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Wie die ersten komplexen Zellen entstanden

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Aus zwei einfachen Zellen wird eine komplexe: eukaryotische Zelle (rechts), zwei Prokaryoten (links). (Bild: William Martin)
Unsere Zellen haben „Organe“: Alle höheren Lebewesen sind aus sogenannten eukaryotischen Zellen aufgebaut, die sich von denen der prokaryotischen Bakterien deutlich unterscheiden. Die markantesten Organellen der komplexen Zellen sind dabei die Mitochondrien. Doch wie und warum kamen die ersten eukaryotischen Zellen zu diesen „Kraftwerken“? Eine Studie belegt nun die Theorie, dass ursprünglich wohl Wasserstoffbedarf der Grund war: Die Mitochondrien scheinen aus Wasserstoff erzeugenden Bakterien hervorgegangenen zu sein, die sich die Urzellen einst einverleibt haben.

Man geht heute davon aus, dass die komplexen Zellen der höheren Lebewesen durch sogenannte Endosymbiose entstanden sind: Im Wurzelbereich der Evolutionsgeschichte nahmen irgendwann prokaryotische Einzeller andere Mikroben in sich auf und bildeten schließlich eine Einheit: Der aufgenommene Symbiont wurde schließlich zu einem Bestandteil seiner Wirtszelle – er bildete ein Organell der Wirtszelle. Dies gilt bereits lange auch als der Ursprung der Mitochondrien – der Kraftwerke aller komplexen Zellen. Die offene Frage blieb bisher aber: Was war die Wirtszelle und welchem Zweck diente die Endosymbiose am Anfang? Die Studie der Forscher um Filipa Sousa von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf werfen nun mehr Licht auf diese Frage.

„Besondere“ Einzeller unter der Lupe

Ihre Untersuchungen basieren auf einem früheren bahnbrechenden Fund im Rahmen der Endosymbionten-Forschung: Wissenschaftler um Christa Schleper von der Universität Wien hatten durch Vergleiche die nächsten heute noch existierenden Verwandten der Wirtszellen entdeckt, aus denen die Eukaryoten einst hervorgingen. Es handelt sich um einen Archaeen-Stamm, Lokiarchaeon genannt, kurz „Loki“. Diese Wesen haben die Düsseldorfer Forscher nun erneut genau unter die Lupe genommen.

Die genetischen Analysen von Loki zeigten: Das Genom der Mikroben enthält bestimmte Gene, die seine Wasserstoffabhängigkeit belegen. Mit andern Worten: Loki ist im Gegensatz zu anderen Mikroorganismen auf Wasserstoff von außen angewiesen. Er dient als chemischer Brennstoff, aus dem Zellen biologisch nutzbare Energie in Form von ATP gewinnen. Im Gegensatz zu den Archaeen bilden viele Bakterien Wasserstoff als Abfallprodukt ihrer Energiegewinnung. Interessanterweise ist dieser Prozess aber auch von Mitochondrien bekannt.

Den Forschern zufolge legen die Ergebnisse deshalb nun nahe: Der Wasserstoffbedarf könnte eine Rolle bei der Entstehung der Mitochondrien gespielt haben. Von Wasserstoff abhängige Ur-Archaeen, die Loki ähnelten, könnten sich einst einen Wasserstoff produzierenden Einzeller einverleibt haben. So sicherten sie sich die Eigenproduktion dieses wichtigen Stoffes und die Evolutionsgeschichte bekam eine neue Basis, von der aus sich neue Lebensformen entwickelten.

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Originalarbeit der Forscher:

© wissenschaft.de – Martin Vieweg
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