Symbiogenese

Grundidee und Bedeutung

Symbiogenese bezeichnet die Verschmelzung von zwei oder mehreren verschiedenen Organismen zu einem einzigen neuen Organismus. Die Theorie ergänzt die Evolutionstheorie: Neue Zellorganellen, Organe oder Arten können demnach nicht nur durch Veränderung einzelner Abstammungslinien, sondern auch durch symbiotische Beziehungen und Zusammenschlüsse verschiedener Arten entstehen.

Daraus folgt, dass Stammbäume des Lebens nicht ausschließlich Verzweigungen zeigen müssen. Sie können sich auch wieder vernetzen, wenn Organismen oder ihre Erbinformation miteinander verschmelzen. Symbiogenese erklärt damit insbesondere, wie die biologische Komplexität und die innerhalb einer Art verfügbare Erbinformation zunehmen können.

Entstehung eukaryotischer Zellen

Ein zentrales Beispiel ist die Endosymbiontentheorie. Sie besagt, dass bestimmte Organellen eukaryotischer Zellen, vor allem Mitochondrien und Plastiden, aus ursprünglich selbstständigen Einzellern hervorgegangen sind. Diese Einzeller ohne Zellkern wurden von voreukaryotischen Urzellen durch Endocytose aufgenommen und lebten anschließend als Endosymbionten, also als dauerhaft im Inneren einer anderen Zelle lebende Partner, weiter.

Nach der modernen Darstellung entstanden die Eukaryonten mit ihren Mitochondrien vor etwa 2,2 Milliarden Jahren durch die endosymbiotische Verschmelzung eines Archaeons mit einem aeroben Bakterium. Bei einer zweiten endosymbiotischen Fusion vor etwa 1,6 Milliarden Jahren wurden aus Cyanobakterien hervorgegangene Chloroplasten aufgenommen. Dadurch entstanden die grünen Pflanzen.

Das historische Modell von Konstantin Mereschkowsky aus dem Jahr 1905 nahm ebenfalls zwei Einbindungen endosymbiotischer Bakterien an. Es erklärte die Entstehung des Zellkerns durch die erste Symbiose und die Entstehung der Chloroplasten durch die zweite. Mitochondrien wurden in diesem Modell nicht berücksichtigt. Für die Entstehung des Zellkerns wird heute außerdem die virale Eukaryogenese diskutiert. Das sogenannte „Ring des Lebens“ betont besonders die Verschmelzung von Archaeen und Bakterien und begründet damit die Stellung der Eukaryoten als dritte Domäne.

Weitere Beispiele und genetische Folgen

Ein bekanntes Beispiel für Symbiogenese sind Flechten. Sie entstehen durch den Zusammenschluss eines Pilzes mit Grünalgen beziehungsweise Cyanobakterien.

Bei Symbiosen, besonders mit Prokaryoten, kann horizontaler Gentransfer stattfinden. Beim genaueren Begriff endosymbiotischer Gentransfer (EGT) wird Erbinformation aus einem Endosymbionten übertragen. Carl Woese erkannte diesen Vorgang als zusätzliche treibende Kraft, vor allem in der frühen Evolution. Die Aufnahme oder Verschmelzung mit anderen Organismen kann dadurch nicht nur die Zellstruktur, sondern auch den vorhandenen Genbestand erweitern.

Lynn Margulis und andere Vertreter der Theorie vermuteten außerdem, dass sich Flagellen und Zilien der Eukaryoten aus endosymbiotischen Spirochäten entwickelt haben könnten. Diese Hypothese ist unter Evolutionsbiologen umstritten, weil in diesen Organellen offenbar keine eigenständige DNA vorkommt. Ein ursprünglich behaupteter Fund entsprechender DNA konnte nicht reproduziert werden.

Grenzen und Nachweise

Das Beispiel der Epixenosomen zeigt, dass sehr enge Ektosymbiosen im mikrobiellen Bereich grundsätzlich möglich sind. Epixenosomen sind Bakterien aus der Gruppe der Verrucomicrobia, die mit dem Wimpertierchen Euplotidium verbunden sind.

Der vollständige Verlust der DNA eines ursprünglich endosymbiotischen Organells ist ebenfalls möglich. Dies zeigen die DNA-losen Plastiden der nicht photosynthetisch aktiven Grünalge Polytomella (Chlamydomonadales, synonym Volvocales), die meisten Hydrogenosomen sowie alle Mitosomen. Hydrogenosomen und Mitosomen gehören zur Verwandtschaft der Mitochondrien. Auch bei den Mitosomen wurde ein vermeintlicher DNA-Fund widerlegt.

Entscheidend ist in solchen Fällen der Nachweis, dass DNA des Organells zuvor auf den Zellkern übertragen wurde und homolog, also verwandtschaftlich entsprechend, zu DNA ähnlicher Organellen mit eigener DNA bei anderen Arten ist. So kann die gemeinsame Herkunft trotz des Verlusts eigener Organell-DNA nachvollzogen werden.

Die grundlegende Sichtweise der Symbiogenese fassten Lynn Margulis und Dorion Sagan mit der Aussage zusammen: „Life did not take over the globe by combat, but by networking.“ Leben eroberte den Globus demnach nicht durch Kampf, sondern durch Vernetzung.