Der Baum des Lebens: Milliarden ausgestorbene Arten und eine einzige ursprüngliche Gemeinschaft

Eine einzige Familie für eine unvorstellbare Anzahl von Arten

Die gegenwärtige Vielfalt des Lebens

Der Baum des Lebens ist atemberaubend, die Zeit: 3,8 Milliarden Jahre ist der Motor, der alles erklärt. Die meistzitierte Studie, veröffentlicht in PLoS Biology, schlägt die Zahl von 8,7 Millionen Arten auf der Erde vor, davon 6,5 Millionen terrestrische und 2,2 Millionen aquatische.

Der Mechanismus der Artbildung

Stellen Sie sich eine Population vor, die sich in zwei geografisch isolierte Gruppen aufteilt. Nach einer Million Jahren sind die angesammelten Mutationen ausreichend, um sie so unterschiedlich zu machen, dass sie sich nicht mehr miteinander fortpflanzen können: zwei Arten sind entstanden, wo es nur eine gab. Jede dieser beiden Arten kann sich wiederum aufteilen, und so weiter.

Die atemberaubende theoretische Berechnung

Bei der Analyse von Fossilienaufzeichnungen schätzen Forscher, dass die durchschnittliche Lebensdauer einer Tierart in der Größenordnung von 1 bis 10 Millionen Jahren liegt, bevor sie ausstirbt oder sich transformiert. Für komplexe Eukaryoten wird am häufigsten die Zahl von 2 Millionen Jahren genannt, bis sich eine Linie in zwei verschiedene Arten aufteilt.

Wenn sich eine Linie im Durchschnitt alle 2 Millionen Jahre aufteilt, ergibt das über 3,8 Milliarden Jahre 1.900 aufeinanderfolgende Teilungen pro Linie. Bei baumartigem Wachstum ergibt das theoretisch etwa \(10^{572}\), eine unvorstellbare Zahl, die unendlich größer bleibt als die Anzahl der Atome im beobachtbaren Universum (geschätzt auf etwa \(10^{80}\)). Wenn sich eine Linie im Durchschnitt alle 10 Millionen Jahre aufteilt, ergibt das etwa \(10^{114}\), eine Zahl, die wirklich unvorstellbar bleibt.

Eine Welt, die nie existiert hat !

Diese unvorstellbare Zahl ist eine theoretische Grenze in einer Welt ohne Aussterben, ohne ökologische Sättigung und in der sich alle Linien regelmäßig und gleichzeitig alle 1 bis 10 Millionen Jahre verzweigen würden. In der Realität zerschlagen massive Zwänge dieses theoretische Potenzial der reinen Verdopplung, bevor es sich überhaupt entfalten kann.

• Das Aussterben: fünf Massenaussterben haben allein zwischen 75 % und 96 % der Arten jedes Mal ausgelöscht und den Baum brutal auf einige überlebende Zweige reduziert.
• Die ökologische Sättigung: jedes Ökosystem verfügt nur über eine begrenzte Anzahl von Nischen, d.h. Kombinationen von Bedingungen, unter denen eine Art überleben und sich vermehren kann. Solange diese Nischen alle besetzt sind, findet eine isolierte Population weder die Ressourcen noch den Raum, um lange genug zu divergieren und eine eigenständige Art zu werden.
• Die unzureichende geografische Isolation: die Artbildung erfordert, dass zwei Populationen lange genug getrennt bleiben, um irreversible Unterschiede anzusammeln. Doch geografische Barrieren, Berge, Meere oder Wüsten, sind selten, instabil und vorübergehend. Ohne diese dauerhafte Isolation vermischen sich die Populationen wieder, und die Divergenz wird aufgehoben, bevor sie zum Erfolg führt.
• Die genetischen Zwänge: die überwiegende Mehrheit der Mutationen ist neutral oder tödlich. Günstige Mutationen, die eine echte adaptive Divergenz ermöglichen, sind äußerst selten, und die genetische Drift kann durch reinen Zufall eine an sich vorteilhafte Mutation eliminieren, bevor sie sich in der Population ausbreitet.
• Die interspezifische Konkurrenz: eine neu entstehende Art muss sich gegen bereits etablierte und besser angepasste Arten durchsetzen, die ähnliche Nischen besetzen. Die Misserfolgsrate dieser neuen Linien ist beträchtlich, bevor sie überhaupt eine ausreichende Populationsgröße erreichen, um langfristig lebensfähig zu sein.

Von der Theorie zur Realität: der Aussterbefilter

Die Zwänge bilden tatsächlich einen Kaskadenfilter: eine Linie muss sie alle gleichzeitig überwinden, um zu einer stabilen und dauerhaften Art zu führen, was erklärt, warum die Anzahl der realen Arten weit vom theoretischen Potenzial entfernt ist.

Paläontologen schätzen, dass die Gesamtzahl der fossilierbaren Arten, die seit dem Auftreten der komplexen Tiere vor etwa 540 Millionen Jahren (Beginn des Kambriums) existiert haben, zwischen 5 und 50 Milliarden liegt. Diese Zahl betrifft jedoch nur Organismen, die Spuren in Gesteinen hinterlassen haben, also weniger als 1 % des tatsächlichen Lebens. Unter Korrektur dieser Verzerrung und unter Einbeziehung des gesamten Lebens seit den mikrobiellen Ursprüngen könnte die Gesamtzahl der Arten, die jemals auf der Erde existiert haben, zwischen \(10^{12}\) und \(10^{15}\) liegen, also zwischen einer Billion und einer Million Milliarden ausgestorbener Arten.

Das heutige Leben: ein Milliardstel der Lebensgeschichte

Die Zahlen sind eindeutig, über 3,8 Milliarden Jahre Evolution ist das Aussterben die Regel, nicht die Ausnahme: mehr als 99,9 % aller Arten, die jemals existiert haben, sind verschwunden. In der Geschichte des Lebens ist das Überleben die Ausnahme.

Alle heute lebenden Arten zusammen repräsentieren nur ein Milliardstel, vielleicht weniger, der gesamten biologischen Vielfalt, die die Erde seit dem Ursprung des Lebens hervorgebracht hat. Die natürliche Selektion ist gnadenlos: sie eliminiert unbarmherzig unangepasste Linien, filtert unaufhörlich die Variationen des Lebens und lässt nur diejenigen überleben, die den unmittelbaren Anforderungen ihrer Umwelt entsprechen.

Die drei Hauptzweige des Baums des Lebens

Dank der Arbeit von Carl Woese (1928-2012) und seinen Mitarbeitern in den späten 1970er Jahren wissen wir, dass sich das Leben in drei große Domänen unterteilt. Diese revolutionäre Klassifizierung basiert auf der Analyse der ribosomalen RNA (16S ribosomale RNA-Molekül bei Prokaryoten und 18S bei Eukaryoten, verwendet als molekulare Uhr), einem Molekül, das in allen Lebewesen vorkommt.
Die drei Domänen, die die Hauptzweige des Baumes bilden:

• Bakterien (Bacteria): Prokaryotische Organismen (ohne Zellkern) mit außergewöhnlicher metabolischer Vielfalt. Sie besiedeln alle Umgebungen, von heißen Quellen bis zum menschlichen Darm.
• Archaea (Archaea): Lange mit Bakterien verwechselt, besitzen sie einzigartige genetische und biochemische Merkmale. Viele sind Extremophile, die in extremen Umgebungen leben (hohe Temperaturen, Säuregehalt, Salzgehalt).
• Eukaryoten (Eukarya): Organismen mit komplexen Zellen, die einen Zellkern besitzen. Diese Domäne umfasst Tiere, Pflanzen, Pilze und Protisten. Es ist der Zweig, zu dem wir gehören, ein winziger Teil der Vielfalt des Lebens.

N.B.:
Archaeen sind genetisch näher mit Eukaryoten verwandt als mit Bakterien. Eukaryoten sind tatsächlich ein Zweig, der sich von der Archaeen-Domäne ableitet. Der Mensch teilt einen jüngeren gemeinsamen Vorfahren mit einem thermophilen Archaeon aus heißen Quellen als mit einem Darmbakterium.

Zusammenfassende Tabelle der Hauptgruppen des Baums des Lebens

N.B.:
Die angegebenen Daten sind Schätzungen basierend auf molekularen Uhren und Fossilien. Die ersten Lebenszeichen (Prokaryoten) erscheinen vor etwa 3,8 Milliarden Jahren. Das Alter der Erde wird auf etwa 4,54 Milliarden Jahre geschätzt.

Was geschah vor LUCA ?

LUCA ist kein einzelner Organismus

Sie, ich, der Gepard, der Champignon de Paris, der Riesenmammutbaum und das Bakterium teilen einen gemeinsamen Vorfahren: wir alle stammen von LUCA (Last Universal Common Ancestor) ab, einem einzelligen Organismus, der vor etwa 3,5 bis 4 Milliarden Jahren lebte. LUCA ist nicht unbedingt ein einzelner Organismus. LUCA entspricht eher einer Population primitiver Organismen, die wahrscheinlich um hydrothermale Quellen herum lebten und massiv Gene direkt zwischen Individuen austauschten, ohne Fortpflanzung.

Populärwissenschaft vs. wissenschaftliche Realität

In der Populärwissenschaft wird LUCA oft als einzelner Organismus dargestellt, ähnlich wie "Adam und Eva" des Lebens. Das ist praktisch zur Erklärung, aber ungenau. LUCA repräsentiert wahrscheinlich mehrere verwandte Organismen, da eine Population mehr genetische Vielfalt ermöglicht als ein einzelner Organismus.

Die Periode der darwinistischen präbiotischen Chemie

Aber LUCA ist selbst das Produkt einer sehr langen Selektion. Bevor LUCA "gewann", gab es sehr wahrscheinlich Milliarden von Milliarden von Versuchen der Entstehung von Leben, Protozellen, sich selbst replizierenden Systemen, primitiven Stoffwechselwegen, die auftauchten und verschwanden, ohne Nachkommen zu hinterlassen. Dies wird als die Periode der darwinistischen präbiotischen Chemie bezeichnet, die sich in einem Zeitfenster von etwa 100 bis 400 Millionen Jahren abgespielt haben soll, zwischen dem Ende des Großen Späten Bombardements und dem Auftreten von LUCA.

Was man behalten sollte

Der Baum des Lebens offenbart uns eine Geschichte, die zugleich grandios und zerbrechlich ist: die eines Lebens, das vor Milliarden von Jahren entstand, geformt durch eine unendliche Abfolge von zufälligen Ereignissen, Katastrophen und Selektionen.

Unsere Existenz ist die Frucht einer so singulären Kontingenz, dass sie sich nicht wiederholen könnte. Sie erinnert uns daran, dass das Leben, wie wir es kennen, kostbar, selten und einzigartig ist. Anstatt verzweifelt nach Zwillingen der Menschheit in den Sternen zu suchen, sollten wir uns über unsere eigene Präsenz wundern und dafür sorgen, dass diese Ausnahme nicht durch unsere Schuld zu einem neuen Aussterben wird.