5.7: Die Evolution der Eukaryoten
Die Evolution der Eukaryoten
Unsere eigenen eukaryotischen Zellen schützen die DNA in den Chromosomen mit einer Kernmembran, stellen ATP mit Mitochondrien her, bewegen sich mit Geißeln (im Falle von Spermien) und ernähren sich von Zellen, die unsere Nahrung mit Chloroplasten herstellen. Alle mehrzelligen Organismen und die einzelligen Protisten haben diese zelluläre Komplexität gemeinsam. Bakterielle (prokaryotische) Zellen sind um Größenordnungen kleiner und weisen keine solche Komplexität auf. Welcher Quantensprung in der Evolution hat zu diesem gewaltigen Unterschied geführt?
Die ersten eukaryotischen Zellen – Zellen mit einem Zellkern und internen membrangebundenen Organellen – sind wahrscheinlich vor etwa 2 Milliarden Jahren entstanden. Dies wird durch die Endosymbiontentheorie erklärt. Wie in der Abbildung unten dargestellt, kam es zur Endosymbiose, als große Zellen kleine Zellen verschlangen. Die kleinen Zellen wurden von den großen Zellen nicht verdaut. Stattdessen lebten sie innerhalb der großen Zellen und entwickelten sich zu Organellen.
Von der unabhängigen Zelle zur Organelle. Die Endosymbiontentheorie erklärt, wie sich eukaryontische Zellen entwickelt haben.
Die großen und kleinen Zellen gingen eine symbiotische Beziehung ein, von der beide Zellen profitierten. Einige der kleinen Zellen waren in der Lage, die Abfälle der großen Zelle zur Energiegewinnung abzubauen. Sie versorgten nicht nur sich selbst, sondern auch die große Zelle mit Energie. Sie wurden zu den Mitochondrien der eukaryotischen Zellen. Andere kleine Zellen waren in der Lage, das Sonnenlicht zur Herstellung von Nahrung zu nutzen. Sie teilten die Nahrung mit der großen Zelle. Sie wurden zu den Chloroplasten der eukaryontischen Zellen.
Mitochondrien und Chloroplasten
Was ist der Beweis für diesen Evolutionsweg? Biochemie und Elektronenmikroskopie liefern überzeugende Belege. Die Mitochondrien und Chloroplasten in unseren eukaryotischen Zellen weisen folgende Gemeinsamkeiten mit prokaryotischen Zellen auf:
- Ihre Organellen-DNA ist kurz und zirkulär, und die DNA-Sequenzen stimmen nicht mit den DNA-Sequenzen im Zellkern überein.
- Moleküle, aus denen Organellenmembranen bestehen, ähneln denen in prokaryotischen Membranen – und unterscheiden sich von denen in eukaryotischen Membranen.
- Ribosomen in diesen Organellen ähneln denen von bakteriellen Ribosomen und unterscheiden sich von eukaryotischen Ribosomen.
- Die Vermehrung erfolgt durch binäre Spaltung, nicht durch Mitose.
- Biochemische Abläufe und Strukturen zeigen eine engere Verwandtschaft mit Prokaryonten.
- Zwei oder mehr Membranen umgeben diese Organellen.
Die „Wirts“-Zellmembran und die Biochemie ähneln mehr denen der Archaebakterien, so dass Wissenschaftler glauben, dass Eukaryonten direkter von dieser Hauptgruppe abstammen (Abbildung unten). Der Zeitpunkt dieses dramatischen evolutionären Ereignisses (eher eine Reihe von Ereignissen) ist unklar. Das älteste Fossil, das eindeutig mit modernen Eukaryoten verwandt ist, ist eine Rotalge, die vor 1,2 Milliarden Jahren entstand. Viele Wissenschaftler gehen jedoch davon aus, dass eukaryotische Zellen erst vor etwa 2 Milliarden Jahren entstanden sind. Irgendwann im Proterozoikum haben sich also alle drei großen Gruppen des Lebens – Bakterien, Archaeen und Eukaryoten – etabliert.
Was bedeutet das alles?
Eukaryotische Zellen, die durch Endosymbiose ermöglicht wurden, waren leistungsstark und effizient. Diese Kraft und Effizienz gaben ihnen das Potenzial, neue Eigenschaften zu entwickeln: Vielzelligkeit, Zellspezialisierung und Größe. Sie waren der Schlüssel zu der spektakulären Vielfalt an Tieren, Pflanzen und Pilzen, die heute unsere Welt bevölkern. Dennoch sollten wir zum Abschluss der Geschichte des frühen Lebens noch einmal über die bemerkenswerten, aber oft unbesungenen Muster und Prozesse der frühen Evolution nachdenken. Als Menschen richten wir unsere Aufmerksamkeit oft auf Pflanzen und Tiere und ignorieren die Bakterien. Unsere menschlichen Sinne können die unvorstellbare Vielfalt einzelner Zellen, die Architektur organischer Moleküle oder die komplizierten biochemischen Abläufe nicht direkt wahrnehmen. Lassen Sie sich durch das Studium der frühen Evolution eine neue Perspektive eröffnen – ein Fenster zur Schönheit und Vielfalt unsichtbarer Welten, heute und im Laufe der Erdgeschichte. Zusätzlich zu den Mitochondrien, die in Ihren 100 Billionen Zellen zu Hause sind, enthält Ihr Körper mehr Bakterienzellen als menschliche Zellen. Sie, die Mitochondrien und die in Ihrem Körper lebenden Bakterien haben eine gemeinsame Abstammung – eine kontinuierliche Geschichte des Geschenks des Lebens.
Die drei Hauptbereiche des Lebens haben sich vor 1,5 Milliarden Jahren entwickelt. Biochemische Ähnlichkeiten zeigen, dass die Eukaryoten jüngere gemeinsame Vorfahren mit den Archaeen haben, aber unsere Organellen stammen wahrscheinlich von Bakterien durch Endosymbiose ab.