Die Erfindung der Superzelle

Die Zellen von Menschen, Tieren und Pflanzen beherbergen kleine Symbiosepartner. So steht es heute in jedem Biologielehrbuch. Doch vor 50 Jahren, als diese These veröffentlicht wurde, hielten sie die meisten für Unsinn. Die Revolution kam später - auf Raten.

Bis sich eine wissenschaftliche Idee allgemein durchsetzt, schrieb der britische Genetiker J.B.S. Haldane im Jahr 1963, durchläuft sie üblicherweise vier Stufen. Sie lauten:

  1. Völlig absurdes Zeug
  2. Interessant, aber pervers
  3. Korrekt, aber unwesentlich
  4. Habe ich immer schon gesagt

Haldane war für seine launigen Beiträge im traditionell trockenen Diskurs der Naturwissenschaft bekannt. Gleichwohl hat sein „Stufenmodell“ der Akzeptanz einen wahren Kern. Vier Jahre später erschien im „Journal of Theoretical Biology“ eine Arbeit, der es genau so ergehen sollte.

Die darin vorgestellte Idee wurde lange, allzu lange als Absurdität abgetan. Als sie schließlich Eingang in den biologischen Wissenskanon fand, schien es, als hätte es niemals eine Gegenstimme gegeben, als könne das Urteil nur lauten: „Habe ich immer schon gesagt.“

Biologin Lynn Margulis

Jpedreira unter cc by-sa

Lynn Margulis (1938 - 2011).

Fusion mit Folgen

Die moderne Zelle von Tieren, Pflanzen und Pilzen sind durch eine urzeitliche Symbiose entstanden, durch die Fusion von drei verschiedenen Einzellern, die fortan nur mehr gemeinsam existieren konnten: Das ist der Kern der sogenannten Endosymbiontentheorie, vorgestellt von der amerikanische Biologin Lynn Margulis im Jahr 1967.

Die heute klassische Studie unternimmt auf stattlichen 57 Seiten eine Tour de Force durch so verschiedene Wissensgebiete wie Zellbiologie, Paläontologie, Genetik und Evolutionsbiologie - und wurde, so wird erzählt, bis zu 15 Mal von verschiedenen Fachblättern abgelehnt, bevor sie schließlich im „Journal of Theoretical Biology“ erschien.

Dass Margulis solche Schwierigkeiten hatte, ihre Arbeit zu publizieren, hatte zwei Gründe: Zum einen war sie so dicht mit Fakten bepackt, dass der durchschnittliche Leser den Wald vor lauter Bäumen nicht sehen konnte, sagt John M. Archibald von der Dalhousie University in Halifax, Kanada. „Ich vermute, dass frühere Versionen des Manuskripts noch schwerer verdaulich waren.“

Zum anderen war die Idee damals, 1967, noch immer zu radikal, als dass sie auf breite Zustimmung hätte stoßen können. Die Idee war gut - doch die Welt noch nicht bereit.

Wider Darwins Dogma

Archibald hat sich in seinen Forschungen ausgiebig mit der Endoysmbiontentheorie befasst und vor drei Jahren auch ein Buch über ihren verschlungenen Werdegang geschrieben. Die Vorgeschichte reicht weit zurück, bis in die Zeit des Fin de Siècle.

Dem Russen Konstantin Mereschkowski fielen bereits 1905 die Ähnlichkeiten zwischen Plastiden (jene Zellorganellen, mit denen höhere Pflanzen Photosynthese betreiben) und Grünalgen auf. Er schloss aus diesem Befund: Plastiden sind im Grunde nichts anderes als domestizierte Grünalgen. Oder „Cyanobakterien“, wie sie heute heißen. Mereschkowski stellte seine Hypothese übrigens im „Biologischen Centralblatt“ vor - auf Deutsch, der damals international üblichen Wissenschaftssprache.

Pflanzenzellen mit grünen Plastiden

University of Wisconsin-Madison

Immigranten: Die grünen Plastiden in Pflanzenzellen sind Nachfahren ehemals freilebender Cyanobakterien.

Ähnliches vermutete einige Jahre später der Franzose Paul Portier für die Mitochondrien. Jene kleinen Kraftwerke, mit denen alle höheren Zellen Energie gewinnen. Auch sie, so postulierte Portier, sind die Nachfahren ehemals freilebender Einzeller. Portiers wie auch Mereschkowskis Vermutungen galten damals als mehr oder minder obskure Phantasie, die so gar nicht zum Dogma des noch jungen Darwinismus passen wollte.

Laut Darwin geht die Entwicklung der Lebewesen langsam und stetig vor sich. Dass die Natur zu ihren Innovationen bisweilen durch Sprünge und Volten findet, überstieg die Vorstellungskraft der meisten Biologen dieser Zeit. Überzeugt hätte sie allenfalls ein experimenteller Beweis.

Gescheiterte Experimente

Den lieferte Portier auch. Beziehungsweise: Er glaubte, ihn geliefert zu haben. Portier behauptete nämlich, Mitochondrien aus Zellen isoliert und dann in einem Nährmedium zur Teilung angeregt zu haben. Doch was er für „befreite“ Symbionten hielt, war wohl bloß eine bakterielle Verunreinigung: Mitochondrien sind, das weiß man heute, ohne ihre Wirtszelle nicht mehr lebensfähig.

Da Portier seine spektakulären Ergebnisse nicht wiederholen konnte, war sein Ruf alsbald schwer beschädigt, zum Nachteil seiner an sich richtigen Vermutung.

Denn: Plastiden und Mitochondrien sind in der Tat Nachfahren ehemals frei lebender Einzeller. Das experimentell zu beweisen, ist schwierig. Die Natur hatte für diese Vereinigung Jahrmillionen, ja sogar Jahrmilliarden Zeit - viel zu lange, um dies im Labor „nachkochen“ zu können. Ein Experiment vermag die Geschichte allenfalls indirekt nachzuvollziehen.

Buchcover: John Archibald - "One Plus One Equals One"

Oxford University Press

Endosymbiose und die Folgen: In „One Plus One Equals One“ rekonstruriert John Archibald den Werdegang einer umstrittenen Idee.

Das Blatt wendet sich

Das wurde erst in den 60er Jahren durch die Pionierarbeiten von Carl Woese möglich. Der amerikanische Biochemiker erkannte, dass Erbmoleküle wie DNA und RNA ihre eigene Geschichte in sich tragen und man durch Sequenzvergleiche weit in die Vergangenheit blicken kann.

Woese war der erste, der mit diesen, wie er es ausdrückte, „Fossilien in der Zelle“ Verwandtschaftsforschung betrieb. Die Ergebnisse bestätigten Margulis und ihre Endosymbiontentheorie. Zunächst in kleinen Schritten: Selbst in den 1970ern grundelte die Idee - im Sinne von Haldane - irgendwo zwischen „Interessant, aber pervers“ und „Korrekt, aber unwesentlich“ herum.

Sich über so weit zurückliegende Kapitel der Naturgeschichte Gedanken zu machen, galt immer noch als metaphysische Spekulation in biologischen Begrifflichkeiten. Das zu tun, notierte der kanadische Mikrobiologe Roger Stanier, sei, sofern als private Vergnügung betrieben, eine „harmlose Angewohnheit wie das Knabbern von Erdnüssen. Doch als Obsession wird sie zum Laster.“

Derlei Einwände verschwanden erst unter dem Eindruck der sich stetig verdichtenden Beweislage. Die umfasste neben Erbgutvergleichen auch überraschende Befunde aus dem Reich der Einzeller. Die Amöbe Paulinella chromatophora etwa trägt in ihrem Inneren wurstförmige Organellen, mit denen sie Photosynthese betreibt. Doch diese grünen Würste sind keine Plastiden im herkömmlichen Sinne.

Sie stammen von einer Verschmelzung mit Cyanobakterien, die sich erst „vor ein, zwei, höchstens fünf Millionen Jahren ereignet hat“, sagt Archibald. Zum Vergleich: Die modernen Zellen, aus denen Pilze, Pflanzen, Tiere inklusive Mensch bestehen, sind mindestens 750 Millionen Jahre alt. Die Geschichte wiederholt sich.

Evolution in Aktion

Es gibt noch jüngere Beispiele für dieses der Natur innewohnende Baukastenprinzip. Als Lynn Margulis 1967 ihre Theorie vorstellte, begann ein damals unbekannter Biochemiker namens Kwang Jeon an der University of Tennesse in Knoxville mit Amoeba proteus zu experimentieren.

Die Amöbe ist vergleichsweise riesig, mit einem halben Zentimeter Durchmesser sogar mit freiem Auge sichtbar - mithin für experimentelle Zwecke äußerst praktisch. Jeon passierte allerdings im Labor ein kleiner Lapsus: Seine Zellkultur wurde von Bakterien überwuchert und für weitere Versuche unbrauchbar. Wie der Zufall spielt, unterließ es Jeon, die Zellkultur zu entsorgen.

Er stellte sie beiseite und wartete. Monatelang. Irgendwann warf er wieder einen Blick ins Mikroskop und entdeckte, dass ein paar der Amöben überlebt hatten. Die Bakterien waren ebenfalls fast verschwunden, die verbliebenen befanden sich jedoch nicht mehr zwischen den Amöben, sondern in ihnen.

Jeon wies nach: Die Bakterien und Amöben hatten nach nur 200 Zellgenerationen ihre Eigenständigkeit aufgegeben und waren zu einem Superorganismus verschmolzen.

Wie das vor sich gehen konnte, war für ihn rätselhaft - und sollte es auch bleiben: Kwang Jeon widmete den Rest seiner Karriere der Suche nach einer Antwort und konnte auch einige molekulare Details der wechselseitigen Abhängigkeit beschreiben. Doch der genaue Hergang des Evolutionssprungs im Reagenzglas verblieb im Ungewissen.

Wohl auch deshalb, weil ihm die geeigneten Methoden dafür fehlten. Heute wäre die Lösung des Rätsels wohl kein großes Problem, sagt John Archibald. „Ich habe Jeon vor ein paar Jahren besucht, um eine Probe seiner Amöben-Kultur zu bekommen. Da war er schon emeritiert. Er hatte die Amöben längst entsorgt.“

Könnten sich Tiere von Licht ernähren?

In Zeiten, da sich die synthetische Biologie aufschwingt, das Leben am Reißbrett neu zu erfinden, lohnt ein Blick auf eine häufig zitierte Passage aus Mereschkowskis Arbeit „Über Natur und Ursprung der Chromatophoren im Pflanzenreiche“.

Anno 1905 spekulierte der russische Biologe über ein Mischwesen aus Pflanze und Tier. Über einen Löwen unter einer Palme, der sich mit Hilfe von Plastiden („Chromatophoren“) von Sonnenlicht ernähren könnte, sofern er solche besäße.

In Mereschkowskis Worten: „Denken wir uns jede Zelle des Löwen von Chromatophoren gefüllt, und ich zweifle nicht, dass er sich sofort neben der Palme ruhig hinlegen würde, sich satt fühlend oder höchsten noch etwas Wasser mit mineralischen Salzen bedürfend.“

Eine poetische, wenngleich etwas zu optimistische Überlegung. Wie der britische Biochemiker Nick Lane hinwies, bliebe einem mit Plastiden gefüllten Löwe gar nichts anderes übrig, als sich „ruhig hinzulegen“. Mit seiner geringen Oberfläche könnte er nämlich viel zu wenig Sonnenlicht einfangen. Zum Stehen hätte er schlicht keine Energie.

Robert Czepel, science.ORF.at

Mehr zu diesem Thema: