Power, Sex, Suicide – Nick Lane

Früher dachte man, dass Mikroben immer wieder neu aus totem Material entstehen – einen Prozess, den man Abiogenese nannte. Vor allem die Verbesserung der Mikroskopie-Techniken führte allerdings dazu, dass man von dieser Vorstellung Abschied nehmen musste. Im 19. Jahrhundert wurde die Zelltheorie formuliert, die sagt, dass Lebewesen aus Zellen bestehen und dass Wachstum die Bildung von mehr Zellen durch Zellteilung bedeutet.
powersexsuicide
Es gibt zwei große Klassen von Zellarten: die Eukaryoten und die Prokaryoten. Eukaryotische Zellen besitzen einen Zellkern, in dem die DNA sitzt und vom Rest der Zelle isoliert ist. Bei Prokaryoten gibt’s keinen Zellkern. Das ist der wesentliche Unterschied. Prokaryoten werden nochmal unterteilt in Bakterien und Archaeen, die sich z. B. in der Zusammensetzung ihrer Zellmembran, die die Umwelt vom Inneren der Zelle trennt, oder in der Verpackung ihrer DNA mit Proteinen unterscheiden. Bakterien, Archaeen und Eukaryoten stellen die drei großen Domänen des Lebens dar. Jede Zelle auf dem Planeten gehört in eine der drei Sparten.

Leben gibt es auf der Erde seit etwa 3,5 Milliarden Jahren und für lange Zeit sah das Leben nicht besonders spektakulär aus: Es gab einzellige Bakterien und Archaeen. Vor etwa zwei Milliarden Jahren passierte aber anscheinend etwas ziemlich Unwahrscheinliches, eine Archaeen-Zelle nahm ein Bakterium auf und es kam zu einer Symbiose. Die Archaeen-Zelle versorgte das Bakterium mit Nahrung und das Bakterium dankte es damit, dass es die Nahrung in chemische Energie in Form eines Stoffes names Adenosintriphosphat (ATP) zurückgab.

So unwahrscheinlich sich das auch anhört, aber die Endosymbionten verloren mit der Zeit einen Teil ihrer Gene, die sich aber im Wirtsgenom ansammelten – den Prozess kann man tatsächlich noch heute im Labor beobachten. Die Endosymbionten waren damit nicht mehr selbstständig, sondern von ihrer Wirtszelle abhängig, man nennt sie semi-autonom. Diese Endosymbionten heißen Mitochondrien und die Verschmelzung zweier Domänen des Lebens war die Geburt der eukaryotischen Zelle.

So sieht ein typisches Mitochondrion aus. Mit äußerer und innerer Membran, die sehr stark zu sog. Cristae eingefaltet ist. Bild: gemeinfrei.

So erzählt es der Wissenschaftsjournalist Nick Lane in seinem 2006 erschienen Buch „Power, Sex, Suicide – Mitochondria and the Meaning of Life“. Lane betrachtet eukaryotische Zellen, die Evolution mehrzelligen Lebens, die Entstehung mophologischer Komplexität, sexuelle Reproduktion und vieles mehr aus dem Blickwinkel der Mitochondrien. Das komplette Buch ist in einem verständlichen Stil geschrieben, ohne allzu viel Jargon. Aber es ist durchaus anspruchsvoll. Lane legt zunächst Fakten vor und lässt den Leser an der Interpretation teilhaben. Man darf mit ihm zusammen ein bisschen Detektiv spielen. Da sich auch die Fachleute in ihren Schlussfolgerungen nicht immer ganz einig sind, wägt Lane die Argumente ab und überlegt, welche Seite vermutlich recht hat.

Einen Aspekt des Buches fand ich besonders faszinierend. Bakterien sind wahnsinnig gut darin, aus so gut wie allem Energie zu gewinnen. Ihr Stoffwechsel ist vielfältig und komplex. Aber sie sind klein, einzellig und unter einem Elektronenmikroskop unglaublich langweilig anzuschauen. Eukaryoten dagegen sind biochemisch nicht besonders divers. Ihr Stoffwechsel ist immer recht ähnlich.

Dafür gibt es bei ihnen richtig viel zu sehen. Sie sind viel größer: Ein durchschnittliches Bakterium ist ungefähr 1 µm  – einen tausendstel Millimeter – groß, während zum Beispiel eine menschliche Eizelle einen locker hundertmal größeren Durchmesser hat. Außerdem besitzen Eukaryoten einen Zellkern, mehrere andere Organellen (wörtlich „kleine Organe“), können verschiedenste Formen annehmen und sind of mehrzellig. Alle Tiere und Pflanzen sind Eukaryoten. Aber warum sollten Bakterien oder Archaeen während ihrer langen Evolution nicht auch Zellen entwickelt haben, die etwas spektakulärer aussehen oder größer sind. Irgendeinen Vorteil muss das ja schließlich haben, sonst wären diese Merkmale bei Eukaryoten ja nicht entstanden. Wenn man größer ist, kann man zum Beispiel schon mal nicht so leicht gefressen werden.

Lanes Antwort auf diese Frage ist, dass Bakterien keine Mitochondrien haben, die sie mit Energie versorgen. Bakterien erzeugen Energie über ihre Zellmembran. Sie schleußen Protonen aus der Zelle aus und wenn die Protonen wieder ins Zellinnere fließen, tun sie das durch einen Protein, das wie eine Turbine funktioniert und diese Bewegungsenergie in chemische Energie (ATP) umwandelt. Das wird in diesem (leider englischen) Video schön gezeigt:

Blöd: wenn Bakterien größer werden, wächst ihr Zellvolumen schneller als ihre Oberfläche. Wir stellen uns vor, eine Zelle wäre würfelförmig (das sind sie im Übrigen recht selten…) und hätte eine Kantenlänge von 1 µm. Damit hat sie ein Volumen von 1 µm x 1 µm x 1 µm = 1 µm3 und eine Fläche von 6 x 1 µm x 1 µm = 6 µm2. Wenn sich die Kantenlänge auf 10 µm erhöhen würde, betrüge das Volumen schon 10 µm x 10 µm x 10 µm = 1000 µm3, hat sich also vertausendfacht. Die Zelle hat dann eine Fläche von 6 x 10 µm x 10 µm = 600 µm2; sie ist nur um den Faktor 100 gewachsen. Über die Zelloberfläche wird aber die Energie erzeugt, es muss jetzt aber viel mehr Zellvolumen versorgt werden, das die ganze Energie verbraucht. Und das funktioniert nicht. Deshalb können Bakterien vermutlich eine bestimmte Größe nicht überschreiten.

Aber wie lösen Mitochondrien das Problem? Mitochondrien nutzen ebenfalls einen Protonenfluss über eine Membran und eine ganz ähnliche Turbine. Aber Mitochondrien sind im Inneren von Zellen und atmen über ihre INNERE Membran (Mitochondrien haben eine innere und eine äußere Membran). Diese Membran ist sehr stark eingefaltet, um die Fläche zu vergrößern und dementsprechend mehr Energie für ein größeres Zellvolumen zur Verfügung zu stellen. Eigentlich ist die Erklärung für das unterschiedliche Aussehen und die unterschiedliche Größe von Bakterien und Eukaryoten wunderbar einfach!

Lane erläutert außerdem die wichtige Rolle von Mitochondrien, wenn sich Zellen gewollt selbst zerstören (der menschliche Embryo hat zum Beispiel „Schwimmhäute“ zwischen den Fingern, diese verschwinden aber, wenn sich diese Zellen selber um die Ecke bringen), der Entwicklung der Warmblütigkeit oder der sexuellen Reproduktion. Wer wissen möchte, warum Mitochondrien immer noch einen kleinen Teil ihrer Gene behalten haben und was das mit der Entstehung von genau zwei Geschlechtern zu tun haben könnte (warum nicht drei Geschlechter – oder unendlich viele, jeder mit jedem, das würde die Partnerwahl deutlich erleichtern…), der sollte mal in das Buch von Lane reinschauen.

Mir hat es großen Spaß gemacht mitzudenken, auch wenn ich nicht jeden Gedankenschritt hundertprozentig nachvollziehen konnte und ich glaube, dass Lane die prominente Rolle von Mitochondrien bei manchen Prozessen vielleicht überschätzt. Reinlesen lohnt sich auf jeden Fall. Man lernt einen anderen Blickwinkel auf Zellen und deren Evolution kennen.

Was jetzt noch fehlt: ein ähnliches Buch über Chloroplasten, die in Pflanzen für die Photosynthese sorgen. Die sind nämlich auch über Endosymbiose entstanden und zwar von einer eukaryotischen Zelle mit einem Cyano-Bakterium. Das müsste doch auch genug Stoff für ein interessantes Buch bieten…

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