Biolumineszenz entwickelte sich erstmals vor mindestens 540 Millionen Jahren bei Tieren und drängte damit das älteste datierte Beispiel zurück.

Biolumineszenz entwickelte sich erstmals bei Tieren vor mindestens 540 Millionen Jahren in einer Gruppe wirbelloser Meerestiere, die Oktokoralen genannt werden, so die Ergebnisse einer neuen Studie, die von Wissenschaftlern des National History Museum vom Smithsonian durchgeführt wurde.

Die Ergebnisse wurden am 23. April in der veröffentlicht Verfahren der Royal Society B: Biologische Wissenschaftenverschieben den bisherigen Rekord für das früheste Auftreten des Lichtmerkmals bei Tieren um fast 300 Millionen Jahre und könnten Wissenschaftlern eines Tages dabei helfen, zu entschlüsseln, warum sich die Fähigkeit, Licht zu erzeugen, zuerst entwickelte.

Biolumineszenz – die Fähigkeit von Lebewesen, durch chemische Reaktionen Licht zu erzeugen – hat sich in der Natur mindestens 94 Mal unabhängig voneinander entwickelt und ist an einer Vielzahl von Verhaltensweisen beteiligt, darunter Tarnung, Balz, Kommunikation und Jagd. Bisher ging man davon aus, dass der früheste Ursprung der Biolumineszenz bei Tieren etwa 267 Millionen Jahre bei kleinen Meereskrebsen, sogenannten Ostrakoden, liegt.

Aber für ein im wahrsten Sinne des Wortes erhellendes Merkmal blieben die Ursprünge der Biolumineszenz im Dunkeln.

„Niemand weiß wirklich, warum es sich zuerst bei Tieren entwickelt hat“, sagte Andrea Quattrini, Kurator für Korallen am Museum und Hauptautor der Studie.

Damit Quattrini und die Hauptautorin Danielle DeLeo, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Museum und ehemalige Postdoktorandin, sich endlich mit der umfassenderen Frage der Entwicklung der Biolumineszenz befassen konnten, mussten sie wissen, wann diese Fähigkeit zum ersten Mal bei Tieren auftrat.

Auf der Suche nach den frühesten Ursprüngen dieses Merkmals entschieden sich die Forscher, die Evolutionsgeschichte von Oktokorallen zu untersuchen, einer Gruppe evolutionär alter und häufig biolumineszierender Tiere, zu der Weichkorallen, Gorgonien und Seefedern gehören.

Oktokorallen sind wie Steinkorallen winzige koloniale Polypen, die eine Struktur absondern, die ihnen als Zufluchtsort dient. Im Gegensatz zu ihren steinigen Verwandten ist diese Struktur jedoch normalerweise weich. Oktokoralen leuchten normalerweise nur, wenn sie gestoßen oder gestört werden, was die genaue Funktion ihrer Fähigkeit, Licht zu erzeugen, etwas rätselhaft lässt.

„Wir wollten den Zeitpunkt des Ursprungs der Biolumineszenz bestimmen, und Oktokoralen sind eine der ältesten Tiergruppen auf dem Planeten, von denen bekannt ist, dass sie biolumineszierend sind“, sagte DeLeo. „Die Frage war also: Wann haben sie diese Fähigkeit entwickelt?

Es ist kein Zufall, dass Quattrini und Catherine McFadden vom Harvey Mudd College im Jahr 2022 einen äußerst detaillierten und gut belegten Evolutionsbaum von Oktokoralen erstellt haben. Quattrini und Kollegen haben diese Karte evolutionärer Beziehungen oder Phylogenie erstellt und dabei die Datengenetik von 185 Arten verwendet Oktokoralen. .

Mit diesem auf genetischen Beweisen basierenden Evolutionsbaum lokalisierten DeLeo und Quattrini dann anhand ihrer physikalischen Eigenschaften zwei Oktokoralfossilien bekannten Alters im Baum. Bisher konnten Wissenschaftler anhand des Alters der Fossilien und ihrer jeweiligen Positionen im Evolutionsbaum der Oktokorallen ungefähr bestimmen, wann sich die Abstammungslinien der Oktokorallen abspalteten und in zwei oder mehr Zweige übergingen.

Als nächstes kartierte das Team, in welchen Zweigen der Phylogenie es lebende biolumineszierende Arten gab.

Nachdem der Evolutionsbaum datiert und die Zweige mit den hellen Arten beschriftet worden waren, führte das Team mithilfe einer Reihe statistischer Techniken eine Analyse durch, die als Rekonstruktion des Ahnenzustands bezeichnet wird.

„Wenn wir wissen, dass diese heute lebenden Oktokoralarten biolumineszierend sind, können wir anhand von Statistiken ableiten, ob ihre Vorfahren mit hoher Wahrscheinlichkeit biolumineszierend waren oder nicht“, sagte Quattrini. „Je mehr lebende Arten es gibt, die dieses gemeinsame Merkmal aufweisen, desto wahrscheinlicher ist es, dass diese Vorfahren im Laufe der Zeit auch dieses Merkmal hatten.“

Forscher nutzten viele verschiedene statistische Methoden, um den Zustand ihrer Vorfahren zu rekonstruieren, kamen aber alle zum gleichen Ergebnis: Vor etwa 540 Millionen Jahren war der gemeinsame Vorfahre aller Oktokoralen höchstwahrscheinlich biolumineszent. Das ist 273 Millionen Jahre früher als die leuchtenden Krebstiere, die zuvor den Titel der ersten Evolution der Biolumineszenz bei Tieren trugen.

DeLeo und Quattrini sagten, dass die Tausenden lebenden Vertreter der Oktokoralen und die relativ hohe Häufigkeit von Biolumineszenz darauf hindeuten, dass dieses Merkmal eine Rolle für den evolutionären Erfolg der Gruppe gespielt habe. Während dies die Frage aufwirft, wofür genau Oktokoralen verwendet werden, die Biolumineszenz nutzen, sagen die Forscher, dass die Tatsache, dass sie so lange erhalten geblieben ist, die Bedeutung dieser Form der Kommunikation für ihre Fitness und ihr Überleben unterstreicht.

Da die Forscher nun wissen, dass der gemeinsame Vorfahre aller Oktokorallen wahrscheinlich bereits die Fähigkeit besaß, ihr eigenes Licht zu erzeugen, sind sie an einer tiefergehenden Analyse interessiert, welche der mehr als 3.000 lebenden Arten der Gruppe noch in der Lage sein könnte, ihr eigenes Licht zu erzeugen Licht und diejenigen, die diese Eigenschaft verloren haben. . Dies könnte dabei helfen, sich auf eine Reihe ökologischer Umstände zu konzentrieren, die mit der Biolumineszenzkapazität korrelieren und möglicherweise Aufschluss über deren Funktion geben.

Zu diesem Zweck arbeiten sie und einige ihrer Co-Autoren laut DeLeo an der Entwicklung eines Gentests, um festzustellen, ob eine Oktokoralart über funktionelle Kopien der Gene verfügt, die der Luciferase zugrunde liegen, einem Enzym, das an der Biolumineszenz beteiligt ist. Für Arten unbekannter Helligkeit würde ein solcher Test den Forschern ermöglichen, schneller und einfacher eine Antwort auf die eine oder andere Weise zu erhalten.

Diese Studie beleuchtet nicht nur die Ursprünge der Biolumineszenz, sondern liefert auch evolutionäre Zusammenhänge und Informationen, die für die Überwachung und Bewirtschaftung dieser Korallen heute von Nutzen sein können. Oktokorallen sind durch den Klimawandel und Ressourcenabbauaktivitäten bedroht, insbesondere durch Fischerei, Öl- und Gasförderung und -verschmutzungen sowie in jüngerer Zeit durch Meeresbergbau.

Diese Forschung unterstützt das Ocean Science Center des Museums, dessen Ziel es ist, Wissen über den Ozean zu fördern und mit der Welt zu teilen. DeLeo und Quattrini sagten, es gebe noch viel zu lernen, bevor Wissenschaftler verstehen könnten, warum sich die Fähigkeit, Licht zu erzeugen, erstmals entwickelt habe, und obwohl ihre Ergebnisse ihre Ursprünge tief in der Evolution verorten, ist es möglich, dass zukünftige Studien entdecken werden, dass die Biolumineszenz noch älter ist. .

An dieser Studie sind Autoren beteiligt, die mit der Florida International University, dem Monterey Bay Aquarium Research Institute, der Nagoya University, dem Harvey Mudd College und der University of California, Santa Cruz, verbunden sind.