Rütteln am Fundament des Lebens

Das Leben hat einen langen Weg hinter sich. Vor rund vier Milliarden Jahren bildeten sich Zellvorl?ufer, sogenannte Protozellen. Daraus entwickelten sich Bakterien und Archaeen, vor zwei Milliarden Jahren entstanden die ersten Eukaryoten, welche die Grundlage f¨¹r vielzellige, komplexere Organismen waren. Dabei ist nichts geblieben, wie es war. Immer wieder traten St?rungen auf: Meteoriten, Vulkanausbr¨¹che, Heiss- und Eiszeiten. Mindestens f¨¹nfmal in der Erdgeschichte ereigneten sich Massenaussterben; doch verdr?ngen liess sich das Leben nicht.

Eine der treibenden Kr?fte der Evolution sind Ver?nderungen: Neue Konkurrenz um Nahrung und Platz, Nahrungsknappheit, Umweltver?nderungen, Klimawandel ¨C st?ndig m¨¹ssen sich alle Organismen, vom Bakterium bis zum Elefanten, ?ndern und anpassen ¨C oder sie sterben aus.

Kooperation als Erfolgsmodell

Zur Untersuchung evolution?rer Ver?nderungen erweisen sich Bakterien als ideale Forschungsobjekte, weil sie klein sind und sehr kurze Generationszeiten haben. ETH-Professor Gregory Velicer hat sich als Modellorganismus das Bodenbakterium Myxococcus xanthus ausgesucht. Diese Mikrobe lebt in Gruppen, die gemeinschaftlich Jagd auf andere Mikroorganismen machen. In Hungerzeiten bilden tausende von Myxococcus-Zellen zusammen einen Fruchtk?rper, und daraus gehen Sporen hervor, die im Boden unter widrigsten Bedingungen sehr lange ¨¹berdauern k?nnen.

?Mittlerweile ist klar geworden, dass Mikroben keine isolierten Einzelg?nger sind, sondern hochsoziale Lebewesen. Sie kooperieren, betr¨¹gen oder k?mpfen einerseits innerhalb von sozialen Gruppen aus Zellen der gleichen Art, andererseits auch im Kontext komplexer arten¨¹bergreifender Gemeinschaften?, sagt der Professor f¨¹r Evolutions?kologie am Institut f¨¹r Integrative Biologie. Relevant sei das auch in Bezug auf Krankheitserreger. So verf¨¹gen Zellen des gef¨¹rchteten Spitalkeims Pseudomonas aeruginosa oder des Cholera-Erregers Vibrio cholerae ¨¹ber eine spezielle Zell-Zell-Kommunikation, dank der sie widerstandsf?hige Biofilme oder Zellgifte bilden.

?Wie sich Kooperation im Lauf der Zeit entwickelt und sich gegen ?selbsts¨¹chtiges? Individualverhalten durchsetzt und dabei nicht verloren geht, ist eine der wichtigen Fragen der Evolutionsbiologie?, sagt Velicer.

Denn vor einiger Zeit konnte er zusammen mit Kollegen aufzeigen, dass es unter den Myxococcus-Zellen solche gibt, die andere Zellen aus der gleichen Gruppe betr¨¹gen: Gewisse Mutanten bilden von sich aus weder Fruchtk?rper noch Sporen. Doch mischt man diese mit kooperierenden und sporenbildenden Zellen, nutzen Betr¨¹ger diese F?higkeit aus, ohne die daf¨¹r n?tige Energie in Form von Botenstoffen und Enzymen zusammen mit weiteren Kooperateuren bereitzustellen. Dadurch k?nnen Betr¨¹ger ihre Anteile in einer Population praktisch kostenlos erh?hen und damit den Fortbestand kooperativer Systeme gef?hrden. ?Wir haben sogar beobachtet, dass Schummler ganze Best?nde von Kooperateuren und Betr¨¹gern zum Aussterben bringen?, erkl?rt Velicer.

Dennoch ist Kooperation ein Erfolgsmodell der Evolution: In einer Vielzahl biologischer Systeme hat sich Zusammenarbeit als evolution?r widerstandsf?hig gegen solchen Betrug erwiesen. Denn kooperative Myxococcus-Bakterien k?nnen schnell soziale Anpassungen hervorbringen, wie Velicer in einer weiteren Studie entdeckte. So hat er beobachtet, wie sich ein sich urspr¨¹nglich sozial verhaltender Stamm zun?chst in einen Betr¨¹ger und sp?ter wieder in einen Kooperateur entwickelte; und dies sogar in einer neuen, besser angepassten Form, die gegen die Betrugsversuche ihrer eigenen Vorfahren hochresistent war. In einer weiteren Studie fand ein Mitarbeiter Velicers heraus, dass die Wiederherstellung der Kooperation durch eine einzelne Mutation in einer zuvor unbekannten kurzen RNA (engl.: small RNA, sRNA) zustande kam. Es stellte sich heraus, dass diese sRNA essenziell an der Regulierung der Fruchtk?rperbildung beteiligt war.

Pl?tzlich das Erbgut verdoppelt

Ver?nderungen des Erbguts sind eine der Grundlagen der Evolution. Sie ereignen sich spontan und zuf?llig; oft sind sie unbedeutend und wirken sich nicht aus. Doch es gibt auch Erbgutver?nderungen, die massiv sind und das gesamte Erbgut betreffen: die Verdoppelung des gesamten Chromosomensatzes. Dies passiert von einem Moment auf den anderen, wenn bei der Reifeteilung der Keimzellen, der Meiose, die Chromosomen nicht wie ¨¹blich halbiert und gleichm?ssig auf die entstehenden Keimzellen aufgeteilt werden. Bei den Chromosomen handelt es sich um DNA-F?den, die um ein St¨¹tzger¨¹st aus Proteinen gewickelt sind. Jede K?rperzelle des Menschen hat 46 Chromosomen: zwei Geschlechtschromosomen und 22 Paare.

Schl?gt die Meiose fehl, erh?lt eine der entstehenden Keimzellen alle Chromosomen und damit das gesamte Erbgut. Sie bleibt diploid, die andere geht leer aus und stirbt ab. Verschmelzen nun zwei diploide Keimzellen, erw?chst daraus ein Organismus, dessen Zellen einen vierfachen Chromosomensatz besitzen. Er ist pl?tzlich polyploid ¨C was die Zellbiologie und die Physiologie des Organismus vor substanzielle Herausforderungen stellt.