I Ein Vorfahr für alles Leben
Im Sommer 2024 zeichnete ein Team der britischen Universität Bristol in der Zeitschrift „Nature Ecology & Evolution“ ein Porträt des gemeinsamen Vorfahren allen zellulären Lebens auf der Erde.
So sah dieses Porträt aus: Er lebte vor etwa 4,2 Milliarden Jahren. Die Erde war damals gerade einmal etwas über dreihundert Millionen Jahre alt, der Mond stand ihr viel näher als heute, und die Ozeane waren eben erst zur Ruhe gekommen.
Geologen nennen diese allererste Zeit das Hadaikum, nach dem Herrscher der Unterwelt in der griechischen Mythologie. Früher stellte man sich die damalige Erde als eine Hölle voller Lava vor. Zirkone aus den australischen Jack Hills änderten dieses Bild: Die Sauerstoffisotope in 4,4 Milliarden Jahre alten Kristallen verraten, dass sie bei ihrer Entstehung bereits mit flüssigem Wasser in Berührung gekommen waren. Die Sonne leuchtete damals ungefähr dreißig Prozent schwächer als heute. Am Himmel hing ein viel größerer Mond, und die Gezeiten ließen das Wasser im Lauf eines Tages erheblich heftiger steigen und fallen.
Dieser Vorfahr war bereits eine ordentliche Zelle, ungefähr so komplex wie ein heutiges Bakterium. Sein Genom umfasste etwa 2,75 Millionen Basenpaare und rund 2.600 Gene. Ein gewöhnliches Bakterium von heute hat ungefähr 4.000 Gene.
Sauerstoff brauchte er nicht; in der damaligen Luft gab es ohnehin fast keinen. Er entzog Wasserstoff Elektronen, setzte aus Kohlendioxid Schritt für Schritt organische Stoffe zusammen und schied kleine Moleküle wie Essigsäure aus.
Er besaß schon den vollständigen Maschinenpark zur Herstellung von Proteinen und eine rotierende Energiemaschine. Vielleicht verfügte er sogar bereits über ein Immunsystem gegen Viren: Es konnte sich ein Stück der Sequenz eines Eindringlings merken, ihn beim nächsten Mal wiedererkennen und zerschneiden. Allein war dieser Vorfahr auch nicht. Seine Abfälle ernährten sehr wahrscheinlich andere Mikroorganismen, die mit ihm am Meeresgrund lebten.
Das ist der gemeinsame Vorfahr aller heutigen Bakterien, aller Archaeen, aller Tiere, Pflanzen und Pilze, auch von dir, während du diesen Text liest. Biologen nennen ihn den letzten gemeinsamen Vorfahren. Die englische Abkürzung LUCA klingt wie der geläufige Vorname Luca, und viele nennen ihn einfach so.
Nicht ein einziges Fossil liegt diesem Porträt zugrunde. Von den Gesteinen, die 4,2 Milliarden Jahre alt sind, ist fast nichts erhalten. Und auch auf einem erhaltenen Stück könnte nicht stehen: „Das ist er.“
Das Porträt wurde von den heute lebenden Organismen aus rückwärts erschlossen: Man vergleicht, was sie gemeinsam haben und was ihnen fehlt, und geht dann Schritt für Schritt zurück. In diesem Essay geht es darum, wie dieses Bild entsteht, welche Striche sicher sitzen und welche noch zittern.
Der Gedanke stammt ursprünglich von Darwin. 1837 zeichnete er in ein Notizbuch, das er bei sich trug, ein kleines Verzweigungsbild: Ein Stamm teilte sich in mehrere Äste, die sich weiter verzweigten. Darüber schrieb er zwei Wörter: „Ich denke“. Zweiundzwanzig Jahre später hielt er am Ende von „Über die Entstehung der Arten“ fest, der Analogieschluss lege nahe, dass sämtliche Organismen, die je auf der Erde gelebt haben, wahrscheinlich von einer einzigen Urform abstammten.
Darwin lieferte den Gedanken, aber keinen Weg, diesen Vorfahren zu finden. Bis daraus eine Frage wurde, die sich mit Daten beantworten ließ, verging mehr als ein Jahrhundert. Erst dann lernten Menschen, Moleküle zu lesen.
Zunächst muss der Name klar sein. „Letzter“ bezeichnet den Punkt, an dem beim Rückwärtsverfolgen sämtliche Abstammungslinien zum letzten Mal zusammenlaufen. Gemeint ist nicht das allererste Leben, das zeitlich in Erscheinung trat.
Ein gutes Beispiel liefern wir Menschen selbst. Verfolgt man die Stammbäume aller heute auf der Erde lebenden Menschen zurück, treffen sie sich irgendwann in einer einzigen Person. Einer Modellrechnung von 2004 zufolge könnte dieser Mensch erst vor wenigen tausend Jahren gelebt haben.
Im fünften Essay werden wir der „mitochondrialen Eva“ begegnen, der gemeinsamen Vorfahrin aller heutigen Menschen in mütterlicher Linie. Sie lebte vor etwa zweihunderttausend Jahren; dieses Ergebnis erhält man nur, wenn man ausschließlich die Linie der Mütter zurückverfolgt. Die Menschheit ist natürlich viel älter als diese beiden Vorfahren. Unzählige Menschen lebten vor ihnen. Ihre Abstammungslinien sind nur entweder abgerissen oder längst in dieselbe Linie eingeflossen.
Beim Leben ist es ebenso. Vor dem letzten gemeinsamen Vorfahren könnte schon eine lange Geschichte des Lebens gelegen haben: die ersten Membranen, der erste Stoffwechsel, die ersten Moleküle, die sich vervielfältigen konnten.
Auch zu seiner Zeit kann es viele andere Lebensformen gegeben haben. Weil sie aber keine heute lebenden Nachkommen hinterließen, erscheinen sie auf diesem Baum nicht. In Abschnitt acht kommen wir auf sie zurück.
Der letzte gemeinsame Vorfahr ist also der Name einer Beziehung. Seine Definition lautet: „der Punkt, an dem alle heute lebenden Nachkommen beim Rückwärtsverfolgen zusammenlaufen“. Würden morgen sämtliche Bakterien aussterben und nur die Archaeen mit ihren Nachkommen übrig bleiben, rückte dieser Treffpunkt augenblicklich in der Zeit nach vorn, hinein in den Ast der Archaeen. Der Vorfahr von vor 4,2 Milliarden Jahren hätte sich nicht verändert. Verändert hätte sich, wer noch lebt.
Beziehungen bleiben nicht im Gestein zurück. Selbst wenn eine vier Milliarden Jahre alte Zelle vollkommen erhalten unter dem Mikroskop läge, ließe sich nicht beweisen, dass sie genau dieser Knotenpunkt war. Sie könnte ein Vetter des Vorfahren gewesen sein, ein Vorfahr des Vorfahren, ein gleichzeitiger Seitenzweig oder einer seiner Nachkommen. Dieser Vorfahr lässt sich nur von seinen lebenden Nachkommen aus rückwärts erschließen.
Was diese Reihe Aufbau nennt, läuft letztlich darauf hinaus, eine Grenze zu ziehen: Was innerhalb liegt, zählt; was außerhalb liegt, zählt nicht. Diese Grenze kann von Menschen gezogen sein, etwa durch einen Satz von Kriterien. Sie kann auch von der Natur gezogen sein, etwa durch eine Membran.
In diesem Essay liegt die Grenze bei der Frage: „Gibt es heute noch Nachkommen?“ Alle, für die das zutrifft, laufen in diesem Knoten zusammen. Alle, die keine Nachkommen hinterlassen haben, liegen außerhalb, gleichgültig, wie gut sie damals gediehen.
II Die gemeinsame Maschinerie
Der erste Strich des Porträts geht auf eine erstaunliche Tatsache zurück: Alle Zellen der Erde verwenden dieselbe grundlegende Maschinerie.
1961 gaben Nirenberg und Matthaei an den amerikanischen National Institutes of Health ein Stück künstlicher Ribonukleinsäure in ein Reagenzglas. Es bestand aus lauter Wiederholungen desselben Buchstabens. Dazu gaben sie die aus Zellen gewonnene Maschinerie zur Proteinherstellung. Heraus kam eine lange Proteinkette, die ausschließlich aus aneinandergehängtem Phenylalanin bestand.
Damit war das erste „Wort“ des genetischen Codes entziffert: Drei gleiche Buchstaben standen für eine Aminosäure. Innerhalb weniger Jahre wurden alle vierundsechzig Codons gelesen: vierundsechzig Kombinationen aus je drei Buchstaben, die zwanzig Aminosäuren und Stoppsignale mit der Bedeutung „Bis hierher“ bezeichneten. Für viele Aminosäuren gab es mehrere gleichbedeutende Schreibweisen. 1968 teilte Nirenberg sich den Nobelpreis mit zwei weiteren Erforschern des genetischen Codes.
Die nächste Entdeckung überraschte noch mehr. Bakterien, Hefe, Mais, Mäuse und Menschen benutzen fast dasselbe Codebuch. Für welche Aminosäure eine bestimmte Kombination aus drei Buchstaben bei Escherichia coli steht, für die steht sie auch beim Menschen.
Nur die Mitochondrien und einige wenige Organismen haben kleine Änderungen vorgenommen. In den menschlichen Mitochondrien wird zum Beispiel eine Kombination, die anderswo „Stopp“ bedeutet, als Tryptophan gelesen.
1968 nannte Crick dieses Codebuch einen „eingefrorenen Zufall“. Als es sich ursprünglich festlegte, mag vieles zufällig gewesen sein. Sobald jedoch sämtliche Proteine mit seiner Hilfe geschrieben wurden, hätte die Änderung eines einzigen Wortes Tausende und Abertausende Proteine auf einmal fehlerhaft gemacht. So fror der Code ein.
Gemeinsam ist nicht nur das Codebuch. Die Maschine, die Proteine herstellt, heißt Ribosom. In fast jeder Art von Zelle folgt sie demselben Entwurf: zwei Untereinheiten, eine große und eine kleine, dazwischen die eingeklemmte Boten-RNA. Eine Aminosäure nach der anderen wird angefügt.
Um das Jahr 2000 konnten Forscher endlich die atomare Struktur des Ribosoms erkennen. Dabei stellten sie fest, dass den entscheidenden Schritt, das Verknüpfen der Aminosäuren, die Ribonukleinsäure im Ribosom vollzieht. Die Proteine ringsum sind nur Helfer. Die eigentliche Arbeit im Ribosom leistet die Ribonukleinsäure. Diese Entdeckung überzeugte viele davon, dass das Leben vor der Verwendung von DNA und Proteinen eine Phase durchlaufen hatte, in der es hauptsächlich auf Ribonukleinsäure beruhte. 2009 teilten sich die drei Wissenschaftler, die die Ribosomenstruktur aufgeklärt hatten, den Nobelpreis für Chemie.
Auch die zwanzig Aminosäuren, aus denen Proteine bestehen, sind überall dieselben. Mit Ausnahme des Glycins, bei dem es kein Links und Rechts gibt, wird stets die linkshändige Variante verwendet. Die rechtshändige kommt im Leben kaum zum Einsatz. Warum ausgerechnet links, ist bis heute nicht abschließend geklärt.
In einem Meteoriten, der 1969 beim australischen Ort Murchison niederging, fanden Forscher Dutzende verschiedene Aminosäuren. Bei einigen war die linkshändige Variante etwas häufiger vertreten. Manche vermuten, ein Vorgang im Weltraum könnte der Vorliebe des Lebens schon einen kleinen Schubs gegeben haben, noch bevor diese Stoffe auf die Erde gelangten.
Das Energiemolekül, mit dem Zellen ihre Rechnungen bezahlen, ist überall dasselbe Adenosintriphosphat. Was ein erwachsener Mensch davon an einem Tag herstellt und wieder verbraucht, wiegt zusammengenommen ungefähr so viel wie er selbst. Bakterien verwenden genau dieses Molekül. Die Gene stehen in der DNA, werden zunächst in RNA abgeschrieben und dann in Proteine übersetzt.
Es ist unwahrscheinlich, dass all diese Dinge mehrmals unabhängig voneinander erfunden wurden. Die einfachste Erklärung lautet: Sie stammen sämtlich aus derselben Quelle.
2010 unterzog Theobald von der amerikanischen Brandeis University diese „einfachste Erklärung“ einer formalen statistischen Prüfung. Er wählte gut zwanzig Proteine aus, die alles Leben besitzt, und verglich zwei Modelle: „Alles Leben stammt von einem gemeinsamen Vorfahren ab“ und „Das Leben hat mehrere unabhängige Ursprünge“. Welches erklärte die heute vorliegenden Sequenzen besser?
Das Ergebnis: Das Chancenverhältnis zugunsten des Modells mit gemeinsamem Vorfahren betrug zehn hoch zweitausendachthundertsechzig zu eins. Die Gesamtzahl der Atome im Universum liegt gerade einmal in der Größenordnung von zehn hoch achtzig.
Eine gemeinsame Maschinerie macht den Vergleich möglich. In jedem Organismus gibt es Moleküle, die dieselben Aufgaben erfüllen. Das für eine bestimmte Aufgabe zuständige Molekül ist bei verschiedenen Lebewesen aus unterschiedlichen Sequenzen zusammengesetzt, und diese Sequenzen lassen sich Buchstabe für Buchstabe vergleichen.
Je weniger sich zwei Organismen bei demselben Molekül unterscheiden, desto später haben sich ihre Linien gewöhnlich getrennt. Vergleicht man viele Lebewesen paarweise miteinander, lässt sich eine Verwandtschaftskarte zeichnen: Wer hat sich von wem früher getrennt, wer später? Das ist der Baum des Lebens auf molekularer Ebene.
Auch nach dem Aussehen kann man Bäume zeichnen, doch damit kommt man nicht weit. Hund und Wolf ähneln einander, also sind sie eng verwandt. Hund und Fisch sehen verschieden aus, also sind sie entfernt verwandt. Sobald man sehr unterschiedliche Gruppen vergleicht, versagt das Aussehen: Zwei Organismen können ähnlich aussehen, weil sie ähnlich leben, ohne einen besonders nahen gemeinsamen Vorfahren zu haben.
Diesem Problem werden wir im neunten Essay über Ediacara wieder begegnen. Ähnlichkeit kann auf einen gemeinsamen Vorfahren zurückgehen. Sie kann aber auch entstehen, wenn zwei Linien unabhängig voneinander eine ähnliche Gestalt annehmen. Nur die erste Art taugt dazu, einen Stammbaum aufzubauen. Moleküle können diese beiden Fälle viel deutlicher auseinanderhalten.
Verfolgt man den Baum zurück, laufen sämtliche Äste an einer Stelle zusammen. Dieser Treffpunkt ist der letzte gemeinsame Vorfahr.
III Die Gestalt des Baumes
Wer den Vorfahren rekonstruieren will, muss zunächst wissen, wie der Baum aussieht. Um dessen Gestalt allein wurde vierzig Jahre lang gestritten.
Schon vor Woese war der Lebensbaum mehrmals gezeichnet worden. 1866 zeichnete der Deutsche Haeckel einen Baum mit drei großen Ästen: Pflanzen, Tiere und einen weiteren Ast für allerlei einzellige Organismen.
1969 teilte der Amerikaner Whittaker die Lebewesen in fünf Reiche ein: Tiere, Pflanzen, Pilze, Protisten und Bakterien. Diese Bäume richteten sich nach der sichtbaren Gestalt und der Art der Ernährung. Bei der Frage, welche Einzeller einander näher oder ferner standen, kam man damit kaum weiter.
1977 taten Woese und Fox von der amerikanischen University of Illinois etwas, das damals ziemlich sonderbar wirkte. Sie betrachteten weder die Gestalt noch den Stoffwechsel, sondern wählten ein einziges Molekül aus, um sämtliche Einzeller miteinander zu vergleichen: ein Stück Ribonukleinsäure aus dem Ribosom.
Dafür gab es drei Gründe. Alle Zellen besitzen es, also lassen sich damit alle Lebewesen vergleichen. Es verändert sich sehr langsam und bewahrt dadurch uralte Signale. Ganz unverändert bleibt es allerdings auch nicht; es enthält noch immer Unterschiede, die sich vergleichen lassen.
Das Stück Ribonukleinsäure, das Woese auswählte, wurde später zum Standardwerkzeug für die Erforschung von Mikroorganismen. Entdeckt man heute im Boden, im Meerwasser oder im menschlichen Darm ein bisher unbekanntes Bakterium, wird fast immer zuerst dieser Abschnitt sequenziert. So findet es seinen Platz auf dem Baum, den Woese gezeichnet hat.
Automatische Sequenziergeräte gab es damals nicht. Woese markierte die Ribonukleinsäure mit radioaktiven Isotopen, zerschnitt sie mit Enzymen, ließ die Bruchstücke auf Filterpapier auseinanderlaufen und legte lichtempfindlichen Film darauf. Dann identifizierte er, Aufnahme für Aufnahme, die Flecken. Tausende und Abertausende Filme, mehr als zehn Jahre lang auf dem Leuchtkasten seines Labors betrachtet.
Sie gelangten zu einem Ergebnis, das damals gehörig störte. Bis dahin hatte man Lebewesen in zwei große Gruppen eingeteilt: solche mit Zellkern und solche ohne. Bakterien gehörten zu Letzteren. „Ohne Zellkern“ war ein Sammelkorb.
Woese entdeckte, dass in diesem Korb zwei außerordentlich tief getrennte Abstammungslinien lagen. Die eine umfasste gewöhnliche Bakterien. Zur anderen gehörten Mikroorganismen, die in Sümpfen, heißen Quellen und Kuhmägen lebten und Methan abgaben. Die mehreren hundert Liter Methan, die eine Kuh an einem Tag aufstößt, werden hauptsächlich von solchen Mikroorganismen in ihrem Magen produziert. Die beiden Linien unterschieden sich voneinander ebenso stark wie jeweils von den Organismen mit Zellkern.
Er nannte die zweite Gruppe Archaebakterien; später wurde daraus Archaeen. Im November 1977 berichtete die „New York Times“ auf ihrer Titelseite über die Arbeit. Die Überschrift verkündete, Wissenschaftler hätten eine Lebensform entdeckt, die älter sei als komplexe Organismen wie Tiere und Pflanzen.
Viele Kollegen glaubten ihm nicht, und Woese wurde deswegen jahrelang geschnitten. 1990 etablierten er, der Deutsche Kandler und weitere Mitautoren Bakterien, Archaeen und die kernhaltigen Eukaryoten offiziell als die drei Gruppen auf höchster Ebene: die drei Domänen, eine Stufe über den bisherigen Reichen. 2003 erhielt Woese den Crafoord-Preis, der eigens für Fachgebiete geschaffen worden war, die der Nobelpreis nicht abdeckt. 2012 starb er.
Im Drei-Domänen-Bild stehen die Bakterien auf der einen Seite; Archaeen und Eukaryoten sind zwei gleichrangige Schwestergruppen. 1984 schlug Lake von der amerikanischen University of California in Los Angeles eine andere Zeichnung vor: Die Eukaryoten seien keine Schwester der Archaeen, sondern ein Ast, der innerhalb der Archaeen gewachsen sei.
Er verglich die äußere Gestalt der Ribosomen. Unter dem Elektronenmikroskop trugen die Ribosomen der Eukaryoten dieselben kleinen Fortsätze wie die einer bestimmten Gruppe hitzebeständiger Archaeen. Er nannte diese Archaeen „Eozyten“, Zellen der Morgenröte.
Der Gedanke setzte sich damals nicht durch. Es gab zu wenige vergleichbare Merkmale, und die untersuchte Auswahl an Archaeen war zu schmal. Außerdem waren die tiefen Äste anfällig für ein Trugbild im Stammbaum: Zwei besonders schnell evolvierende Linien werden in der Darstellung zusammengezogen, selbst wenn sie überhaupt nicht miteinander verwandt sind. Das nennt man Langastanziehung.
Die Wende kam vom Grund des Nordpolarmeers. Auf dem mittelozeanischen Rücken zwischen Grönland und Norwegen liegt ein Feld hydrothermaler Quellen, das 2008 entdeckt wurde. Seine schwarzen Schlote gleichen einer Burg. Nach dem wandlungsreichen Gott Loki aus der nordischen Mythologie nannten die Entdecker es „Lokis Schloss“. 2015 setzte ein Team der schwedischen Universität Uppsala aus Meeresbodenschlamm in der Nähe das Genom einer bis dahin völlig unbekannten Gruppe von Archaeen zusammen: der Lokiarchaeen.
Der Weg zu ihnen war ungewöhnlich. Niemand hatte einen solchen Organismus gesehen. Die Forscher holten das gesamte Erbmaterial aus einem Klumpen Schlamm, sequenzierten alles und setzten anschließend mit dem Computer die Bruchstücke wieder zusammen, die zu demselben Lebewesen gehörten.
Das zusammengesetzte Genom enthielt nahe Verwandte einer Reihe von Proteinen, die man bis dahin nur Eukaryoten zugetraut hatte: Gerüstproteine, die der Zelle ihre Form geben, und Proteine, die Fracht in Membranbläschen verpacken und befördern. Zwei Jahre später war aus dieser Gruppe eine große Familie geworden. Wieder stand die nordische Mythologie Pate: Man nannte sie Asgard-Archaeen, nach dem Wohnsitz der Götter.
Die einzelnen Zweige der Familie erhielten die Namen nordischer Götter: Loki, Thor, Odin, Heimdall. Im Verwandtschaftsbaum lagen die Eukaryoten innerhalb dieser Familie. Eine groß angelegte Analyse von 2023 verortete ihre nächsten Verwandten in einer kleinen Gruppe innerhalb des Heimdall-Zweiges.
Dann gelang es, einen Vertreter zu züchten. 2020 berichteten Hiroyuki Imachi und Kollegen von der japanischen Meeresforschungsbehörde JAMSTEC, dass sie aus Schlamm vom Grund des Nankai-Grabens vor Japan, aus über 2.500 Metern Tiefe, nach ungefähr zwölf Jahren endlich einen Stamm von Asgard-Archaeen kultiviert hatten.
Zwölf Jahre lang hatten sie im Labor die Bedingungen von Tiefseesedimenten nachgebildet und diesen äußerst langsam wachsenden Organismus allmählich angereichert. Eine einzige Zellteilung dauert etwa zwanzig Tage. Sie benannten ihn nach Prometheus, dem Feuerdieb der griechischen Mythologie.
Die kultivierten Zellen waren winzig, etwa einen halben Mikrometer groß und kugelförmig. Sie streckten lange, dünne, verzweigte Tentakel aus. Im Inneren gab es keinen Zellkern, keine inneren Membranen und keinerlei eukaryotische Organellen.
Der Organismus zerlegt Aminosäuren und gibt dabei Wasserstoff und Ameisensäure ab. Diese Produkte müssen fortwährend von benachbarten Partner-Mikroorganismen aufgezehrt werden, damit sich seine Reaktionen energetisch lohnen. Ohne Partner kann er nicht leben.
Ein kleines Archaeon mit langen Tentakeln, das auf Partner angewiesen ist: Damit bekam der Satz „Die eukaryotische Zelle entstand aus einer dauerhaften Symbiose von Archaeen und Bakterien“ ein lebendiges Gesicht. Von dieser Symbiose handelt der fünfte Essay.
Heute überwiegt die Auffassung, dass die Eukaryoten innerhalb der Archaeen entstanden sind. Auf der höchsten Ebene hat der Lebensbaum demnach zwei große Äste: Bakterien und Archaeen. Welcher Asgard-Zweig den Eukaryoten am nächsten steht, ist weiterhin umstritten.
Wo die Wurzel des Baumes liegt, ist eine andere schwierige Frage. Bei einem gewöhnlichen Verwandtschaftsbaum lässt sich eine Gruppe als Bezugspunkt nehmen, von der man weiß, dass sie außerhalb der untersuchten Gruppe steht. Man blickt gewissermaßen von dort hinein. Das ist eine Außengruppe.
Der Baum allen zellulären Lebens hat keine Außengruppe. Es gibt keine vierte Art von Leben, die als Bezugspunkt dienen könnte. 1989 kamen das Team um Takashi Miyata von der japanischen Universität Kyūshū und Gogarten und Kollegen in den USA unabhängig voneinander auf denselben Kunstgriff: Manche Gene hatten sich schon vor dem letzten gemeinsamen Vorfahren einmal verdoppelt. Die beiden Kopien entwickelten sich danach getrennt weiter und können einander als Außengruppe dienen. Mit zwei Arten uralter duplizierter Gene verorteten beide Teams die Wurzel an derselben Stelle: zwischen dem Bakterienast und dem Ast aus Archaeen und Eukaryoten.
Die Gestalt des Baumes bestimmt unmittelbar das Ergebnis der Rekonstruktion. Besitzen Bakterien, Archaeen und Eukaryoten ein bestimmtes Gen, wirkt das im Drei-Domänen-Bild wie drei voneinander unabhängige Fälle der Bewahrung. So lässt sich das Gen leicht bis zum Vorfahren zurückverfolgen.
Im Bild mit zwei großen Ästen sind die Eukaryoten dagegen ein Zweig, der erst später innerhalb der Archaeen gewachsen ist. „Die Eukaryoten haben es auch“ stellt dann keinen unabhängigen dritten Beleg mehr dar. Für die Rekonstruktion des Vorfahren bleibt als entscheidender Vergleich in der Tiefe nur noch der zwischen Bakterien und Archaeen.
IV Was dieser Vorfahr besaß
2016 stellte das Team um Martin von der deutschen Universität Düsseldorf die erste gründliche Genliste für diesen Vorfahren zusammen.
Aus den Genomen von knapp zweitausend Bakterien und Archaeen entnahmen die Forscher rund 6,1 Millionen proteincodierende Gene. Zunächst sortierten sie Gene mit ähnlicher Funktion und ähnlicher Sequenz zu Gruppen. Die Gene einer solchen Gruppe galten als Nachkommen desselben Ahnengens. Insgesamt kamen etwa 286.500 Gruppen zusammen.
Dann wurde ausgesiebt. Damit eine Gruppe als „schon beim Vorfahren vorhanden“ gelten konnte, musste sie in mehreren großen Gruppen sowohl der Bakterien als auch der Archaeen vorkommen. Außerdem musste ihr eigener Verwandtschaftsbaum sauber aussehen: Die bakteriellen Sequenzen sollten einen Ast bilden, die archaeellen einen anderen, beide klar voneinander getrennt.
Diese Regel sollte Gene abfangen, die seitwärts übertragen worden waren; davon handelt Abschnitt sechs. Nach dem Sieben blieben 355 Gruppen übrig. Von tausend Gruppen war nur eine sauber genug, um durchzukommen.
Der aus diesen 355 Gruppen erschlossene Vorfahr sah so aus: Er kam ohne Sauerstoff aus, gewann Elektronen aus Wasserstoff und konnte Kohlendioxid in organische Stoffe verwandeln. Die aktiven Zentren vieler seiner Enzyme bestanden aus Eisen und Schwefel. Er mochte hohe Temperaturen und konnte auch den Stickstoff aus der Luft fixieren.
Martins Team schloss daraus, dass er an einem Ort auf dem Meeresgrund gelebt hatte, der reich an Wasserstoff, Kohlendioxid und Eisen war, ähnlich den heutigen alkalischen Hydrothermalquellen am Meeresboden. Ein lebendiges Anschauungsbeispiel ist die „Verlorene Stadt“ mitten im Atlantik, von der im dritten Essay die Rede sein wird: weiße Schlote, die bis zu sechzig Meter hoch aufragen. Man stieß im Jahr 2000 bei einer Tiefseeexpedition zufällig auf sie, auf einem unterseeischen Berg in der Nähe des Mittelatlantischen Rückens. Aus ihnen tritt warmes, alkalisches Wasser aus, ganz anders als die brühend heißen, sauren Thermalflüssigkeiten schwarzer Raucher.
Martin und der britische Geochemiker Russell legten 2003 gemeinsam eine systematische Begründung dafür vor, dass das Leben an solchen alkalischen Hydrothermalquellen entstanden sei: Wenn Gestein mit Meerwasser reagiert, wird Wasserstoff frei. Der Unterschied im Säuregrad zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Schlote wirkt wie eine natürliche Batterie. Den Weg, auf dem der Vorfahr Kohlendioxid zu organischen Stoffen zusammensetzte, nutzen heute noch Bakterien, die Acetogene heißen. Möglicherweise ist es der älteste Weg der Kohlenstofffixierung auf der Erde.
Acht Jahre später nahm das Team aus Bristol dieselbe Aufgabe mit einer völlig anderen Methode in Angriff. Aus den Genomen von 350 Archaeen und 350 Bakterien baute es zunächst einen großen Baum. Dann legte es die kleinen Einzelbäume mehrerer tausend Genfamilien einen nach dem anderen darüber und verglich sie mit dem großen.
Verdächtige Gene wurden nicht aussortiert. Stattdessen ließ das Modell ausdrücklich zu, dass Gene horizontal übertragen, dupliziert und verloren wurden. Daraus berechnete es die Wahrscheinlichkeit, dass der Vorfahr ein bestimmtes Gen besessen hatte. Unter den strengsten Kriterien ergaben sich 399 funktionelle Einheiten, dieselbe Größenordnung wie die 355 von Martins Team.
Dann gingen die Forscher einen Schritt weiter. Sie addierten sämtliche Wahrscheinlichkeiten für das Vorhandensein der Gene, die hohen, die mittleren und die niedrigen. Zusätzlich zogen sie den Anteil heran, den zuverlässig bestimmbare Kerngene an modernen Genomen haben. So schätzten sie die Größe des vollständigen Ahnengenoms: etwa 2,75 Millionen Basenpaare, rund 2.657 proteincodierende Gene. Daher stammt das Porträt aus dem ersten Abschnitt.
355 und 2.657 liegen beinahe um den Faktor zehn auseinander. Beide Zahlen stimmen; sie beantworten verschiedene Fragen. Man kann es sich vorstellen wie die Inventur eines alten Lagerraums.
Bei der einen Methode trägt man nur jene Kisten ein, deren Etikett unbeschädigt und deren Herkunft nachprüfbar ist. Am Ende stehen 355 auf der Liste. Bei der anderen sieht man sich sämtliche Kisten an, schätzt für jede die Wahrscheinlichkeit, dass sie „ursprünglich hierhergehörte“, und addiert diese Wahrscheinlichkeiten. So erhält man 2.657.
Die erste Methode lässt vieles aus, die zweite hängt stärker von Schätzungen ab. Beim Inventar ist fast jeder Eintrag verlässlich, doch viele Kisten, die tatsächlich im Lagerraum standen, fehlen. Die Schätzung lässt keine aus, aber jede einzelne Zahl beruht auf einer Schätzung.
Frühere Studien kamen nach anderen Regeln auch auf achtzig, 572 oder ungefähr 1.500 Gene. Sie gleichen einer Reihe unterschiedlich geeichter Lineale: Jedes misst nach seinen eigenen Regeln richtig.
Mit mehr als 2.600 Genen lässt sich viel anfangen. Das Team aus Bristol fand in den Genen des Vorfahren die gesamte Maschinerie zur Proteinherstellung, das zentrale Stoffwechselnetz, die Energiemaschine und Teile eines Immunsystems, mit dem Bakterien sich heute Viren merken und sie zerschneiden.
Die Entdeckung dieses Immunsystems ist selbst eine Geschichte. In den 1990er Jahren untersuchte Mojica von der spanischen Universität Alicante Archaeen aus Salinen am Meer. In ihren Genomen fielen ihm seltsame wiederholte Sequenzen auf. Dazwischen lagen Abschnitte unbekannter Herkunft.
Er brauchte über zehn Jahre, um herauszufinden, dass diese Abschnitte von Viren stammten, die früher einmal eingedrungen waren. Die Zelle schreibt ein kleines Stück des Virus in ihr eigenes Genom und bewahrt es als Akteneintrag auf. Dringt dasselbe Virus erneut ein, wird es nach Maßgabe dieser Akte zerschnitten. 2012 bauten die Amerikanerin Doudna und die Französin Charpentier diese Schere zu einem Werkzeug für die Genbearbeitung um. 2020 erhielten sie dafür den Nobelpreis für Chemie. Wenn die Schlussfolgerung aus Bristol stimmt, war der Vorläufer dieser Schere schon vor mehr als vier Milliarden Jahren im Einsatz.
Eine Zelle, die nachtragend sein kann, verrät, dass bereits Viren um sie herumschwirrten. Die Essigsäure und der Wasserstoff, die sie ausschied, konnten im Modell genau jene anderen Mikroorganismen ernähren, mit denen sie ein kleines Ökosystem bildete. Am Meeresgrund könnte es schon vor 4,2 Milliarden Jahren ein Nahrungsnetz gegeben haben.
Ob der Vorfahr hohe Temperaturen mochte, lässt sich auch auf einem anderen Weg prüfen: Man „erweckt“ alte Proteine „zum Leben“. Forscher erschließen aus den heutigen Sequenzen zunächst, wie die Sequenz des entsprechenden Proteins bei einem Vorfahren vor Milliarden Jahren aussah. Dann stellen sie es im Labor her und messen, bis zu welcher Temperatur es noch arbeitet.
2008 rekonstruierten amerikanische Forscher auf diese Weise einen alten Faktor, der beim Vorfahren der Bakterien an der Proteinherstellung beteiligt war. Er blieb auch bei sechzig und ein paar Grad Celsius stabil. Ein anderes uraltes Enzym, das japanische Forscher später rekonstruierten, hielt noch größere Hitze aus. Ein Protein von vor Milliarden Jahren faltet sich in einem heutigen Reagenzglas wieder und nimmt seine Arbeit wieder auf.
Bei einigen Eigenschaften stimmen die beiden Studien nicht ganz überein. Martins Vorfahr mochte eindeutig hohe Temperaturen. Das Team aus Bristol hält die Belege für weniger einseitig. Auch die Fähigkeit, Stickstoff zu fixieren, könnte nach Ansicht mancher Forscher erst später von anderswo übertragen worden sein. Die Umrisse des Porträts stehen fest, die Einzelheiten zittern noch.
V Was diesem Vorfahren fehlt
Nachdem wir aufgezählt haben, was er besaß, zählen wir nun umgekehrt auf, was ihm fehlt. Gerade diese wenigen fehlenden Dinge geben die größten Rätsel auf.
Zunächst die Maschine, die DNA kopiert. 1999 verglichen Koonin und Kollegen an den amerikanischen National Institutes of Health systematisch die Bauteile, mit denen Bakterien und Archaeen ihre DNA vervielfältigen. Dabei stießen sie auf einen Gegensatz, der bis heute besteht.
Bei manchen Vorgängen rund um die DNA, etwa der Herstellung von Bausteinen und der Reparatur von Schäden, sind die beteiligten Systeme auf beiden Seiten homolog: Sie stammen vom selben Vorfahren ab. Doch bei den Kernstücken, die das Chromosom tatsächlich kopieren, hat jede Seite an mehreren Stellen ihre eigene Lösung. Für das Enzym, das die neue Kette Buchstabe für Buchstabe zusammensetzt, verwenden Bakterien eine Klasse, Archaeen eine oder zwei andere. Struktur und Sequenz zeigen, dass es sich nicht um zwei Nachkommen desselben ursprünglichen Enzyms handelt. Es ist wie bei Fledermausflügeln und Insektenflügeln. Auch die Enzyme, die den Anfang setzen und den Doppelstrang auseinanderziehen, gehören auf beiden Seiten verschiedenen Familien an.
Beide großen Gruppen speichern Information in doppelsträngiger DNA. Beide müssen den Doppelstrang öffnen, einen Anfang setzen und die neue Kette entlang einer Vorlage verlängern. Sie erledigen dieselbe Arbeit. Doch an mehreren entscheidenden Stellen besteht die arbeitende Maschinerie aus zwei unterschiedlichen Sätzen von Bauteilen.
Diese Beobachtung ist seit über zwanzig Jahren nicht widerlegt worden. Für ihre Erklärung gibt es jedoch vier Möglichkeiten, und bis heute ist keine davon ausgeschlossen.
Die erste Erklärung hängt mit einer größeren Vorstellung zusammen. 1986 gab Gilbert von der amerikanischen Harvard University ihr einen Namen: die „RNA-Welt“. Bevor DNA und Proteine sich die Arbeit teilten, speicherte die Ribonukleinsäure Information und wirkte zugleich als Katalysator. Ein Molekül, zwei Berufe.
Wie in Abschnitt zwei beschrieben, ist es im Ribosom tatsächlich die Ribonukleinsäure, die Aminosäuren verknüpft: ein Fossil jener Welt. Nach dieser Erklärung speicherte der Vorfahr seine Information noch überwiegend in RNA. Die moderne DNA-Replikation nahm in den beiden Linien erst nach ihrer Trennung unabhängig voneinander Gestalt an. Die Schwierigkeit liegt darin, dass beide Seiten so viel gemeinsame Maschinerie rund um die DNA besitzen. Warum ist diese Maschinerie dann so alt?
Eine andere Erklärung nimmt an, dass der Vorfahr bereits DNA verwendete, die beiden großen Gruppen aber später jeweils den Kern ihrer Kopiermaschinen austauschten. Die Schwierigkeit dabei: Wie bewerkstelligt man einen so weitreichenden Austausch, ohne das Kopieren der Chromosomen anzuhalten? Es wäre, als wechselte man während der Fahrt den Motor.
Eine weitere Erklärung besagt, der Vorfahr habe gleichzeitig zwei oder sogar mehrere Replikationssysteme besessen. Bakterien und Archaeen hätten später jeweils unterschiedliche Teile verloren. Damit muss man nicht mehr annehmen, das Kopieren sei zweimal erfunden worden. Der Preis dafür ist ein Vorfahr, der komplexer war als gedacht.
Die letzte Erklärung bittet die Viren herein: Frühe Viren besaßen jeweils eigene Replikationsmaschinen und brachten unterschiedliche Maschinen in unterschiedliche Zelllinien. Noch heute sind Viren eine große Schatzkammer solcher Maschinen. Für die Polymerasen vieler Viren findet sich in Zellen kein naher Verwandter. Die Schwierigkeit hier: Von so alten Viruslinien gibt es weder Fossilien noch eine fortlaufende Überlieferung, an der sich die Annahme prüfen ließe.
Nun die Membran. Halte deine beiden Hände vor dich. Sie haben dieselbe Gestalt, doch du kannst die linke drehen, wie du willst: Sie lässt sich nicht mit der rechten zur Deckung bringen. Der Daumen bleibt immer auf der anderen Seite. Bei Molekülen kann es ebenso sein: dieselben Atome, dieselben Verbindungen, aber zwei spiegelbildliche Versionen, die sich nicht zur Deckung bringen lassen.
Genau so verhalten sich die Membranlipide von Bakterien und Archaeen zueinander. Das Grundgerüst der bakteriellen Lipide hat die eine Konfiguration, das der Archaeen deren Spiegelbild. Auch die chemischen Bindungen unterscheiden sich und ebenso die langen öligen Ketten, die daran hängen.
Drei Unterschiede auf einmal. Biologen sprechen von der Lipidkluft. Die Membranen der Archaeen sind besonders robust. Bei manchen sind die Lipide an den Enden miteinander verbunden und durchspannen die ganze Membran, wie lauter Heftklammern. Solche Archaeen leben in den beinahe kochenden, sauren Quellen des amerikanischen Yellowstone-Nationalparks. Bei Temperaturen und Säuregraden, unter denen andere Zellen längst auseinanderfallen, gehen sie ihrem Alltag nach.
Auch für die Membran des Vorfahren gibt es mehrere Vorstellungen. Vielleicht war eine moderne Membran bereits vorhanden, und die beiden großen Gruppen tauschten später ihre Synthesesysteme aus. Vielleicht hatte der Vorfahr eine gemischte Membran mit beiden Lipidtypen, und erst danach legte sich jede der beiden Linien auf einen davon fest.
Vielleicht besaß der Vorfahr nur eine einfachere Membran, bei der die Händigkeit noch nicht festgelegt war. Die radikalste Vorstellung besagt, er habe gar keine eigene Membran gehabt, sondern in winzigen Gesteinsporen hydrothermaler Quellen am Meeresgrund gelebt. Die mineralischen Wände dieser Poren wären seine Zellwand gewesen.
Gemischte Membranen galten einmal als unmöglich. Die Begründung: Lipide entgegengesetzter Händigkeit seien zusammen nicht stabil. 2011 zeigte ein Versuch mit künstlich gemischten Membranen, dass sie durchaus stabil bestehen können.
2018 veränderten Forscher der niederländischen Universität Groningen Escherichia coli so, dass das Bakterium neben seinen eigenen Membranlipiden zusätzlich große Mengen archaeeller Lipide herstellte. Die veränderten Zellen wuchsen und teilten sich trotzdem. Eine Zelle kann in einer Membran wohnen, die beide Spiegelbilder zugleich enthält.
Auch das, was der Vorfahr sicher besaß, muss klar benannt werden. Beim Ribosom, das Proteine herstellt, sind die Kernbauteile quer durch alles Leben hochgradig homolog. Sie sind viel einheitlicher als die Replikationsmaschinen.
Der genetische Code ist fast überall derselbe. Die kleinen Moleküle, die Aminosäuren transportieren, haben eine sehr stark bewahrte Grundstruktur. Bei der rotierenden Maschine, die die Energiewährung herstellt, sind die bakterielle und die archaeelle Form zwar tief voneinander getrennt. Doch das Arbeitsprinzip und die uralte Verdopplung einiger Bauteile lassen sich bis in die Zeit vor der Trennung der beiden großen Gruppen zurückverfolgen.
Im dritten Essay wird es um diese Maschine gehen: Der Unterschied in der Ionenkonzentration auf den beiden Seiten der Membran treibt ihre Drehung an. Mit jeder Umdrehung stellt sie einige Energiemoleküle her. Das Prinzip, aus einem Ionengefälle über einer Membran Energie zu gewinnen, ist uralt. Welche Ionen ursprünglich dafür verwendet wurden, lässt sich noch nicht sicher sagen.
Der Vorfahr ergibt also eine merkwürdige Mischung. Er besitzt einen vollständigen, bereits hochgradig zellulär organisierten Übersetzungs- und Energieapparat. Trotzdem lässt sich kein modernes Replikationssystem rekonstruieren, das auf beiden Seiten homolog wäre, und auch sein Membrantyp lässt sich nicht festlegen. Manche schließen daraus, dass er noch nicht vollständig zellulär organisiert war, sondern eher einer lockeren Gemeinschaft glich.
Die mehr als 2.600 Gene aus Bristol weisen dagegen in die entgegengesetzte Richtung: eher auf einen Vorfahren vom Organisationsgrad einer prokaryotischen Zelle. Die wenigen fehlenden Dinge sind die interessantesten Leerstellen dieses Porträts.
VI Gene gehen seitwärts
Jede Rekonstruktion lastet auf einer Annahme: Gene werden überwiegend von Eltern an Nachkommen weitergegeben. Bei Bakterien ist diese Annahme nicht besonders tragfähig.
1928 machte Griffith, ein Arzt im Dienst des britischen Gesundheitsministeriums, bei der Untersuchung von Pneumokokken einen seltsamen Versuch. Ein Stamm trug eine Kapsel auf seiner Oberfläche und konnte Mäuse tödlich infizieren. Ein anderer hatte keine Kapsel und war harmlos.
Griffith tötete die gefährlichen Bakterien durch Erhitzen ab und injizierte sie zusammen mit lebenden harmlosen Bakterien in Mäuse. Die Mäuse starben. Aus ihren Körpern ließen sich lebende, kapseltragende, gefährliche Bakterien isolieren. Irgendetwas in den toten Bakterien hatte die lebenden verwandelt.
1944 bewiesen Avery und Kollegen am amerikanischen Rockefeller Institute, dass dieses Etwas DNA war. Zwei Jahre später entdeckten die Amerikaner Lederberg und Tatum, dass Escherichia-coli-Zellen sich unmittelbar miteinander „paaren“ konnten: Eine Zelle reichte der anderen ein Stück DNA. Lederberg erhielt dafür mit dreiunddreißig Jahren den Nobelpreis.
Gene können auf mehreren Wegen seitwärts wandern. Ein Bakterium kann ein Stück DNA direkt aus dem umgebenden Wasser auflesen und in sein eigenes Genom einbauen. Es kann auch durch ein vorübergehend errichtetes dünnes Röhrchen ein Stück von einem anderen Bakterium übernehmen.
Oder ein Virus übernimmt den Umzug: Wenn es ein Bakterium verlässt, nimmt es nebenbei ein Stück Wirts-DNA mit und spritzt dieses beim nächsten Bakterium wieder ein. Bei keinem dieser drei Wege kommt es darauf an, ob die beiden Organismen verwandt sind. Das heißt horizontaler Gentransfer.
Das ist dem Alltag näher, als es klingt. 1959 entdeckten japanische Forscher, dass sich die Resistenz von Ruhrbakterien gegen mehrere Antibiotika als ganzes Paket von einem Bakterium auf ein anderes übertragen ließ, sogar von harmlosen Escherichia coli auf Ruhrbakterien. Die Resistenzgene saßen auf einem kleinen DNA-Ring, der sich eigenständig vervielfältigen konnte: einem Plasmid. Dass sich Antibiotikaresistenzen in Krankenhäusern so rasch ausbreiten, hat einen wichtigen Grund genau hier. Ganze Abschnitte mit Resistenzgenen können zwischen Bakterien weitergereicht werden. Verwandt müssen sie dafür nicht sein, nicht einmal derselben Art angehören.
Wie verbreitet ist das? 2008 untersuchten deutsche Forscher die Genome von 181 Bakterien und Archaeen. Sie schätzten, dass im Durchschnitt mindestens achtzig Prozent der Gene eines Genoms irgendwann in ihrer Geschichte an einem horizontalen Transfer beteiligt gewesen waren. Gemeint ist „mindestens einmal“ über Milliarden Jahre hinweg. Das ist wie die Aussage „Achtzig Prozent aller Menschen sind in ihrem Leben mindestens einmal umgezogen“. Es bedeutet nicht, dass achtzig Prozent gerade erst in ihre jetzige Wohnung eingezogen sind.
1998 formulierte Woese einen noch weiter gehenden Gedanken. In der allerfrühesten Phase des Lebens, so meinte er, seien die verschiedenen Zellbauteile noch nicht fest ineinander verzahnt gewesen. Sie seien nur locker voneinander abhängig gewesen. Fremde Bauteile hätten sich leicht einfügen lassen; horizontaler Austausch sei der Normalfall gewesen.
Je mehr sich der Bauplan der Zelle zu einem Ganzen fügte, desto enger wurden die Abhängigkeiten zwischen ihren Teilen. Eine fremde Variante musste zu immer mehr Partnern gleichzeitig passen. Der horizontale Austausch wurde schwieriger, und erst allmählich traten stabile vertikale Abstammungslinien hervor. 2002 gab Woese dieser Wende ausdrücklich den Namen „Darwinsche Schwelle“.
Nach diesem Gedanken war der Baum nicht von Anfang an da. Die Baumgestalt selbst könnte eine Eigenschaft sein, die erst später in der Evolution aufkam und sich immer deutlicher herausbildete. Das ist ein theoretisches Modell. Niemand hat gemessen, in welchem Jahr dieser Übergang stattfand.
1999 schrieb Doolittle von der kanadischen Dalhousie University in „Science“: Wenn die Genome von Bakterien, Archaeen und frühen Eukaryoten zahlreiche Gene aus unterschiedlichen Quellen in sich mischen, dann fehlt womöglich die natürliche Grundlage dafür, ganze Genome gewaltsam in eine streng hierarchische Ordnung zu pressen.
Zugleich betonte er, dass eine Klassifikation anhand molekularer Sequenzen unverzichtbar bleibe. Sein Zweifel galt etwas anderem: der Vorstellung eines einzigen Lebensbaums, der für jedes einzelne Gen richtig wäre.
Im selben Jahr stellten Lake und Kollegen von der amerikanischen University of California in Los Angeles eine schöne Hypothese auf. Gene, die an großen, eng zusammenarbeitenden Systemen beteiligt sind, lassen sich seltener erfolgreich horizontal übertragen als Gene, die unabhängiger arbeiten.
Ein Ribosom besitzt Dutzende Bauteile, die genau ineinanderpassen. Ein fremdes Teil muss mit all diesen Dutzenden zugleich zusammenpassen, damit es angenommen wird. Ein Enzym, das nur einen bestimmten Stoffwechselschritt besorgt, muss gewöhnlich bloß seinen eigenen Schritt ordentlich erledigen.
Spätere Untersuchungen bestätigten diese Tendenz, fanden jedoch keine unüberwindbare Schranke. Bei einem hitzebeständigen Bakterium ersetzte man ausgerechnet jenen klassischen Abschnitt der ribosomalen Ribonukleinsäure, mit dem Stammbäume erstellt werden, durch die Version aus einem anderen Bakterienphylum. Die Zelle blieb lebensfähig.
Ausgedehnter horizontaler Austausch und ein vertikales Grundgerüst können gleichzeitig bestehen. Mit einigen Dutzend bis über hundert konservierten Kerngenen lässt sich das Hauptgerüst von Bakterien und Archaeen weiterhin stabil rekonstruieren. Je weiter man nach außen kommt, desto dichter wird das Netz.
2018 wurden die Genome von 105 Bakterien derselben Familie verglichen. Dabei zeigte sich, dass die Einzelstammbäume von dreiunddreißig Genen, die mit der Photosynthese zusammenhängen, großflächig nicht mit dem Artenbaum übereinstimmten. Mindestens sieben Umzüge des gesamten Pakets waren nötig, um ihre heutige Verteilung zu erklären.
Wenn eine Bakterienlinie heute Photosynthese betreibt, muss sie diese Fähigkeit also nicht von ihren Vorfahren geerbt haben. Die Abstammung der Arten bildet eine Linie, die Abstammung der Photosynthesegene eine andere. Die beiden Linien fallen nicht zusammen.
VII Wann
Wann lebte der letzte gemeinsame Vorfahr? Um diese Frage zu beantworten, braucht man die molekulare Uhr.
Anfang der 1960er Jahre verglichen Zuckerkandl und Pauling am amerikanischen California Institute of Technology das Hämoglobin verschiedener Tiere. Je länger die Trennung zweier Tierlinien zurücklag, desto größer waren die Unterschiede in ihren Hämoglobinsequenzen. Außerdem wuchsen diese Unterschiede annähernd gleichmäßig an.
Daraus entstand die Idee, die in Molekülen angesammelten Veränderungen als Uhr zu nutzen. Wie bei zwei Textfassungen, die oft abgeschrieben worden sind: Je mehr Schreibfehler sich angesammelt haben, desto früher müssen die beiden von derselben Vorlage abgezweigt sein.
Gleich bei ihrem ersten Auftritt sorgte die molekulare Uhr für Ärger. 1967 verglichen Sarich und Wilson von der amerikanischen University of California in Berkeley mithilfe immunologischer Methoden die Serumproteine von Menschen und Schimpansen. Sie errechneten, dass sich beide Linien erst vor ungefähr fünf Millionen Jahren getrennt hatten.
Die vorherrschende Auffassung in der Paläoanthropologie ging damals von mehr als fünfzehn Millionen Jahren aus. Der Streit dauerte über zehn Jahre. Am Ende behielt die Seite der molekularen Uhr im Wesentlichen recht.
Das Bild vom Abschreiben bringt gleich zwei Schwierigkeiten mit sich. Die erste: Nicht überall wird gleich schnell geschrieben. Manche Linien verändern sich rasch, andere langsam. Beim selben Molekül können die Raten verschiedener Zweige um ein Mehrfaches auseinanderliegen.
Heute lässt man deshalb zu, dass sich die Rate entlang des Baumes ändert, und schätzt sie mit statistischen Verfahren. Die zweite Schwierigkeit: Die Uhr liefert zunächst nur ein relatives Früher und Später. Um daraus Jahre zu machen, müssen wenigstens einige Knoten unabhängig mit einer Zeitmarke festgenagelt werden. Und diese Nägel können nur aus Fossilien und Gesteinen stammen.
Das Team aus Bristol befestigte seine Datierung von 2024 so: Weil der Baum allen zellulären Lebens keine Außengruppe hat, verwendete es fünf Gruppen alter Gene, die sich schon vor dem gemeinsamen Vorfahren verdoppelt hatten.
Dieselbe Aufspaltung hinterlässt in jeder der beiden Kopien einen Knoten. Beide Knoten müssen denselben Zeitpunkt bezeichnen. Bindet man sie aneinander, lässt sich die Schwierigkeit der fehlenden Außengruppe umgehen. Das Team verwendete dreizehn Kalibrierungspunkte. Die älteste obere Altersgrenze stammte von der Entstehung des Mondes vor ungefähr 4,51 Milliarden Jahren. Die am weitesten zurückreichende biologische Kalibrierung ergab sich aus einer geochemischen Einschränkung für die Zeit vor rund 2,95 Milliarden Jahren.
Das Ergebnis lag bei etwa 4,2 Milliarden Jahren, mit einem Glaubwürdigkeitsintervall von ungefähr 4,09 bis 4,33 Milliarden Jahren. Wählt man ein anderes Modell für die Veränderungsrate, verschiebt sich die untere Grenze um etwa neunzig Millionen Jahre. Bezieht man die unterschiedlichen Analysen ein, reicht die Spanne von rund 3,94 bis 4,52 Milliarden Jahren.
Auch frühere Arbeiten wiesen auf ein sehr hohes Alter. Eine Studie von 2018, die 102 Arten und neunundzwanzig konservierte Gene verwendete, setzte diesen Vorfahren in die Zeit vor mehr als 3,9 Milliarden Jahren. Eine weitere Arbeit des Bristol-Teams von 2023, die sich mit der Energiemaschine beschäftigte, verortete ihn ungefähr zwischen 4,52 und 4,32 Milliarden Jahren vor heute.
Die größte Schwierigkeit ist, dass alle Nägel weit vom Ziel entfernt sitzen. Bei vier Milliarden Jahre alten Einzellern können Fossilien meist nur sagen: „Hier gab es Leben.“ Zu welchem Bakterienzweig es gehörte, ist viel schwerer zu bestimmen. Erst recht steht nirgends: „Das ist der letzte gemeinsame Vorfahr.“
Die tatsächlich verwendbaren biologischen Kalibrierungspunkte sind überwiegend mehr als eine Milliarde Jahre jünger als das Ziel. Von dort muss man die Rate bis zur Wurzel des Baumes zurückextrapolieren. Die Datierung nahe der Wurzel hängt zu einem großen Teil davon ab, wie man diese Strecke überbrückt.
Auch die Gesteine haben ihre eigenen Hinweise. In den Jack Hills im Westen Australiens liegen 4,1 Milliarden Jahre alte Zirkonkörner. 2015 fanden Forscher in einem davon ein winziges Graphitkorn. Sein Kohlenstoff war verhältnismäßig leicht, ähnlich dem Kohlenstoff, den Lebewesen hinterlassen.
Das beweist nicht, dass es damals bereits Leben gab. Es widerspricht aber auch nicht dem Bild einer komplexen Zelle vor 4,2 Milliarden Jahren. Im vorigen Essay ging es um eindeutige Lebensspuren von vor etwa 3,5 Milliarden Jahren. Der gemeinsame Vorfahr muss älter sein als sie.
Rechnen wir aus, was das bedeutet. Die Erde entstand vor ungefähr 4,5 Milliarden Jahren. Der Mond entstand vor rund 4,51 Milliarden Jahren bei einem gewaltigen Zusammenstoß: Ein etwa marsgroßer Himmelskörper prallte auf die junge Erde. Die herausgeschleuderten Trümmer sammelten sich zum Mond.
Wie im ersten Essay beschrieben, glaubte man eine Zeit lang, vor etwa 3,9 Milliarden Jahren habe noch ein dichtes Meteoritenbombardement stattgefunden. Inzwischen sieht es so aus, als hätte es dieses vielleicht gar nicht gegeben. Nach der Datierung aus Bristol wäre das Leben, selbst wenn es stattfand, schon vorher entstanden und hätte es überstanden. Lebte der letzte gemeinsame Vorfahr vor ungefähr 4,2 Milliarden Jahren, dann lagen zwischen der Entstehung der Erde und einer Zelle mit 2.600 Genen nur rund dreihundert Millionen Jahre.
Und davor muss es noch eine frühere Geschichte des Lebens gegeben haben, in der Membran, Code und Ribosom Stück für Stück entstanden. Das Leben kam erstaunlich früh auf diesen Planeten.
VIII Die ohne Nachkommen
Die Definition des letzten gemeinsamen Vorfahren verlangt nur, dass alles heute lebende zelluläre Leben beim Rückwärtsverfolgen bei ihm zusammenläuft. Sie verlangt nicht, dass es zu seiner Zeit nur ihn gab.
Vor dem letzten gemeinsamen Vorfahren liegt noch eine längere Geschichte. 1871 entwarf Darwin in einem Brief an seinen Freund Hooker ein Bild der Anfänge des Lebens: In irgendeinem warmen kleinen Tümpel, mit Ammoniak, Phosphaten, Licht, Wärme und Elektrizität, bildet sich eine proteinartige Verbindung, bereit zu noch komplexeren Veränderungen. Die meisten Hauptfiguren dieser Geschichte haben keine Nachkommen hinterlassen.
Damals könnte es Linien gegeben haben, die sich noch vor ihm abgezweigt hatten, zeitgenössische Schwestergruppen, die später ausstarben, und ganze Gemeinschaften von Mikroorganismen, die so häufig Erbmaterial austauschten, dass ihre Grenzen unscharf blieben. Haben sie irgendetwas hinterlassen?
2005 schlug die Philosophin Cleland von der amerikanischen University of Colorado sogar vor, auf der Erde könnte bis heute eine „Schattenbiosphäre“ leben: Mikroorganismen, die keinen Vorfahren mit uns teilen und eine andere Chemie verwenden. Weil unsere Nachweismethoden nach dem bekannten Leben entworfen sind, wären sie bisher unentdeckt geblieben. Für diese Vorstellung gibt es bis heute keinerlei Belege. Sie trifft aber einen entscheidenden Punkt: Wenn wir nach Leben suchen, benutzen wir ein Netz, das nach unserem eigenen Bild geknüpft ist.
Bislang gibt es kein geochemisches Signal, das sich zuverlässig einer „unabhängigen Linie außerhalb der Nachkommenschaft des letzten gemeinsamen Vorfahren“ zuordnen ließe. Kohlenstoffisotope, Schwefelisotope, uralte winzige Strukturen: Selbst wenn sie biologische Aktivität zu jener Zeit belegen können, verraten sie nicht, welcher Abstammungslinie diese angehörte.
Hat eine Linie keine Nachkommen hinterlassen, keine erkennbaren Gene horizontal an später überlebende Linien weitergegeben und auch keine materiellen Spuren mit Merkmalen ihrer Abstammung bewahrt, lässt sie sich aus heute vorhandenen Genomen prinzipiell nicht rekonstruieren. Die Information über sie ist unwiederbringlich verloren.
Hat sie dagegen Gene seitwärts an überlebende Linien weitergereicht, könnten sich theoretisch in heutigen Genomen einzelne, tief abzweigende Gene finden, die keinen Anschluss an den Hauptstamm haben. Doch „stammt aus einer ausgestorbenen frühen Linie“ von „hat sich besonders schnell entwickelt“ oder „stammt aus einer heute lebenden, aber noch nicht beprobten Gruppe“ zu unterscheiden, ist außerordentlich schwierig.
Wie eng Viren und Zellen ineinander verflochten sind, steht bis heute in uns selbst geschrieben. Etwa acht Prozent des menschlichen Genoms bestehen aus Überresten, die uralte Retroviren eingefügt haben. Über zig Millionen Jahre wurden sie von Generation zu Generation weitergegeben. Manche hat man sich sogar dienstbar gemacht: Ein Protein, das in der Plazenta Zellen beim Verschmelzen hilft, stammt aus dem Hüllgen eines alten Virus.
Viren werden häufig herangezogen, um diese Lücke zu füllen. Manche Forscher vertreten seit Langem die Auffassung, bestimmte zentrale Replikationsgene von Viren seien außerordentlich alt. Viren wären dann womöglich mehr als Bruchstücke, die erst später aus Zellen entwichen sind. Vielleicht hätten sie sogar daran mitgewirkt, unterschiedliche Replikationssysteme in frühe Zellen einzuführen: die letzte Erklärung aus Abschnitt fünf.
Tatsächlich gibt es in Viren einige weitverbreitete Proteine, für die sich in Zellen keine einfache Entsprechung findet. Doch der Genaustausch zwischen Viren und Wirten ist allzu häufig, und unter Viren fehlt ein universeller Marker wie das Ribosom. So lässt sich kein Virusbaum aufstellen, der zuverlässig an die Wurzel von Bakterien und Archaeen angeschlossen werden könnte.
Riesenviren ließen zeitweilig glauben, eine vierte Art von Leben sei gefunden worden. 1992 isolierte man aus dem Wasser eines Krankenhauskühlturms im britischen Bradford einen Mikroorganismus, der in Amöben parasitierte. Er war so groß, dass man ihn mit einem gewöhnlichen Mikroskop sehen konnte. Zunächst hielt man ihn für ein Bakterium.
2003 wiesen französische Forscher nach, dass es sich tatsächlich um ein Virus handelte, mit mehr Genen als manche Bakterien. Sie nannten es Mimivirus: „ein Virus, das Bakterien nachahmt“. Zehn Jahre später fanden Forscher aus dem französischen Marseille vor der Küste Chiles und in einem australischen Teich noch größere Pandoraviren. Ihre Genome waren größer als die vieler Bakterien, und für die überwältigende Mehrheit ihrer Gene gab es bei bekannten Organismen keine Entsprechung. 2010 verglichen Forscher einige Proteine von Riesenviren. In manchen Stammbäumen erschienen diese auf einem tiefen Ast außerhalb der drei großen Gruppen des Lebens. Daraus entstand die Idee einer „vierten Domäne“.
Ein Jahr später kam eine erneute Analyse zu dem Schluss, dass diese tiefen Äste durch Langastanziehung und die Wahl des Modells entstanden waren. Eine umfassendere Untersuchung von 2014 befand, Riesenviren könnten aus kleinen DNA-Viren hervorgegangen sein, die Schritt für Schritt Gene von ihren Wirten eingesammelt hatten und dadurch gewachsen waren. Eine ausgestorbene vierte Domäne war dafür nicht nötig. Bis heute gibt es weder eine allgemein anerkannte vierte zelluläre Domäne noch einen weithin anerkannten Kandidaten für eine „Schattenlinie“.
Was der Aufbau nicht aufnehmen kann und was sich doch nicht beseitigen lässt, heißt in dieser Reihe Rest. Der Aufbau dieses Essays ist ein Knoten mit klarer Lage: Alles heute lebende zelluläre Leben läuft beim Rückwärtsverfolgen dort zusammen. Er lässt zwei Reste zurück.
Der erste Rest besteht darin, dass das Baumaterial selbst in Bewegung ist. Damit ein Baum Bestand hat, müssen Gene überwiegend von Eltern an Nachkommen weitergegeben werden. Doch die Gene der Bakterien wandern in großer Zahl seitwärts.
Die Kerngene bewahren noch ein erkennbares vertikales Grundgerüst. Weiter außen ähnelt das Ganze immer stärker einem Netz. Wenn Woese recht hatte, kristallisierte sich die Baumgestalt selbst erst allmählich heraus. Der Abschnitt, in dem dieser Knoten liegt, könnte genau die Zeit gewesen sein, in der der Baum noch nicht ganz Gestalt angenommen hatte.
Der zweite Rest sind jene Lebensformen, die keine Nachkommen hinterlassen haben. Sie liegen außerhalb der Reichweite der Belege. Vom letzten gemeinsamen Vorfahren selbst gibt es kein Exemplar, weil er eine Beziehung bezeichnet und Beziehungen nicht im Gestein zurückbleiben. Seine Zeitgenossen ohne Nachkommen haben nicht einmal eine Beziehung hinterlassen: Sie stehen weder im Gestein noch in irgendeinem lebenden Genom.
Dass sich zwei Arten von Abwesenheit nicht auseinanderhalten lassen, wird uns noch oft begegnen. Bei den Ediacara-Organismen im neunten Essay und beim Fossilbericht im elften geht es um dieselbe Frage: Wenn etwas in der Überlieferung fehlt, war es dann nie da, oder war es da und hat bloß keine Spuren hinterlassen?
So wird dieser Knoten also gezeichnet: Was lebende Organismen gemeinsam besitzen, bestimmt seinen Ort. Was ihnen gemeinsam fehlt, zeichnet seinen Umriss. Das gemeinsam Vorhandene wird fortwährend vom horizontalen Transfer durchmischt. Im Fehlenden liegen zwei Dinge untrennbar ineinander: das, was nie existiert hat, und das, was existiert hat, ohne irgendeine Spur zu hinterlassen.
Eine Zelle vor 4,2 Milliarden Jahren, 2.600 Gene, Wasserstoff als Nahrung, Essigsäure als Ausscheidung, vielleicht schon mit einem Gedächtnis für Viren. Von Jahr zu Jahr werden die Konturen dieses Porträts schärfer, doch ringsum bleibt eine unsichtbare Leere. Die Kriterien sieben weiter. Die Gene wandern weiter seitwärts.