Als die Pflanzen kamen: Wie wurde die Erde grün?

Einen seiner größten Schritte unternahm das Leben, als die Pflanzen ans Land stiegen. Umstritten ist, wann sie es taten und ob überhaupt sie es taten.

Ließen schon Algen die Erde ergrünen? Oder taten das erst ihre Erben, die Pflanzen?
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Ließen schon Algen die Erde ergrünen? Oder taten das erst ihre Erben, die Pflanzen?
Ließen schon Algen die Erde ergrünen? Oder taten das erst ihre Erben, die Pflanzen? – Imago

Lang blieb die Erde wüst und leer, sie ließ sich Zeit bis zu dem, was die Genesis schon am dritten Tag verbucht. „Dann sprach Gott: ,Es lasse grünen die Erde Grün, Kraut, das Samen bringt, und Fruchtbäume‘“ (1. Moses 1, 11). In der Bibel war das das erste Leben, darin hat sie nicht recht, aber es stimmt schon, dass die Pflanzen das Land mit Leben füllten: Sie brachen Gestein auf, das zuvor nur physikalisch und chemisch verwitterte, sie schufen die Erde, den Boden, aus dem immer höhere Pflanzen gen Himmel strebten und Tiere nährten. Wie schafften sie das, und wann?

Das Leben im Wasser hatte vorgearbeitet, Pflanzen konnten viel übernehmen, etwa die Energiequelle, das Licht bzw. seine Nutzung im Fotosyntheseapparat. Dieser war dem ewigen Fressen und Gefressenwerden zu danken, der das Leben regierte, seit es vor etwa 3,2 Milliarden Jahren entstand, bzw. er war dem Umstand zu verdanken, dass vor etwa 1,5 Milliarden Jahren ein Fressen einmal nicht so verlief wie alle anderen: Ein jagender Einzeller hatte sich einen vom Licht lebenden einverleibt, ein Cyanobakterium. Das wurde ausnahmsweise nicht verdaut, es blieb am Leben, mehr noch, die beiden taten sich zusammen: Aus dem Räuber wurde ein Wirt, aus der Beute ein Endosymbiont.

Der spezialisierte sich, legte manche Gene still – er wurde vom Wirt geschützt und mit vielem versorgt –, fuhr die Aktivität anderer hoch und wurde zum Plastiden, in dem die Fotosynthese lief, die die Energie des Lichts in chemische umwandelte, in Form von Zucker, der ging zum Dank an den Wirt. Exakt so läuft alles noch in heutigen Pflanzen, die Symbiose war ein singuläres Ereignis, Wolfgang Löffelhardt (Wien) hat es gezeigt, er fand auch einen Hinweis darauf, warum das nur einmal geschah: Der Wirt hatte durch irgendwelche Zufälle noch Gene eines anderen Bakteriums in sich – Einzeller tauschen horizontal viel miteinander –, die sorgten für den Transport des Zuckers aus dem Plastid heraus (Science 335, S. 843).

Aber Licht bringt nicht nur Energie, sondern auch Information, und die hat für das Leben auf dem Land eine ganz andere Bedeutung als für jenes im Wasser: Pflanzen müssen wissen, wie und wohin sie wachsen und wann sie Früchte reifen lassen, sie müssen auch tunlichst vermeiden, in den Schatten anderer Pflanzen zu geraten. Für all das haben sie Augen, pardon: Fotorezeptoren, sie heißen Phytochromen. Auch die kommen aus dem Wasser, sein Leben orientiert sich damit, oft wandert es auf und ab, um UV-Licht auszuweichen. Deshalb hat es Detektoren für viele Wellenlängen, nicht alle dringen gleich tief, die für Rot kommen nur in die oberste Schicht, und sie wurden mitgenommen, als die Ahnfrau der Pflanzen ans Land stieg, eine Grünalge.

Natürlich stieg sie nicht ans Land, sie wurde hinaufgeschwappt. Nun brauchte sie Halt, musste Wurzeln schlagen, und sie brauchte Verbündete, ganz aus eigener Kraft war sie der neuen Welt nicht gewachsen: Sie tat sich wieder mit Symbionten zusammen, Pilzen (und Bakterien), wieder wurde getauscht, Nährstoffe aus dem Boden gegen Zucker aus der Fotosynthese.


Präadaption. Auch diese Symbiose brauchte Kommunikation und Transportwege zwischen den Partnern. Und auch diese Bande mussten nicht neu geknüpft werden, zumindest nicht ganz neu: Ein Teil des Signalwegs war schon in Grünalgen angelegt, Pierre-Marc Delaux (University of Wisconsin) hat es bemerkt und Präadaption genannt, auf deren Fundament konnten die Pflanzen bauen (Pnas 15154.26111).

Und wann geschah das alles? Die ältesten Fossilien deuten, bei Pflanzen wie mit ihnen vergesellschafteten Pilzen, auf eine Zeit vor 450 Millionen Jahren, diese Zahl steht auch in den Büchern. Aber vor 15 Jahren ließ Blair Hedges (Penns) mit einer ganz anderen Zahl aufhorchen: 700 Millionen Jahre seien sie alt (Science 293, S. 1129). Das hatte er den molekularen Uhren heutiger Pflanzen und ihrer Pilze abgelauscht, dabei verrechnet man die Zahl der aufsummierten Mutationen mit der Mutationsrate, die bringt allerdings viel Ungewissheit ins Spiel. Aber Hedges hatte ein starkes Hilfsargument: Das Leben im Meer war Milliarden Jahre einzellig vor sich hingedümpelt, es blühte erst vor 540 Millionen Jahren auf, in der Kambrischen Explosion, da kamen Mehrzeller sonder Zahl.

Die Explosion ereignete sich, nachdem die Erde rundum vereist war – zum Snowball Earth – und dann wieder auftaute, und vielleicht kam die Explosion nicht nur zeitgleich, sondern kausal. Das verficht Noah Planavsky (Yale), sein Zeuge ist ein Nährstoff: Die Gletscher hatten viel Gestein zerrieben, bei ihrem Rückzug geriet alles ins Meer, vor allem die Gehalte an Phosphor stiegen stark (Nature 467, S. 1088).

Demnach kam das (höhere) Leben aus der Kälte. Und wo kam die her? Das ist unklar, aber Landpflanzen sind starke Kandidaten: Das Gestein, das sie aufbrachen, holte viel CO2 aus der Luft – es bildete Karbonate –, und sie selbst taten es auch, sie leben davon. Das brachte die Kälte, die kam vor 715 Millionen Jahren, also just zu der Zeit, auf die die molekularen Uhren weisen.

Aber so alte Fossilien gibt es eben keine, und die Mutationsrate ist unsicher, Hedges setzte sich nicht durch, in der Zunft regieren die 450 Millionen Jahre. Oder kam die Besiedlung doch viel früher und gar nicht durch Pflanzen, sondern durch Grünalgen, die schon lang auf dem Land hausten, als die Pflanzen sich aus ihnen entwickelten? Das liest Peter Ulvskov (Kopenhagen) aus Zellwänden von Klebsormidium, einer sekundär aquatischen Grünalge, sie lebte auf dem Land und stieg wieder ins Wasser. Die Zellwände behielt sie, und die waren an das Leben auf dem Land angepasst, es braucht stärkere Hüllen als das im Wasser, muss der Gravitation trotzen und dem UV-Licht. Dazu wurden neue Wandstrukturen und Bausteine entwickelt, Polysaccharide und Lignin. Und die waren bei Klebsormidium schon da, zumindest Gene hat Ulvskov gesichtet (Trends in Plant Science 2015.11.010).

Aber warum zogen die Algen sich ins Wasser zurück? Das ist unklar, sie waren, wie Pflanzen, Mehrzeller, sie reproduzierten sich auch sexuell. Trotzdem waren sie der Konkurrenz ihrer Erben nicht gewachsen, die wuchsen ihnen über den Kopf.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 28.02.2016)

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