Entstehung der Tiere durch Anstieg des atmosphärischen Sauerstoffs

Professor Dr. Bernd Schierwater, Leiter des Instituts für Tierökologie und Zellbiologie der TiHo, sagt: „Für unser Verständnis der Evolution kann diese Entdeckung von großer Bedeutung sein.

Wir gehen davon aus, dass vor 550 Millionen Jahren die ersten komplexeren tierischen Lebewesen entstanden sind, zur gleichen Zeit stieg der Gehalt des atmosphärischen Sauerstoffs auf dem Planeten stark an, von drei Prozent auf sein heutiges Niveau von 21 Prozent. Unsere aktuellen Arbeiten können dazu beitragen, den Zusammenhang dieser Ereignisse besser zu verstehen.“

Schierwater und seine britischen Kollegen werden ihre Entdeckung in der Januar-Ausgabe 2011 des Fachmagazins EMBO Reports veröffentlichen. Die Studie zeigt, wie Menschen in ihren Zellen Sauerstoff messen und wie der Sauerstoffgehalt die frühen Phasen der Evolution der Tiere beeinflusst hat.

Das in Trichoplax entdeckte HIF-System (hypoxia induced factor system) ist ein effektives Werkzeug, um sich gegen Sauerstoffstress zu schützen. Ein Werkzeug, das vermutlich von allen Tieren beibehalten wurde. Das HIF-System wird aktiv, wenn Tiere in Sauerstoffstress geraten.

Die Wissenschaftler glauben, dass die Methode existiert, seit die ersten Tiere vor rund 550 Millionen Jahren entstanden sind. Diese ersten Tiere sind Verwandte von Trichoplax adhaerens, einem einfach strukturierten Organismus ohne Organe, der nur fünf verschiedene Zellarten ausbildet.

Für jeden Vielzelligen Organismus ist es lebenswichtig, dass jede Zelle ausreichend mit Sauerstoff versorgt wird. Dabei sind Vielzeller stärker gefordert als einzellige Organismen. Viellzellig zu sein, bedeutet, dass der Sauerstoff auch zu Zellen gelangen muss, die sich nicht an der Oberfläche des Organismus befinden.

„Wir denken, das dies der Motor war, der die Vorfahren von Trichoplax adhaerens dazu trieb, ein System zu entwickeln, das einen Mangel an Sauerstoff in jeder Zelle misst und in der Lage ist, darauf zu reagieren“, erklärt Professor Dr. Chris Schofield von der Oxford University.

Dieses Verfahren ermöglicht es Säugetieren und Menschen auch bei niedrigem Sauerstoffniveau oder bei Sauerstoffmangel (Hypoxie) zu überleben. Beim Menschen beispielsweise wird das HIF-System in großen Höhen oder bei körperlicher Anstrengung aktiv. Außerdem ist es sehr wichtig für die Prävention von Schlaganfällen und Herzinfarkten sowie einige Arten von Krebs.

„Trichoplax reagiert auf Sauerstoffmangel genau wie Menschen“ fand der Erstautor der Veröffentlichung, Dr. Christoph Loenarz, heraus. Um das zu beweisen transferierten die Forscher das Schlüsselenzym des Mechanismus in eine menschliche Zelle – mit dem Ergebnis, dass sie genauso gut wie mit dem menschlichen Enzym funktionierte.

Da die Analyse verschiedener Genome zudem ergeben hat, dass der Mechanismus nur bei Vielzeller auftritt, schlussfolgern die Wissenschaftler, dass sich das System zur gleichen Zeit wie die frühesten vielzelligen Tiere entwickelt hat.

Schäden des wichtigsten menschlichen Enzyms für die Messung von Sauerstoff kann Polyzythämie hervorrufen – eine bösartige Erkrankung des Rückenmarks, die unter anderem zur unkontrollierten Produktion roter Blutkörperchen führt. Die Arbeit könnte helfen, neue Therapieansätze für diese Erkrankung zu entwickeln.