Haben wir unsere Augen von einem Urzeit-„Zyklopen“ geerbt?

Die Evolution des Auges nahm vermutlich einen ungewöhnlichen Umweg. Vor fast 600 Millionen Jahren lebte ein winziges, wurmähnliches Tier weitgehend ortsfest im Meer und filterte Plankton aus dem Wasser. Auf seinem Kopf saß ein einzelnes Lichtsinnesorgan, das vermutlich nur Helligkeit und Richtung erfasste. Aus Teilen dieses primitiven Auges könnten später die paarigen Augen aller Wirbeltiere hervorgegangen sein – auch unsere eigenen.

Wissenschaftler der Universität von Lund und der University of Sussex haben die Evolution des Auges anhand verschiedener lichtempfindlicher Zelltypen rekonstruiert. Ihr Modell widerspricht der bisherigen Vorstellung einer geradlinigen Entwicklung vom einfachen zum immer leistungsfähigeren Auge. Die Vorfahren der Wirbeltiere besaßen demnach zunächst paarige Lichtsinnesorgane, verloren sie jedoch wieder. Erst danach entstanden aus einem mittig gelegenen Auge neue Seitenaugen.

Die Evolution des Auges nahm einen überraschenden Umweg

Der frühe Vorfahr ähnelte vermutlich einem kleinen Wurm, der hauptsächlich im Meer lebte. Nahrung gewann er, indem er Plankton aus dem vorbeiströmenden Wasser filterte. Für diese ruhige Lebensweise brauchte er keine Augen, die Bewegungen, Hindernisse oder entfernte Objekte erkannten. Seine seitlichen Lichtsinnesorgane verschwanden deshalb im Lauf der Evolution.

Wie weit diese ursprünglichen Augen entwickelt waren, bleibt offen. „Wir wissen nicht, ob die paarigen Augen in unserem Zweig des Stammbaums nur aus lichtempfindlichen Zellen bestanden oder bereits einfache Bilder erzeugten“, sagt Dan-E Nilsson, emeritierter Professor für Sinnesbiologie an der Universität von Lund. Sicher sei lediglich, dass der Organismus sie später verlor.

Ein einzelnes Auge blieb dennoch erhalten

Vollständig blind wurde das Tier offenbar nicht. In der Mitte seines Kopfes blieb eine Gruppe lichtempfindlicher Zellen bestehen. Daraus entwickelte sich ein einfaches Medianauge. Solche mittleren Lichtsinnesorgane dienen bei Tieren häufig nicht dem eigentlichen Sehen. Sie registrieren Tageslicht, unterstützen die innere Uhr und liefern Hinweise auf die Körperlage.

Für ein Tier im Wasser war diese Orientierung überlebenswichtig. Licht kommt dort meist von oben. Ein nach oben gerichtetes Auge konnte dem Organismus deshalb helfen, seine Lage zu kontrollieren. Zugleich ließen sich Tag und Nacht unterscheiden. Detaillierte Bilder waren dafür nicht nötig. Helligkeit, Richtung und möglicherweise verschiedene Lichtfarben reichten aus.

Aus dem Medianauge entstanden neue Seitenaugen

Millionen Jahre später wurden die Nachfahren dieses Tieres wieder beweglicher. Sie schwammen aktiv und benötigten nun bessere Informationen über ihre Umgebung. Nahrung, Feinde und Hindernisse mussten früh erkannt werden. Teile des vorhandenen Medianauges wanderten nach den Berechnungen der Forscher an die Seiten des Kopfes und entwickelten sich dort zu paarigen, bildgebenden Augen.

Dieser Umweg könnte den ungewöhnlichen Aufbau der Wirbeltieraugen erklären. Ihre Netzhaut entsteht während der Embryonalentwicklung aus einer Ausstülpung des Gehirns. Bei Insekten und Tintenfischen entwickelten sich die Augen dagegen aus Gewebe an der Körperoberfläche. „Jetzt verstehen wir endlich, warum sich die Augen der Wirbeltiere so stark von den Augen aller anderen Tiergruppen unterscheiden“, sagt Nilsson.

Die Netzhaut verbindet zwei alte Zellfamilien

Die Netzhaut der Wirbeltiere enthält mehr als 100 Arten von Nervenzellen. Stäbchen und Zapfen nehmen Licht auf. Bipolarzellen leiten die Signale weiter, während Amakrin-, Horizontal- und Ganglienzellen erste Bestandteile des Bildes auswerten. Helligkeit, Kontraste und Bewegungen werden deshalb bereits im Auge verarbeitet, bevor die Informationen das Gehirn erreichen.

Nach dem neuen Modell entstand dieses Netzwerk nicht vollständig neu. Das Medianauge vereinte bereits zwei uralte Gruppen lichtempfindlicher Zellen. Eine reagierte eher langsam und eignete sich zur Messung von Tageslicht. Die andere arbeitete schneller und konnte Richtungsinformationen liefern. Neu entstand vor allem die Verbindung zwischen beiden Systemen. „Zum ersten Mal verstehen wir nun auch den Ursprung der neuronalen Schaltkreise, die das Bild in unserer Netzhaut analysieren“, so Nilsson.

Der uralte „Zyklop“ lebt im Gehirn weiter

Ein Rest des Lichtsinnesorgans dieses urzeitlichen „Zyklopen“ könnte bis heute im Kopf aller Wirbeltiere erhalten geblieben sein. Aus dem verbliebenen Teil entwickelte sich nach Ansicht der Experten die Zirbeldrüse. Das kleine Organ liegt tief im Gehirn und bildet Melatonin. Dieses Hormon steuert den Schlaf-Wach-Rhythmus und passt ihn an den Wechsel von Tageslicht und Dunkelheit an.

Bei vielen Wirbeltieren reagiert die Zirbeldrüse direkt auf Licht. Beim Menschen gelangen die entsprechenden Informationen vor allem über die Augen ins Gehirn. Die Verbindung zum einstigen Medianauge blieb dennoch in ihrer Funktion erhalten. Nilsson meint abschließend: „Es ist kaum zu fassen, dass die Fähigkeit unserer Zirbeldrüse, den Schlaf an das Licht anzupassen, auf das zyklopische Auge eines 600 Millionen Jahre alten Vorfahren zurückgeht.“

Kurz zusammengefasst:

• Ein fast 600 Millionen Jahre alter, wurmähnlicher Vorfahr besaß vermutlich ein einzelnes Lichtsinnesorgan auf dem Kopf.
• Aus Teilen dieses Organs könnten später die paarigen Augen der Wirbeltiere und ihre komplexe Netzhaut entstanden sein.
• Ein Rest des uralten Lichtsinnes lebt möglicherweise als Zirbeldrüse weiter, die über Melatonin den Tag-Nacht-Rhythmus steuert.

Übrigens: Die Evolution des Auges hält noch eine weitere Überraschung bereit, denn violettes Licht lässt bei einem Meereswurm neue Netzhautzellen entstehen. Derselbe Lichtsensor kommt auch beim Menschen vor – mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © TheAlphaWolf via Wikimedia unter CC BY-SA 3.0