Eine neue geochemische Analyse alter Gesteine wirft eine alte Frage wieder auf: Wer waren eigentlich die ersten tierischen Bewohner der Erde? Die neuesten Interpretationen molekularer Spuren deuten darauf hin, dass die Vorfahren der heutigen Schwämme – insbesondere der Hornkieselschwämme (Demospongiae) – zu außergewöhnlich frühen Zweigen des tierischen Stammbaums gehörten. Im Mittelpunkt der Geschichte stehen „chemische Fossilien“ in Form von Steranen, langlebigen Überresten von Sterolen (zum Beispiel Cholesterin), die in jahrhundertealten Sedimenten erhalten geblieben sind.

Warum Schwämme ein wichtiger Kandidat für das „erste Tier“ sind

Schwämme (Porifera) gehören zu den einfachsten mehrzelligen Tieren. Sie besitzen kein Nerven- oder Verdauungssystem, wie wir es von den meisten Tieren kennen, und ihre Biologie ist darauf ausgerichtet, Meerwasser durch ein Netzwerk von Kanälen und Kammern zu filtern. Genau wegen dieser Einfachheit wurden sie lange Zeit als potenziell frühester Zweig des Tierreichs angesehen. Die Hornkieselschwämme, als die heute artenreichste Gruppe, zeigen eine unglaubliche morphologische und ökologische Vielfalt – von winzigen, weichen Formen, die Felsen überwachsen, bis hin zu größeren Kolonien in leuchtenden Farben. Ihre alten Verwandten, obwohl sie uns keine Fülle an klassischen Fossilien hinterlassen haben, teilten höchstwahrscheinlich dieselben Schlüsselmerkmale: einen weichen Körper, eine marine Lebensweise und die Abhängigkeit von spezifischen, sterolreichen Membranen.

Chemische Fossilien als Fenster in das Ediacarium

Das Ediacarium (vor etwa 635–541 Millionen Jahren) war die Periode unmittelbar vor der kambrischen „Explosion“ des Lebens. Während dieser Epoche finden wir in den Gesteinen nur wenige feste Skelettreste, aber wir stoßen gelegentlich auf molekulare Spuren, die geologischen Druck, Temperatur und Zeit überstanden haben. Hier kommen die Sterane ins Spiel – stabile, gesättigte Varianten von Sterolen. Da Sterole grundlegende Bausteine der eukaryotischen Membranen sind und Bakterien hauptsächlich andere Lipide verwenden, ist das Vorhandensein von Steranen in alten Sedimenten ein Signal dafür, dass zu dieser Zeit in den Meeren bereits eine blühende eukaryotische Welt, einschließlich früher Tiere, existierte.

Wonach Geochemiker genau suchen: C30- und C31-Signale

Sterole unterscheiden sich in der Anzahl der Kohlenstoffatome und in den strukturellen „Anhängen“ an ihrer Seitenkette. Beim Menschen ist beispielsweise Cholesterin ein C27-Sterol, während pflanzliche Sterole meist C29-Sterole sind. Was Forscher vor etwa fünfzehn Jahren und auch heute noch fasziniert, ist das häufige Vorkommen sehr seltener C30-Sterane in Gesteinen aus dem Ediacarium. Diese C30-Sterane wurden als Produkte von 24-Isopropylcholesterin interpretiert, einem ungewöhnlichen Sterol, das in den heutigen Ozeanen in nennenswerten Mengen nur von einem Teil der Hornkieselschwämme synthetisiert wird. In neueren Arbeiten wurde die Aufmerksamkeit zusätzlich auf noch seltenere C31-Derivate gelenkt, deren biologische Vorläufer ebenfalls in bestimmten Arten von Hornkieselschwämmen nachgewiesen wurden. Das kombinierte Auftreten von C30- und C31-Steranen in denselben stratigraphischen Abfolgen erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die Quelle der Signale tierisch und nicht abiotisch oder ausschließlich algal war.

Von Oman bis Sibirien: Wo nach molekularen Spuren gesucht wird

Um die Kontinuität und den Ursprung der Steran-Signale zu bestätigen, beschaffen geochemische Teams Proben aus verschiedenen geologischen Provinzen und lithologischen Fazies. Oft werden Bohrkerne und Aufschlüsse aus der Huqf-Supergruppe im Oman, Becken in Westindien oder sibirische Plattformsequenzen analysiert. Ein solches räumliches „Mosaik“ ermöglicht die Überprüfung, ob das Vorkommen von C30/C31-Steranen eine lokale Anomalie oder ein weiter verbreitetes, wiederholbares Muster ist, das für einen bestimmten Zeitraum und eine bestimmte Umwelt charakteristisch ist. Wenn das Signal in mehreren weit entfernten Gebieten und in verschiedenen Gesteinsarten nachgewiesen wird, steigt die Zuverlässigkeit der paläobiologischen Interpretation.

Wie man ein chemisches Fossil „liest“

Das analytische Verfahren beginnt in der Regel mit der Isolierung organischer Fraktionen aus dem Sedimentgestein. Lösungsmittel und Fraktionierung werden verwendet, um die gesättigten Moleküle abzutrennen, und anschließend wird die Gaschromatographie in Kombination mit der Massenspektrometrie eingesetzt. Dadurch werden in der komplexen Mischung genau bestimmte Steran-Isomere und -Homologe identifiziert. Besondere Aufmerksamkeit wird der Stereochemie gewidmet (z. B. den Konfigurationen an C-20 oder C-14), da das Verhältnis stereochemischer Paare manchmal Informationen über die Herkunft und den Grad der thermischen Reife liefert. Eine zusätzliche Überprüfung umfasst den Vergleich mit Referenzstandards – entweder kommerziell erhältlichen oder im Labor synthetisierten –, um die Struktur zu bestätigen und Verwechslungen mit nahe verwandten, aber biologisch unterschiedlichen Molekülen zu vermeiden.

Was lebende Schwämme uns sagen

Um die Möglichkeit auszuschließen, dass die alten C30- und C31-Sterane von einer Vielzahl moderner oder ausgestorbener Organismen stammen, analysieren Forscher auch das Gewebe heutiger Hornkieselschwämme. Es hat sich gezeigt, dass einige Arten tatsächlich ungewöhnliche Sterole mit einer erhöhten Anzahl von Kohlenstoffatomen (C30 und sogar C31) produzieren, einschließlich struktureller Motive, die nach diagenetischen Veränderungen zu genau denselben Steranen führen, die in alten Sedimenten gefunden werden. Verbindet man dies mit geologischen Befunden, erhält man einen starken Hinweis auf evolutionäre Kontinuität: Moderne Hornkieselschwämme haben das biochemische Erbe ihrer uralten Vorfahren bewahrt.

Drei Beweislinien: Gesteine, Schwämme und das Labor

Die These, dass Hornkieselschwämme die möglicherweise frühesten Tiere waren, beruht nicht auf einer einzigen Beobachtung, sondern auf einer dreifachen Verifizierung. Die erste Linie sind die „chemischen Fossilien“ selbst in präkambrischen Gesteinen (mit Schwerpunkt auf dem Ediacarium), in denen konsistent C30-Sterane und nicht selten auch C31-Äquivalente gefunden werden. Die zweite Linie stammt aus der Biologie lebender Schwämme, wo Sterole mit der gleichen Anzahl an Kohlenstoffatomen und spezifischen Seitenketten dokumentiert wurden. Die dritte Linie ist die organische Synthese und die experimentelle diagenetische Umwandlung: Wenn chemisch synthetisierte Vorläufer, die Hitze und Druck ausgesetzt werden, genau jene Steran-Muster ergeben, die in den Gesteinen nachgewiesen wurden, sinkt die statistische Wahrscheinlichkeit eines zufälligen Zusammentreffens rapide.

Aber die Wissenschaft schreitet nicht ohne Debatte voran

Natürlich hat die Hypothese, dass Hornkieselschwämme die Hauptquelle für C30-Sterane sind, auch Alternativen hervorgerufen. Einige Studien haben beispielsweise darauf hingewiesen, dass Spuren ähnlicher Verbindungen in einigen Algen gefunden werden können oder dass mikrobielle Symbionten eine größere Rolle bei der Methylierung der Sterol-Seitenkette spielen könnten. Es wurde auch darauf hingewiesen, dass bestimmte Wege der Biosynthese und Diagenese komplexer sein könnten als ursprünglich angenommen. Genau aus diesem Grund kombinieren neuere Arbeiten Geochemie, Genomik und Biochemie: Es werden die Gene für die Enzyme Methyltransferase bei Schwämmen und ihren Symbionten untersucht, es wird geprüft, ob bakterielle Enzyme die „Schwamm“-Signaturen replizieren können, und die Ergebnisse werden dann mit dem geologischen Befund über Zeit und Raum verglichen.

Warum die Unterscheidung zwischen C30 und C31 wichtig ist

C31-Sterole und ihre diagenetischen Produkte (C31-Sterane) sind bisher in der Natur seltener dokumentiert als ihre C30-Analoga, aber ihre Erkennung in modernen Hornkieselschwämmen und in fossilen Aufzeichnungen ist aus mindestens zwei Gründen wertvoll. Erstens verringert die zusätzliche „Signatur“ die Gefahr einer falschen Zuordnung, die auftreten kann, wenn man sich auf einen einzigen Biomarker verlässt. Zweitens kann das C30:C31-Verhältnis in Kombination mit anderen Markern (z. B. dem Anteil an C29-Steranen, die für Grünalgen charakteristisch sind) etwas über die Paläoumwelt aussagen: ob es sich um küstennahe, von flachem Meer dominierte Bedingungen, eine stärkere Algenproduktion oder um Nischen handelte, in denen Schwämme ohne Konkurrenz gedeihen konnten.

Was das Ediacarium über die Entstehung komplexen Lebens aussagt

Die ediacarische Biota ist bekannt für weichkörperige, oft flache Organismen, deren Beziehung zu heutigen Gruppen nicht immer klar ist. In dieser Welt der Weichkörper erschwert das Fehlen harter Skelette die Interpretation der Evolution ausschließlich auf der Grundlage klassischer Fossilien. Deshalb sind molekulare Spuren wie Sterane besonders wichtig: Sie füllen die Lücken und geben einen ungeahnten Einblick, wann die ersten Tiere wirklich auftauchten. Wenn Hornkieselschwämme tatsächlich vor dem „Urknall“ der kambrischen Vielfalt eine C30/C31-Signatur hinterlassen haben, dann ginge ihr Erscheinen vielen später aufblühenden Gruppen voraus – was die Anordnung auf der „Zeitleiste“ der frühen tierischen Evolution vollständig verändert.

Methodische Strenge: Wie falsche Spuren vermieden werden

Inzwischen hat die geochemische Gemeinschaft die Protokolle verschärft, um Kontaminationen und Fehlinterpretationen zu vermeiden. Labore arbeiten mit „leeren“ Kontrollproben, es werden Isotopen- und stereochemische Analysen verwendet, und Probenserien stammen aus mehreren unabhängigen Quellen. Besonders wichtig ist die Konsistenz des Signals in stratigraphischen Abfolgen desselben Gebiets und seine Korrelation mit anderen paläobiologischen Indikatoren. Erst wenn genügend Puzzleteile gesammelt sind – von der Geologie und Sedimentologie bis hin zur Biochemie und genetischen Daten – wird die Hypothese von einer suggestiven zu einer überzeugenden.

Was uns moderne Enzyme sagen

Ein entscheidender Fortschritt war die Arbeit an Enzymen, die die Seitenkette von Sterolen „methylieren“. Die identifizierten Gene und Enzyme in Hornkieselschwämmen, aber auch bei ihren Symbionten, wurden experimentell in vitro überprüft. Damit wurde bestätigt, dass natürliche biochemische Wege tatsächlich die ungewöhnlichen Schwamm-Sterole produzieren können, die sich dann im Laufe der Zeit und unter geologischen Bedingungen in die nachgewiesenen C30- und C31-Sterane umwandeln. Gelingt es, dieselbe Funktionalität konsequent mit Hornkieselschwämmen in Verbindung zu bringen und alternative Quellen auf Spuren ohne geologische Robustheit zu beschränken, gewinnt die Hypothese von Schwämmen als den ersten Tieren an zusätzlichem Gewicht.

Das globale Bild: von einzelnen Fundorten zu einer planetaren Geschichte

Wenn dieselben oder ähnliche Biomarker in den Gesteinen von Oman, Indien, Sibirien und anderen Regionen auftauchen und ihre Profile mit der erwarteten diagenetischen Umwandlung und den paläoökologischen Variationen übereinstimmen, erhalten wir ein globales Mosaik der frühen Biosphäre. In einigen Sequenzen erscheint das Signal in höheren Konzentrationen, anderswo ist es diskreter, aber was sich wiederholt, ist die Präsenz von Schwämmen als stille, aber hartnäckige Protagonisten der präkambrischen Meere.

Was als Nächstes kommt: die Suche nach einer feineren Zeitnadel

Bisher lässt sich auf der Grundlage der analysierten Proben mit Sicherheit sagen, dass die sedimentären Aufzeichnungen mit C30- und (in bestimmten Fällen) C31-Steranen in das weite Fenster des Ediacariums fallen. Aber der genaue Zeitpunkt des Erscheinens der frühesten Tiere wird noch kalibriert. Der nächste Schritt ist eine systematische, globale Suche nach zusätzlichen Sequenzen – einschließlich weniger erforschter –, um die Zeitskala zu „schärfen“: Haben sich die Hornkieselschwämme bereits in der Mitte des Ediacariums etabliert oder erst in seiner Endphase, unmittelbar vor dem Kambrium?

Für die Leser: ein kurzes Glossar

• Sterole/Sterane: Sterole sind Membranlipide von Eukaryoten; in der geologischen Aufzeichnung finden wir ihre stabilen, gesättigten Derivate – Sterane – als molekulare Fossilien.


• C30/C31: Bezeichnung für die Anzahl der Kohlenstoffatome in Sterolen/Steranen; sie sind ungewöhnlicher als die üblichen C27–C29 und werden daher als „Signatur“ bestimmter biologischer Quellen verwendet.


• Hornkieselschwämme: die größte Gruppe von Schwämmen, sehr vielfältig, mit nachgewiesenen Fähigkeiten zur Synthese ungewöhnlicher Sterole.


• Ediacarium: die Periode zwischen etwa 635 und 541 Millionen Jahren, unmittelbar vor dem plötzlichen Anstieg der Lebenskomplexität im Kambrium.

Ist dies das Ende der Debatte?

Nein; und das sollte es auch nicht sein. Die Wissenschaft schreitet durch Überprüfung, Wiederholung und Hinterfragung voran. Die Tatsache, dass C30-Sterane in einer Vielzahl von proterozoischen und frühkambrischen Sedimenten entdeckt wurden, ist ein starkes Argument für Hornkieselschwämme, aber jede Behauptung muss an neuen Proben, mit noch strengeren Kontrollen und immer ausgefeilteren Instrumenten erneut getestet werden. Parallelen zu modernen Hornkieselschwämmen, einschließlich der Entdeckungen seltener C31-Sterole in bestimmten Arten, liefern ein konsistentes Bild, aber Forscher kartieren weiterhin aktiv, wo dieses Signal eindeutig ist und wo es mit algen- oder mikrobiellen Spuren verwechselt werden könnte.

Für wen die Antwort wichtig ist

Die scheinbar esoterische Frage, ob das erste Tier ein Schwamm war, ist eigentlich grundlegend für das Verständnis unserer eigenen Herkunft. Wenn Schwämme tatsächlich die Pioniere der Tierwelt waren, dann verschieben sich Schlüssel-Innovationen – Mehrzelligkeit, Zellkoordination, frühe Formen der Kommunikation – tiefer in die Vergangenheit, als es die Makrofossilien-Sammlungen allein vermuten ließen. Dies wiederum beeinflusst die Art und Weise, wie wir die Evolution anderer Tiergruppen interpretieren, aber auch die Umweltbedingungen: den Sauerstoffgehalt in den Ozeanen, die Nahrungsnetze und die geochemischen Kreisläufe von Kohlenstoff und Schwefel.

Blick nach vorn: Was das für zukünftige Forschungen bedeutet

Mit der Anhäufung neuer Proben aus verschiedenen Becken und dem Fortschritt der Nachweistechniken können wir eine feinere „Auflösung“ der molekularen Aufzeichnung erwarten. Auch interdisziplinäre Synthesen spielen eine Rolle: die Verknüpfung von Biomarkern mit Signalen stabiler Isotope, mit Spuren früher Bioturbation, mit Mikrofossilien und mit Analysen alter Genome. Obwohl die Geschichte der C30- und C31-Sterane derzeit die kohärenteste Erzählung ist, die wir für die frühen Spuren von Tieren haben, wird sie weiterhin ergänzt. Jede neue Probe, jede neue Analyse kann die Grenzen des Verständnisses darüber verschieben, wer und wann als Erster den Weg betrat, der zur heutigen Tiervielfalt führt.

Für Leser, die tiefer in den Kontext eintauchen möchten, können einführende Begriffe zum Ediacarium und zu Schwämmen durch allgemeine enzyklopädische Darstellungen oder Bildungswebsites weiter erforscht werden. Zum Beispiel ist ein Überblick über die Ediacaran-Periode hier verfügbar: Ediacaran Period – Britannica, und eine zusammenfassende Beschreibung der Hornkieselschwämme hier: Demosponges. Hinweis: Die Links dienen als Einführung in das Thema und zur grundlegenden Definition der Begriffe.