Von Will Dunham
WASHINGTON (Reuters) – Der südamerikanische Lungenfisch ist ein außergewöhnliches Lebewesen, so etwas wie ein lebendes Fossil. Er beheimatet die ruhigen, stehenden Gewässer Brasiliens, Argentiniens, Perus, Kolumbiens, Venezuelas, Französisch-Guayanas und Paraguays. Er ist der nächste lebende Verwandte der frühesten Landwirbeltiere und ähnelt stark seinen Urvorfahren, die mehr als 400 Millionen Jahre alt sind.
Diese Süßwasserart namens Lepidosiren paradoxa weist eine weitere Besonderheit auf: Sie verfügt über das größte Genom (die gesamte genetische Information eines Organismus) aller Tiere auf dem Planeten. Wissenschaftler haben nun sein Genom sequenziert und herausgefunden, dass es etwa 30-mal größer ist als das menschliche Erbgut.
Die Genomgröße wurde anhand der Anzahl der Basenpaare, der Grundeinheiten der DNA, in den Zellkernen eines Organismus gemessen. Wenn die DNA wie ein Wollknäuel gedehnt würde, würde die Länge jeder Zelle in diesem Lungenfisch fast 60 Meter betragen. Das menschliche Genom würde sich nur über 2 Meter erstrecken.
„Unsere Analysen ergaben, dass das südamerikanische Lungenfischgenom in den letzten 100 Millionen Jahren massiv gewachsen ist und alle 10 Millionen Jahre das Äquivalent eines menschlichen Genoms hinzugefügt hat“, sagte der Evolutionsbiologe Igor Schneider von der Louisiana State University, einer der Autoren der Studie veröffentlicht diese Woche in der Zeitschrift Nature.
Tatsächlich seien 18 der 19 Chromosomen des südamerikanischen Lungenfisches – die fadenförmigen Strukturen, die die genomischen Informationen eines Organismus tragen – einzeln größer als das gesamte menschliche Genom, sagte Schneider.
Obwohl sie gigantisch sind, haben einige Pflanzen ein größeres Genom. Der aktuelle Rekord wird von einer Gabelfarnart namens Tmesipteris oblanceolata gehalten, die im französischen Überseegebiet Neukaledonien im Pazifik lebt. Sein Genom ist mehr als 50-mal größer als das des Menschen.
Das bisher größte bekannte Tiergenom war das eines anderen Lungenfisches, des australischen Lungenfisches Neoceratodus forsteri. Das Genom des südamerikanischen Lungenfisches war mehr als doppelt so groß. Die vier anderen Lungenfischarten der Welt leben in Afrika, ebenfalls mit großen Genomen.
Das Genom von Lungenfischen besteht größtenteils aus repetitiven Elementen, etwa 90 % des Genoms. Die Forscher sagten, dass die in Lungenfischgenomen dokumentierte massive Genomexpansion offenbar mit einer Verringerung eines Mechanismus bei diesen Arten zusammenhängt, der solche genomischen Wiederholungen normalerweise beseitigt.
„Tiergenome variieren stark in der Größe, aber die Bedeutung und Ursachen dieser Variation bleiben unklar. „Unsere Studie erweitert unser Verständnis der Genombiologie und -struktur, indem sie Mechanismen identifiziert, die die Genomgröße steuern und gleichzeitig die Chromosomenstabilität aufrechterhalten“, sagte Schneider.
Der südamerikanische Lungenfisch kann eine Länge von bis zu 1,25 Metern erreichen. Während andere Fische Kiemen zum Atmen benötigen, verfügt der Lungenfisch auch über ein Paar lungenähnlicher Organe. Es lebt in den sumpfigen, sauerstoffarmen Umgebungen des Amazonas- und Paraná-Paraguay-Beckens und ergänzt den aus dem Wasser gewonnenen Sauerstoff durch das Einatmen von Sauerstoff aus der Luft.
Lungenfische tauchten erstmals im Devon auf. In diese Zeit fiel einer der wichtigsten Momente in der Geschichte des Lebens auf der Erde: Fische mit muskulöser Lunge und Flossen entwickelten sich zu den ersten Tetrapoden, diesen Wirbeltieren, viergliedrigen Landarten, zu denen heute Amphibien, Reptilien, Vögel und Säugetiere gehören .
Da die Vorfahren der heutigen Lungenfische die Vorfahren der Tetrapoden waren, können ihre Genome Aufschluss darüber geben, wie Wirbeltiere vor langer Zeit Merkmale wie Gliedmaßen entwickelt haben, die das Leben an Land ermöglichten.
Die Forscher zeigten beispielsweise, dass der genetische Mechanismus, der die Aktivität des Gens namens Sonic Hedgehog Shh steuert, das wichtige Ereignisse in der Embryonalentwicklung reguliert, wahrscheinlich die Bildung des knöchernen Äquivalents der Flossenfinger des Lungenfisches regelt. Diese in der Flosse des Lungenfisches vorhandenen Finger entwickelten sich schließlich bei Tetrapoden zu Fingern und Zehen.
„Die Vorfahren der Tetrapoden eroberten die Erde mit Gliedmaßen, die sich aus Flossen entwickelten, und atmeten Luft durch die Lunge ein. Diese Merkmale stammen wahrscheinlich aus der Zeit vor der Kolonisierung des Landes. Nur durch die Untersuchung der Biologie überlebender Lungenfischlinien können wir die genomischen Grundlagen und molekularen Entwicklungsmechanismen untersuchen, die den Wirbeltier-Wasser-Land-Übergang erleichtert haben“, sagte Schneider.
(Berichterstattung von Will Dunham, Redaktion von Rosalba O’Brien)