Die natürliche Welt von ist voller Farben, und die meisten dieser leuchtenden Farbtöne gibt es nur, um gesehen zu werden. Äpfel werden rot, um Tiere zum Ausstreuen der Samen anzulocken, Lavendelblüten sind violett, um bestäubende Bienen anzulocken, und männliche Pfauen nutzen ihr auffallend blaues Gefieder, um die Aufmerksamkeit von Legebienen zu erregen.

Doch die Welt ist nicht für jeden so bunt. Nur farbempfindliche Tiere können diese leuchtenden Farbzeichen wahrnehmen. Für Lebewesen mit eingeschränktem oder fehlendem Farbsehvermögen haben diese leuchtenden Farben keine Bedeutung. Dies wirft interessante evolutionäre Fragen auf. Was war zuerst da : die Farbsignale oder das Farbensehen, um sie zu sehen? Und wann tauchten diese optischen Signale auf und verbreiteten sich, so dass die natürliche Welt zu dem farbenfrohen Spektakel wurde, das wir heute sehen?

"Es gibt rote Vögel, rote Schlangen und Pflanzen mit roten Früchten. In jedem Fall ist die Farbe Rot ein Signal", sagt Zachary Emberts, Evolutionsbiologe an der Oklahoma State University.

Emberts und sein ehemaliger Postdoc-Mentor John Wiens, ein Evolutionsökologe an der Universität von Arizona, untersuchten Hunderte von Millionen Jahren Evolutionsgeschichte, um eine wissenschaftliche Antwort auf die Frage nach dem "Huhn oder dem Ei" in Bezug auf Farbe und Farbensehen zu finden. Anhand fossiler Aufzeichnungen und phylogenetischer Stammbäume ermittelten sie wann die ersten Farbzeichen bei Pflanzen und Tieren auftraten. Anschließend testeten sie ihre Hypothese, dass sich Farbwahrnehmung und Farbsignale gemeinsam entwickelt haben.

"Was mir an dieser Forschung am meisten gefällt, ist, dass sie ehrgeizig und selbstbewusst große Fragen und Ideen angeht, die unweigerlich Spekulationen beinhalten", sagt William Allen, ein Ökologe an der Universität Swansea in Wales, der sich mit sensorischen Systemen beschäftigt und nicht an der neuen Forschung beteiligt war. "In der Wissenschaft des 21. Jahrhunderts gibt es eine Tendenz, sich auf die Anwendung datengesteuerter Analysetechniken zu konzentrieren, was manchmal auf Kosten von tiefgründigem Denken, Naturwissenschaft und Neugier geht.

Die Evolution der Farbe

Schon während ihres Studiums war Wienst von schönen Tieren fasziniert. Für ihre Dissertation untersuchte sie die Westliche Zauneidechse, die einen erdigen Rücken und eine saphirblaue Kehle hat, um zu erforschen, wie sich die sexuelle Kommunikation auf der Grundlage der für diese Art charakteristischen Farbkodierung entwickelt haben könnte. Er erstellte einen stammesgeschichtlichen Baum der Eidechsen und fand es faszinierend, dass die blauen Flecken auf den Männchen, die den Weibchen anzeigen, dass sie für die Paarung geeignet sind, im Laufe der Evolution oft verschwanden und dann wieder auftauchten. Vielleicht, weil die Weibchen in bestimmten Abstammungslinien diese Flecken nicht mehr bemerkten. Dieses Projekt weckte das Interesse daran, wie farbige Signale in der Evolution entstehen und wahrgenommen werden.

Farben sind nicht nur schön, sie haben auch ihre Tücken. So kann ein helles Signal, das einen potenziellen Partner anlockt, die Aufmerksamkeit von Raubtieren auf das Tier lenken.

Ohne das Farbensehen würde der Wert markanter Farben jedoch verschwinden, und es gäbe in der Tat kaum einen Grund, warum sie sich überhaupt entwickelt hätten. Dies veranlasste Wienst zu der Frage, warum sich das Farbensehen bei verschiedenen Arten entwickelt hat - vielleicht um den Tieren zu helfen, bunte Früchte, Blumen oder Partner zu finden? Aber gab es solche Farben in der Frühzeit überhaupt?

Doch er begann nicht sofort mit dieser Forschung, sondern verbrachte mehrere Jahrzehnte damit, die Evolution von Reptilien und Amphibien zu untersuchen. Doch die Frage ließ ihn nicht mehr los, und so arbeiteten er und Emberts Wiens schließlich zusammen, um die Evolution der Farben in der lebenden Welt zu rekonstruieren. Die beiden durchforsteten die Literatur, um einschlägige Fossilienfunde und bestehende Stammbäume zu sammeln, und stellten ihre eigenen zusammen. Auf diese Weise skizzierten sie eine grobe Zeitleiste, wann diese Merkmale in der fernen Vergangenheit auftraten. Diese Methode ist zwar nicht perfekt, aber im Allgemeinen können die Forscher, wenn viele eng verwandte moderne Arten dasselbe Merkmal aufweisen, auf den gemeinsamen Vorfahren schließen, bei dem es sich entwickelt hat.

Es wurden mehrere Möglichkeiten in Betracht gezogen, wie diese evolutionären Entwicklungen stattgefunden haben könnten. Es ist möglich, dass sich das Farbensehen zunächst aus einer nicht signalgebenden Funktion entwickelt hat, z. B. dem Erkennen von Unterschlupf, Nahrung oder Orientierungspunkten. Doch das Paar stellte schließlich eine dynamischere Hypothese auf: Das Farbensehen entwickelte sich etwa zur gleichen Zeit wie Farbhinweise wie auffällige Früchte, attraktive Blüten, Paarungsfarben oder Warnsignale.

Die Henne oder das Ei?

Die Daten zeigen, dass die charakteristischen Farben in Früchten und Samen vor etwa 300 Millionen Jahren auftraten. Dies ist wahrscheinlich der Zeitpunkt, an dem die bunten Blumen entstanden: Die meisten Forscher setzen den letzten gemeinsamen Vorfahren der Blütenpflanzen in die Triaszeit, also vor 140 bis 250 Millionen Jahren. "Es gibt viele Diskussionen über das Alter der Blütenpflanzen, aber die durchschnittliche Schätzung liegt bei etwa 200 Millionen Jahren", sagt Wiens.

Zu diesem Zeitpunkt tauchte der erste Hinweis auf Warnfarben in den Fossilien auf, und zwar in einer in Bernstein versteinerten Schabe, deren genaue Farbe allerdings nicht ganz klar ist, so Wiens. Und vor etwa 105 Millionen Jahren leuchtete ein Schmetterlingsschwarm gelb, rot und orange als Raupen Wiens und Emberts leiteten diese alten Farben von den heute existierenden Farbnachkommen ab.

Während die farbigen Blüten einen phylogenetisch gemeinsamen Ursprung zu haben scheinen, kommen die Warnfarben in neun verschiedenen Stämmen vor, was bedeutet, dass sie sich wahrscheinlich mehrfach entwickelt haben - vielleicht Hunderte Male, sagt Wiens. Sie haben sich sogar bei Arten entwickelt, die kein Farbensehen haben, wahrscheinlich weil ihre Fressfeinde es hatten.

Schließlich legten die Tiere bunte Kleidung an, um ihre Partner anzulocken. Ausgehend von phylogenetischen Daten von heute lebenden Arten könnten zwei Fischarten vor etwa 100 Millionen Jahren eine Färbung erhalten haben. Die Forscher glauben, dass sich diese Art von sexuellen Signalen hunderte Male bei Wirbeltieren und Gliederfüßern entwickelt haben könnte, aber im Gegensatz zu Warnfarben gibt es diese Signale nur bei Arten mit Farbsehen. "Damit diese sexuellen Signale funktionieren, muss man die Farben der Artgenossen sehen", sagt Wiens.

Wiens fand heraus, dass sich das Farbensehen wahrscheinlich zweimal entwickelt hat, unabhängig voneinander, aber ungefähr zur gleichen Zeit: vor 400-500 Millionen Jahren bei Gliederfüßern wie Insekten und bei Wirbeltieren wie Fischen. Das bedeutet, dass das Farbensehen 100-200 Millionen Jahre vor der Entwicklung der Farbwahrnehmung liegt.

Im Tierreich ist die visuelle Wahrnehmung unglaublich vielfältig. Was ein Tier sieht, hängt von der Struktur seiner Netzhaut und dem visuellen Verarbeitungssystem seines Nervensystems ab. Die meisten Insekten sehen ultraviolettes, blaues und grünes Licht, aber es gibt eine große Vielfalt unter den Gliederfüßlern; die Augen von Heuschrecken haben bis zu 12 verschiedene Farbkanäle, die sowohl das ultraviolette Spektrum als auch polarisiertes Licht erkennen.

Die Vorfahren der modernen Wirbeltiere waren wahrscheinlich in der Lage, Rot, Violett, Blau und Grün zu erkennen - eine Fähigkeit, die unter anderem bei Eidechsen, Vögeln, Schleimfischen und Lungenfischen erhalten geblieben ist", sagt Wiens. Doch im Laufe der Evolution gingen einige Elemente der Farbwahrnehmung verloren. Schleimfische können die Farbe Rot nicht wahrnehmen. Haie können Blau nicht sehen. Das menschliche Auge hat drei Arten von Photorezeptor-Zapfen, die es ihm ermöglichen, zwischen Blau, Grün und Rot zu unterscheiden, aber Hunde und Kaninchen haben nur zwei Arten von Zapfen, was die Anzahl der Farbtöne, die unterschieden werden können, reduziert.

Die Daten von Wiens und Emberts stützen die Hypothese, dass sich Farben aus einem noch unbekannten Grund entwickelt haben, bevor diese auffälligen Merkmale auftraten. "Das Farbensehen erschien zuerst, dann die Früchte, dann die Blumen, dann die Warnsignale und schließlich die sexuellen Signale", so Wiens.

Sie kommen - und gehen

Die Bemühungen der Forscher, die Vergangenheit zu rekonstruieren, sind natürlich nicht perfekt. Farben lassen sich nicht leicht versteinern, und wenn doch, können die Forscher nicht auf die Funktion der Farbe schließen, es sei denn, das Tier hat lebende Nachkommen. Und trotz aller Daten sind Stammbäume von Natur aus spekulativ. Einige Merkmale können sich mehr als einmal in verschiedenen Abstammungslinien entwickeln. So sind beispielsweise Wacholderbeeren und Blaubeeren beide blau, aber ihre Vorfahren haben die Farbe wahrscheinlich getrennt voneinander entwickelt. Andere Merkmale können auftauchen und wieder verschwinden, wie etwa die blauen Bauchflecken von Eidechsen. Da wir wissen, dass Markierungen im Laufe von Millionen von Jahren verschwinden und wieder auftauchen können, ist es schwierig, mit Sicherheit festzustellen, ob ein gemeinsamer Vorfahre dieses scheinbar gemeinsame Merkmal tatsächlich besaß.

"Diese evolutionäre Instabilität verwischt die Grenze zwischen dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Farbanpassung in der fernen Vergangenheit", so Allen.

Daher ist die Verwendung phylogenetischer Bäume zur Bestimmung des Ursprungs eines Merkmals von Natur aus unsicher. "Die Beobachtung der heutigen Umwelt sagt uns nicht viel, denn Dinge verändern sich, tauchen auf und verschwinden wieder", sagt der Neurowissenschaftler Daniel Colaco Osorio, der an der Universität von Sussex über das Sehen von Tieren forscht und nicht an der aktuellen Studie beteiligt war. Wiens besteht jedoch darauf, dass die einzige Möglichkeit, herauszufinden, ob Merkmale verschwinden und wieder auftauchen, die Verwendung von Stammbäumen ist, um solche Hypothesen zu testen. Das ist der beste Weg, um von der Gegenwart aus einen Blick in die evolutionäre Vergangenheit zu werfen, sagt er: "Wie kann man behaupten, dass Merkmale kommen und gehen, ohne Forschungen wie unsere durchzuführen?"

Um es klar zu sagen: Es gab Farben in der Welt vor dem Farbensehen. Im Jahr 1999 untersuchte Osorio das Farbensehen von Küken und stellte die Hypothese auf, dass es einem allgemeineren Zweck dient. "Vielleicht dient es nur dazu, Objekte zu erkennen oder sich an einem Ort zurechtzufinden", dachte er.

Im Jahr 2000 gewann dann eine frühere Theorie an Popularität, in der Vadim Maximov argumentierte, dass sich das Farbensehen entwickelt hat, um Wirbeltieren in einer lichtarmen aquatischen Umgebung zu helfen. Das Vorhandensein von zwei Arten von Photorezeptoren habe dazu beigetragen, das "Flimmern", das unter der Oberfläche von flachem Wasser auftritt, zu reduzieren, was Wassertieren geholfen habe, Beute zu jagen und Raubtieren auszuweichen. Dies erklärt, warum sich die Grundlagen der Farbwahrnehmung erst entwickelt haben, nachdem die aktive Beutejagd weit verbreitet war, aber lange bevor sie einen offensichtlicheren Nutzen hatte.

2019 schlug Osorio vor, dass leuchtende Farben, ob Pigmente oder reflektierende Strukturen, eine organisierende Funktion haben. Sie sind daher ein Beweis gegen die Kräfte der Entropie, dass sich Organismen aus irgendeinem Grund entwickelt haben. "Wenn man den Staubsaugerbeutel leert, ist der Inhalt grau, weil alles durcheinander ist", sagt der Experte. "Wenn es eine Struktur mit einer Bedeutung oder einem Zweck gibt, wird sie durch eine helle oder klare Farbe angezeigt, die nicht unbedingt mit der Bedeutung des Signals zusammenhängt."

Natürlich gibt es viele unbeantwortbare Fragen, aber es kann trotzdem nützlich und unterhaltsam sein, sie zu stellen. Die Untersuchung von Wiens und Emberts ist ein wichtiger Schritt zum Verständnis, warum die Natur so bunt ist. Wiens fand außerdem heraus, dass die Zahl der Warn- und Paarungssignale zwischen Vögeln, Eidechsen und Fischen in den letzten 100 Millionen Jahren explodiert ist. Er glaubt, dass sich dieser Trend fortsetzen könnte, was darauf hindeutet, dass die Natur immer bunter wird.