Wie das menschliche Auge aus einem einzelnen Ur-Auge entstand

Das menschliche Auge zählt zu den kompliziertesten Sehsystemen der Natur.

Seine Ursprünge könnten jedoch auf ein kleines, wurmähnliches Meerestier zurückgehen, das nur ein einziges, schlichtes Auge in der Kopfmitte besaß.

Ein neues, in Current Biology veröffentlichtes Evolutionsmodell geht davon aus, dass die paarigen Netzhäute von Menschen und anderen Wirbeltieren entstanden, indem Bestandteile eines einzelnen lichtempfindlichen Organs umfunktioniert wurden. Dieses Organ gehörte einem weit entfernten Vorfahren, der vor rund 600 Millionen Jahren lebte.

Dieses alte Medianauge könnte nicht vollständig verschwunden sein. Im Lauf der Evolution könnte aus dem lichtempfindlichen Organ auch das tief im Gehirn liegende Zirbeldrüsensystem hervorgegangen sein, das am Schlaf-Wach-Rhythmus beteiligt ist.

Das Modell wurde vom Sinnesbiologen Dan-Eric Nilsson von der Universität Lund sowie von George Kafetzis, Michael J. Bok und Thomas Baden von der University of Sussex entwickelt. Es stützt sich auf Vergleiche lichtempfindlicher Zellen, Sehorgane und neuronaler Schaltkreise in unterschiedlichen Tiergruppen.

Ein Fossil eines 600 Millionen Jahre alten Tieres mit nur einem Auge wurde bislang nicht gefunden. Der Vorschlag ist stattdessen eine evolutionäre Rekonstruktion, die sich auf Erkenntnisse aus heute lebenden Arten stützt.

Ein wurmähnlicher Vorfahre mit Medianauge

Die Geschichte setzt bei einem kleinen Meerestier ein, das lebte, bevor die Wirbeltiere entstanden.

Dieser entfernte Vorfahr lebte vermutlich in einer Röhre oder im Meeresboden, filterte Nahrung aus dem umgebenden Meerwasser und hatte einen wurmförmigen Körper. In einer früheren Phase seiner Evolutionsgeschichte könnte er paarige Augen – oder zumindest Ansammlungen lichtempfindlicher Zellen – auf beiden Seiten seines Kopfes getragen haben.

Auch ohne scharfe Bilder erzeugen zu können, hätte die Fähigkeit, Tag und Nacht oder die Orientierung nach oben und unten zu erkennen, dem Tier beim Überleben helfen können.

Der Übergang zu einer überwiegend sesshaften, filtrierenden Lebensweise könnte die Vorteile eines detaillierten Sehvermögens jedoch verringert haben. Deshalb könnten die lichtempfindlichen Strukturen an den beiden Kopfseiten des Tieres allmählich verloren gegangen sein.

Die lichtempfindlichen Zellen in der Mitte des Kopfes blieben dagegen erhalten. Mit der Zeit könnten sie ein einfaches lichtwahrnehmendes Organ gebildet haben, das als „Medianauge“ bezeichnet wird.

Wie aus dem Medianauge Netzhäute wurden

Als die Nachkommen dieses Tieres wieder aktiv zu schwimmen begannen, nahm die Evolutionsgeschichte eine andere Richtung.

Eine bewegliche Lebensweise machte ein leistungsfähigeres Sehsystem erneut vorteilhaft, um Nahrung, Hindernisse und Fressfeinde wahrzunehmen.

Dem neuen Modell zufolge entwickelte die Evolution dieses System nicht vollständig neu. Stattdessen nutzte sie die Zellen und neuronalen Schaltkreise weiter, die im Medianauge bereits vorhanden waren.

Das zentrale lichtempfindliche Organ könnte sich später ausdifferenziert und seitlich ausgedehnt haben. Damit könnte es zur Entstehung der linken und rechten Netzhaut sowie der Zirbeldrüsen- und Parapinealsysteme früher Wirbeltiere beigetragen haben.

Während der Embryonalentwicklung bildet sich die Netzhaut der Wirbeltiere als Ausstülpung des Gehirns. Die Augen von Insekten und Tintenfischen entstehen hingegen aus Gewebe an der Kopfoberfläche und folgen anderen Evolutionswegen.

Zugleich liefert das Modell eine Erklärung dafür, wie die Netzhaut Zellen unterschiedlicher evolutionärer Herkunft in einem einzigen komplexen Schaltkreis vereinen konnte.

Stäbchen und Zapfen unserer Netzhäute gehören zur Linie der ciliären Photorezeptoren. Neben diesen Zellen, die Licht in elektrische Signale umwandeln, helfen Ganglien-, Amakrin- und Horizontalzellen bei der Verarbeitung visueller Informationen und bei ihrer Weiterleitung an das Gehirn. Diese Zellen weisen evolutionäre Verbindungen zu rhabdomeren Photorezeptoren auf.

Bei vielen anderen Tieren sind diese beiden Zelllinien jeweils getrennten lichtempfindlichen Systemen zugeordnet. Das ursprüngliche Medianorgan könnte dagegen bereits Zellen beider Linien enthalten haben.

Die Netzhaut der Wirbeltiere könnte sich folglich entwickelt haben, indem vorhandene Zellen und neuronale Schaltkreise zusammengeführt und neu organisiert wurden.

Alte Schaltkreise und die innere Uhr

Eine 2024 in Nature Communications veröffentlichte Studie untermauert die tiefen evolutionären Wurzeln dieser Schaltkreise. Beim Vergleich von Netzhautzellen von Neunaugen mit jenen von Mäusen, Hühnern und Zebrafischen stellten Forschende fest, dass viele an der visuellen Verarbeitung beteiligte Zelltypen schon früh in der Wirbeltierentwicklung vorhanden waren.

Die Zirbeldrüsensysteme vieler Wirbeltiere können Licht unmittelbar wahrnehmen. Die menschliche Zirbeldrüse sieht nicht und registriert Licht nicht direkt, produziert jedoch Melatonin und trägt damit dazu bei, die innere Uhr des Körpers mit dem Tag-Nacht-Zyklus zu synchronisieren.

Das Modell stellt keine endgültige, durch Fossilfunde bestätigte Evolutionsgeschichte dar.

Sollte es jedoch zutreffen, könnten die Systeme, mit denen wir die Welt mit zwei Augen sehen und die uns nach Einbruch der Dunkelheit müde machen, zwei getrennte Hinterlassenschaften desselben primitiven Medianauges sein, das vor 600 Millionen Jahren existierte.

Über die Ergebnisse berichtet Current Biology.

Dieser Artikel wurde von Rachel Garner auf Fakten geprüft und von Peter Dockrill redigiert. Wir legen großen Wert auf unseren Prozess, sind aber nur Menschen. Falls Ihnen ein Fehler auffällt, teilen Sie ihn uns bitte mit.