Stichworte: Basis, Prokaryoten, Lebensanfang, Bewie's Mikrowelt
Der Anfang des LebensAuf der niedrigsten Stufe des selbstständigen Lebens stehen die Prokaryoten: Bakterien und Archaeen (Archebakterien). Sie sind relativ einfach gebaut, besitzen aber einen eigenen Stoffwechsel und können sich selbständig vermehren. Viren sind zwar noch einfacher gebaut, doch sie können auf sich alleine gestellt nicht existieren: Sie können selbst keinen Stoffwechsel etablieren, sie brauchen eine Pro- oder Eukaryotenzelle, um (fremde) Stoffwechselvorgänge zu benutzen und sich zu vermehren. Sie können somit auch nicht an der Entstehung des Lebens beteiligt gewesen sein, sondern sind eher Teilstücke, die irgenwann einmal abgespalten wurden und als parasitische Existenzformen verwildert sind.
Der Name Prokaryoten signalisiert, dass diese Zellen keinen Zellkern besitzen; vielmehr schwimmt ihr DNA-Faden (ebenso wie die Plasmide) frei im Zytoplasma. Bei den Eukaryoten ist die DNA in einem Zellkern konzentriert, dessen Inhalt durch ein Membransystem vom Rest der Zelle getrennt ist.
Bild 1 zeigt den prinzipellen Aufbau der Prokaryotenzelle.

Irgendwann vor schätzungsweise 3,8 Milliarden Jahren hatten Bakterien und Archebakterien einen gemeinsamen Vorfahren, aus dem sich auch die Eukaryoten entwickelt haben. Bild 2 zeigt diese Entwicklung. Die meiste Zeit, nämlich etwa 3 Milliarden Jahre lang, war die Erde nur von Mikroben besiedelt, die allerdings den Planeten nachhaltig beeinflussten. So entwickelten beispielsweise Cyanobakterien vor ca. 2,7 Milliarden Jahren die Photosynthese mit Chlorophyll und erhöhten in der Folgezeit die Erdatmosphaere den Sauerstoffgehalt. Im Lauf von etwa 300 Millionen Jahren schufen sie so die Grundlage für weitere Lebensformen. Erst nach diesem langen Zeitraum haben sich die Zellen allmählich organisiert und komplexere Organismen mit stärker arbeitsteiligen Zellverbänden gebildet. Aber schon zuvor hat bei den Einzellern eine Entwicklung begonnen, die zu einer deutlichen Leistungsteigerung führten und in Bild 2 schematisch vereinfacht dargestellt sind.

Aus dem gemeinsamen prokaryotischen Vorfahr unserer heutigen Lebewesen tat sich unter anderem eine Linie durch immer größer werdende Zellen hervor. Irgendwann dürften diese Organismen so groß geworden sein, dass der lange, im Zytoplasma schwimmende DNA-Einzelstrang der Prokaryoten den Anforderungen nicht mehr genügte. Die Evolution brachte neue Strukturen hervor, die den wachsenden Anforderungen besser gewachsen waren: Die DNA wurde in den durch ein Membransystem umhüllten Kern eingeschlossen, weiterhin entwickelte sich ein Spindelapparat für die Mitose und etliche andere Organellen entstanden.
Irgendwann kam es offenbar zu einer Zusammenarbeit zwischen Bakterien und diesen neuen Zellen. Bakterien siedelten sich intrazellulär an und sonderten dort ihre Stoffwechselprodukte ab, die die Wirtszelle verwerten konnte. Ihrerseits waren sie im Wirtskörper besser geschützt als in der freien Wildnis. Aus dieser Symbiose wurden im Lauf der Jahrmillionen dann die Mitochondrien, die wir heute in den allermeisten Eukaryoten sehen. Sie sind zu Energielieferanten der eukaryoten Zellen geworden, indem sie energiereiche Nahrungsmoleküle (Fette, Zucker, Alkohol, Aminosäuren) aus der Wirtszelle entgegennehmen, sie im Citratzyklus oxidativ zerlegen, die Energie in die Atmungskette einspeisen und dafür das Molekül ATP (Adenosintriphosphat) zur Verfügung stellen bzw. selbiges aus ADP (Adenosindiphosphat) und AMP (Adenosinmonophosphat) regenerieren. ATP dient vielen Stoffwechselvorgängen der Zelle als eine Art universeller Treibstoff. Wer mehr über die Biochemie dieser Vorgänge wissen möchte, wird in den unten aufgelisteten Lehrbüchern oder auch bei den Beiträgen über Mitochondrien, Citratzyklusund Adenosintriphosphat der Wikipedia fündig.
Das Genom des ursprünglichen Bakteriums, aus dem die Mitochondrien entstanden sind, wurde größtenteils in den Kern der Wirtszelle übernommen. Allerdings sind auch in den Mitochondrien noch einige Plasmidstrände verblieben, die aktive Gene enthalten. Beim Menschen sind Erbkrankheiten bekannt, die durch Defekte in diesen Genen hervorgerufen werden und mit einer Störung der Energielieferung einhergehen. Meist äußern sie sich in muskulärer Schwäche und neurologischen Symptomen, weil sich energetische Mängel in diesen Geweben am stärksten bemerkbar machen. Weil von den Spermien nur der Kern in die Einzelle eindringt, stammen alle Mitochondrien des Embryos von der Mutter, mitochondriale Gendefekte werden also nur von der Mutter vererbt. Ein kranker Vater gibt diese Erkrankungen nicht weiter. Da ein großer Teil der ursprünglich mitochondrialen DNA in den Kern übernommen wurde, gibt es auch mitochondriale Erkrankungen, die durch defekte Gene im Kern verursacht werden; diese unterliegen den klassischen Vererbungsmechanismen.
Es kam noch zu einer weiteren Symbiose: Chlorophyllhaltige phototrophe Bakterien (aber keine Cyanobakterien!) fanden ebenfalls in einigen eukaryoten Zellvarianten Unterschlupf und ermöglichten es ihren Wirten somit, Licht als Energiequelle zu nutzen und von chemischen Energieträgern unabhängig zu werden. Daraus entstanden die Chloroplasten, die heute die meisten Pflanzen, die Algen und einige andere Einzellern mit der lebensnotwendigen Energie versehen. In den höheren Pflanzen sind es meist linsenförmig Gebilde, die in größerer Zahl in der Zelle vorkommen. Bei Algen können sie die unterschiedlichsten Formen annehmen und manchmal existiert in der Algenzelle nur ein einziger, jedoch sehr großer und bisweilen phantastisch gestalteter Chloroplast. Die Form der Choroplasten kann ein Kriterium für die Bestimmung einer Alge sein.

Viel, viel später kam es zu einer anderen Art von Symbiose, die nicht mit den Chloroplasten verwechselt werden darf: Etliche Einzeller nahmen komplette einzellige (kokkale) Algen in ihr Zytoplasma auf, von deren Stoffwechselprodukten sie profitieren. Dazu gehören beispielsweise Paramecium bursaria, Stentor polymorphus, Stentor amethystinus und etliche Sonnentierchen. Die Algen können sich in der Wirtszelle vermehren und die Wirtszelle kann bei Nahrungsmangel einige dieser Algen auch komplett verdauen.
Literatur
Die folgende Liste enthält Lehrbücher zum Thema Mikrobiologie und Zellbiologie, mit denen man sehr viel tiefer in die Materie einsteigen kann. Als Einführung ist Cypionka mit 300 Seiten geeignet, Brock und Alberts sind Übersetzungen aus der angelsächsischen Literatur; beide mit viel umfangreicherem Text und aufwändigerer Illustration.
- Cypionka H.: Grundlagen der Mikrobiologie; Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York
- Brock TD., Goebel W. (Hrsg): Mikrobiologie; Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg Berlln
- Alberts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter: Lehrbuch der molekularen Zellbiologie; Wiley VCH Weinheim New York Chichester Brisbane Singapore Toronto