Die Entwicklung von Flügeln ermöglichte es den Insekten nicht nur, als erste Lebewesen auf der Erde in die Lüfte zu steigen, sondern trug auch dazu bei, dass sie zu einer der großen Erfolgsgeschichten der Natur wurden, so eine neue Studie.
Die Insekten, die bis zu 10 Millionen lebende Arten umfassen, sind heute auf allen sieben Kontinenten anzutreffen und bewohnen jede nur denkbare terrestrische Nische. Den fossilen Aufzeichnungen zufolge waren sie jedoch vor etwa 325 Millionen Jahren selten und wurden von ihren Gliederfüßer-Verwandten, den Spinnentieren (Spinnen, Skorpione und Milben) und Myriapoden (Hundert- und Tausendfüßer), verdrängt.
Das älteste bestätigte Insektenfossil ist das eines flügellosen, silberfischähnlichen Wesens, das vor etwa 385 Millionen Jahren lebte. Erst etwa 60 Millionen Jahre später, während einer Periode der Erdgeschichte, die als Pennsylvanien bekannt ist, werden Insektenfossilien reichlich vorhanden sein.
„Es war ein ziemliches Rätsel, wie Insekten entstanden sind, denn viele Millionen Jahre lang gab es nichts und dann plötzlich eine Explosion von Insekten“, sagte die Erstautorin der Studie, Sandra Schachat, Doktorandin an der Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth).
Viele Ideen wurden vorgeschlagen, um diese merkwürdige Lücke in den Insektenfossilien zu erklären, die Wissenschaftler als Hexapod Gap bezeichnet haben.
Eine populäre Hypothese besagt, dass die Größe und Häufigkeit von Insekten durch die Menge des in der Erdatmosphäre verfügbaren Sauerstoffs während des späten Devon begrenzt war.
Der stärkste Beweis für diese Theorie ist ein Modell des atmosphärischen Sauerstoffs während der letzten 570 Millionen Jahre, das der verstorbene Geologe Robert Berner aus Yale durch den Vergleich des Verhältnisses von Sauerstoff und Kohlenstoff in alten Gesteinen und Fossilien entwickelt hat.
Nach Berners Modell lag der atmosphärische Sauerstoffgehalt vor etwa 385 Millionen Jahren, zu Beginn der Hexapodenlücke, unter 15 Prozent und damit so niedrig, dass Waldbrände unerträglich gewesen wären. (Zum Vergleich: Die heutige atmosphärische Sauerstoffkonzentration liegt bei etwa 21 Prozent.)
Eine andere Möglichkeit ist, dass Insekten vor 323 Millionen Jahren reichlich vorhanden waren, aber im Fossilbericht nicht auftauchen, weil die Arten von terrestrischen Sedimenten, die sie konservieren können, nicht überlebt haben.
Keine Ausreden
In der neuen Studie, die diese Woche in der Fachzeitschrift Royal Society Proceedings B veröffentlicht wurde, haben Schachat und ihre Kollegen beide Argumente geprüft – dass der niedrige Sauerstoffgehalt die Insekten einschränkte oder dass das Gestein nicht geeignet war, um Fossilien zu erhalten. Zunächst aktualisierte das Team das fast zehn Jahre alte Modell von Berner mit Hilfe aktualisierter Kohlenstoffaufzeichnungen.
Als sie dies taten, verschwand der Einbruch des atmosphärischen Sauerstoffs während des späten Devons. „Was diese Studie zeigt, ist, dass eine Umwelthemmung durch niedrigen Sauerstoff ausgeschlossen werden kann, weil sie mit den aktuellsten Daten nicht vereinbar ist“, sagte der Mitautor der Studie und Stanford-Erdpaläontologe Jonathan Payne.
Um die Hypothese der „schlechten Gesteine“ zu testen, analysierte das Team eine öffentliche Datenbank nordamerikanischer Gesteinsarten für verschiedene Perioden der Erdgeschichte und fand nichts Ungewöhnliches in den Sedimenten des späten Devons. „Die Gesteine hätten Insektenfossilien enthalten können. Die Tatsache, dass dies nicht der Fall ist, deutet darauf hin, dass der Mangel an Insekten in dieser Periode real ist und nicht nur ein Artefakt von Pech bei der Konservierung“, sagte Schachat, der auch ein Fellow an der Smithsonian Institution in Washington, DC ist.
Ein umwälzender Effekt
Nicht nur die beiden populärsten Erklärungen für die Hexapodenlücke scheinen unbegründet zu sein, die Wissenschaftler sagten, dass eine Studie der Insektenfossilien darauf hindeutet, dass die Hexapodenlücke selbst eine Illusion sein könnte.
Als Teil der neuen Studie untersuchte das Team erneut die alten Insektenfossilien und fand keine direkten Beweise für Flügel vor oder während der Hexapodenlücke. Sobald jedoch vor 325 Millionen Jahren Flügel auftauchten, wurden Insektenfossilien weitaus häufiger und vielfältiger.
„Der Fossilbericht sieht genau so aus, wie man es erwarten würde, wenn Insekten selten waren, bis sie Flügel entwickelten, und dann sehr schnell in ihrer Vielfalt und Häufigkeit zunahmen“, sagte Payne.
Schachat sagte, es sei bemerkenswert, dass die ersten beiden geflügelten Insekten im Fossilbericht ein libellenähnliches Insekt und ein heuschreckenähnliches Insekt sind. Diese repräsentieren die beiden Hauptgruppen der geflügelten Insekten: Libellen haben „alte Flügel“, die sie nicht auf ihren Bauch herunterklappen können, und Heuschrecken haben „neue Flügel“, die sich zusammenklappen lassen.
„Die ersten beiden geflügelten Insekten im Fossilbericht sind so unterschiedlich, wie man es nur erwarten kann“, so Schachat. „Das deutet darauf hin, dass sich geflügelte Insekten nach ihrer Entstehung sehr, sehr schnell diversifiziert haben. Und zwar so schnell, dass ihre Diversifizierung aus geologischer Sicht und anhand der Fossilfunde augenblicklich erfolgt zu sein scheint.“
Neue Nischen
Die ersten und einzigen flugfähigen Tiere zu sein, hätte eine große Wirkung gehabt. Der Flug ermöglichte es den Insekten, neue ökologische Nischen zu erforschen und bot ihnen neue Fluchtmöglichkeiten. „Plötzlich kann sich die Anzahl der Tiere erhöhen, weil sie ihren Fressfeinden viel leichter entkommen können“, sagte Schachat. „Sie können auch die Blätter in der Spitze eines Baumes fressen, ohne den ganzen Baum hinaufgehen zu müssen.“
Fliegende Insekten könnten auch Nischen schaffen, die es vorher nicht gab. „Stellen Sie sich ein allesfressendes Insekt vor, das zur Nahrungsaufnahme in die Baumkronen fliegt“, so Schachat. „Plötzlich gibt es eine Nische für ein Raubtier, das in die Baumkrone fliegen kann, um dieses Insekt zu fressen. Mit den Flügeln konnten die Insekten die Zahl der Nischen, die sie besetzen können, erweitern. Das war wirklich revolutionär.“
Die neue Studie bringt zwar die Evolution des Fluges mit dem Aufstieg der Insekten in Verbindung, wirft aber auch neue Fragen darüber auf, wie und warum sie überhaupt Flügel entwickelt haben, so Kevin Boyce, Mitautor der Studie und außerordentlicher Professor für geologische Wissenschaften in Stanford Earth. „Im Devon gab es nur wenige Insekten, die alle flügellos waren“, so Boyce. „Aber wenn man auf der anderen Seite herauskommt, haben wir den Flug. Was ist dazwischen passiert? Gute Frage.“
Payne ist auch Mitglied von Stanford Bio-X und ein Mitglied des Stanford Woods Institute for the Environment. An der Studie sind auch Autoren der Smithsonian Institution, der Ohio State University und der University of Iowa beteiligt.
Finanziert wurde die Studie von der National Science Foundation.