Raus aus der Ursuppe

Symbiosen – ohne sie würden Sie diesen Artikel nicht lesen können, er hätte niemals geschrieben werden können. Denn es gäbe weder Menschen, noch Pflanzen, Tiere, Pilze oder Protozoen. Alle diese Organismen – jedes Lebewesen außer den Bakterien – bestehen aus eukaryotischen Zellen. Und die Entstehung dieses Zelltyps wäre ohne eine Symbiose nicht möglich gewesen.

Die Entstehung eukaryotischer Zellen wird in der Wissenschaft durch die sogenannte Endosymbionten-Theorie erklärt. Laut dieser Theorie entstanden komplex aufgebaute Zellen mit einem vom Plasma abgegrenzten Zellkern und Zellorganellen aus einer Symbiose von einfacher strukturierten Prokaryonten. Erst durch Bakterien, die als Endosymbionten innerhalb einer größeren Zelle lebten, bildeten sich die Organellen heutiger eukaryotischer Zellen.

Die Entstehung der Mitochondrien

Mitochondrien, die sogenannten Kraftwerke eukaryotischer Zellen entstanden wahrscheinlich folgendermaßen: Drehen wir die Zeit etwa 1,5 Milliarden Jahre zurück. Im Ozean leben photosyntheseaktive Cyanobakterien. Neben der Entstehung von freiem Sauerstoff, der die Atmosphäre langsam aerob macht, bilden sich durch abgestorbene Organismen größere Mengen von kohlenstoffhaltigen Verbindungen.

Diese Akkumulation organischer Substanz stellt eine willkommene Nahrungsquelle für heterotrophe Zellen dar. Die Zellen gewinnen an Größe und entwickeln neben der Fähigkeit, organisches Material durch Phagocytose aufzunehmen, und können neben organischem Material auch kleinere Zellen durch Phagocytose aufnehmen. In der Regel enden diese Zellen als Nahrung, sie werden verdaut.

Vereinzelt kommt es aber vor, dass die aufgenommenen Bakterien im Inneren der größeren Zelle überleben und mit ihrem Wirt interagieren. Es entwickelt sich eine Symbiose, bei der die Wirtszelle das Nahrungsangebot mithilfe der Enzyme aus der Atmungskette der aerob lebenden Bakterien effektiver nutzen kann. Der Endosymbiont dagegen ist im Inneren der größeren Zelle vor veränderten Umwelteinflüssen gesicherter. Ein weiterer möglicher Ursprung der Mitochondrien wäre ein Eindringen bakterieller Parasiten in eine Wirtszelle und eine sich daraus entwickelnde Symbiose.

Mehrmalige Symbiose

Auf eine ähnliche Weise entwickelten sich vermutlich auch die heutigen Chloroplasten pflanzlicher Zellen. Einige der Zellen, die bereits heterotrophe Bakterien aufgenommen hatten, gingen zu einem späteren Zeitpunkt eine weitere Symbiose mit photosynthesetreibenden Bakterien (wahrscheinlich Cyanobakterien) ein. Da die Chloroplasten von Rotalgen, Braunalgen und der grüner Pflanzen unterschiedliche Pigmentmuster aufweisen, nimmt man an, dass dieser Prozess mehrmals parallel abgelaufen sein muss. Das Pflanzenreich ist daher nicht auf eine einzige Ur-Eukaryontenzelle zurückzuführen.

Ob Eukaryonten tatsächlich auf diese Weise entstanden sind, weiß man zwar nicht mit absoluter Sicherheit, aber es gibt zahlreiche Fakten, welche die Endosymbionten-Theorie unterstützen:

Zellorganellen mit mehreren Membranen

So sind Zellorganellen wie Mitochondrien und Plastiden von zwei Membranen umschlossen. Die äußere Membran entstammt dabei vermutlich der Plasmamembran der Wirtszelle, die sich bei der Phagocytose um das eindringende Bakterium schloss. Die innere Membran, die aus der Bakterienmembran entstanden sein könnte, enthält bestimmte Lipide, Enzyme und Transportsysteme, die auch heute noch in rezenten Plasmamembranen von Prokaryonten zu finden sind.

Die DNA der Organellen ist – wie bei Bakterien – ringförmig. Außerdem können Organellen nicht aus der genetischen Information des Zellkerns gebildet werden, sondern vermehren sich durch Zweiteilung auseinander. Der Teilungsprozess erinnert an den der Bakterien. Auch die Ribosomen der Zellorganellen ähneln in ihrem Aufbau eher bakteriellen als eukaryotischen Ribosomen.

Das Exo-Skelett von Kieselalgen kann die unterschiedlichsten geometrischen Formen haben. © Frank Fox / CC-by-sa-3.0

Endosymbiosen

Es gibt allerdings auch Zellorganellen, die mehr als zwei Hüllmembranen besitzen. Solche Plastiden, die unter anderem bei Braunalgen oder Kieselalgen (Diatomeen) zu finden sind, passen auf den ersten Blick nicht in dieses Denkmodell. Inzwischen vermutet man aber, dass neben der „primären“ noch eine „sekundäre“ Endosymbiose stattgefunden hat. Hierbei nimmt eine eukaryotische Zelle eine andere eukaryotische Zelle mitsamt ihrer Organellen auf. Der ursprüngliche Endosymbiont ist dann von der Bakterienmembran, der Membran der ersten und der Membran der zweiten Wirtszelle umschlossen.

Endosymbiosen treten auch heute noch auf. So können einige marine Kieselalgen fakultativ mit fädigen Cyanobakterien in Symbiose leben. Auch hier wird der Symbiont ins Plasma der Wirtszelle integriert. So wiederholt sich auch heute noch diese Art der Symbiose als ein Prozess, der am Anfang allen höheren Lebens stand.

Stand: 22.04.2000