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Zellbiologie: Der Schritt zum komplexen Leben

Alle Tiere, Pflanzen und Pilze bestehen aus Zellen, die einen Kern besitzen; so auch wir Menschen. Der grundlegende Bauplan einer solchen eukaryotischen Zelle entstand nur ein einziges Mal in vier Milliarden Jahren. Ohne diesen Schritt in der Evolution wäre komplexes Leben nicht möglich gewesen – aus Energiemangel.
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Vor rund vier Milliarden Jahren entstand das Leben auf der Erde. Lange kam es nicht über das Stadium einfach aufgebauter Bakterien hinaus – bis zu einem entscheidenden Evolutionssprung: Zwei dieser primitiven Organismen verschmolzen zu einer Einheit. Der eine wurde dabei ein Teil des anderen, ein so genannter Endosymbiont. Er verlor seine Eigenständigkeit, indem er einen Teil seiner Gene und Funktionen an die ihn umschließende Zelle abgab, und entwickelte sich zu einem Organ zurück, das der Energiegewinnung dient: zum Vorfahren der heutigen Mitochondrien. Diese Entstehung der "zellulären Kraftwerke" dürfte der wesentliche Schritt in der Evolution gewesen sein, der die Entwicklung von komplexem Leben überhaupt erst ermöglichte.

Die ursprünglichen Organismen heißen Prokaryoten und umfassen Bakterien (Eubakterien) und Archaeen (Archaebakterien). Im Wesentlichen handelt es sich dabei um Flüssigkeitsansammlungen, die von einer dünnen Membran sowie einer festeren Zellwand umschlossen sind. In ihnen schwimmen Moleküle unterschiedlichster Größe herum und vollziehen sich die lebensnotwendigen biochemischen Reaktionen. Prokaryoten besitzen weder einen Zellkern noch sonstige kompliziertere innere Strukturen. Im Gegensatz dazu sind die Eukaryoten wesentlich komplexer aufgebaut und verfügen über einen echten Zellkern. Zu ihnen gehören neben verschiedenen Einzellern wie der Amöbe alle heutigen vielzelligen Organismen – Pflanzen, Pilze und Tiere.

Komplexe Lebewesen bestehen also ausnahmslos aus eukaryotischen Zellen. Diese sind im Durchschnitt 10 000- bis 100 000-mal so groß wie Prokaryoten und besitzen viel mehr unterschiedliche Gene und Proteine. Doch was genau ihre höhere Komplexität ermöglicht, ist bislang unklar geblieben. Denn wenn man lange genug danach sucht, findet man praktisch jedes ihrer Merkmale auch bei einzelnen Prokaryoten, allerdings immer nur eines davon: kernähnliche Strukturen, innere Membranen, lineare statt kreisförmige Chromosomen, mehr als zwei Chromosomensätze, Riesengröße, dynamische Zellskelette, ja sogar Räuber-Beute-Beziehungen und Parasitismus. ...

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  • Quellen

Cox, C. J. et al.: The Archaebacterial Origin of Eukaryotes. In: Proceedings of the National Academy of Sciences 105, S. 20356 – 20361, 2008

Koonin, E. V.: The Origin and Early Evolution of Eukaryotes in the Light of Phylogenomics. In: Genome Biology 11, 209, 2010

Lane, N., Martin, W.: The Energetics of Genome Complexity. In: Nature 467, S. 929 – 934, 2010

Müller, M. et al.: Biochemistry and Evolution of Anaerobic Energy Metabolism in Eukaryotes. In: Microbiology and Molecular Biology Reviews 76, S. 444 – 495, 2012

Rocher, C., Letellier, T.: Influence of Mitochondrial DNA Level on Cellular Energy Metabolism: Implications for Mitochondrial Diseases. In: Journal of Bioenergetics and Biomembranes 40, S. 59 – 67, 2008