Darwin-Jahr 2009

Evolution im Labor

Cyanobakterien helfen dem Populationsgenetiker Homayoun Bagheri, einen der bedeutendsten Schritte in der Evolution des Lebens auf der Erde nachzuvollziehen: den vom Einzeller zum mehrzelligen Organismus.

Ruth Jahn

Wenn Bakterien unterschiedliche Futterquellen erhalten, kommt es zu evolutionären Anpassungen. (Bild: Meinrad Schade)

Am Anfang des Lebens auf unserem Planeten, vor mehr als 3,5 Milliarden Jahren, lebten fast ausnahmslos Einzeller auf der Erde. Kleine, undifferenzierte, simple Organismen, soweit ist sich die evolutionsbiologische Forschergemeinde im Hinblick auf die Entwicklung des Lebens einig.

Doch wie wurden die Lebewesen immer komplexer? Entwickelten sich – quasi als erster Siebenmeilenschritt der Evolution – zunächst verschiedenartige einzellige Spezialisten mit unterschiedlichem Stoffwechsel, die symbiotisch zusammenlebten? Und wuchsen diese dann irgendwann später zu mehrzelligen, heterogenen Zellverbänden zusammen? Oder war es genau umgekehrt? Entwickelten sich zuerst homogene mehrzellige Organismen, die dann in einem zweiten Schritt dazu übergingen, sich zellweise zu spezialisieren, um so die Arbeit des Stoffwechsels und der Vermehrung untereinander aufzuteilen?

Mehrzelligkeit vor Arbeitsteilung

Das zweite Szenario ist wahrscheinlicher, wie die Forschung des Populationsgenetikers Homayoun Bagheri zeigt. Mit mathematischen Modellen zu Cyanobakterien konnten der Wissenschaftler und sein Team herleiten, dass sich im Laufe der Evolution die Mehrzelligkeit vor der Arbeitsteilung und Differenzierung von Zellen herausgebildet haben muss: «Multizellularität scheint eine notwendige Bedingung dafür zu sein, dass sich Zellen in der Evolution differenzierten und begannen, Arbeitsteilung zu betreiben», so Bagheri.

«Diese Hypothese stützen auch grundsätzliche Überlegungen», betont Bagheri und liefert die entsprechende Argumentation: Angenommen, in einer Gemeinschaft von einzelligen, verschieden differenzierten Einzellern entsteht durch zufällige Mutation des Erbguts unter den Nachkommen dieser Einzeller ein einzelner «Betrüger», der sich um Kooperation und das Haushalten mit den vorhandenen Ressourcen foutiert.

So könnte sich dieser parasitäre Betrügertypus einen Überlebensvorteil verschaffen und sich über kurz oder lang durchsetzen, während anders differenzierte Einzeller womöglich ausgerottet würden. «Das Nebeneinander von verschieden differenzierten Einzellern scheint somit in der Evolution ein eher wackeliges Konstrukt», sagt der Populationsgenetiker.

Die Mehrzeller schlagen sich da evolutionsbiologisch besser: Taucht ein eigennütziger «Betrüger» als ein Zelltypus innerhalb eines mehrzelligen Verbandes auf, könnten sich mehrzellige Organismen mit «Betrüger»-Zellen gegen Mehrzeller ohne «Betrüger»-Zellen durchsetzen. «Die Mehrzelligkeit an sich wird dabei kaum ausselektiert, darum sind Mehrzeller in der evolutionären Entwicklung wahrscheinlich ziemlich stabil», erklärt Bagheri.

Bagheris mathematische Modellierungen stützen diese Hypothese. Dass es zunächst Mehrzeller und dann Spezialisten in der Evolution der Cyanobakterien gegeben haben muss, versucht er aber noch anders zu beweisen: durch die Analyse des genetischen Stammbaums von Cyanobakterien.

Der Stammbaum der Cyanobakterien

«Auffällig ist ja, dass bereits unter den allerältesten Mikrofossilien schon einige multizellulär waren. Dass diese demnach schon bald nach der Entstehung des ersten Lebens aufgetaucht sein müssen, lange bevor differenzierte Cyanobakterien dann die sauerstoffhaltige Atmosphäre auf der Erde erschufen», erklärt Bagheri: «Diese Mikrofossilien gleichen übrigens – zumindest äusserlich - den heutigen Mehrzellern unter den Cyanobakterien aufs Haar.» Homayoun Bagheris siebenköpfiges Team hat deshalb einen genetischen Stammbaum von mehreren Dutzend Cyanobakterien erstellt.

Die Analyse der Gene der verschiedenen Cyanobakterien bestätigt die theoretischen Vorhersagen der mathematischen Modelle: Multizellularität ohne Arbeitsteilung findet sich schon unter den ältesten Bakterienarten, während sich die Zelldifferenzierung erst bei jüngeren Cyanobakterienarten herausgebildet hat.

Bleibt die Frage, weshalb heute Einzeller die Mehrzahl der Bakterienarten ausmachen. Homayoun Bagheri: «Ein gutes Beispiel für erfolgreiche Einzeller sind schnell wachsende, pathogene Bakterien wie zum Beispiel Staphylokokken. Diese sind Opportunisten: Sie sind nicht auf Kooperation mit anderen angewiesen und leben ganz nach der Devise ‹Jeder ist sich selbst der nächste›. Evolutionär gesehen geht dieses egoistische Modell – zumindest bei pathogenen Winzlingen – ebenfalls voll auf.»

Evolution miterleben

Auch experimentell versucht sein Forscherteam solche und andere evolutionäre Vorgänge zu ergründen: Die Wissenschaftler lassen etwa zwei Bakterienstämme in Konkurrenz zueinander im Labor wachsen und testen, wie die Stämme auf Veränderungen in ihrer Umgebung wie etwa neuartige Futterquellen reagieren und wie sie dabei interagieren.

Wenn den Bakterien andere Nahrung angeboten wird, könnte man unter Umständen im Laufe einiger Generationen Adaptationsprozesse (genetische und biochemische) bei den Bakterien feststellen: «Wir erleben im Labor einen evolutionären Schritt mit und können so die Evolution besser verstehen lernen. Für mich als Forscher das Spannendste, was es überhaupt gibt», schwärmt Bagheri.  

Ruth Jahn ist freischaffende Journalistin.

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