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Die ersten komplexen Zellen

vor etwa 1,8 Milliarden Jahren Meere der Erde

Kurz gesagt

Komplexe Zellen, Eukaryoten genannt, haben einen Zellkern, der die DNA schützt, und viele kleine Teile im Inneren mit verschiedenen Aufgaben. Nach Ansicht der Forschenden waren manche dieser Teile einst freie Bakterien, die in eine andere Zelle gelangten und dort blieben. Die Mitochondrien, die „Kraftwerke“ der Zelle, haben noch immer eine kleine eigene DNA. Die ältesten Fossilien solcher Zellen sind etwa 1,8 Milliarden Jahre alt.

Warum das wichtig ist Komplexe Zellen sind die Grundlage von Tieren, Pflanzen, Pilzen und vielen einzelligen Lebewesen.

Quelle: University of California Museum of Paleontology, „Fossil Record of the Eukaryota“

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Bild: Die ersten komplexen Zellen (Meere der Erde) — Bild, mit KI für Storiascopio erstellt

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Die Geschichte

Zwei Arten von Zellen

Alle Lebewesen bestehen aus Zellen, aber nicht alle Zellen sind gleich. Es gibt zwei große Arten. Die einfachsten Zellen, die der Bakterien und Archaeen, sind klein, und ihre DNA schwimmt frei im Inneren. Die komplexen Zellen, Eukaryoten genannt, sind viel größer, oft zehnmal so lang oder mehr, und ihre DNA ist in einem eigenen Abteil geschützt, dem Zellkern. Innen haben sie auch viele kleine Strukturen mit verschiedenen Aufgaben, die Organellen heißen. Pflanzen, Tiere, Pilze und alle größeren einzelligen Lebewesen, wie die Amöben, bestehen aus eukaryotischen Zellen. Auch du.

Die eukaryotischen Zellen erschienen nach mindestens anderthalb Milliarden Jahren eines Lebens, das nur aus Bakterien und Archaeen bestand. Der genaue Zeitpunkt ist nicht klar. Die ältesten sicheren Fossilien, kleine Kugeln mit verzierter Oberfläche, Akritarchen genannt, sind etwa 1,8 Milliarden Jahre alt, auch wenn sie selten sind und darüber gestritten wird. Untersuchungen der DNA heutiger Lebewesen deuten darauf hin, dass die eukaryotischen Zellen vor 2 bis 1,6 Milliarden Jahren entstanden, in einer Zeit, die die Wissenschaftler mit großem Fehlerspielraum schätzen.

Ein großes Bündnis

Wie entstand eine so komplizierte Zelle? Die am meisten akzeptierte Idee heißt Endosymbiontentheorie, das heißt „Theorie des Bündnisses in der Zelle“. Sie sagt, dass einige Teile der komplexen Zellen ursprünglich unabhängige Bakterien waren. Eines Tages nahm eine größere Zelle ein kleineres Bakterium in sich auf; statt es zu verdauen, begannen die beiden zusammenzuarbeiten. Das Bakterium im Inneren erhielt Schutz und Nahrung, und die Wirtszelle erhielt Energie. Über viele Generationen wurden die beiden untrennbar.

Das Bakterium, das sich in das Mitochondrium verwandelte, das „Kraftwerk“ der Zelle, konnte Sauerstoff nutzen, um aus der Nahrung Energie zu gewinnen. Später kam in manchen Zellen ein zweiter Gast dazu: ein Cyanobakterium, das zum Chloroplasten wurde, dem Organ der Fotosynthese. Die Beweise sind zahlreich. Mitochondrien und Chloroplasten haben eine eigene kleine DNA, ringförmig wie die der Bakterien; sie teilen sich selbstständig in der Zelle, wie es Bakterien täten; sie haben eine doppelte Membran, als wären sie verschluckt worden. Die DNA der Mitochondrien eines Menschen zum Beispiel besteht aus nur 37 Genen und wird fast immer von der Mutter vererbt.

Die Idee wurde Anfang des 20. Jahrhunderts von einigen russischen Forschern vorgeschlagen und 1967 von der amerikanischen Biologin Lynn Margulis nachdrücklich wieder aufgegriffen. Anfangs wurde sie mit viel Skepsis aufgenommen; heute steht sie in den Schulbüchern der ganzen Welt.

Wer war der Wirt?

Es bleibt zu klären, wer die Wirtszelle war. In den letzten Jahren haben die Genetiker die wahrscheinlichste Antwort in einer Gruppe von Archaeen gefunden, die seit 2015 am Meeresboden nahe Grönland entdeckt wurden, bei einer Zone heißer Quellen namens Loki’s Castle, weshalb sie „Asgard-Archaeen“ genannt werden. Sie haben in ihrer DNA viele Gene, die man früher für allein den eukaryotischen Zellen eigen hielt. Es ist also wahrscheinlich (auch wenn nicht alle Forschenden einverstanden sind), dass unsere Zellen aus der Vereinigung eines solchen Archaeons mit einem Bakterium entstanden, das Sauerstoff nutzen konnte. Offen bleibt die Reihenfolge der Schritte: zum Beispiel, ob der Zellkern vor oder nach dem Mitochondrium erschien.

Warum es ein so großer Schritt war

Ein Bakterium hat wenig Platz, um Energie zu halten: Es erzeugt sie entlang seiner Oberfläche. Eine eukaryotische Zelle mit vielen Mitochondrien im Inneren kann viel mehr Energie erzeugen und sich deshalb eine größere DNA, viel mehr Proteine und komplexe Strukturen leisten. Es ist, als ginge man von einem Fahrrad zu einer Fabrik mit vielen kleinen Kraftwerken. Diese zusätzliche Energie ermöglichte auch andere Neuerungen, wie das innere Skelett der Zelle, das es erlaubt, die Form zu ändern und Nahrung aufzunehmen, und später die geschlechtliche Fortpflanzung, bei der sich die DNA zweier Eltern mischt und immer etwas verschiedene Individuen entstehen.

Fast alles, was wir „sichtbares Leben“ nennen, beginnt hier. Lange Zeit blieben die eukaryotischen Zellen aber mikroskopisch klein und lebten einzeln: Der nächste Schritt, sich in einem Körper zusammenzutun, wird in der nächsten Karte erzählt.

Warum es geschah

Die komplexen Zellen entstanden wahrscheinlich deshalb, weil es in einer Welt, die nach der Großen Oxidation schon etwas Sauerstoff hatte, ein großer Vorteil war, mit einem Bakterium zusammenzuleben, das Sauerstoff atmen konnte. Der Wirt konnte in Umgebungen überleben und wachsen, wo Sauerstoff ein Problem gewesen wäre.

Die Aufnahme geschah vielleicht viele Male, aber nur einmal gelang sie auf stabile Weise. Diese Seltenheit ist einer der Gründe, warum man das Erscheinen der komplexen Zellen für ein außergewöhnliches Ereignis hält und dafür, dass das Leben Milliarden Jahre lang einfach blieb.

Wie genau die Dinge abliefen, dazu gibt es verschiedene Hypothesen, und die Debatte ist lebendig. Sicher scheint, dass die Zusammenarbeit, und nicht nur der Wettbewerb, eine wichtige Kraft der Evolution war.

Was sich veränderte

Ohne eukaryotische Zellen gäbe es weder Tiere noch Pflanzen noch Pilze. Viele Folgen dieses Ereignisses sind selbst Ereignisse dieses Zeitstrahls: die vielzelligen Organismen, die Pflanzen an Land, die Fische, die Insekten, die Dinosaurier und die Menschen entstehen alle aus den komplexen Zellen.

Eukaryotische Zellen können sich spezialisieren. Eine Nervenzelle, eine Muskelzelle und eine Hautzelle haben dieselbe DNA, benutzen aber verschiedene Teile und werden sehr unterschiedlich. Das ist dank der inneren Komplexität und der großen verfügbaren Energiemenge möglich.

Zu verstehen, wie Mitochondrien und Zellen funktionieren, ist auch in der Medizin nützlich: Viele seltene Krankheiten hängen von Mitochondrien ab, die nicht gut funktionieren, und die Untersuchung ihrer DNA erlaubt es, die Geschichte der menschlichen Bevölkerungen zu verfolgen. Die Analyse der von den Müttern weitergegebenen Mitochondrien-DNA hat zum Beispiel geholfen, die Wanderungen der Menschheit zu rekonstruieren und Überreste alter Menschen zu identifizieren.

Wichtige Menschen und Orte

Menschen

Lynn Margulis: Amerikanische Biologin (1938-2011). 1967 gab sie der Endosymbiontentheorie Kraft, nach der Mitochondrien und Chloroplasten aufgenommene Bakterien waren.
Konstantin Mereschkowski: Russischer Biologe (1855-1921). Er war einer der Ersten, die 1905 vorschlugen, dass die Chloroplasten von Cyanobakterien abstammen.
Thijs Ettema: Niederländischer Biologe. 2015 entdeckte seine Gruppe die Lokiarchaeota, die ersten einer später Asgard (2017) genannten Familie, enge Verwandte der komplexen Zellen.

Orte

Loki’s Castle, Arktischer Ozean: Gruppe heißer Quellen am Meeresgrund zwischen Grönland und Norwegen, wo die ersten Asgard-Archaeen gefunden wurden.
Meere des Proterozoikums: Die Ozeane von vor 2 bis 1,5 Milliarden Jahren, in denen die ersten Zellen mit Zellkern lebten.
Changcheng, China: Gesteine von etwa 1,6 Milliarden Jahren mit möglichen Fossilien komplexer Zellen.

Gut zu wissen

Der menschliche Körper hat Zehntausende Milliarden Zellen; fast alle Arten haben Mitochondrien, nur die reifen roten Blutkörperchen haben keine.
Eine einzelne Muskelzelle kann Tausende Mitochondrien enthalten, weil sie viel Energie verbraucht.
Die DNA der Mitochondrien wird fast immer nur von der Mutter vererbt, und deshalb benutzt man sie, um die weiblichen Linien von Familien und Bevölkerungen zu erforschen.
Die Mitochondrien heißen so nach dem griechischen mitos, „Faden“, und chondros, „Körnchen“, wegen ihrer unter dem Mikroskop beobachteten Form.
„Loki’s Castle“ verdankt seinen Namen dem Gott der nordischen Mythologie; die dort gefundenen Archaeen wurden nach nordischen Gottheiten benannt: Lokiarchaeota, Thorarchaeota, Odinarchaeota.