hervorgegangen sind: Im Zeitalter des Devon begannen die ersten Wirbeltiere das Land zu erobern. Die zunächst fischartigen Wesen entwickelten dazu Lungen zur Atmung von Luft sowie kräftige Flossen, mit denen sie sich auf festem Untergrund bewegen konnten. Diese Pioniere bildeten die Urahnen aller heutigen Landwirbeltiere – von den Amphibien über die Reptilien bis hin zu den Vögeln und Säugetieren. Diese Ahnen selbst sind längst ausgestorben – doch man geht davon aus, dass die heutigen Lungenfische noch immer den Fischen ähneln, die das Wasser einst verließen. Vor allem der Australische Lungenfisch (Neoceratodus forsteri) besitzt neben seinen Fischmerkmalen auch deutliche Eigenschaften der Landwirbeltiere.

Dem Code der Pioniere auf der Spur

Seine „fleischigen“ Flossen besitzen eine anatomische Knochenanordnung, die derjenigen in Gliedmaßen ähnelt. Damit „laufen“ diese Tiere am Grund von Gewässern auch ähnlich wie Salamander. Wie der Name sagt, besitzen Lungenfische außerdem neben Kiemen eine Lunge, mit der sie an der Wasseroberfläche Luft atmen können. Inwieweit sich diese Merkmale und die Evolutionsgeschichte im Genom der Lungenfische widerspiegeln, fragen sich Biologen schon lange. Doch dabei gab es bisher ein Problem: Das Erbgut der Lungenfische gehört zu den größten in der Tierwelt – es ist fast 14-mal umfangreicher als das des Menschen. Doch den Forschern um Axel Meyer von der Universität Konstanz ist es nun gelungen, auch diesen Mega-Code zu entziffern.

Wie sie berichten, ist das Genom durch viele sich wiederholende Sequenzen aufgebläht, die offenbar erst in der jüngeren Evolutionsgeschichte dieser Fische im Erbgut entstanden sind. Trotz dieser Expansion spiegelte sich in der genetischen Organisation aber die Signatur der Gemeinsamkeiten mit den Landwirbeltieren wider, sagen die Wissenschaftler. Wie sie berichten, bestätigten die genetischen Analysen die evolutionäre Schlüsselposition der Lungenfische als nächste lebende Verwandte der Landwirbeltiere. Sie sind demnach auch näher mit uns verwandt als die berühmten Quastenflosser, die ebenfalls als lebende Fossilien gelten.

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Signatur revolutionärer Innovationen

„Doch was lässt sich im Genom des Lungenfisches erkennen, das Licht auf die Evolutionsgeschichte der Landwirbeltiere wirft?“, bringt Meyer die übergeordnete Frage auf den Punkt. Den Wissenschaftlern zufolge sind im Genom dieser Tiere tatsächlich Spuren erkennbar, die Hinweise darauf geben, wie ihre urtümlichen Verwandten einst das Land eroberten: Sie entdeckten sogenannte genomische Präadaptionen – genetische Voranpassungen an die neuen, zuvor nicht vorhandenen Anforderungen des Landlebens. Demnach besitzen die Lungenfische Gene, die denen ähneln, die bei Landwirbeltieren die Embryonalentwicklung der Lunge steuern. „Die Lunge von Lungenfischen ist entwicklungsgeschichtlich daher auf die gleiche Herkunft zurückzuführen wie die der Landwirbeltiere – einschließlich des Menschen“, erklärt Meyer.

Die Forscher fanden auch Hinweise auf einen Aspekt, der mit der Luftatmung verbunden ist: Die Genfamilien, die bei den Riech-Fähigkeiten der Landwirbeltiere eine Rolle spielen, sind bei den Lungenfischen ebenfalls verstärkt vorhanden. Auch was die Evolution der Gliedmaßen betrifft, fanden die Wissenschaftler Hinweise: Die Entwicklung der Flossen der Lungenfische ähnelt demnach auf genetischer Ebene Prozessen bei der Embryonalentwicklung der menschlichen Hände. Dabei stehen die hox-c13- und sal1-Gene im Fokus. Wie die Forscher erklären, ist der Bau der Finger in den Händen und auch von Elle und Speiche bereits in der Flosse des Lungenfischs angelegt, wofür dieselben Gene und dieselbe Genregulation wie beim Menschen verantwortlich sind.

Zur Bedeutung der genetischen Erkenntnisse zum Lungenfisch sagt Co-Autor Oleg Simakov von der Universität Wien abschließend: „Unsere Befunde erweitern das Verständnis entscheidender evolutionärer Fortschritte und damit der Eroberung des Landes im Devon vor 420 Millionen Jahren.“

Quelle: Universität Konstanz, Universität Wien, Fachartikel: Nature, doi: 10.1038/s41586-021-03198-8

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