Der erste Landgang
Als das Leben aus dem Wasser stieg
Alles Leben auf der Erde stammt aus dem Wasser, doch dort blieb es nicht. Nach und nach wagten sich zunächst Einzeller, dann Pflanzen und Gliederfüßer und schließlich Wirbeltiere an Land. Doch was zog sie in diese fremde Umgebung? Wie passten sie sich an das neue Leben an? Und weshalb gingen einige, zum Beispiel die Wale, zurück in den Ozean?
Einst war das Land ein lebensfeindlicher Ort: trocken, karg und voller schädlicher UV-Strahlung. Doch das hielt einige mutige Lebewesen – darunter unsere frühen Wirbeltier-Vorfahren – nicht davon ab, dorthin umzuziehen und sich den harschen Bedingungen anzupassen. Die Eroberung der Landflächen veränderte das Gesicht der Erde, ihre Atmosphäre und geochemischen Kreisläufe. Es entstanden neue ökologische Nischen und Nahrungsnetze. Eine Reise zum Beginn dieser Revolution des Lebens.
Pionierarbeit
Die ersten Lebewesen an Land
Wenn es um die Besiedlung des Landes geht, stellen sich viele vermutlich einen Fisch vor, der behäbig aus dem Wasser kriecht und seinen ersten angestrengten Atemzug tut. Doch tatsächlich gehören die Wirbeltiere eher zu den Nachzüglern unter den Landgängern. Andere Lebewesen waren ihnen bei diesem bedeutenden Schritt weit voraus.
Einzeller als Pioniere
Die derzeit ältesten Belege für terrestrisches Leben sind 3,2 Milliarden Jahre alt. Sie bestehen aus winzigen Pyrit-Körnchen, die klare Anzeichen einer Beeinflussung durch Mikroorganismen aufweisen. Das legt nahe, dass die ersten Landbewohner winzige Mikroben waren – Cyanobakterien und andere Bakterien sowie Archaeen.
Diese Pioniere müssen äußerst zäh gewesen sein, um auf dem kargen, lebensfeindlichen Land Fuß zu fassen. Unter anderem brauchten sie dicke Hüllen, die sie gegen Strahlung und Austrocknung abschirmten, und effiziente Mechanismen zur DNA-Reparatur. Da auch moderne Mikroben an lebensfeindlichen Orten wie Wüsten, Polarebenen oder alpinen Felsen leben, erscheint es realistisch, dass auch ihre Vorfahren sich verhältnismäßig schnell an die Bedingungen an Land anpassten.
Winzige Weltveränderer
Doch die Mikroben passten sich nicht einfach nur an, sondern veränderten das Land und schließlich die gesamte Erde mit ihrer Anwesenheit. „Zwei Hauptfolgen der Aktivitäten von Landmikroben sind die kontinuierliche Sauerstoffanreicherung der Atmosphäre und die Verwitterung der Kontinente, die sich indirekt und direkt auf marine Ökosysteme auswirken“, erklärt der Geologe Hugo Beraldi-Campesi von der Nationalen Autonomen Universität von Mexiko.
Sauerstoff, der bei Stoffwechsel-Aktivitäten an Land freigesetzt wird, muss nicht mehr den Umweg über das Meerwasser gehen und gelangt deutlich schneller in die Atmosphäre. Im Zuge der biogeochemischen Verwitterung lösten sich außerdem Nährstoffe aus dem Gestein, was sie sowohl an Land als auch im Wasser zugänglicher machte. Damit schufen Cyanobakterien und ihre Gefährten optimale Startbedingungen für weitere Lebewesen, die vom Wasser ans Land wechselten.
Pilze: Freund und Helfer der Pflanzen
Nachdem die Mikroben das Land fruchtbarer und die Atmosphäre verträglicher gemacht hatten, folgten ihnen weitere Organismen. Zu Bakterien und Archaeen gesellten sich Algen, eukaryotische Einzeller und Pilze. Genanalysen und ein Fossilienfund aus China legen nahe, dass Pilze ihren Landgang vor etwa 600 Millionen Jahren antraten. Womöglich gingen sie schon kurz darauf flechtenartige Symbiosen mit den bereits dort lebenden, Photosynthese betreibenden Cyanobakterien ein.
Ihre Symbiose-Freudigkeit nutzten die Pilze auch, um mit den Vorfahren der Landpflanzen, den Grünalgen, zu interagieren. Die Pilze versorgten die Algen mit Nährstoffen, die sie für sie aus dem Gestein lösten. Im Gegenzug „fütterten“ die Algen sie mit dem Zucker, den sie im Zuge ihrer Photosynthese erzeugt hatten. Diese Beziehung war irgendwann so eng, dass die Pilze den frühen Landpflanzen sogar Teile ihrer DNA spendeten. Nur so konnten die Pflanzen langfristig an Land überleben und schädlichen UV-Strahlen sowie Trockenheit trotzen.
Die dafür nötige DNA stammte neben Pilzen auch aus Bakterien und Viren. Mithilfe der fremden Gene konnten die ersten Landpflanzen zum Beispiel eine schützende Wachshülle, feste Stängel und Wurzeln aufbauen.
Ein grüner Teppich
Landpflanzen und Gliederfüßer auf dem Vormarsch
Dank der Vor- und Zuarbeit von Pilzen, Einzellern und Co war vor 515 Millionen Jahren der Weg für die ersten Landpflanzen geebnet. Allerdings ist das erste Fossil, das sich eindeutig einer Landpflanze zuordnen lässt, „gerade einmal“ 426 Millionen Jahre alt. Dass es auch schon 100 Millionen Jahren vor dieser Cooksonia getauften Gattung Landpflanzen gab, lässt sich mithilfe von Genanalysen rekonstruieren.
Primitives Grün
Wie genau die allerersten Pflanzen aussahen, ist aufgrund fehlender Fossilien nicht genau bekannt. Allerdings können wir davon ausgehen, dass sie klein waren und weiterhin nur in Wassernähe wuchsen. Außerdem besaßen sie wahrscheinlich bereits primitive Wurzeln und Spaltöffnungen zum Gasaustausch. Schon kurz nach ihrem ersten Landgang vor 515 Millionen Jahren entwickelten sich die Landpflanzen explosionsartig weiter, wie Rekonstruktionen auf Basis von DNA-Vergleichen nahelegen.
Vor rund 470 Millionen Jahren wuchsen demnach bereits die ersten Gefäßpflanzen, die dank spezialisierter Leitbündel Wasser und Nährstoffe im Pflanzeninneren transportieren konnten. Als erstes Fossil einer Gefäßpflanze gilt die bereits erwähnte Cooksonia. Sie hatte noch keine Blätter, wuchs aber bereits aufrecht. Ihre nackte Achse verzweigte sich und mündete in scheibenförmigen Sporenbehältern.
Hoch hinaus und fort vom Wasser
Mit der Zeit wurde die Pflanzenanatomie immer komplexer und passte sich den Herausforderungen des terrestrischen Lebens an. Unter anderem nahmen die Leitbündel der Gefäßpflanzen zunehmend komplexere Muster an, was die Pflanzen vor Trockenheit schützte und sie unabhängig von einem Leben in Ufernähe machte.
Außerdem entwickelte sich das Stützgewebe der Gefäßpflanzen weiter, sodass sie in die Höhe wachsen konnten und einen entscheidenden Vorteil bei der Konkurrenz um Licht hatten. Die Entwicklung der Lignin-Biosynthese, eines Hauptstoffes von Holz, ermöglichte schließlich die ersten Bäume. Vor 380 Millionen Jahre wuchsen in vielen Regionen der Erde bereits ganze Wälder. Unter dem Einfluss der Pflanzen nahmen die Sauerstoffanreicherung in der Atmosphäre und die Verwitterung der Böden weiter zu – wie zuvor bereits durch mikrobielle Lebensgemeinschaften.
Erste Tiere auf Landgang
Mikroben? Check. Pilze? Check. Pflanzen? Check. Fehlen nur noch die Tiere. Lange Zeit gingen die meisten Hypothesen davon aus, dass das Land in derselben Reihenfolge besiedelt wurde wie auch moderne Nahrungsketten aufgebaut sind: zunächst Pflanzen, dann Pflanzenfresser, dann Fleischfresser. Doch Forschende um Omar Rota-Stabelli von der italienischen Edmund-Mach-Stiftung haben diesen Ansatz mittlerweile widerlegt. Ihre Analysen ergaben, dass verschiedene Gliederfüßer-Linien (Arthropoden) bereits vor 510 bis 471 Millionen Jahren an Land gingen. Das bedeutet, dass „die Arthropoden das Land zeitgleich mit oder sogar etwas früher als die Landpflanzen besiedelten“, erklären Rota-Stabelli und seine Kollegen.
Ebenso wie bei den Pflanzen sind auch die ersten Tiere, die das Land besiedelten, nicht als Fossilien erhalten. Die ersten versteinerten Hinweise auf ein Landtier stammen von einem Tausendfüßer und sind 450 Millionen Jahre alt. Doch wie sah das Leben dieser ersten Landtiere aus? „Wir spekulieren, dass frühe Landarthropoden wahrscheinlich auf regelmäßig austrocknende Ökosysteme wie Dünenfelder in marinen Randgebieten beschränkt waren“, sagt Rota-Stabellis Team. Dort hätten sie sich von mikrobiellen Matten oder angeschwemmten Tier- und Pflanzenresten ernähren können.
Eine weitere Welle der Gliederfüßer-Besiedlung wurde laut den Wissenschaftlern von der Entwicklung der Gefäßpflanzen losgetreten. Die Pflanzen hätten vor 455 Millionen Jahren sowohl Insekten als auch Fadenwürmer an Land gelockt, „was darauf hindeutet, dass die Fadenwürmer den Insekten als deren Parasiten auf das Land gefolgt sind – ein Szenario, das weitere Untersuchungen erfordert.“
Es sollten über 50 Millionen weitere Jahre vergehen, bis schließlich auch die Tiergruppe den Landgang wagte, zu der wir alle gehören: die Wirbeltiere.
Fische gehen spazieren
Vorhang auf für die ersten Landwirbeltiere
Mikroben, Algen, Pilze, Pflanzen und Gliederfüßer: So langsam füllt sich das Land auf dieser Zeitreise. Die letzte große Gruppe von Lebewesen, die aus dem Wasser emporstieg und sich für ein Leben dort wappnete, ist jene, zu der auch wir Menschen gehören: die Wirbeltiere. Seit fast einem Jahrhundert ist die Wissenschaft bereits auf der Suche nach dem mysteriösen Stammvater der Landwirbeltiere, dem gemeinsamen Vorfahren aller Amphibien, Reptilien, Vögel und Säugetiere.
Fischige Verwandte
Unser fischartiger Vorfahre, der einst sein aquatisches Leben hinter sich ließ, gehörte zur Gruppe der sogenannten Sarcopterygii, was so viel wie Muskel- oder Fleischflosser bedeutet. Diese Tiere lebten in flachen, ufernahen Gewässern und besaßen zusätzlich zu ihren Kiemen auch Lungen, mit denen sie Luft atmen konnten. Unser „Ur-Großvater“ hatte einen flachen Schädel und seine Augen befanden sich an der Oberseite des Kopfes. Dadurch konnte er bei der Nahrungssuche nach oben schauen. „Der eine“, erste Landwirbeltier-Vorfahre wurde zwar bislang noch nicht gefunden, dafür aber eine Reihe von Kandidaten, die die Entwicklung vom Fisch zum Landlebewesen nachzeichnen.
Einer dieser Kandidaten ist die Übergangsform Tiktaalik roseae, die vor 375 Millionen Jahren lebte. Trotz seiner aquatischen Lebensweise besaß das Tier bereits typische Merkmale von Landwirbeltieren: Es hatte einen mobilen Hals, einen robusten Brustkorb, primitive Lungen und fleischige Brustflossen. Sie entsprangen kräftigen Schultern, besaßen Ellbogen und sogar Teile von Handgelenken. „Vermutlich konnte Tiktaalik mit seinen speziellen Flossen auf dem Grund laufen“, sagt der Entdecker des Fossils, Neil Shubin von der University of Chicago.
Nicht nur auf dem Gewässergrund, sondern tatsächlich an Land bewegte sich wahrscheinlich der rund eineinhalb Meter lange Ichthyostega fort. Seine Flossen waren zu kräftigen, paddelartigen Beinen umgewandelt. Statt auf vier Beinen und ähnlich wie heutige Salamander zu laufen – was lange Zeit angenommen wurde –, robbte Ichthyostega vor 360 Millionen Jahre aber wohl eher wie ein Seehund an Land. Seine Hüften und Hinterflossen waren für einen echten Vierbeinergang schlicht noch nicht beweglich genug. Er verbrachte vermutlich noch deutlich mehr Zeit im Wasser als an Land.
Fußspuren am Strand
Tiktaalik und Ichthyostega vermitteln den Eindruck, dass sich der Landgang der Fleischflosser erst über lange Zeit entwickeln musste und selbst vor 360 Millionen Jahren noch nicht perfekt klappte. Doch der Schein trügt, denn im Jahr 2010 haben Wissenschaftler in Polen die 395 Millionen Jahre alten Fußabdrücke eines vierbeinigen Landtieres entdeckt. Es muss rund 2,50 Meter lang gewesen sein. Doch wie ist das möglich? Welches Tier hinterließ die Abdrücke? Bis heute bleiben diese Fragen ungeklärt.
Fest steht nur, dass die Abdrücke an einem Meeresstrand entstanden sind. Das widerlegt die einstige Annahme, dass Fleischflosser vom Süßwasser aus an Land gingen. Der Ursprung der Landwirbeltiere, unser Ursprung, ist also immer noch nicht final geklärt und künftige Entdeckungen haben das Potenzial, allerhand neue Erkenntnisse über den ersten Landgang zu Tage zu fördern.
Was ist so toll am Land?
Warum das Leben das vertraute Wasser verließ
Warum unsere Vorfahren einst überhaupt an Land gingen, wird sich wohl nie zu 100 Prozent beantworten lassen. Allerdings „muss es zwangsläufig zwei große Kategorien von Faktoren gegeben haben: das, was man als ‚evolutionäre Push-Faktoren‘ und als ‚evolutionäre Pull-Faktoren‘ bezeichnen könnte“, erklären Aditya Saxena von der University of California San Diego und seine Kollegen.
Was gegen ein Leben im Wasser sprach
Die Push-Faktoren lassen sich als eine Art Liste von Gründen beschreiben, die gegen ein weiteres Leben im Wasser sprachen. Zu den Hauptgründen gehörte wahrscheinlich, dass die aquatischen Lebensbedingungen damals für die Vorfahren der Landwirbeltiere nicht mehr optimal waren. „Sauerstoffarmut in der Umwelt, Raubtiere und Konkurrenten im Wasser, durch Wasser übertragene Krankheiten und Parasiten – all das könnte eine Rolle gespielt haben“, erklärt das Forschungsteam.
Diese ungünstigen Umstände müssen über einen bedeutsamen Zeitraum hinweg angedauert haben. Bedeutsam genug, um Anpassungen zu entwickeln, die ein Leben außerhalb des suboptimalen Lebensraumes ermöglichen. Das führte wahrscheinlich dazu, dass sich unsere Vorfahren zunächst an ein Leben in ufernahen, flachen Gewässern anpassten.
Was für ein Leben an Land sprach
In diesem neuen Lebensraum kamen dann auch die Pull-Faktoren ins Spiel, also jene Gründe, die ein Leben an Land attraktiv machten: Haufenweise freie ökologische Nischen, bessere Lebensbedingungen und neue Nahrungsquellen. Frühe Landgliederfüßer wie Tausendfüßer könnten sich zum Beispiel von mikrobiellen Matten oder angeschwemmten Tier- und Pflanzenresten ernährt haben.
Auch frühe Landwirbeltiere dürften sich an diesem Buffet beteiligt haben. „Unsere frühen Vorfahren verließen das Wasser offenbar, um gestrandete Meeresorganismen zu fressen, die von der Ebbe am Strand zurückgelassen wurden“, erklärt Per Ahlberg von der schwedischen Uppsala Universität.
Unser fischiges Erbe
Auch wenn sich unsere Vorfahren einst für ein Leben an Land entschieden, so steckt trotzdem immer noch ein wenig Fisch in uns Landwirbeltieren – von der Amsel über das Krokodil und den Frosch bis hin zum Menschen. Zu den Ur-Fisch-Merkmalen, die wir alle tragen, gehören allgemein gesprochen zunächst Rückenwirbel und Schädelknochen. Auch unsere Lunge ist ein Souvenir aus der Urzeit, denn im Grunde ist sie nichts anderes als eine umfunktionierte Schwimmblase. Statt den Auftrieb eines Fisches zu regulieren, dient sie uns nun zur Atmung.
Am „fischigsten“ sehen wir aber als Embryonen im Mutterleib aus. Sowohl Fisch- als auch Landwirbeltier-Embryonen haben in einem gewissen Entwicklungsstadium ein extrem ähnliches Aussehen. Dazu gehört auch, dass beide Kiemenbögen besitzen. Beim Fisch entwickeln sie sich zu den Kiemen, beim Menschen formen sie unter anderem Teile des Unterkiefers und des Innenohrs.
Eine große Familie
Gleichzeitig teilen wir Landwirbeltiere aber auch gemeinsame Eigenschaften, die uns deutlich von den Fischen unterscheiden. So besitzen wir zum Beispiel allesamt jeweils fünf Finger und fünf Zehen. Frühe Landwirbeltiere hatten noch acht Finger, reduzierten diese aber mit der Zeit auf die heute übliche Anzahl.
Außerdem haben wir bewegliche Hälse, dank denen wir sowohl nach unten und oben als auch zu den Seiten schauen können. Bei Fischen hängen Kopf und Schultergürtel hingegen zusammen und sind nicht derart entkoppelt. Becken und Hintergliedmaßen sind bei Landwirbeltieren zum Kreuzbein verschmolzen, wodurch wir uns effizient an Land fortbewegen können.
Landgang rückwärts
Warum manche Landtiere zurück ins Meer gingen
Von Flosse zu Bein zu Flosse: In den vergangenen 250 Millionen Jahren sind verschiedene Tierarten, die sich bereits an ein Leben an Land angepasst hatten, zurück in die Ozeane abgetaucht. Mehr als 30 verschiedene Linien von Amphibien, Reptilien, Vögeln und Säugetieren haben diesen Schritt unabhängig voneinander vollzogen. Aber warum?
Von Meeresechsen und Wolfswalen
Ein bekanntes Beispiel für diesen „Wassergang“ ereignete sich bereits in der Dinosaurier-Ära – als sich verschiedene Landreptilien zu hoch angepassten Meeresreptilien entwickelten. Dazu gehören etwa die delfinähnlichen Ichthyosaurier, die räuberischen Mosasaurier oder die langhalsigen Plesiosaurier. Im Laufe der Jahrmillionen passten sie sich immer besser an ihren aquatischen Lebensraum an, den sie vierflossig durchschwammen.
Moderne Fälle der Rückkehr ins Wasser betreffen etwa Pinguine, Seeotter, Wale, Delfine und Seekühe. Vor allem komplett aquatisch lebende Tiere wie heutige Wale haben im Laufe der Zeit große Körperveränderungen durchgemacht, um sich an den neuen Lebensraum anzupassen. Die frühen Vorfahren der Wale waren wolfsähnliche, fleischfressende Huftiere, die in Küstengewässern, an Flussmündungen und am Meer jagten. Das führte gängiger Theorie nach zu einer schrittweisen Anpassung an das Element, bei dem sich unter anderem ihre Beine zu Flossen wandelten.
Warum wollen manche Arten zurück ins Wasser?
Die Gründe für die Rückentwicklung zum Wasserlebewesen sind nicht bei jedem Tier, das diesen Weg eingeschlagen hat, genau erforscht. Vielmehr zeichnen sich grobe Trends ab, die mit der globalen Temperatur und der Kalt- beziehungsweise Warmblütigkeit der betroffenen Tiere zusammenhängen. So haben Wissenschaftler zum Beispiel herausgefunden, dass kaltblütige Tiere, also Reptilien und Amphibien, in der Vergangenheit vor allem während Erwärmungsperioden ins Meer zurück drängten.
Umgekehrt wanderten warmblütige Tiere – Vögel und Säugetiere – bevorzugt dann zurück ins Meer, wenn die Temperaturen abkühlten. Das könnte damit zusammenhängen, dass dadurch besonders im Nordpazifik und im Südpolarmeer die Meeresproduktivität zunahm, was ein reiches Nahrungsangebot versprach.
– Anna Manz
Wie sich die Vielfalt der Lebewesen auf der Erde entwickelte
Eine neue Welt entsteht
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(mfe)
Source: Der erste Landgang
https://www.youtube.com/watch?v=5_SFOU5JlFQ
https://www.youtube.com/watch?v=I7OScCSbteM