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Über Krebse Lücken der frühen Evolution schließen

Die Arbeitsgruppe um den Ulmer Zoologen Dieter Waloßek bringt Ordnung in ihre Disziplin. Die Systematiker unter den Biologen dokumentieren die Lebewelt, besonders die der Gliederfüßer und beschäftigen sich zwangsläufig auch mit der Evolution. Unlängst gelang Waloßek und Andreas Maas zusammen mit weiteren Forschern aus dem Ausland ein Coup.

Sie identifizierten einen Fossilienfund aus der chinesischen Provinz Yunnan als den bislang bekannten ältesten Krebs der Welt, datierten den Nachweis dieser Gruppe um rund zehn Mio. Jahre (auf 520 Mio. Jahre) zurück. Waloßek zufolge trägt dieser Nachweis zur Debatte auch um die Evolution der geflügelten Gliederfüßer bei. Diese stellen heute die Mehrzahl aller tierlichen Lebewesen dar.

Wie sind Gliederfüßer miteinander verwandt?

Gruppenfoto mit einer Frau (links) und vier Männern.
Die Ulmer AG Biosystematische Dokumentation, v. l.: Bianca Schulz, Joachim Haug, Andreas Maas, Dieter Waloßek und Christopher Castellani. (© Pytlik/BioRegionUlm)
Denn nach wie vor ist ungeklärt, wie die vier Großgruppen der Gliederfüßer – Insekten, Krebse, Tausendfüßer und Spinnen – zueinander verwandt sind. Diese Lücken in der frühen Evolution führt Waloßek darauf zurück, dass vorwiegend von heute lebenden Vertretern her argumentiert werde. Obendrein lägen Fossilformen nur bruchstückhaft oder ungenau vor.

Chinesischer Glücksfund

Elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt den Vergleich von drei Krebsen aus verschiedenen Perspektiven.
Vergleichsbilder (v. l.) von Bredocaris, Rehbachiella und Martinssonia. Sie zeigen im Bezug auf ihre Vorderkörper die Ähnlichkeit zu Yicaris deutlich, die auch eine verwandtschaftliche ist.  (© Uni Ulm, AG Biosystematische Dokumentation)
Der chinesische Fund war deshalb ein glücklicher Umstand, weil die Fossilien der nur wenige Millimeter großen Krebse außergewöhnlich gut erhalten sind; sogar die Augen und die Borsten an den Beinen sind zu erkennen. Die Tiere liegen in mehreren Wachstumsstadien vor und erlauben so tiefe Einblicke in das Leben der Krebse, sagt Waloßek, einer von vier Autoren der in „Nature“ veröffentlichten Studie.

Ältester unter den Modernen

Zur Gruppe der Krebse (Crustacea) gehören heute fast 100.000 Arten, darunter große Formen wie Garnelen, Hummer, Krabben, aber auch kleinere wie Seepocken und Wasserflöhe. Die Gruppe ist erdgeschichtlich seit knapp 480 Mio. Jahren nachgewiesen. Einige seltene Funde sind sogar dem ausgehenden Kambrium, also einer Zeit vor rund 505 Mio. Jahren zugeordnet. Der neue Fund aus dem unteren Kambrium stellt den ältesten unzweifelhaft modernen Krebs dar.
Elektronenmikroskopische Aufnahme von Yicaris dianensis, die pfeile zeigen auf Schwimmäste (links) und Kiemen (rechts)
Yicaris dianensis, ältester Repräsentant der modernen Krebse. Einmalig an dem chinesischen Krebs sind die erhaltenen drei feinhäutigen Kiemenästchen, die den Cephalocarida fehlen, aber bei anderen Krebsen zu finden sind. (© Uni Ulm, AG Biosystematische Dokumentation)
Ein aufschlussreiches Detail dieses Krebses sind kleine blattartige Auswüchse außen an den Körperbeinen, woraus nach Ansicht einiger Biologien die Insektenflügel hervorgegangen sein könnten. Der kambrische Nachweis solcher extrem weicher und bisher nicht an Fossilien gefundenen Anhänge ist nach Waloßeks Worten ein wichtiger Beitrag in der Debatte um die Evolution der geflügelten Gliederfüßer, insbesondere da der Bildungsprozess aus kleinen Borsten eher gegen eine solche Hypothese spricht.

Wider das Argument der ‚kambrischen Explosion’

Das hohe Alter des Krebses Yicaris weist aber auch darauf hin, dass die Wurzeln der Gliederfüßer insgesamt weit vor dem Kambrium lagen, was gegen die Hypothese von einer ‘kambrischen Explosion’, nach der sich die Tierwelt in einem geologisch kurzen Zeitraum von nur bis zu 50 Mio. Jahren dramatisch entwickelt haben soll, spräche.

Verschlungen waren die Wege bis zur Publikation in dem Wissenschaftsjournal (doi:10.1038/nature06138). Sie führen zurück in die akademischen Anfänge Waloßeks, der nach dem Zoologie-Studium zum Paläontologen Klaus Jürgen Müller nach Bonn wechselte.
Elektronenmikroskopische Aufnahme von Krebsen
Beispiele von Orsten-Erhaltung: links oben Martinssonia elongata, ein Stammlinienkrebs, und seine früheste Larve rechts oben. Darunter ein Vertreter der Phosphatocopina, der häufigsten Tiere im Material. Sie besaßen zwei Schildklappen ähnlich den Muscheln. Links ist die Schale angebrochen, so dass man auf die Beine und die super erhaltenen Borsten sehen kann, rechts eine sehr frühe Larve ganz aufgeklappt, so dass man auf die Beine sieht. Darunter Bredocaris admirabilis und seine Erstlarve rechts, und zuletzt Rehbachiella kuinnekullensis Stadium 12 und die Salzdrüse auf dem Kopfschild einer frühe Larve. (© Uni Ulm, AG Biosystematische Dokumentation)

„Fenster in die frühe Entwicklung des Lebens“

Dieser hatte außergewöhnlich gut erhaltene Fossilien im südlichen Schweden entdeckt, so genannte Orsten-Fossilien. Dieses rund 500 Mio. Jahre alte Material war dreidimensional, also körperlich erhalten, bestand aus winzigen Gliederfüßern und öffnete über das Rasterelektronenmikroskop „ein Fenster in die frühe Entwicklung des Lebens“. Damals weltweit einzigartig, sind mittlerweile Orsten-Fossilien auch aus Polen, Kanada, Australien, Russland, England und, nunmehr, aus China bekannt.

Diese Gliederfüßer ließen Waloßek nicht mehr los, führten ihn in die weite Welt, nach Schweden, ins australische Outback, in den Nordosten Sibiriens und China. Weil es aber für Zoologen wie Waloßek schwierig war, an dieses Orsten-Material zu gelangen, gründete er zusammen mit Forschern aus sechs Ländern ein Forschungs-Netzwerk, die C.O.R.E. Group (s. Link oben rechts), um direkten Zugriff auf diese Fossilien auch aus entfernten Regionen zu bekommen. Auch der Ulmer Biologe Andreas Maas gehört dieser Gruppe an.

Schwierige Vertrauensbildung

Bis 2004 lief eine Zusammenarbeit mit chinesischen Forschern über flachgedrückte Fossilien der berühmten Chengjiang-Fauna aus dem Unterkambrium, entdeckt in der Nähe der Millionenstadt Kunming im Südwesten von China, erzählt der Ulmer Zoologe. Dies setzte sich dadurch fort, dass ein Student eines Kollegen aus Kunming in der Ulmer AG als Doktorand tätig ist.

Diese Form der Kooperation sei ihnen deshalb so wichtig, meinen Waloßek und Maas, weil man nicht direkt „an ein solches Material“ dürfe. Denn „die Chinesen haben große Angst, dass ihnen die anderen Kollegen etwas wegnehmen“ könnten. In China, erläutert Waloßek, konkurrieren mehrere Arbeitsgruppen miteinander, mit denen die Ulmer zusammenarbeiten. Deshalb sei es wichtig, als verlässlicher Partner angesehen zu werden, denn Vertrauen zu bilden sei sehr schwierig, erklärt Waloßek.

Arbeit an Fotos

So lagen den Ulmern bisher auch nur Fotos von dem jetzt berühmten Krebs vor. Aber sie profitierten jetzt von den nur unwesentlich „jüngeren“ dreidimensional erhaltenen ‚Orsten’-Fossilien. Dadurch konnten sie morphologische Vergleiche anstellen, konnten einordnen und in mühevoller Kleinarbeit die Evolution und Stammesgeschichte der Krebse besser verstehen lernen.
Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Krebses
Heute lebender Krebs aus der artenarmen Gruppe der Cephalocarida, einer Gruppe, die wegen ihrer zahlreichen ursprünglich wirkenden Merkmale und der großen Ähnlichkeit zu 'Orsten'-Krebsen von zentraler Bedeutung für die stammesgeschichtliche Ausdeutung innerhalb der Krebse ist.  (© Uni Ulm, AG Biosystematische Dokumentation)
Waloßek erklärt dies am Beispiel der Kaulade der Krebse. Dieses Bauteil, das zum Zerkleinern der Nahrung, also dem Fressen dient, war ursprünglich nur eine winzige Auslappung, an der zwei Borsten saßen. (Eine Vorform dieser Lade fand Waloßek bereits 1990.)

Dieser kleine Lappen hat sich in der Evolution in unterschiedlichster Weise an den einzelnen Beinen fortentwickelt, unterschiedlich weit an jedem einzelnen Bein und manchmal in Serie. Bereits im Kambrium habe sich dieses Bauteil in jeder einzelnen der heutigen Krebsgruppe getrennt weiterentwickelt – und dies bereits seit 500 Mio. Jahren. Daher seien Formen wie Yicaris als frühe Vertreter der Krebse so wichtig, weil sich bei den heutigen Krebsen die Verwandtschaft oft nicht nachweisen lasse, erklärt Waloßek.

Mühevoller Nachweis eines verrückten Musters

Anhand von Vorstadien an jedem einzelnen Bein zur Bildung einer solchen Lade gelang den Ulmern der Nachweis, dass dieser kleine Lappen anfangs nicht nur an allen Beinen fehlte, sondern sich zunächst nur an einem ganz bestimmten bildete und dann in Form einer Art Zickzackmuster davor und an weiter hinten liegenden Beinen auftrat. Dieses „verrückte“ Muster haben die Ulmer erst in den vergangenen zwei Jahren aufdecken können, durch einen weiteren Mitarbeiter und durch Beobachtungen an zum Teil bereits gefundenem Material – ein Beleg für die Kärrnerarbeit eines Evolutionsbiologen.

Fossilien sind Fakten

Fossilien wie die des chinesischen Krebses haben für Waloßek den Wert von „Fakten“, sind „gelebt habende Evidenz und Information“. Nur sie zeigen, wie Evolution tatsächlich abgelaufen sei, nicht aber aufgrund statistischer Daten oder Molekularsystematik ermittelter Verwandtschaftannahmen. Damit kritisiert Waloßek einen Trend innerhalb seiner Disziplin, der seit rund zehn Jahren der Morphologie überhaupt keine Bedeutung mehr beimesse.

Evolution kennt keine statistischen Kompromisse

„Statistik ist wichtig in der Biologie, hat aber mit Evolution nichts zu tun. Auch Molekülveränderungen liefern nicht unbedingt Ergebnisse, an denen man Evolution direkt wieder erkennen kann." Denn, so argumentiert der Ulmer Wissenschaftler weiter: „Die Evolution ist ein einmaliges Ereignis entlang der Zeitachse, sie macht auch keine statistischen Kompromisse in Form von ‚consensus trees’.“

Über die Axiome der Evolution (die Veränderlichkeit der genetischen Information, übertragen an Folgegenerationen durch Fortpflanzung) sei man sich im Grundsatz einig, so die Ulmer Arbeitsgruppe. Sie reibt sich eher an einer „aktualistischen“ Wissenschaft, bei der sie den Überblick vermisst, z. B. das überschauende Denken eines Peter Ax, der als einer der wichtigsten Vertreter der phylogenetischen Systematik gilt.

Hennigs strenge Wissenschaftsmethodik

Diese vom deutschen Biologen Willi Hennig Mitte des 20. Jahrhunderts entwickelte Wissenschaftsmethodik basiere als „einzige auf konsequenter Logik und intersubjektiv prüfbaren Hypothesen“, sagen Waloßek und Maas, die diese Systematik nach eigenem Bekunden „stark verinnerlicht“ haben. Deren strenge Methodik macht auch vorm biologischen Artkonzept des über die Grenzen der Fachdisziplin hinaus bekannten Evolutionsbiologen Ernst Mayr nicht Halt.
Elektronenmikroskopische Aufnahme zweier Krebse im Vergleich
Wie ähnlich uralt (links) und neu/heute (rechts) kommt, zeigt der frühe Vertreter des Kiemenfußkrebses Rehbachiella kinnekullensis, und eines Muschelschalerkrebses, Cyclestheria hislopi. Man sieht auf die Innenseite der Rumpfbeine, die innenseitig kleine blasige Auswüchse, so genannte Enditen mit Borsten tragen. Rechts ist wieder der sich bildende Außenast hinter den Enditen zu sehen. Bei Rehbachiella sind die Borsten schon entwickelt, aber abgebrochen, bei dem Muschelschaler noch unentwickelt larval. (© Uni Ulm, AG Biosystematische Dokumentation)
Dass sie nicht zu den Vertretern des Mainstream gehören – sie favorisieren das Konzept der „phylogenetischen Art“ nach dem Göttinger Rainer Willmann, in der die Art entlang der Zeitachse betrachtet ist – wissen die Ulmer: „Wir sind damit fast allein auf weiter Flur“, sagt Waloßek.

„Großkopfert“ denken

Einen aufschlussreichen Blick in die Wissenschaftssystematik der beiden Biologen geben die Vorlesungsskripten (Grundlagen der Evolutionslehre und Phylogenetik und Systematik und Evolution der Tiere). Hier deklinieren die beiden Evolution à la Hennig durch, versuchen das „großkopferte“ Denken: „Erklären zu können, wie die belebte Welt zum Zeitpunkt x ist und woraus sie sich bildete, bringt uns dem Verständnis der Wechselbeziehungen zwischen Organismen und ihrer Umwelt näher. Erst die Kenntnis der Verwandtschaft der Arten zueinander, der Phylogenie, erlaubt grundlegende Aussagen, beispielsweise zur Ökologie, zur Biogeographie oder zur Pharmakologie“.

„Dafür werden sie uns hassen“

Die Ulmer reiben sich nicht nur gerne an anderen Positionen innerhalb ihrer Wissenschaftsdisziplin. Sie nehmen geradezu lustvoll sieben geläufige Argumente zur Begründung der Evolution, wie sie gerne von bekannten Evolutionsbiologen und Gegnern der so genannten Kreationisten vorgetragen werden, auseinander. „Dafür werden sie uns hassen“, schmunzelt Dieter Waloßek.

wp - 25.02.08
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH
Logo der Region Ulm
26.02.2008

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