Tropische Sedimentgesteine zeigen, dass die Erde vor Hunderten von Millionen Jahren von Gletschern und Meereis bedeckt war. In den extremsten Fällen war das Eis sogar rund um den Äquator mehrere Meter dick. Experten haben diese Zeit als "Schneeball-Erde" bezeichnet, und man könnte meinen, dass es eine schreckliche Zeit für alle Lebewesen gewesen sein muss. Das mag für einen Teil der Lebewesen zutreffen, aber nicht für alle. Tatsächlich stammen die ersten Beweise für die Existenz von mehrzelligen Tieren aus der wärmeren Nacheiszeit. Danach entwickelte sich das Leben sprunghaft. Aber was hat das alles mit der Kaltzeit zu tun?

In einer kürzlich erschienenen Reihe von Veröffentlichungen führen Carl Simpson und Kollegen die beobachtete Innovation auf eine grundlegende physikalische Tatsache zurück:

Es ist, als ob sie in Honig statt in Wasser schwimmen würden. Wenn es für die mikroskopisch kleinen Organismen schwierig war, unter diesen Bedingungen genügend Nahrung zu finden, gerieten sie unter Druck, sich zu verändern - eine der Lösungen könnte darin bestanden haben, sich aneinander zu klammern, um größere Gruppen zu bilden und sich kraftvoller durch das Wasser zu bewegen. Und vielleicht führte diese Veränderung zu den Anfängen des mehrzelligen tierischen Lebens.

Um diese Idee zu testen, führten Simpson, Paläobiologe an der Universität von Colorado, und sein Team ein Experiment durch, um zu sehen, wie sich ein moderner Einzeller verhält, wenn er mit einer höheren Viskosität konfrontiert wird. Einen Monat lang beobachteten er und seine Studentin Andrea Halling, wie Individuen einer Grünalgenart größere, besser koordinierte Gruppen bilden, wenn sie in dichteren Medien platziert werden. Der Seetang bewegte sich in der Flüssigkeit zusammen, um sich effizienter zu ernähren. Und interessanterweise blieben die Zellgruppen nach dem Ende des Experiments noch 100 Generationen lang zusammen.

Die Forschung bietet einen neuartigen Ansatz für die Evolution des mehrzelligen Lebens, sagt Phoebe Cohen, eine Paläontologin am Williams College, die im Laufe der Jahre viel mit Simpson über seine Idee gesprochen hat, aber sonst nicht an der Arbeit beteiligt war. Laut Cohen wimmelt es in diesem Bereich von Studien über die Ursachen der Vielzelligkeit von Tieren auf der Grundlage geochemischer Messungen, aber nur wenige Studien über die Biologie einzelner Organismen.

Gefrorenes Paradoxon

Die Schneeball-Erde wurde zu einer beliebten Theorie, als Simpson in den 1990er Jahren an der Universität war. Der Geochemiker Joseph Kirschvink wies 1992 darauf hin, dass es starke geologische Beweise für eine globale Vergletscherung gibt. Im Jahr 1998 veröffentlichten der Harvard-Geologe Paul Hoffman und seine Kollegen eine bahnbrechende Arbeit, in der sie eine Analyse namibischer Sedimentgesteine vorstellten. Die Ergebnisse machten deutlich, dass es vor 700 Millionen Jahren Gletscher in den wärmsten Teilen der Welt gab.

Das Timing der Schneeball-Erde beunruhigte Simpson jedoch schon damals.

- sagt die Forscherin. Vor Snowball Earth waren die Fossilien mikroskopisch klein, danach waren sie groß und komplex.

Es ist schwierig, den genauen Zeitpunkt der Entwicklung der Tiere zu bestimmen, aber molekulare Uhren, die auf Mutationsraten basieren, deuten darauf hin, dass der letzte gemeinsame Vorfahre der mehrzelligen Tiere irgendwann vor 660 bis 717 Millionen Jahren entstanden ist. Die größeren, eindeutig vielzelligen Tiere tauchen in den Fossilien auf, nachdem die Erde nach einer weiteren, kürzeren Eiszeit vor 635 Millionen Jahren "aufgetaut" war.

Das Paradoxon - ein scheinbar unbewohnbarer Planet, der der Evolution einen erheblichen Schub verleiht - gab Simpson immer wieder Rätsel auf und beschäftigte ihn während seiner gesamten Karriere. Es handelt sich um ein physikalisches Grundprinzip: Die Dichte und Viskosität der Wassermoleküle nimmt mit sinkender Temperatur zu. In der Ära der Schneeball-Erde könnte der Ozean doppelt oder sogar viermal so zähflüssig sein wie vor dem Einfrieren des Planeten. Simpson fragte sich, wie es wohl war, zu dieser Zeit ein mikroskopisch kleiner Organismus im Ozean zu sein, und erkannte, dass sich das Paradoxon vielleicht auflösen ließ.

Für sehr kleine Einzeller muss das dichte Meerwasser ein großes Problem gewesen sein. Die Diffusion - der Fluss von Nährstoffen aus Bereichen mit hoher Konzentration in Bereiche mit niedriger Konzentration - ist wichtig für die Ernährung der Bakterien, was bedeutet, dass sie in der Regel warten, bis die Nahrung sie erreicht. Bei niedrigen Temperaturen verlangsamt sich jedoch die Diffusion. Nährstoffe wandern nicht so schnell und nicht so weit. Für die Zellen bedeutet das Leben in einer kalten und zähflüssigeren Flüssigkeit, dass sie weniger Zugang zu Nährstoffen haben. Selbst sehr kleine, selbstbewegliche Organismen bewegen sich in kaltem Wasser langsamer und kommen daher seltener mit Nährstoffen in Berührung.

Ein größerer Organismus hingegen kann sich in dichterem Wasser leichter bewegen. Eine Gruppe von Zellen hat eine höhere Trägheit, d. h. ihre kombinierte Masse ist groß genug, um an Schwung zu gewinnen und sich durch die dichtere Flüssigkeit zu bewegen.

"Ab einem bestimmten Punkt sind wir zu groß, als dass das noch eine Rolle spielen könnte." - sagt Simpson.

Im Jahr 2021 veröffentlichte der Experte seine Hypothese, dass die Viskosität der Schneeballerde die Fähigkeit der Organismen zur Nahrungsaufnahme erheblich beeinträchtigt haben könnte und dass dies die Entwicklung der Vielzelligkeit begünstigt haben könnte. Daraufhin begann er zusammen mit Kollegen am Santa Fe Institute, mathematische Modelle von kleinen Organismen zu entwickeln, die in immer dichteren Flüssigkeiten leben. In den Modellen, die Ende 2023 auf biorxiv.org eingestellt und kürzlich in der Zeitschrift Proceedings of the Royal Society B veröffentlicht wurden, reagierten Organismen, die sich durch Diffusionsnahrung ernähren, auf dichtere Flüssigkeiten mit einer Verringerung ihrer Größe.

Zellen, die zur Eigenbewegung fähig sind, bildeten ihrerseits immer größere mehrzellige Cluster. Dies deutet darauf hin, dass, wenn mehrzellige Organismen - oder zumindest Organismen, die mehrzellige Formen annehmen konnten - bereits existierten, als sich die Schneeball-Erde bildete, die dichtere Flüssigkeit ihnen einen Grund gegeben haben könnte, noch größer zu werden. Die Ergebnisse sahen interessant aus, aber es handelte sich nur um Computermodelle. Simpson dachte, er könnte die Experimente mit echten Organismen durchführen.

Leben auf der "dichten Seite"

Biologen können zwar nicht in die Vergangenheit reisen, um die realen Bedingungen der Schneeball-Erde zu testen, aber sie können versuchen, einige Aspekte davon im Labor nachzustellen. In einer riesigen, speziell angefertigten Petrischale haben Halling und Simpson ein Zielplatten-ähnliches System aus Agargel konstruiert. Die Mitte hatte die normale Viskosität, die normalerweise für die Laborkultur der zu testenden beweglichen Algen verwendet wird. Nach außen hin wurde die Viskosität in jedem konzentrischen Ring schrittweise erhöht, bis sie das Vierfache des Standardwerts erreichte. Die Forscher setzten die Algen in die Mitte, richteten eine Kamera auf sie und ließen sie 30 Tage lang in Ruhe - genug Zeit für etwa 70 Generationen von Algen, um ihr Leben zu leben.

Halling und Simpson vermuteten, dass mit der Vermehrung der Algen und der normalen Viskosität des zentralen Kreises alle Algenzellen, die in dem dichteren Medium überleben können, sich nach außen ausbreiten. Und vielleicht sehen diejenigen, die den äußersten Ring erreichen, anders aus und verhalten sich anders als diejenigen, die in der Mitte bleiben.

Simpson war besonders neugierig, ob die Algen, die den Ring mit der höchsten Viskosität erreichen, Wege finden, ihre Bewegungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Die Algen betreiben Photosynthese, d. h. sie beziehen ihre Energie von der Sonne. Sie müssen aber auch Nährstoffe aus der Umwelt aufnehmen, z. B. Phosphor, so dass Bewegung für ihr Überleben weiterhin wichtig ist. Um in einer Umgebung mit hoher Viskosität die gleiche Menge an Nährstoffen zu erhalten, müssen sie Wege finden, ihre Geschwindigkeit zu erhöhen.

Die größten von ihnen bestanden aus Hunderten von Zellen. Aber was Simpson noch mehr interessierte, waren die beweglichen Klumpen von 4-16 Zellen, die so angeordnet waren, dass die Peitschen alle nach außen zeigten. Diese Klumpen bewegten sich in einer Weise, die die Bewegung der Peitschen koordinierte, wobei die Zellen im hinteren Teil des Klumpens stehen blieben und die im vorderen Teil sich bewegten. Als die Geschwindigkeit dieser Cluster mit der der einzelnen Zellen in der Mitte verglichen wurde, ergaben sich interessante Ergebnisse. "Sie schwammen alle mit der gleichen Geschwindigkeit", so Simpson. Indem sie als Kollektiv zusammenarbeiteten, konnten die Algen ihre Beweglichkeit aufrechterhalten.

Interessanterweise blieben die Zellen zusammen, als die Forscher diese kleinen Gruppen aus dem Gel mit hoher Viskosität herausnahmen und in ein Gel mit niedriger Viskosität setzten. Die Forscher beobachteten sie noch etwa 100 Generationen lang, und dies änderte sich in der Zwischenzeit nicht. Laut Simpson ist klar, dass die Veränderungen, die die Zellen durchgemacht haben, um in der hohen Viskosität zu überleben, nur schwer rückgängig zu machen sind.

Eine zelluläre Perspektive

Als große, komplexe Lebewesen denken wir nicht viel über die Dichte der Flüssigkeiten um uns herum nach. Es gehört nicht zu unserer alltäglichen Lebenserfahrung, und wir sind so groß, dass uns die Viskosität nicht wirklich etwas ausmacht. Wir halten die Fähigkeit, uns leicht zu bewegen, für selbstverständlich. Von dem Moment an, als Simpson zum ersten Mal erkannte, dass solche Bewegungsgrenzen für mikroskopisch kleine Lebewesen ein gewaltiges Hindernis darstellen könnten, konnte er nicht mehr aufhören, über diese Dinge nachzudenken.

Andere Forscher finden Simpsons Ideen ziemlich neu. Vor ihm scheint sich niemand Gedanken über die physikalischen Einflüsse gemacht zu haben, denen die Organismen im Ozean während der Zeit der Schneeball-Erde ausgesetzt waren, sagt Nick Butterfield von der Universität Cambridge, der sich mit der Evolution des frühen Lebens beschäftigt. Wie er sagt, ist Simpsons Idee sehr wichtig. Die meisten Theorien über die Auswirkungen der Schneeball-Erde auf die Evolution mehrzelliger Tiere, Pflanzen und Algen konzentrieren sich auf die Frage, wie der aus den Isotopengehalten im Gestein abgeleitete Sauerstoffgehalt den Ausschlag geben könnte.

Diese Theorie ist natürlich mit vielen Unsicherheiten behaftet. Die größte Unsicherheit besteht darin, dass die zeitliche Abfolge der Evolution der Tiere sehr unsicher ist, denn es ist nicht bekannt, ob der gemeinsame Vorfahre tatsächlich während der Eiszeit oder erst viel später entstanden ist. Es würde sich auch lohnen, das Experiment mit anderen einzelligen Organismen zu wiederholen, die enger mit Tieren verwandt sind und keine Photosynthese betreiben. Die Simpsons arbeiten bereits daran und experimentieren mit Halsbandpeitschen.

"Das sind wirklich schöne und komplexe Lebewesen", sagt er. Es gibt schnelle Schwimmer mit langen Peitschen, langsame Schwimmer und solche, die sich an der Oberfläche festhalten, um zu wachsen. "Sie können diese kleinen Ranken aus der Spitze der Peitsche wachsen lassen und herumlaufen, als hätten sie Stelzen, sie haben ein Sexualleben und können sich zusammenschließen und verschiedene Kolonien bilden... wenn man sie zusammenquetscht, verlieren sie ihre Peitschen und werden zu Amöben", sagt er. Wenn sie auf eine radikal neue Umweltherausforderung reagieren müssen, bieten sich ihnen viele Möglichkeiten, so Simpson weiter.