Was ist Evolution? (5) – Wie der Durst in die Welt kam

Ein Gastbeitrag von Helmut Pfeifer

Im Meer entstand die Zelle, wie Helmut Pfeifer in Teil 4 seiner Evolutionsserie dargestellt hat. Davon ausgehend konnten sich komplexere Lebensformen bilden, die schließlich auch das Land eroberten. Zum Menschen war noch ein weiter Weg, aber die ersten Empfindungen, die auch wir kennen, tauchten nun auf. Lesen Sie in diesem 5. Teil, wie erstmals auf der Erde jemand Durst bekam.

Vor rund einer Milliarde Jahren dürfte die Entwicklung der höheren kernhaltigen Zellen mit ihren vielseitigen und spezialisierten Bestandteilen abgeschlossen gewesen sein. Besonders erwähnenswert ist, dass sich der Zellkern zu einem gesonderten Bestandteil der Zelle entwickelt hatte, wo der Bau- und Funktionsplan der Zelle nicht nur detailliert gespeichert ist, sondern von dem aus auch alle Aktivitäten der Zelle gesteuert werden. Nach etlichen Krisen, bei denen massenweise nicht angepasste Zelltypen zugrunde gegangen sind, war eine stabilere Phase eingetreten, in der das Leben auf diesem Planeten endgültig Fuß fassen konnte. Ganz wichtig dabei war die Perfektionierung der Zellteilung, weil damit der für die Vermehrung von Organismen so entscheidende Vorgang hinreichend vervollkommnet worden war. Auch das Einsetzen des Mutationsmechanismus und mit ihm die Entwicklung der Artenvielfalt war dadurch erst möglich geworden. In den Meeren vermehrten sich unzählige winzige Einzeller, die schon damals Organismen mit einer relativ hoch spezialisierten Leistungsfähigkeit.

Die Chloroplasten (sie bilden das Chlorophyll oder Blattgrün) der Pflanzen sorgten durch die in ihnen stattfindende Photosynthese für einen nie versiegenden Nahrungsnachschub, die Mitochondrien machten es möglich, mit Hilfe des Sauerstoffs aus den aufgenommenen Nahrungsmittel die für die Zelle notwendige Energie zu gewinnen, die sie zur Aufrechterhaltung der zahllosen Funktionen benötigt hat. Die Ergiebigkeit dieser Vorgänge übertraf alles bisher dagewesene und förderte die weitere Entwicklung des Lebens enorm.

Bei der unaufhaltsamen Beschleunigung des späteren Ablaufs in der Erdgeschichte dürfte die zunehmende Konzentration des Sauerstoffs in der damaligen Atmosphäre eine große Rolle gespielt haben. Sein Anteil war zwar wesentlich geringer als heute, aber seine Bedeutung lag nicht nur darin, dass eine neue Energiequelle erschlossen worden war, sondern auch darin, dass er ein wertvoller Schutzschild gegen die zersetzende UV- Strahlung der Sonne darstellte. Ein Umstand, der für die weitere Entwicklung des Lebens eine ganz wesentliche Rolle gespielt hat. Denn jetzt erst stand dem Leben wirklich die ganze Oberfläche des Planeten zur Verfügung, also nicht nur die Meere, sondern auch die Fläche des trockenen Festlandes. Allerdings blieb diese Möglichkeit für weitere 500 Millionen Jahre aus verschiedenen Gründen ungenutzt.

Der nächste entscheidende Schritt der irdischen Entwicklung des Lebens bestand allerdings darin, dass die komplizierten Zellen, die sich in den vergangenen Jahrmillionen entwickelt hatten, allmählich die Fähigkeit und die Neigung an den Tag legten, sich da und dort untereinander zusammen zu schließen. Allerdings hat sich dieser Vorgang über einige Jahrmillionen hingezogen. Das Resultat dieser Entwicklung waren die ersten mehrzelligen Lebewesen, allerdings zunächst noch in bescheiden einfachen Formen. Trotzdem stellte dieser Umstand der ersten Zusammenschlüsse im Nachhinein betrachtet eine geradezu phantastische Erweiterung der Möglichkeiten für das Lebendige dar.

Wäre nämlich die Evolution auf dem Niveau einzelliger Lebewesen stehen geblieben, dann wäre die Artenvielfalt heute vergleichsweise gering und das Leben würde ein ganz unauffälliges Dasein fristen, da es wegen der Kleinheit der einzelligen Formen praktisch „unsichtbar“ geblieben wäre. Einzeller hätten auch nie eine so große genetische Vielfalt produzieren können wie Vielzeller, da durch bloße Zweiteilung kein Austausch genetischer Information bzw. keine genetische Rekombination stattfindet.

Warum gibt es Mehrzeller?

Die Frage, wie aus Einzellern letztlich Vielzeller entstanden sind, lässt sich jedoch nicht eindeutig beantworten. Die ersten einfachen mehrzelligen Lebewesen entstanden vielleicht dadurch, dass sich die nach der Teilung entstandenen Zellen nicht mehr trennten, sondern beisammenblieben. Dass es so war, kann man durch die Untersuchung der DNS von primitiven Organismen feststellen, die in ihrer Entwicklung in dem Stadium dieser Übergangsphase sozusagen „steckengeblieben“ sind. Die in ihren Zellkernen gespeicherten Information ist über unvorstellbare lange Generationsfolgen bis zu unserer Gegenwart konserviert worden und bedeutet für die heutige Wissenschaft die einzigartige Chance, archaische Lebensformen zu untersuchen und stellen auf diese Weise „lebende Fossilien“ dar.

Eines der markantesten Beispiele dafür ist ein mikroskopisch kleiner Vielzeller, der Pandorina genannt wird. Es stellt noch den Übergang vom Einzeller zum Vielzeller dar, weil er nur eine Zellkolonie bestehend aus 16 Grünalgenzellen repräsentiert, welche durch die viermalige Teilung einer Ursprungszelle entstanden ist. Eine gallertartige Umhüllung schließt die 16 Tochterzellen zu einem kugeligen Gebilde zusammen. Noch sind bei diesem Gebilde alle Zellen „gleichberechtigt“, das heißt jede Zelle kann alles das, was ihre Schwesterzellen auch können und somit wäre jede einzelne Zelle noch befähigt, einzeln zu überleben und eine neue Kolonie zu bilden. Aber dies war immerhin der erste Schritt zu einem mehrzelligen Gebilde. Die nächste Phase wird durch die Endorina repräsentiert, bei der bereits 32 Zellen zu einer Kolonie vereint sind und deren besonderes Charakteristikum darin besteht, dass die Fortbewegung immer in der gleichen Richtung erfolgt. Allerdings gibt es auch hier noch keine Arbeitsteilung zwischen den Zellen.

Das erste echte mehrzellige Lebewesen, welches die nächsthöhere Entwicklungsstufe darstellt, ist der Volvox. Es handelt sich dabei um einen Verband von einigen hundert, möglicherweise tausend geißeltragenden Algenzellen, die sich nach der Teilung einer einzigen Ursprungszelle zu einer bereits mit bloßem Auge sichtbaren Hohlkugel angeordnet haben. Besonders auffallend sind die koordinierte Fortbewegung und eine verbesserte Ausbildung der sogenannten „Augenflecken“ vorne.

Dass bereits alle Geißeln im selben Rhythmus schlagen, ist dem Umstand zu verdanken, dass die Zellen durch dünne Stränge aus Eiweiß verbunden sind, in denen die dafür notwendigen Reize zur Synchronisierung der Bewegung hin und her laufen. Die für den Mehrzeller ganz typische Arbeitsteilung zwischen den verschiedenen Zellen ist erstmals erkennbar. Vor allem kann sich bei Volvox nicht jede beliebige Zelle teilen, sondern nur einige wenige am hinteren Ende der Kugeloberfläche gelegene Zellen.

Arbeitsteilung auf Zellebene

Ein bedeutsames Merkmal der Vielzeller ist also das Prinzip der Arbeitsteilung zwischen den verschiedensten Zellen, aus denen ein Organismus besteht. Dies hatte zur Folge, dass keine Zelle bzw. Zellgruppe die Fähigkeit mehr besaß, alleine zu überleben. Alle Teile des Vielzellers funktionierten nur mehr in Zusammenarbeit mit dem gesamten System.

Allmählich – und das in sicherlich ungeheuer großen Zeiträumen – hat die Natur die Technik der Zellspezialisierung weiterentwickelt und verbessert. Ganz erstaunlich ist die Tatsache, dass all diese so verschiedenen funktionierenden Zelltypen die Produkte der fortlaufenden Teilung einer einzigen befruchteten Eizelle sein sollen. Diese Zelldifferenzierung hat beim Menschen den höchsten Grad der Komplexität erreicht und ist ein Vorgang, der heute noch nicht gänzlich geklärt erscheint. Jedenfalls ist das Ergebnis der Zellspezialisierung das Entstehen verschiedener Zellen, die sich funktionsmäßig deutlich voneinander unterscheiden.

Hierauf beruht der entscheidende Fortschritt, den das Leben durch die Entwicklung zur Mehrzahl an Zellen gemacht hat. Mit derartig spezialisierten Zellen als Bausteine lassen sich viel besser funktionierende und damit perfektere Organe bilden.

Auffällig ist, dass im Vergleich zu den vorausgegangenen Epochen das Tempo der Entwicklung in den letzten 600 bis 800 Millionen Jahren eine enorme Beschleunigung erfahren hat. Der Grund dafür scheint in dem Umstand zu liegen, dass alle wesentlichen Entscheidungen bei der Entwicklung des Lebens schon in der Periode der Einzeller gefallen waren: Sämtliche fundamentalen Prinzipien waren zumindest im Kleinen oder in Ansätzen entwickelt. Es war jetzt nur noch nötig, sie mit den so entscheidend verbesserten neuen Möglichkeiten auszuschöpfen und zu perfektionieren.

Das „Sehen“ begann schon bei den Einzellern

Als ein gutes Beispiel dafür wäre das Phänomen Sehen und seine Entwicklung zu nennen. Bei den Einzellern waren es noch winzige Farbkörner, sozusagen Pigmentflecken, die Licht aufnehmen konnten. Die „Augenflecken“ der Einzeller waren bloß Lichtempfänger, welche nur eine Orientierung Richtung Helligkeit ermöglichten und somit den Einzellern den ihnen nützlichen Sonnenlicht zustreben ließ. Trotzdem stellte es ein mikroskopisches Wunderwerk der Natur dar und ermöglichte dem Einzeller eine Orientierung an optischen Eigenschaften seiner Umwelt. Diese Unterscheidung zwischen „heller“ und „dunkler“ war immerhin der erste Schritt hin zum Empfangen von Lichtreizen, welche an die zur Fortbewegung dienenden Geißeln weitergeleitet wurden und somit für eine automatische Steuerung ihrer Bewegung sorgten.

Dies beweist, dass die Natur den ersten Schritt zum „Sehen“ schon auf der Stufe des Einzellers getan hat. Auf der nächsten Entwicklungsstufe der Vielzeller war es dann möglich, mittels eigens spezialisierter einzelner Zellen einen viel besser funktionierenden „Lichtempfänger“ aufzubauen und ihn durch eine becher- bzw. muldenförmige Vertiefung vor Verletzungen besser zu schützen. Von der uns bekannten Abbildung der Umwelt war jedoch noch keine Rede, sondern diese „Augen“ erkannten auch nur Helligkeitsunterschiede und waren eher als „Bewegungsmelder“ anzusehen, welche u.a. vor Gefahren schützen sollten. Die Weiterentwicklung zu den kompliziert gebauten Augen unserer Gegenwart mit der Nervenverbindung zum Großhirn hat in der Folge noch einige hundert Jahrmillionen gedauert.

Erst als die auf die Netzhaut auftreffenden elektromagnetischen Wellen im Längenbereich des sichtbaren Lichts in eine Unzahl komplizierter Nervenimpulse zerlegt und mittels des Sehnervs an die Großhirnrinde weitergeleitet werden konnte, entstand jene Abbildung der Umwelt, wie wir sie heute kennen. Wie jedoch die aus einer nur wenige Millimeter dicken Nervenschicht bestehende Sehrinde die übermittelten elektrischen Impulse verarbeitet, das heißt welche Verbindung zwischen chemischen und elektrischen Vorgängen und dem optischen Erlebnis besteht, ist bis dato nur teilweise von der Hirnforschung geklärt.

Grundsätzlich muss festgehalten werden, dass die Stammesgeschichte der Vielzeller (Fische, Muscheln, Krebse usw.) in den ersten 500 Millionen Jahren durch die Vervollkommnung von Funktionen, Leistungen und Verhaltensweisen gekennzeichnet ist, die es im Ansatz auf der Stufe des Einzellers schon gegeben hatte.

Die Eroberung des Festlandes

Den ersten Schritt auf das Land taten zweifelsohne die Pflanzen, die die Wegbereiter für die ersten landlebenden tierischen Lebewesen waren, bei denen es sich wahrscheinlich Lurche handelte, wie durch Fossilienfunde nachgewiesen werden konnte. Die ersten Landwirbeltiere dürften in der Folge fischähnlich gewesen sein. Ein markantes Beispiel hierfür ist der Quastenflosser, von dem es heute noch eine lebende Art an der Ostküste Afrikas geben soll.

Ihnen folgten die Amphibien, aus denen sich eine große Artenvielfalt an Kriechtieren und Reptilien entwickelt haben dürfte. Diese beherrschten in der Folge einige 100 Jahrmillionen die weitere Evolution der Wirbeltiere aus denen später bekanntlich die Vögel und Säugetiere hervorgegangen sind, die sich zunächst wegen der Vorherrschaft der Reptilien nicht besonders entfalten konnten. Erst nach dem eher plötzlichen massiven Aussterben der Saurier am Ende der Kreidezeit vor etwa 70-80 Millionen Jahren konnten sich die meisten Ordnungen der Säugetiere im Verlaufe der erdgeschichtlichen Neuzeit, dem Känozoikum, voll entwickeln und somit in der Folge ihre volle Blütezeit erleben.

Die Herausforderungen des „Landlebens“

Kehren wir aber nochmals zum Anfang zurück und berichten von den großen Anfangsschwierigkeiten, welche die Übersiedlung des Lebens vom Wasser auf das Land mit sich brachte. Dieser Auszug dürfte etwa vor 400 Millionen Jahren begonnen haben – ein Paar Millionen Jahre mehr oder weniger spielen hier keine Rolle. Dieser bedeutsame Schritt mag biologisch lange Zeit als nicht sehr zweckmäßig erschienen sein und hätte durchaus schon viel früher erfolgen können. Es war vorerst nämlich kein Vorteil in ihm zu erkennen, vielmehr waren die Nachteile, Gefahren und Erschwernisse zunächst eklatant.

Vor allem das tierische Leben auf dem Lande machte zunächst eine Reihe komplizierter biologischer „Zusatzleistungen“ erforderlich. Allein das Tragen des Gewichts des eigenen Körpers auf dem Lande verbraucht etwa 40% der gesamten Stoffwechselenergie. Aber auch das Wasser, unentbehrlich als Lösungsmittel für die Stoffwechselprozesse, wurde am Land eher zur „Mangelware“ und es galt daher etliche komplizierte und neuartige biologische Vorrichtungen zu entwickeln, die es gestatteten, mit dem vorhandenen Wasser im Organismus so sparsam wie möglich umzugehen.

Allmählich gelang es der Natur, im Inneren der mehrzelligen Organismen Bedingungen herzustellen, die der Einzeller in den Weltmeeren gleichen. So entspricht bis auf den heutigen Tag die Zusammensetzung der extrazellulären Flüssigkeit unseres Körpers ziemlich genau der des Meerwassers. Es betrifft vor allem das Mengenverhältnis zwischen den biologisch bedeutsamsten Salzen Natrium-Kalium- und Kalziumchlorid. Die Zusammensetzung dieses „inneren Meeres“ unseres Körpers bleibt erstaunlicherweise immer konstant, obwohl es die schwierige Aufgabe hat, die Versorgung einer Zellmenge zu gewährleisten, deren Inhalt insgesamt sein eigenes Volumen um rund das Dreifache übersteigt.

Wie der Durst entstand

Ganz wichtig ist auch die Bedeutung des Wassers als Ausscheidungsträger für die Stoffwechselschlacken der Landbewohner während Meeresbewohner ihren Körper beliebig oft durchspülen und auf diese Weise reinigen können. Für Lebewesen auf dem Land bestand die theoretische Gefahr der „Austrocknung“ und damit entstand das erste Mal das Gefühl des Durstes. Dazu kam noch, dass Temperaturschwankungen den ordentlichen Ablauf von Stoffwechselvorgängen zu beeinträchtigen drohten. Dies waren vor allem der Wechsel zwischen Tag und Nacht sowie der Jahreszeiten. Dieses Problem bestand im Wasser nicht, da nur wenige Meter unter der Oberfläche die Temperatur mit 4° C immer konstant bleibt.

Um das zu verstehen, muss man bedenken, dass die Temperatur der „Motor“ aller chemischen Reaktionen ist. Die Konstanz der Temperatur in einem gewissen Rahmen ist der Garant dafür, dass chemische Reaktionen, die unseren Stoffwechsel letztlich ausmachen, in einer gleichbleibenden und daher kalkulierbaren Geschwindigkeit ablaufen. Man sieht also, dass der Auszug aus dem Wasser etliche biologische Umstellungen erfordert hat, welche die Evolution zu bewältigen hatte. So wurde die Entwicklung einer Haut notwendig, um den Organismus auf dem Land vor allzu starkem Verlust von Wasser und damit vor dem „Austrocknen“ zu bewahren. Im Gegensatz zu Wassertieren steht dem Landbewohner nur eine begrenzte Wassermenge zur Verfügung mit der folglich sparsam umgegangen werden muss.

Zur Beseitigung der Stoffwechselschlacken musste das wassersparende Prinzip der Konzentration von Ausscheidungsprodukten gefunden werden. Dieses Prinzip wurde dann in der Folge mit der Niere des Warmblütlers bis an die Grenze des biologisch Möglichen weiterentwickelt. Unsere Nieren sind nämlich imstande, täglich aus etwa 150 Liter Primärharn, die in unserem Körper entstandenen Abbauprodukte herauszufiltern und so zu konzentrieren, sodass 90% des darin enthaltenen Wassers an den Blutkreislauf zurückgegeben werden können. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass wir mit der täglichen Ausscheidung von nur einem Liter Flüssigkeit es schaffen, alle giftigen Schlacken des Stoffwechsels loszuwerden. Wenn man bedenkt, wie strapaziös und aufwendig das Leben auf dem Festland gegenüber dem im Wasser eigentlich ist, dann fragt man sich, warum eigentlich das Leben diesen Schritt getan hat. Um diese Frage befriedigend beantworten zu können, muss man sich mit einem vollkommen neuen Prinzip beschäftigen, nämlich der „Erfindung“ des Warmblutes, zu dem es im Wasser nicht hätte kommen können. Das ist im Rückblick betrachtet, ein weiterer sehr bedeutsamer Schritt, den das Leben getan hat.

Wie dies zur Entwicklung der Warmblütler kam, lesen Sie demnächst auf diesem Blog.