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Algen schafften den Sprung an Land

Evolutionsbiologie Algen schafften den Sprung an Land

Der „Landgang der Pflanzen“ war ein entscheidender Schritt für die Evolution. Diesem Prozess der Pflanzen ist auch der Marburger Evolutionsbiologe Professor Stefan Rensing auf der Spur.

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Ein japanischer Moostempel zeigt einen moosbewachsenen Untergrund direkt an einem See.

Quelle: Yanajin 33

Marburg. Am Ende des Erdzeitalters Kambrium vor ungefähr 500 Millionen Jahren waren die Meere bereits dicht bevölkert, die Erdoberfläche war allerdings ein sehr unwirtliches Gebiet. Doch die Besiedelung des Landes, auf dem vorher außer Felsen und Steinen nur Bakterien und Pilze beheimatet waren, gelang den ersten Pflanzen bereits in diesem Zeitraum. Dadurch wurde zunehmend die Voraussetzung für nachfolgendes Leben geschaffen, erläutert der Marburger Evolutionsbiologe Professor Stefan Rensing.

„Der Sauerstoffpegel der Atmosphäre stieg weiter an, und die UV-Strahlung nahm durch die Bildung der Ozonschicht weiter ab. Nachdem die Erdoberfläche durch Pflanzen urbar gemacht worden war, folgte der Landgang der Tiere“, erklärt der Wissenschaftler.

Der Landgang der Pflanzen stelle somit einen entscheidenden Schritt für die Evolution des Lebens, wie wir es heute kennen, dar. Allerdings habe dieses nichts mit Gehen oder einer aktiven Bewegung dieser Algen zu tun gehabt. Die Überschwemmung der Uferzonen durch das anschwellende Süßwasser sowie Windbewegungen hätten aber dazu entscheidend beigetragen.  Im Vergleich zu heute bestand die Erde nach Darstellung des Wissenschaftlers vor 500 Millionen Jahren vor allem aus nacktem Fels ohne Erde.

Damals habe es eine viel stärkere Aktivität von Vulkanen gegeben als heute. Weniger Sauerstoff und eine größere Kohlendioxid-Konzentration hätten die Atmosphäre bestimmt.

Das allmähliche Aufkommen der Landpflanzen habe der Atmosphäre Kohlendioxid entzogen. Die Lebensbedingungen  für die Pflanzen seien an Land ganz anders gewesen als zum Vergleich im Wasser. Eine geringere Wasser- und Nährstoffverfügbarkeit, stärker wechselnde Temperaturen sowie mehr Strahlung und andere Lichtverhältnisse seien die Parameter dieser Lebensbedingungen an Land gewesen.

Genom-Analysen waren maßgebliches Hilfsmittel

Die Wissenschaftler kamen dem Landgang der Pflanzen vor allem durch Fossilienfunde auf die Spur: So stammen etwa die ältesten Funde aus der Region bei Rhynie in Schottland aus der Zeit von vor rund 390 Millionen Jahren. Sporenfunde und auch die Analyse der molekularen Uhr hätten jedoch die Hinweise auf den Zeitraum von vor 500 Millionen Jahren verdichtet.

Wasseralgen habe es aber schon seit mehr als einer Milliarde Jahren gegeben, erklärt Rensing. Und wieso kam es dann erst sehr viel später zu dem „Landgang“ der Pflanzen, der dann auch die nachfolgende Evolution der Tiere vorbereitete? Aus Rensings Sicht seien viele Zufälle zusammengekommen, die zu dem zunächst singulären Vorgang beigetragen hätten.

Dass zunächst weniger Wasser und Nährstoffe zur Verfügung gestanden hätten, habe dann zu einer sogenannten „abiotischen Stresstoleranz“ der Pflanzen vor allem gegen Trockenheit beigetragen. Zudem hätten sich Zellwände entwickelt, die gleichzeitig rigide und dennoch flexibel gewesen seien. Die Pflanzen seien auf dem ungewohnten Terrain an Land eine Symbiose mit Pilzen eingegangen, um auf diese Weise anorganische Nährstoffe zu erschließen.

Nach dem aktuellen Stand der Forschung haben die Evolutionsbiologen die Joch-Algen als die ersten Verwandten der Landpflanzen ausgemacht. Die detaillierte Entwicklungsgeschichte der frühesten Landpflanzen nachzuverfolgen, ist derzeit ein wichtiges Forschungsthema für viele Wissenschaftler.

Ein maßgebliches Hilfsmittel sind die mittlerweile erfolgten Genom-Analysen vieler Pflanzen. Die Entschlüsselung und Analyse des Genoms eines speziellen Mooses, an der Rensing federführend beteiligt war, trug dazu bei, die Entwicklungslücke zwischen den Algen und den Blütenpflanzen zu schließen (siehe Artikel unten).

Zur Person
Professor Stefan Rensing (49) lehrt an der Marburger Universität Evolutionsbiologie. Seit dem Jahr 2012 ist Rensing in Marburg Professor für Pflanzen-Zellbiologie. Von 1986 bis 1995 studierte der gebürtige Freiburger Zellbiologie an der Universität Freiburg. Nach der Diplomarbeit (1993) und der Dissertation (1995) erfolgte an der Uni Freiburg im Jahr 2007 die Habilitation mit einem Thema aus der Bioinformatik und Systembiologie. Sein wissenschaftliches Spezialgebiet sind die vergleichende Genomik sowie die Evolution der Landpflanzen. Außerdem leitet er ein Unternehmen, das Ziermoose herstellt und verkauft. In diesem Sommersemester hat Rensing das „Studium generale“ zum
Thema Evolution an der Universität Marburg organisiert.
Hintergrund
Mit seinem Vortrag „Ein großer Schritt für alles: Der Landgang der Pflanzen“ beschließt der Marburger Evolutionsbiologe Professor Stefan Rensing am kommenden Mittwoch, 13. Juli, ab 20.15 Uhr im Audimax im Uni-Hörsaalgebäude das Studium generale, das in diesem Sommersemester unter dem Generalthema „Evolution“ steht. Rensing ist in diesem Semester auch der Organisator dieser uniweiten öffentlichen Vortragsreihe. Unter anderem ging es dabei um die Themen „Evolution und globaler Wandel“ oder die Hydrothermalquellen als Ursprung des Lebens.
Die dahinterstehende Evolutionsbiologie  untersucht den Ursprung des Lebens. Dabei geht es um die Frage, wie sich Pflanzen, Tiere und Menschen von einfachsten Ursprüngen über Millionen von Jahren weiterentwickelt haben. Ausgehend von den Erkenntnissen der von Charles Darwin (1809 bis 1882) aufgestellten Evolutionstheorie zur Entstehung der Arten sind in den vergangenen Jahrzehnten immer genauere Theorien dazu entstanden, wie sich aus einfachsten chemischen Bausteinen die einzelnen Zellen und später immer komplexere Lebewesen entwickelt haben. „Wir beginnen zu verstehen,
wie die evolutionären Mechanismen funktionieren“, erläutert Stefan Rensing.

Moose als Forschungsobjekte und Zierpflanzen

Zwischen der Entwicklung der im Wasser lebenden Grünalgen und der Blütenpflanzen liegt eine Zeitstrecke von rund 800 Millionen Jahren. „Ungefähr auf halber Strecke dazwischen sind die Moose entstanden. Es waren ihnen ähnliche grüne Organismen, die als Erste das Land besiedelt haben“, erklärt der Marburger Evolutionsbiologe Professor Stefan Rensing.

Deswegen sind die Moose als enge Verwandte der Algen besonders spannende Forschungsobjekte für die Wissenschaft. Zusammen mit sieben anderen Wissenschaftlern war Rensing zwischen 2005 und 2008 in einem internationalen Konsortium daran beteiligt, zum ersten Mal das Genom einer Moospflanze zu entschlüsseln. Mittlerweile ist das Kleine Blasenmützenmoos als Modellorganismus anerkannt.

Nachdem zuvor schon die Gensequenzen von Blütenpflanzen oder einzelligen grünen Algen entschlüsselt worden waren, liefern die Moosgene seitdem wichtige Informationen über diese Bindeglieder der pflanzlichen Evolution.

Rensing kombiniert in seiner wissenschaftlichen Beschäftigung mit den Moosen die Methoden der Bioinformatik mit Labor-Analysen. Bei der Bioinformatik ist es das Ziel, die Genome der Pflanzen am Computer zu vergleichen. Die Bioinformatik ermöglicht den Vergleich von DNA-Sequenzen, Genfamilien oder Proteinen der unterschiedlichen Pflanzen.

"Moose leben gerne in Nischen"

Sie ermöglicht auch sogenannte „phylogenetische Analysen“, in denen es um die Abstammung von Arten und der ihnen zugrundeliegenden Genen geht.  Im sogenannten „Nasslabor“ hingegen werden die Entwicklungsvorgänge der realen Moose oder Blütenpflanzen gewissermaßen unter einer „evolutionären Lupe“ betrachtet.

In einer Klimakammer im Biologie-Gebäude auf den Lahnbergen lagern zu diesem Zweck auch Proben unterschiedlicher Moos- und Algenarten. Bei den Moosforschungen entdeckte Rensing zusammen mit Kollegen beispielsweise spezielle „Stresstoleranzgene“, die für eine höhere Stresstoleranz und Überlebenschance der Moose in eher feindlichen Lebensbedingungen sorgten, so dass diese beispielsweise vor Austrocknung gut geschützt sind.

Was vor Millionen von Jahren sinnvoll war, ist übrigens auch heute noch nützlich. „Moose leben gerne in Nischen wie in Pflasterritzen oder auf Betonfassaden, wo sie diese Stresstoleranz brauchen“, erläutert Rensing.
Neben der wissenschaftlichen Neugier hat der Marburger Biologe auch viel übrig für den ästhetischen Reiz der Moose. „Es gibt immerhin rund 8 000 Arten“, berichtet er.

Seine Begeisterung für seine Forschungsobjekte will er mit Hilfe einer Ausgründung aus der Universität weitergeben und dafür werben, dass auch Moose ihren Stellenwert haben. In seiner Firma „Evermoss“ vertreibt er in Weckgläsern verschlossene filigran geformte Moospflanzen, die jahrelang und so gewissermaßen fast ewig ohne Nährstoffe oder Wasser auskommen können und trotzdem weiterwachsen.

von Manfred Hitzeroth

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