News: Kooperative Vernetzung
Sie sind anspruchslos und wachsen nahezu überall, wo sich ihnen eine Energiequelle und ausreichend Lebensraum bietet. Doch was trieb eigenständige Einzeller dazu, sich zu sperrigen und vergleichsweise unflexiblen Zellverbänden zusammenzulagern?
Jeder Biologie-Student kennt diesen Anblick: Eine grünlich-gallertartige Hohlkugel, die langsam und etwas ungeschickt über den Objektträger gleitet. Erst der genauere Blick durch das Mikroskop lässt erkennen, dass diese Kugelalge aus zahllosen Einzelzellen besteht, die in ihrem Aufbau verblüffend einzelligen Flagellaten ähneln.
Die Grünalge Volvox gehört zu den schönsten und eindrucksvollsten Objekten, die sich unter dem Mikroskop dem menschlichen Auge offenbaren. Zugleich gilt dieser kugelrunde Zellverband auch als wichtiges Studienobjekt der Evolutionsbiologie, da er den Schritt vom solitären Einzeller hin zum Vielzeller markiert.
Doch die genauere Untersuchung dieses ursprünglichen Organismus ergab, dass die Einzelzellen, so sehr sie sich auch ähneln, bereits mehr oder weniger differenziert sind und inerhalb der Zellkolonie eine gewisse Arbeitsteilung herrscht: Bestimmte Zellen am Vorderpol sind lichtempfindlicher als andere und dienen dem Gesamtorganismus als archaisches Auge. Ähnliches gilt für den Hinterpol: Hier befinden sich einige Zellen, die für die Fortpflanzung zuständig sind – eine Eigenschaft, welche die übrigen Zellen verloren haben.
Die Vorteile der Arbeitsteilung sind in der Natur die gleichen wie in einem Unternehmen: Jeder einzelne Mitarbeiter macht das, was er am besten kann, wodurch sich eine höhere Effizienz ergibt. Das wiederum sichert entscheidende Vorteile beim Kampf ums Überleben.
Der eigentliche Ursprung der Vielzelligkeit fand in der Evolution allerdings einen Schritt früher statt, beim Übergang vom Einzeller zum einfachen undifferenzierten Zellhaufen. Doch was trieb völlig autonome Einzelzellen dazu, sich zusammenzuschließen und ihr Glück im kollektiven Zellverband zu suchen? Dieser Frage gingen nun Thomas Pfeiffer und Sebastian Bonhoeffer von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich nach, indem sie den bedeutenden Schritt vom Einzeller zum Vielzeller in der virtuellen Welt nachvollzogen.
Die Computersimulation ähnelte einem Strategiespiel: Alle Organismen lebten auf einem schachbrettartigen Areal und konnten Energie durch Atmung oder Gärung gewinnen. Jedem einzelnen Feld ordneten die Wissenschaftler eine bestimmte Menge an natürlichen Ressourcen zu. Und nachdem eine Zelle ausreichend Energie in Form von ATP gebildet hatte, konnte sie sich teilen und damit eines der benachbarten Spielfelder besetzen.
Anschließend erhielten die einzelnen Teilnehmer noch bestimmte Eigenschaften: Die Atmer hatten eine langsamere Stoffwechselrate, aber eine höhere Energieausbeute, die Gärer hingegen eine schnellere Stoffwechselrate bei niedrigerem Energiegewinn. Und wie im richtigen Einzellerleben ereilte auch den virtuellen Kollegen nach einem mehr oder weniger erfüllten Leben unweigerlich der Tod.
In einem ersten Szenario beobachteten die Forscher, wie die Gärer im Konkurrenzkanpf über die Atmer triumphierten. Anschließend simulierten die Wissenschaftler einen späteren Evolutionschritt: Die Einzeller durften sich zu Zellverbänden zusammenlagern. Unter diesen Vorzeichen spielte sich das Geschehen völlig anders ab. Nun waren die kooperierenden Atmer im Vorteil und setzten sich gegen einzellige und vielzellige Gärer durch.
Dabei hing der Erfolg der Zellverbände entscheidend davon ab, ob die Einzelzellen zu einem Stoffaustausch mit benachbarten Kollegen befähigt waren. Unter diesen Umständen waren die einzelnen Glieder einer Kolonie weniger der Konkurrenz um die Ressourcen ausgesetzt und überlebten auch in einer weniger wirtlichen Umgebung. Dies könnte der Grund dafür sein, dass es sich bei den Gärern wie der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae zumeist um einzellige Lebewesen handelt, vielzellige Organismen ihre Energie aber bevorzugt durch Atmung gewinnen.
Allerdings sei es unwahrscheinlich, dass die kooperative Nutzung der externen Energiequellen einzige Erklärung für die Entwicklung der Vielzelligkeit sind, so die Züricher Wissenschaftler. "Prinzipiell könnten auch andere Mechanismen wie zum Beispiel die Exkretion von Enzymen zum Aufschluss von Nahrungsquellen oder die Bildung von Toxinen die Herausbildung von derartigen Zellverbänden vorangetrieben haben", konstatiert Bonhoeffer. Und ergänzt: "Nach der Evolution der Zellverbände und dem Stoffaustausch ist der Weg frei für die Evolution der Zelldifferenzierung". Und damit zu primitiven Organismen wie der Grünalge Volvox.
Die Grünalge Volvox gehört zu den schönsten und eindrucksvollsten Objekten, die sich unter dem Mikroskop dem menschlichen Auge offenbaren. Zugleich gilt dieser kugelrunde Zellverband auch als wichtiges Studienobjekt der Evolutionsbiologie, da er den Schritt vom solitären Einzeller hin zum Vielzeller markiert.
Doch die genauere Untersuchung dieses ursprünglichen Organismus ergab, dass die Einzelzellen, so sehr sie sich auch ähneln, bereits mehr oder weniger differenziert sind und inerhalb der Zellkolonie eine gewisse Arbeitsteilung herrscht: Bestimmte Zellen am Vorderpol sind lichtempfindlicher als andere und dienen dem Gesamtorganismus als archaisches Auge. Ähnliches gilt für den Hinterpol: Hier befinden sich einige Zellen, die für die Fortpflanzung zuständig sind – eine Eigenschaft, welche die übrigen Zellen verloren haben.
Die Vorteile der Arbeitsteilung sind in der Natur die gleichen wie in einem Unternehmen: Jeder einzelne Mitarbeiter macht das, was er am besten kann, wodurch sich eine höhere Effizienz ergibt. Das wiederum sichert entscheidende Vorteile beim Kampf ums Überleben.
Der eigentliche Ursprung der Vielzelligkeit fand in der Evolution allerdings einen Schritt früher statt, beim Übergang vom Einzeller zum einfachen undifferenzierten Zellhaufen. Doch was trieb völlig autonome Einzelzellen dazu, sich zusammenzuschließen und ihr Glück im kollektiven Zellverband zu suchen? Dieser Frage gingen nun Thomas Pfeiffer und Sebastian Bonhoeffer von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich nach, indem sie den bedeutenden Schritt vom Einzeller zum Vielzeller in der virtuellen Welt nachvollzogen.
Die Computersimulation ähnelte einem Strategiespiel: Alle Organismen lebten auf einem schachbrettartigen Areal und konnten Energie durch Atmung oder Gärung gewinnen. Jedem einzelnen Feld ordneten die Wissenschaftler eine bestimmte Menge an natürlichen Ressourcen zu. Und nachdem eine Zelle ausreichend Energie in Form von ATP gebildet hatte, konnte sie sich teilen und damit eines der benachbarten Spielfelder besetzen.
Anschließend erhielten die einzelnen Teilnehmer noch bestimmte Eigenschaften: Die Atmer hatten eine langsamere Stoffwechselrate, aber eine höhere Energieausbeute, die Gärer hingegen eine schnellere Stoffwechselrate bei niedrigerem Energiegewinn. Und wie im richtigen Einzellerleben ereilte auch den virtuellen Kollegen nach einem mehr oder weniger erfüllten Leben unweigerlich der Tod.
In einem ersten Szenario beobachteten die Forscher, wie die Gärer im Konkurrenzkanpf über die Atmer triumphierten. Anschließend simulierten die Wissenschaftler einen späteren Evolutionschritt: Die Einzeller durften sich zu Zellverbänden zusammenlagern. Unter diesen Vorzeichen spielte sich das Geschehen völlig anders ab. Nun waren die kooperierenden Atmer im Vorteil und setzten sich gegen einzellige und vielzellige Gärer durch.
Dabei hing der Erfolg der Zellverbände entscheidend davon ab, ob die Einzelzellen zu einem Stoffaustausch mit benachbarten Kollegen befähigt waren. Unter diesen Umständen waren die einzelnen Glieder einer Kolonie weniger der Konkurrenz um die Ressourcen ausgesetzt und überlebten auch in einer weniger wirtlichen Umgebung. Dies könnte der Grund dafür sein, dass es sich bei den Gärern wie der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae zumeist um einzellige Lebewesen handelt, vielzellige Organismen ihre Energie aber bevorzugt durch Atmung gewinnen.
Allerdings sei es unwahrscheinlich, dass die kooperative Nutzung der externen Energiequellen einzige Erklärung für die Entwicklung der Vielzelligkeit sind, so die Züricher Wissenschaftler. "Prinzipiell könnten auch andere Mechanismen wie zum Beispiel die Exkretion von Enzymen zum Aufschluss von Nahrungsquellen oder die Bildung von Toxinen die Herausbildung von derartigen Zellverbänden vorangetrieben haben", konstatiert Bonhoeffer. Und ergänzt: "Nach der Evolution der Zellverbände und dem Stoffaustausch ist der Weg frei für die Evolution der Zelldifferenzierung". Und damit zu primitiven Organismen wie der Grünalge Volvox.
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