Erdgeschichte Eva Stanzl 17.10.2021 Wie die Pflanzen auf die Erde kamen Der Pflanzenbiologe Liam Dolan über Gewächse, die alles veränderten. „Wiener Zeitung“: Ihr Forschungsgebiet reicht 500 Millionen Jahre zurück, daher zu den Anfängen: Wie kamen die Pflanzen auf die Erde? Liam Dolan: Um ehrlich zu sein: Ich weiß es nicht genau. Was wir wissen, ist, dass Pflanzen, deren Vorfahren ausschließlich im Wasser gelebt hatten, sich im Zeitraum von wenigen Millionen Jahren an den Wasserrand ausbreiteten. Heutige Algen an Fluss- oder Seeufern sind eng mit diesen ersten Landpflanzen verwandt. Eine Hypothese ist, dass sie in Gebieten, die mit dem Wasserpegel periodisch austrockneten, überdauern konnten, weil sie Wasser durch erste Wurzelstrukturen aufnahmen. Wir gehen von einer graduellen, aber radikalen Evolution hin zu Spezialstrukturen, wie Wurzeln und Samen, vor 500 Millionen Jahren aus. Wie lässt sich das datieren? Wir untersuchen zum einen Fossilien. Die ältesten Fossilien mit den Merkmalen von Landpflanzen wurden in 470 Millionen Jahre alten Sedimenten gefunden – winzige Sporen, deren Optik an Pollenkörner erinnert. Fossilien erlauben eine konservative Schätzung zum Alter, weil diese heute versteinerten Lebewesen ja auch Vorfahren hatten. Um den Zeitpunkt ihrer Entstehung herauszufinden, werden DNA-Sequenzen verglichen. Wie analysieren Sie das uralte Erbgut? Stellen Sie sich einen Organismus vor, der vor 550 Millionen Jahren gelebt und durch zelluläre Subdivision zwei neue Arten hervorgebracht hat, von denen die eine Alge blieb und die andere Landpflanze wurde. Die DNA im Genom jeder Art verändert sich ab diesem Punkt unabhängig, jedoch in konstantem Verhältnis, wie wenn eine Uhr tickt. Wir können die Unterschiede in den DNA-Sequenzen in heute lebenden Nachkommen beider Arten messen, indem wir zählen, wie oft die Uhr tick-tack gemacht hat. So rechnen wir aus, wie viel Zeit seit dem letzten gemeinsamen Ahnen vergangen ist: Die Landpflanzen sind vor 520 bis 470 Jahren entstanden. Wann haben sich nach diesen Rechnungen die ersten Wurzelstrukturen, aus denen heute die Wälder der Welt ihren Lebenssaft beziehen, gebildet? Die ältesten Fossilien von Wurzelstrukturen wurden auf 410 Millionen Jahre datiert. Meine Hypothese ist, dass schon die ersten primitiven Landpflanzen einfache Anker-Strukturen entwickeln mussten, um nicht davon gespült zu werden. Alle Pflanzen bilden Filamente dort, wo sie in den Boden wachsen. Sogar Moose und Sprossen, die sich nicht verwurzeln, halten sich mit haarartigen Strukturen am Untergrund fest. Wir gehen davon aus, dass die ersten Wurzelstrukturen haarartig waren. Sie gaben Pflanzen auf trockenem Boden Halt. Welche Gene steuern die Verwurzelung? Wir haben entfernte Verwandte der ersten Landpflanzen untersucht, die schon früh divergiert sind, aber noch heute gedeihen. Wir haben ihre die Gene zur Bildung haarartiger Filamente bei der Wurzelbildung analysiert und sie mit neueren Arten, die weitaus später evolvierten, wie Gras oder zahlreiche Blumen, verglichen. In den beiden Gruppen, die vor 450 Millionen den letzten gemeinsamen Verwandten hatten, sind dieselben Gene für die Wurzelbildung zuständig. Daraus können wir schließen, dass auch ihre Vorfahren, die ersten Landpflanzen, sich dieser Gene bedienten, um Wurzeln zu schlagen. Es gibt faszinierende Berichte über Bäume, die mit ihren Kindern über die Wurzeln durch chemische Botschaften kommunizieren. Stimmt das? Es gibt starke Hinweise auf eine Kommunikation der Bäume über die Wurzelstrukturen in den Wäldern. Sie geben Antibiotika-artige Substanzen in den Boden ab, mit denen sie die Bakterien um sie herum so anpassen, dass diese ihnen dienlich sind. Manche gehen dabei so weit, zu verhindern, dass andere Pflanzen in der Nähe wachsen – das bekannteste Beispiel ist der Walnussbaum. Außerdem fusionieren Bäume ihre Wurzeln mit denen von Artgenossen. Welche Botschaften sie da genau austauschen, weiß ich selbst aber nicht. Vom Rasen zur Eiche, von fleischfressenden Kobralilien zum Vergissmeinnicht: Wie treffen Pflanzen Entscheidungen, in welche Richtung sie sich weiterentwickeln? Ich würde nicht von Entscheidung sprechen, da Selektion zufällig passiert. Organismen passen sich an und die meisten Mutationen sind unvorteilhaft. Ein Vorteil für eine Pflanzenart könnte sein, wenn eine Mutation mehr Samen in der Gegend verteilt. Und vor einer halben Milliarde Jahre wäre eine Selektion in Richtung Überlebensfähigkeit in einer relativ trockenen Umgebung von Vorteil gewesen. Die Pflanzen hatten im Wasser gelernt, dieses mit dem ganzen Körper aufzunehmen. Am Ufer mussten sie lernen, nicht auszutrocknen. Wie veränderten Pflanzen den Erdball? Bevor Gewächse die Erdoberfläche kolonisierten, war diese felsig und sandig. Die Pflanzen überwuchsen den Boden und bewirkten, dass sich Erde bildete. Ökologische Nischen entstanden, eine Biodiversität evolvierte. Zugleich sank vor 420 bis 320 Millionen Jahren der CO2-Gehalt in der Atmosphäre stark ab, was Pflanzen und Wurzelsystemen zu verdanken war. Sie beschleunigten die chemische Verwitterung (Gesamtheit der Prozesse, die zur chemischen Veränderung von Gestein unter dem Einfluss von Wasser führen, Anm.), die CO2 von der Atmosphäre zum Meeresboden abtrug und es dort in Gestein begrub. Je größer und höher die Pflanzen wuchsen, desto schneller verlief dieser Prozess, was die Erde abkühlte und letztlich die Eiszeit ausgelöst haben soll. Und natürlich wurden aus abgestorbenen Bäumen Sedimente, aus denen im Laufe der Jahrmillionen Kohle entstand. Diese Woche hat sich die Weltgemeinschaft auf einen Kampf gegen das dramatische Artensterben verständigt. Töten die Menschen die Pflanzen? Das kann man so brutal ausdrücken. In Brasilien wird eine Savanne mit Arten, die es sonst nirgends gibt, für den Anbau von Zuckerrohr umgepflügt. Die Landwirtschaft verändert die Umwelt seit der Steinzeit. Massenaussterben sind äußerst selten – beim Letzten raffte ein Meteoriteneinschlag die Dinosaurier und viele andere Arten dahin. Aber wenn wir so weitermachen, könnte ein menschengemachtes Massensterben stattfinden. Alle Pflanzen und Tiere stehen unter Stress, auch durch den Klimawandel. Wie könnte man sich die Zukunft der Pflanzen-Evolution vorstellen? In naher Zukunft könnte am Äquator die Biodiversität stark schrumpfen. Wenn es wie jetzt schnell heißer und heißer wird, hat die Selektion keine Zeit, mit neuen Arten zu reagieren, die überleben. Das kann sich langfristig wieder ändern, aber dann wird es keine Menschen mehr geben. Waren die Fossilien-Sammlungen des Naturhistorischen Museums in Wien mit ein Grund, die Universität Oxford zu verlassen und hier zu forschen? Absolut! In Wien gibt es besondere Fossilien aus dem Devon, als sich die ersten Wurzeln diversifizierten – ich kam aber genau so wegen dem Gregor-Mendel-Institut. In meinen elf Jahren in Oxford habe ich alles gemacht: die ersten fünf Jahre Neues,