Mehrere neue Studien könnten Licht auf eine Schlüsselphase in der Geschichte des Lebens werfen: die Entstehung komplexer Zellen vor zwei Milliarden Jahren. Experten haben seltene Mikroorganismen in den Ozeanen und auf dem Land entdeckt, die einen Übergang zwischen einfachen und komplexen Zellen darstellen.
Die Unterschiede zwischen komplexen Zellen, wie sie im menschlichen Körper vorkommen, und einfachen Mikroben wie E. coli sind frappierend. Komplexe Zellen sind voller Kompartimente oder getrennter Teile, wie dem Zellkern, der die DNA speichert, und den Mitochondrien, die Enzyme enthalten, die die Zelle mit Energie versorgen. Komplexe Zellen verfügen auch über ein internes Netzwerk, das es ihnen ermöglicht, ihren Platz zu wechseln, indem sie Teile ihrer Struktur abbauen und neue Erweiterungen aufbauen. Nichts davon findet sich in E. coli Bakterien: Es gibt kein Skelett, keine Mitochondrien und keinen ausgeprägten Zellkern.
Diese und viele andere Unterschiede bilden eine der wichtigsten Unterteilungen in der Welt der Lebewesen. Arten mit komplexen Zellen sind die Eukaryoten, zu denen Tiere, Pflanzen und Pilze sowie einige einzellige Organismen gehören. Und E. coli und ähnliche einfache Mikroben sind Prokaryoten.
Prokaryonten entstanden vor mehr als vier Milliarden Jahren, Eukaryonten entwickelten sich viel später, vor etwa 2 bis 2,5 Milliarden Jahren.
Die Frage, wie sich die einfacheren Prokaryonten zu den komplexen Eukaryonten entwickelt haben, hat die Experten jahrzehntelang vor ein Rätsel gestellt. In den 1990er Jahren wurde bei einer sorgfältigen Untersuchung der Mitochondrien, den Energiequellen der eukaryontischen Zellen, ein wichtiger Hinweis entdeckt. Sie entdeckten in den Mitochondrien eine kleine Gruppe von Genen, die nicht wie die DNA im Zellkern aussahen. Stattdessen stellte sich heraus, dass Mitochondrien eine enge genetische Verbindung zu Bakterien haben, die aus Sauerstoff Treibstoff herstellen.
Diese Entdeckung deutet darauf hin, dass die Vorfahren der Eukaryoten sauerstoffbetriebene Bakterien beimpften und diese dann zur Herstellung ihres eigenen Treibstoffs nutzten. Diese Entdeckung ließ jedoch noch viele Fragen über Eukaryoten unbeantwortet. Was für ein Organismus könnte zum Beispiel die erste Zelle gewesen sein, die Mitochondrien eingebaut hat?
Jagd auf die Asgards
Im Jahr 2015 machten die Forscher eine weitere wichtige Entdeckung. Sie extrahierten DNA-Fragmente aus dem Sediment des arktischen Meeresbodens und stellten das vollständige Genom der dort lebenden Mikroben zusammen. Eine dieser Mikroben war mit nichts vergleichbar, was sie je zuvor gefunden hatten: eine Prokaryote, die viele Gene enthielt, die zuvor nur bei Eukaryoten zu finden waren. Unter diesen eukaryotischen Genen befanden sich einige, die am Aufbau des Zellskeletts beteiligt waren. Andere halfen bei der Bildung von Kompartimenten, in denen eukaryotische Zellen überflüssige Proteine abbauen.
Experten haben sich auf die Suche nach weiteren Mitgliedern dieser eukaryontischen Linie gemacht. Die Suche verlief zunächst äußerst schleppend, und die meisten Entdeckungen wurden durch Proben gemacht, die in Tiefseesedimenten gefunden wurden. Dieser besondere Stammbaum wurde Asgard genannt, nach der Heimat der Götter der nordischen Mythologie.
Brett Baker, ein Mikrobenökologe an der Universität von Texas, hat in den letzten Jahren daran gearbeitet, die Suche zu beschleunigen. Er und seine Kollegen haben Expeditionen in die Tiefsee vor der kalifornischen Küste und in flache Küstengewässer in China organisiert, um Asgard zu finden. Das Labor setzte dann leistungsstarke neue Techniken ein, um die DNA der seltenen Mikroben zu finden.
Die Forschung war erfolgreich, wie die Experten kürzlich berichteten: 404 neue Asgard-Arten wurden während ihrer Expeditionen gefunden. Außerdem stellten sie fest, dass frühere Forschungsdatenbanken weitere 30 Asgard-Genome enthielten, die bisher übersehen worden waren. In einer einzigen Studie haben die Experten die Zahl der bekannten Asgard-Arten fast verdoppelt.
"Die Zahl der Asgard explodiert und ein Ende ist nicht in Sicht"
- sagt John Archibald, ein Evolutionsbiologe an der Dalhousie University in Kanada, der nicht an der neuen Studie beteiligt war.
Viele der neuen Asgard-Mikroben leben in der Tiefsee, andere in Küstengewässern. Wieder andere leben an Land, in einer Vielzahl von Lebensräumen, die von Permafrost-Tundra bis zu warmen Lagunen reichen. Obwohl sie nicht sehr häufig vorkommen, sind sie sehr weit verbreitet. "Wenn man in den Garten geht und den Boden untersucht, findet man Asgards", sagt Baker.
Auf frischer Tat ertappt
Auch wenn die Experten immer besser in der Lage sind, Asgard-DNA zu finden, haben sie immer noch Schwierigkeiten, die Zellen lebender Asgard zu untersuchen. Christa Schleper, Mikrobiologin an der Universität Wien, und ihre Kollegen haben acht Jahre lang versucht, herauszufinden, wie man Asgard-Zellen kultivieren kann, die in sauerstoffarmen Sedimenten vor der Küste Sloweniens gefunden wurden.
Schließlich setzten sie einige lebende Asgard auf Glasplatten und nahmen sie mit einer Videokamera auf.
Als sie die Aufnahme beschleunigten, konnten sie sehen, wie die Mikroben über die Platte krabbelten - das erste Mal, dass jemand diese Lebewesen in Bewegung gesehen hatte.
Die Bewegung der Asgarden hat aufregende neue Hinweise auf den Ursprung der Eukaryoten geliefert. Sie krabbeln, indem sie ihr Zellskelett umgestalten und lange "Tentakel" ausbilden, um die Platte zu erreichen und zu greifen. Prokaryoten bewegen sich nicht auf diese Weise, aber Eukaryoten schon. Die Videos deuten also darauf hin, dass die Asgards mehrere Schlüsselmerkmale von Eukaryoten entwickelt hatten, wie z. B. ein Skelett zum Kriechen, lange bevor Eukaryoten auftauchten.
Die Vorfahren der Mitochondrien müssen sauerstoffatmende Mikroben gewesen sein und daher in einer sauerstoffreichen Umgebung gelebt haben. Asgardianer, die in sauerstofffreien Sedimenten lebten, können ihnen nicht begegnet sein. Bakers neue Forschung liefert jedoch einige Hinweise darauf, wie es zu dieser monumentalen Begegnung gekommen sein könnte. Die Forscherin und ihre Kollegen haben mehrere neue Asgard gefunden, die in sauerstoffreichen Küstengewässern leben. Und eine genaue Untersuchung ihrer Gene zeigt, dass sie Sauerstoff für ihren Stoffwechsel nutzen. "Sie scheinen Sauerstoff einzuatmen und organischen Kohlenstoff zu verbrauchen - was uns sehr vertraut ist, denn das ist es, was wir tun", sagt Baker.
Experten gehen daher davon aus, dass sich Eukaryoten bereits in der Frühzeit der Erde entwickelt haben, als es noch keinen Sauerstoff gab. Die frühen Asgard-Mikroben entwickelten sich mit einem Zellskelett, mit dem sie auf dem Meeresboden herumkrabbelten. Vor etwa 2,5 Milliarden Jahren begann sich die Atmosphäre der Erde zu verändern.
Sauerstoff beginnt zu erscheinen
Bestimmte Bakterien begannen mit der Photosynthese, wodurch sie Kohlendioxid und Sonnenlicht zum Gedeihen nutzen konnten. Dabei setzten sie Sauerstoff als Nebenprodukt frei. Der Sauerstoff reicherte sich allmählich in der Atmosphäre an und drang in die flachen Küstengewässer ein.
Für viele Mikroben war der entstehende Sauerstoff giftig. Doch einige Asgard, die in den Küstengewässern lebten, passten sich an den Sauerstoff an und begannen, von ihm zu leben.
"Sie gaben diese Fähigkeit dann an die Eukaryoten weiter", spekuliert Baker. Der Forscher vermutet auch, dass die Asgard in den sauerstoffreichen Küstengewässern auf Bakterien trafen, die sich später zu Mitochondrien entwickelten. In der Meeresstudie des Teams vor der Küste Chinas wurden in derselben Sedimentschicht wie bei den Asgard auch Bakterien gefunden, die eng mit Mitochondrien verwandt sind.
Nachdem die Asgard Mitochondrien erworben hatten, beschleunigte sich ihr auf Sauerstoff basierender Stoffwechsel dramatisch. Sie verfügten über eine reichhaltige Energieversorgung, die es ihnen ermöglichte, größer zu werden und mehr Fähigkeiten zu erlangen, wie z. B. die Jagd auf Prokaryoten. Die Welt wurde grundlegend verändert.
Wie Kathryn Appler, eine Mikrobenökologin am Institut Pasteur, die mit Baker an der neuen Studie gearbeitet hat, erklärt, muss man glücklicherweise nicht zwei Milliarden Jahre zurückgehen, um diese Hypothese zu überprüfen. Stattdessen reicht es aus, die heutigen Küstengewässer weiter zu untersuchen. Es ist möglich, dass die heute lebenden Asgardianer denselben Weg wie die ersten Eukaryoten gehen und enge Partnerschaften mit Bakterien eingehen. "Manchmal frage ich mich nachts, was wohl heute in den Sedimenten passiert", sagt Appler.
