Mein vorletzter Beitrag betraf das Ende des Lebens. Mein heutiger Beitrag geht ganz weit hinunter an die Anfänge des Lebens. Ich möchte kurz Thomas Cavalier-Smith’s Review vom letzten Sommer zu Ursprung und frühester Evolution des Lebens vorstellen. Das paper mit dem Titel “Cell evolution and Earth history: stasis and revolution” wirft explizit und weniger unausgesprochen Themen auf, die ein neues biologisches Verständnis von Leben und Evolution offenbaren.
Neu ist nicht, was der Titel der Arbeit verkündet, die Anwendung der Konzepte von Stasis und Quantumevolution (die im Übrigen nicht zu verwechseln sind mit Goulds Punk Eek), sondern das Verständnis der Interaktion von organismischer Aktivität und globalen Umweltbedingungen und die Art und Weise der Argumentation mit Selektion und Adaption.

Cavalier-Smith erzählt folgende Geschichte:

Der letzte gemeinsame Vorfahre des heutigen Lebens war mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit ein anoxigenes photosynthetisches Bakterium mit zwei Oberflächenmembranen und ohne Flabellum was vor zwischen 3.8–3.5 Milliarden Jahren entstanden ist. Veränderungen der Membranbeschaffenheit und gleichzeitige Veränderungen im Proteintransport-Mechanismus dieser Bakterien führten zu einer Revolution in der Lebewelt, nämlich der Entstehung der oxigenen Photosynthese in den Cyanobacterien vor rund 2.8 Milliarden Jahren. Damit war aber die Geschichte noch nicht zu Ende, denn vor etwa 900 Millionen Jahren enstanden Bakterien, die eine flexiblere Zellwand haben, denen Phagotrophie möglich war, die Neomura. Aus den Neomura mit ihren durchlässigen flexiblen Membranen entwickelten sich rasch durch Einschluss anderer Organismen die Eukaryoten. Neben den Eukaryoten, entwickelten sich zu dieser Zeit aus den Neomura, anders als der Name vermuten lässt, auch die extremophilen Archeobakterien. Das timing dieser Evolution ist nicht graduell, sondern verläuft schubweise. Lange Zeit passiert nichts und dann kommt es innerhalb kürzester Zeit zu großen Veränderungen, die Cavalier-Smith die Glykobakterien und die Neomura Revolution nennt.
Die Glykobakterien Revolution führte in ihrer Konsequenz zur ersten der beiden großen Totalvereisungen der Erde (Snowball Earth). Die zweite snowball earth Phase führt Cavalier-Smith auf die methanotrophen Archeobakterien zurück, die während der Neomura Revolution entstanden. Nach der zweiten snowball earth Phase kam es zu einer Blüte verschiedener eukaryotischer Algen und die Kambrische Explosion konnte starten. Alles was folgt sind peanuts.. Spannend wird es erst wieder seit der Mensch Kohle verbrennt…

Die Geschichte allein ist spektakulär. Die Organismen sind es die hier die Geschichte schreiben. Die Organismen passen sich nicht mehr nur passiv an die Unbilden der Natur an, sondern sie prägen die Umwelt und ihre Schicksal maßgeblich mit. Es sind unscheinbare Veränderungen der Beschaffenheit ihrer Grenzflächen die zu Veränderungen in der Interaktion mit der Umwelt führen, die schließlich völlig neue Welten eröffnen. Veränderungen in der chemischen Beschaffenheit der äußeren Membran der Glycobacteria ermöglichten eine effektive Sauerstoff-produzierende Photosynthese, die schließlich zu unserer Sauerstoffreichen Atmosphäre führten. Das Ersetzen von Murein durch Glykoprotein und Lipoprotein in der Membran der Actinobacterien führte zur Phagotrophie, zur Entstehung der Eukaryoten und vielzelligen Lebens bis hin zum Menschen.

Cavalier-Smith spricht in diesem Zusammenhang von Preadaption. Die Veränderungen in der Membran waren Vorausetzung für den Erfolg der Erben, oder anders herum formuliert: die Limitationen der primitiven Bakterien verhinderten die Blüte komplexeren Lebens. Diese retrospektiven Formulierungen haben in meinen Augen immer etwas Paradoxes. Es gibt keine Preadaption, weil es im Vornherein keine Idee gegeben hat, von dem was kommen wird. Ein Organismus kann sich nicht an etwas anpassen, was es noch nicht gibt. Die adaptionistische Brille mit der viele Biologen auf Organismen blicken wurde gerade von Michael Lynch in PNAS kritisiert. Viel besser wäre es von ‘evolutionary exploitation” zu sprechen, umgedeutscht von einer ‘evolutionäre Verwertung’ der Neuheiten. Das verweist auf ein evolutionäres Potential bestimmter Neuerungen, dass natürlich immer nur in der Retrospektive bewertet werden kann. Schlüsselinnovationen, die zu den oben genannten Umwälzungen in der organismischen Evolution und in den Stoffkreisläufen der Erde führten, sind daher besser nicht adaptiv zu verstehen sondern als sich öffnende Türen in neue, bisher nicht da gewesene Welten. Obwohl Cavalier-Smith die Termini der Adaption benutzt, zielt seine Interpretation der Ereignisse auf genau diese Prozesse, weil er immer wieder von den sich eröffnenden Möglichkeiten spricht.

Cavalier-Smith schreibt:

“The neomuran revolution allowed the origin of archaebacteria, and was a crucial prerequisite for the origin of eukaryotes. Its radical nature and probable extreme difficulty explain why eukaryotes emerged so late. Once rigid murein was replaced by flexible glycoprotein, evolution of phagotrophy became relatively easy—but still complex and not inevitable. (…) Once evolution of phagotrophy started, it would have gone to completion and generated a complete early eukaryote with endomembrane system, endoskeleton, nucleus, mitosis, cilium, peroxisomes, mitochondria and sex, probably in much less than a million years (based on considerations like those suggesting that mitochondria probably only took 10–100 000 years to evolve”

Das Erscheinen bestimmter organismischer Neuerungen, schafft neue Welten und die Schlüssel zu diesen Welten in einem Schritt. Manchmal dauert es ein paar Milliarden Jahre bis solche Neuerungen erscheinen und dann geht alles ganz schnell..

Das paper von Cavalier-Smith ist ein must read wenn man wissen möchte wie die organismische Evolution die Welt immer wieder neu erfindet.