Ludwig-Maximilians-Universität München
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Evolution

Klare Verwandtschaftsverhältnisse

München, 01.12.2015

Schwamm oder Rippenqualle: Wer war zuerst da? Die Schwämme sind der älteste im Lauf der Evolution entstandene Tierstamm, zeigen LMU-Forscher – und bringen damit wieder Ordnung in den Stammbaum.

Schwämme (Rotes Meer). Bild: Gert Wörheide

Mit seinen neuen Analysen widerlegt ein internationales Forscherteam Studien, die Rippenquallen als den ältesten Tierstamm auswiesen. Keine unwichtige Frage, denn die Antwort darauf hat Konsequenzen für zentrale Aspekte der Evolution insgesamt, etwa die Entstehungsgeschichte der Organe. In den letzten Jahren war die Frage nach der Reihenfolge Gegenstand kontroverser Diskussionen. Wissenschaftler um Professor Gert Wörheide (Lehrstuhl für Paläontologie und Geobiologie der LMU) und Dr. Davide Pisani (Universität Bristol, Großbritannien) haben nun die traditionelle Ansicht bestätigt, dass die Schwämme sich früher von den restlichen Tieren abspalteten als die Rippenquallen. „Studien, die Rippenquallen als Trendsetter der Evolution zeigen, konnten wir widerlegen, indem wir die genetischen Daten aus diesen Studien mithilfe verbesserter Methoden neu analysiert haben“, sagt Wörheide. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin PNAS.

Schwämme (Porifera), Rippenquallen (Ctenophora), Nesseltiere (Cnidaria) und Scheibentiere (Placozoa) bilden die Gruppe der sogenannten nicht-bilateralen Tiere. Es sind sehr alte Tierstämme, die bereits vor über 600 Millionen Jahren entstanden. Die Verwandtschaftsbeziehungen dieser Tiere untereinander und zu den Bilateria – den sogenannten Zweiseitern, zu denen alle anderen Tiere inklusive der Menschen gehören – aufzuklären, ist eine der größten Herausforderungen in der Evolutionsbiologie. „Die stammesgeschichtlichen Zusammenhänge sind wichtig, um die Evolution bestimmter Schlüsselmerkmale von Tieren zu verstehen, etwa der Organe“, sagt Wörheide.

Rippenquallen sind komplexer als Schwämme

Traditionell ging man davon aus, dass sich die Schwämme als erster Tierstamm von einem gemeinsamen Vorfahren aller Tiere abgespalten haben und somit die Schwestergruppe zu allen übrigen Tieren darstellen. Diese Annahme entspricht auch morphologischen Befunden, für die die strukturellen Ähnlichkeiten verschiedener Organismen verglichen wurden. Allerdings widersprechen einige neuere Studien diesen Resultaten und stellen aufgrund phylogenetischer Untersuchungen von Genomsequenzen die These auf, dass sich die Rippenquallen als erste von den anderen Tieren abgespalten hätten.

Dies hätte weit reichende Konsequenzen für die Evolutionsgeschichte: Rippenquallen sind relativ komplexe Tiere, die im Gegensatz zu Schwämmen und Scheibentieren bereits ein Nervensystem und Muskeln besitzen. „Wenn die Rippenquallen sich als erste abgespalten hätten, müssten diese Organe entweder schon in einem gemeinsamen Vorfahren aller Tiere angelegt gewesen sein, und einfacher gebaute Lebewesen wie die Schwämme haben sie dann wieder verloren; oder wir müssten davon ausgehen, dass sich bestimmte Merkmale im Lauf der Evolution unabhängig voneinander mehrfach entwickelt haben“, erklärt Wörheide. „Dieses Szenario würde eine Neubewertung der gesamten frühen Evolution von Tieren erfordern.“

Fehler in der Datenanalyse

Wörheide hat mit seinem Team nun die genetischen Daten der entsprechenden Studien neu ausgewertet und konnte diese These widerlegen. „In den Studien wurden für die Datenanalyse nicht die optimalen Methoden zur Modellierung der Sequenzevolution verwendet, sodass systematische Fehler aufgetreten sind“, sagt Wörheide. Die Wissenschaftler haben deshalb mithilfe komplexer statistischer Methoden das am besten auf die Datengrundlage passende evolutionäre Modell ermittelt und eine neue Korrekturmethode für systematische Fehler verwendet. „Mittels aufwendiger Rechenverfahren konnten wir dann zeigen, dass die Platzierung der Rippenquallen am untersten Ast des evolutionären Stammbaums auf Artefakten beruht. Werden die verbesserten Modelle verwendet, zeigen auch diese Daten die Schwämme als ersten sich abspaltenden Tierstamm“, sagt Wörheide. Für die komplexen Berechnungen griff das Team auf die Compute Cloud des Leibniz-Rechenzentrums (LRZ) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften zurück. Mit dieser flexibel einsetzbaren Hochleistungsrechner-Infrastruktur benötigten die Datenanalysen rund 400.000 Prozessorstunden oder knapp vier Wochen – mit einem handelsüblichen Laptop hätte dies mehr als 20 Jahre gedauert.

In zukünftigen Studien wollen die Forscher weitere Datensätze analysieren, um ihre Ergebnisse zum Stammbaum der frühen Tiere zu untermauern. Insbesondere interessieren sie auch die Verwandtschaftsverhältnisse der einfachsten vielzelligen Tiere, der Scheibentiere. „Scheibentiere sind rätselhafte Organismen, die bisher noch nicht eindeutig verortet werden können“, sagt Wörheide. Um der Lösung des Rätsels näher zu kommen, wollen die Wissenschaftler die Genome der Scheibentiere und einiger Schwämme im Rahmen des Projektes MODELSPONGE sequenzieren, das aus Mitteln des Zukunftskonzepts LMUexcellent gefördert wird.
PNAS 2015