Ein Evolutionsereignis, das nur einmal in einer Milliarde Jahren vorkommt: die Verschmelzung zweier Lebewesen
(newatlas.com)- Bei der Alge Braarudosphaera bigelowii wurde bestätigt, dass sie das Cyanobakterium UCYN-A in ihrer Zelle beherbergt und wie ein Organ nutzt; der Fall gilt als bemerkenswertes laufendes Beispiel seltener primärer Endosymbiose
- Primäre Endosymbiose ist der Prozess, bei dem ein Mikroorganismus einen anderen aufnimmt, ihn wie ein inneres Organ nutzt, der Symbiont seine Fähigkeit zum unabhängigen Überleben verliert und zu einem Zellorganell wird
- In der rund 4 Milliarden Jahre langen Geschichte des Lebens auf der Erde sind als große Fälle nur die Entstehung der Mitochondrien vor etwa 2,2 Milliarden Jahren und der Chloroplasten vor etwa 1,6 Milliarden Jahren bekannt; sie wurden jeweils zu Wendepunkten in der Evolution komplexen Lebens und der Pflanzen
- UCYN-A wird aufgrund der abgestimmten Größenverhältnisse, des Stoffwechsels und der Zellteilung mit der Wirtsalge sowie seiner Abhängigkeit vom Wirt für etwa die Hälfte der benötigten Proteine als Zellorganell namens Nitroplast eingestuft
- Die Forschung am Nitroplast könnte zu Wegen führen, Pflanzen die Fähigkeit zur Stickstofffixierung zu verleihen, und ist damit langfristig auch mit Blick auf mögliche Verbesserungen von Nutzpflanzen von Interesse
Erneut beobachtete primäre Endosymbiose
- Wissenschaftler haben einen laufenden Fall eines Evolutionsereignisses bestätigt, bei dem zwei Lebewesen zu einem einzigen Organismus verschmelzen
- Im Mittelpunkt stehen die Alge Braarudosphaera bigelowii und das Cyanobakterium UCYN-A
- UCYN-A ermöglicht der Alge etwas, was Algen normalerweise nicht leisten können
- Es fixiert Stickstoff direkt aus der Luft
- Es verbindet Stickstoff mit anderen Elementen und macht daraus nützlichere Verbindungen
Wie Endosymbiose zu einem Zellorganell wird
- Primäre Endosymbiose (primary endosymbiosis) bezeichnet das Phänomen, dass ein Mikroorganismus einen anderen aufnimmt und ihn wie ein inneres Organ nutzt
- Die Wirtszelle bietet dem Symbionten Vorteile wie Nährstoffe, Energie und Schutz
- Mit der Zeit kann der Symbiont nicht mehr eigenständig leben und etabliert sich wie ein Zellorganell (organelle) innerhalb der Mikrobenzelle
Frühere Wendepunkte durch Mitochondrien und Chloroplasten
- In der rund 4 Milliarden Jahre langen Geschichte des Lebens auf der Erde geht man davon aus, dass primäre Endosymbiose nur zweimal bekannt ist
- Der erste Fall ereignete sich vor etwa 2,2 Milliarden Jahren
- Ein Archaeon nahm ein Bakterium auf
- Dieses Bakterium wurde zum Mitochondrium
- Die auf Energieproduktion spezialisierten Mitochondrien ermöglichten die Evolution komplexer Lebewesen
- Der zweite Fall ereignete sich vor etwa 1,6 Milliarden Jahren
- Eine weiter entwickelte Zelle nahm ein Cyanobakterium auf, das Sonnenenergie nutzen konnte
- Dieses Cyanobakterium wurde zum Chloroplasten
- Chloroplasten gaben Pflanzen die Fähigkeit, Sonnenlicht zu nutzen, sowie ihre grüne Farbe
Warum die Verbindung von B. bigelowii und UCYN-A besonders ist
- Pflanzen und Algen erhalten Stickstoff normalerweise über symbiotische Beziehungen mit separaten Bakterien
- Anfangs nahm man an, dass auch B. bigelowii mit UCYN-A eine solche separate Symbiose eingegangen war
- Genauere Untersuchungen lieferten jedoch Hinweise darauf, dass die Beziehung zwischen den beiden Lebewesen deutlich enger ist
Belege dafür, dass UCYN-A als Nitroplast gilt
- Ein Forschungsteam stellte fest, dass das Größenverhältnis zwischen Alge und UCYN-A auch bei verwandten Algenarten ähnlich konstant bleibt
- Der Wachstumsprozess scheint durch den Austausch von Nährstoffen reguliert zu werden
- Das entspricht der Art und Weise, wie Mitochondrien und Chloroplasten an die Zellgröße angepasst werden
- In einer Folgestudie wurden mit leistungsfähigen Röntgenbildgebungsverfahren lebende Algenzellen von innen beobachtet
- Die Replikation und Zellteilung von Wirt und Symbiont sind synchronisiert
- Das ist ein weiterer Hinweis darauf, dass primäre Endosymbiose im Gang ist
- Das Forschungsteam verglich isoliertes UCYN-A mit UCYN-A-Proteinen in Algenzellen
- Isoliertes UCYN-A kann nur etwa die Hälfte der benötigten Proteine selbst produzieren
- Den Rest muss die Wirtsalge bereitstellen
- Das ist ein Merkmal, das beim Übergang eines Endosymbionten zu einem Zellorganell auftritt
- UCYN-A wird als vollständiges Zellorganell mit dem Namen Nitroplast eingestuft
- Die Evolution des Nitroplasten scheint vor etwa 100 Millionen Jahren begonnen zu haben, was im Vergleich zu Mitochondrien und Chloroplasten eine sehr kurze Zeitspanne ist
Möglicher Weg zur Stickstofffixierung in Pflanzen
- Forschende wollen weiter untersuchen, ob Nitroplasten auch in anderen Zellen vorkommen und welche Auswirkungen sie haben
- Einer der möglichen Vorteile besteht darin, einen neuen Weg zu eröffnen, Pflanzen die Fähigkeit zur Stickstofffixierung zu verleihen
- Diese Fähigkeit könnte für den Anbau besserer Nutzpflanzen genutzt werden
- Die Forschung wurde in Cell00182-X.pdf) und Science veröffentlicht
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Ich habe drei Jahre Biologie in der Highschool gehabt, und ich weiß nicht, warum ich nie gehört habe, dass die Aufnahme eines Lebewesens durch ein anderes der Ursprung einer so erstaunlichen Fähigkeit war.
Mitochondrien und Chloroplasten haben wir gelernt, aber sie wurden sehr trocken behandelt.
Wenn man diesen Kontext mitvermittelt, könnte der Unterricht in Grund- und Sekundarschulen für Kinder viel spannender werden.
Die Endosymbiontentheorie wurde bis in die 2000er hinein noch weiter durch entsprechende Zusammenhänge untermauert.
https://www.nature.com/scitable/topicpage/the-origin-of-mito...
Wenn ich heute aber meine ehemaligen Highschool-Mitschüler fragen würde, läge die Chance wohl bei fünfzig-fünfzig, dass sie sich an diesen Unterrichtsinhalt erinnern.
Dasselbe gilt für jede Information aus dem Stoff zu Zellorganellen; sogar bei dem Wort Zellorganellen selbst wäre ich mir nur zu fünfzig Prozent sicher, ob sie es noch kennen.
Hätte man sie ohne den Artikel gefragt, hätten sie wohl auch nicht sagen können, wann solche Ereignisse ungefähr stattgefunden haben.
Trotzdem erinnern sich wahrscheinlich alle ehemaligen Mitschüler noch an das Meme von den „Kraftwerken der Zelle“.
Und dass unsere Mitochondrien aus der Eizelle stammen, sodass mitochondriale DNA immer von den Mitochondrien der Mutter kommt.
Oder man hat vielleicht Parasite Eve gespielt [0].
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Parasite_Eve_(video_game)#Plot
Das erste Symbiose-Ereignis war millionenfach schwieriger als das zweite oder dritte.
Am Anfang stand der Wirt vor der enorm schwierigen Aufgabe, mit DNA und RNA umzugehen, die im Verlauf von Leben und Tod des Symbionten entstanden.
Um zu überleben, musste der Wirt Dinge wie Zellkern und sexuelle Fortpflanzung entwickeln; außerdem war alternatives Spleißen nötig, um mit einer Situation fertigzuwerden, in der alle Gene durch egoistische genetische Elemente des Symbionten beschädigt waren.
Später Symbionten zu integrieren ist immer noch schwierig, aber nicht annähernd so wie dieser erste Schritt.
Die erste Symbiose, die zum Ursprung der Eukaryoten führte, könnte kein Ereignis sein, das einmal in einer Milliarde Jahren vorkommt, sondern eines in einer Billion Jahren — oder sogar seltener als einmal in 10^20 Jahren.
Das könnte bedeuten, dass nur einer von einer Milliarde Planeten mit einfachem Leben komplexes Leben wie Tiere „hervorbringt“, und das könnte der Große Filter sein, der zum Fermi-Paradoxon führt.
Der Große Filter könnte etwas sein, das wir bereits passiert haben, weil die Kombination der Randbedingungen, die zu uns geführt haben, unglaublich selten war.
Ein weiteres Ereignis mit extrem geringer Wahrscheinlichkeit könnte die Entwicklung abstrakter Intelligenz sein.
Die Bedingungen, die Intelligenz unserer Art zu einem evolutionären Vorteil machten, wirken besonders einzigartig: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK210002/
Nach der Überschrift klingt es, als wäre das letzte Woche passiert, tatsächlich geschah es aber vor 100 Millionen Jahren und wurde erst jetzt entdeckt.
Hätte es nach einer gerade erst entstandenen neuen Art geklungen, wäre das ziemlich beängstigend gewesen.
Ich stellte mir vor, wie so eine Art unser Ökosystem überwältigt und Chaos verursacht, bis sich schließlich ein neues Gleichgewicht, neue Gewinner und eine neue dominante Spezies herausbilden.
Mir kam es verdächtig vor, wie groß die Wahrscheinlichkeit wohl ist, dass man bei einem so seltenen Ereignis ausgerechnet in dem Moment mit dem Mikroskop hinschaut.
Wenn der Artikel das also nicht erwähnt, heißt das wohl, dass im Ergebnis bisher noch nicht viel Spannendes passiert ist.
Wenn die Symbiose vor 100 Millionen Jahren erst begann, sich zu entwickeln, könnte es die ganze Zeit gedauert haben, bis das Bakterium zu einem Zellorganell wurde, das heute vollständig von der Wirts-Algenzelle abhängig ist.
Die betreffende Alge ist sehenswert: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Braarudosphaera_bigelowii
Sie umgibt sich mit zwölf fünfeckigen Platten und bildet so ein perfektes Dodekaeder.
Ein wirklich unglaublich cooles Lebewesen.
Kaum zu glauben, dass das eine natürliche, organische Struktur mit so scharfen Kanten ist.
https://paleonerdish.wordpress.com/2013/06/10/an-introductio...
https://www.mediastorehouse.com/science-photo-library/diatom...
Primärquellen
[1] https://www.cell.com/cell/pdf/S0092-8674(24)00182-X.pdf
[2] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38603509/
Es gibt auch eine Pressemitteilung des LBL
[3] https://newscenter.lbl.gov/2024/04/17/scientists-discover-fi...
[1] ist frei zugänglich
Ist es wahrscheinlicher, dass es sich um ein Ereignis handelt, das nur einmal in einer Milliarde Jahre passiert und wir zufällig genau diese Probe erwischt haben, oder dass so etwas viel häufiger vorkommt, wir aber nur einen Fall sehen, der normalerweise nicht so einflussreich oder denkwürdig ist wie die genannten Beispiele?
Der reißerische Journalismus ist hier wirklich übertrieben
Symbiogenese ist nur in zwei bekannten Fällen belegt, Mitochondrien und Plastiden, darunter Chloroplasten; insofern ist die Formulierung „einmal in einer Milliarde Jahre“ bis zu einem gewissen Grad gerechtfertigt
Andere Fälle werden ebenfalls vermutet: https://en.wikipedia.org/wiki/Symbiogenesis
Endosymbionten sind in großer Zahl bekannt
Das sind eigenständige Organismen, die im Körper oder in den Zellen anderer Organismen leben, und sie sind eine Voraussetzung für Symbiogenese
https://en.wikipedia.org/wiki/Endosymbiont
Das ist nicht in einer Petrischale im Labor passiert, sondern vor 100 Millionen Jahren
Der Titel müsste allerdings etwas überarbeitet werden
Dass primäre Endosymbiose so selten sein soll, überzeugt mich nicht wirklich
Fast alle Insekten besitzen vererbte Endosymbionten: https://doi.org/10.3389/fphys.2013.00046
Hier geht es um Endosymbiose auf zellulärer Ebene
Darmbakterien zu haben ist nicht dasselbe, wie wenn diese auf molekularer Ebene in eine Zelle integriert werden und zu einem Zellorganell werden
Die Skepsis gegenüber der medialen Übertreibung ist allerdings durchaus berechtigt
Für Endosymbiose dieser Art gibt es sowohl primäre als auch sekundäre andere, gut bekannte Beispiele
Es ist vielleicht keine primäre Symbiose mit Cyanobakterien, aber im Vergleich zu anderen Fällen, die wir bereits kennen, ist es schwer, von einem gewaltigen „wissenschaftlichen Sprung“ im Verständnis oder in der Überraschung zu sprechen
Ironischerweise findet man solche Symbiosen auf zellulärer Ebene auch unter Darm-Symbionten von Insekten; das extremste Beispiel ist wohl Mixotricha paradoxa: https://en.wikipedia.org/wiki/Mixotricha_paradoxa
Hatena arenicola https://en.wikipedia.org/wiki/Hatena_arenicola ist dieser Entdeckung sehr ähnlich, betrifft aber Algen statt Cyanobakterien und ist daher sekundäre Endosymbiose; sie könnte sogar noch interessanter und merkwürdiger sein
Auch aus dem Genom von Smybiodinium wissen wir, dass es mehrere endosymbiotische Einfangereignisse gab; einige waren sekundäre Symbiosen mit Algen, andere mit hoher Wahrscheinlichkeit primäre Symbiosen mit Bakterien: https://en.wikipedia.org/wiki/Symbiodinium
Eine bessere Quelle wurde hier gepostet, aber ohne Diskussion: https://news.ycombinator.com/item?id=40101317