Chitin-Protein in fossilen Arthropoden aus dem Paläozoikum

Das Außenskelett (Cuticula) von Gliederfüßern (Arthropoda), welches diese Organismen umhüllt und stabilisiert, ist aus Kompositmaterial aufgebaut. Dieses besteht typischer­weise aus Chitin, einem Polysaccharid aus N-Acetylglucosamin, und Strukturproteinen. Chitin gleicht in seinem Aufbau der Cellulose, einem Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände, wobei eine OH-Gruppe durch eine Aminogruppe ersetzt ist, welche (meist) zusätzlich noch eine Acetylgruppe trägt. Das Außenskelett von Arthropoden ist darüber hinaus noch mit einer Wachsschicht überzogen.

Chitin wird in riesigen Mengen biosynthetisch von verschiedensten Organismen produziert und ist nach Cellulose das zweithäufigste Biopolymer. Beide am Aufbau der Cuticula der Arthropoden beteiligten Komponenten, Chitin und Proteine, werden von Mikroorganismen mit Hilfe entsprechender Enzyme sehr effizient abgebaut. Dennoch sind fossile Arthropoden aus der Zeit bis zurück zum Paläozoikum bekannt, in welchen organische Reste erhalten geblieben sind.

Mit massenspektrometrischen Methoden (Pyrolyse GC-MS) waren molekulare Hinweise auf Chitin in Fossilien bis zurück ins Tertiär gefunden worden. In älteren fossilen Cuticula-Resten von Garnelen, Seeskorpionen und Skorpionen konnten jedoch nur geradkettige, gesättigte Kohlenwasserstoffe (mit 9-22 C-Atomen) und in geringeren Mengen Alkylphenole und -benzole nachgewiesen werden. Diese Befunde wurden als Hinweise darauf interpretiert, dass in diesen fossilen Cuticula die Chitinreste fehlen und durch Fettsäuren ersetzt worden sind, die unspezifisch polymerisiert seien.

Jetzt haben Cody et al. (2011) eine Arbeit vorgelegt, in der sie durch Anwendung von speziellen Methoden der Röntgenabsorptionsspektroskopie (XANES) verschiedene Proben von Arthropoden-Außenskeletten untersucht haben. Durch die gezielte Analyse von Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und Sauerstoff (O) erlaubt die Methode den Nachweis von bestimmten chemischen Verbindungstypen.

Diese Untersuchungsmethode wendeten die Autoren an auf einen fossilen Seeskorpion (Eurypterus dekayi) aus dem Silur (Williamsville Formation aus Ridgemont Quarry, Ontario, Kanada; datiert auf ca. 417 Millionen Jahre) und das Fossil eines Skorpions aus dem Oberkarbon (Mittleres Pennsylvanium aus Nord-Illinois, USA; datiert auf ca. 310 Millionen Jahre). Für beide Fossilien werden außerdem Befunde angeführt, die darauf hindeuten, dass diese seit ihrer Ablagerung nicht übermäßig erhitzt worden sind. Zu Vergleichszwecken wurde auch die Cuticula eines modernen Skorpions (Heterometrus spinifer) sowie reines Chitin analysiert.

Die Untersuchungen bestätigen auch für die fossile Cuticula einen geschichteten Aufbau als Kompositmaterial. Der Chitin-Protein-Komplex ist im Vergleich zu modernem Material chemisch deutlich verändert, aber immer noch reich an N. Die Fettsäuren scheinen als Ester mit den OH-Gruppen der N-Actelylglucose verknüpft zu sein und bilden durch ihre hydrophoben Alkylreste eine Schutzschicht, welche den bereits von Abbauprozessen gekennzeichneten Chitin-Protein-Komplex vor vollständigem Abbau durch biochemische oder hydrolytische Prozesse schützt.

Die Autoren gehen davon aus, dass ein großer Anteil des in den Fossilien vorhandenen Kohlenstoffs aus dem Chitin-Protein-Komplex stammt und dass dieser aufgrund der chemischen Modifikation durch die Fettsäuren aus der Wachsschicht mit den bisher angewendeten Analysemethoden nicht nachweisbar war.

Dabei bleibt erstaunlich, dass das organische Material aus dem Außenskelett von Arthropoden überhaupt die den Fossilien zugeordneten langen Zeiten überdauert hat.

H. Binder

[Cody GD, Gupta NS, Briggs DEG, Kilcoyne ALD, Summons RE, Kenig F, Plotnick RE & Scott AC (2011) Molecular signature of chitin-protein complex in Paleozoic arthropods. Geology 39, 255-258.]