Vom Einzeller zum Vielzeller

Alle vielzelligen Lebewesen stammen von Einzellern ab. Die Entwicklung vom Ein- zum Vielzeller ist nur möglich, wenn die ursprünglich unabhängigen Zellen miteinander zusammenarbeiten.

Dabei gelten sogenannte Betrügerzellen als ein großes Hindernis – also Zellen, die die Kooperation der anderen zum eigenen Vorteil ausnutzen. Wissenschaftler des Max Planck Instituts für Evolutionsbiologie in Plön haben zusammen mit Forschern aus Neuseeland und den USA beobachtet, wie einfache, fortpflanzungsfähige Zellverbände entstehen können.

In ihren Laborexperimenten hat sich aus Einzelzellen des Bakteriums Pseudomonas fluorescens eine Vorstufe eines vielzelligen Organismus mit einem einfachen Lebenszyklus entwickelt. Eine entscheidende Rolle kam dabei den Betrügerzellen zu.

Sie entwickelten sich zu einer Art Vorläufer von Geschlechtszellen, mit denen sich die Zellverbände vermehren konnten. Die Überlebensfähigkeit der Zellverbände nahm dabei immer mehr zu, die der Einzelzellen jedoch ab – ein Beleg dafür, dass ein neuer Organismus entstanden war.

Die einzelnen Bakterienzellen von Pseudomonas fluorescens leben für gewöhnlich unabhängig voneinander. Mutationen ermöglichen jedoch manchen Zellen, Haftproteine zu produzieren und nach der Zellteilung miteinander verbunden zu bleiben. Dadurch bilden sie zusammenhängende Zellverbände. In diesen Bakterienmatten profitieren die Bakterien von einem höheren Sauerstoff-Angebot. Dies gleicht den Aufwand für die Produktion der Haftproteine aus. „Diese Bakterienverbände oder Matten sind ein möglicher Ursprung der Vielzelligkeit. Allerdings müssen sie einen Weg finden, sich zu vermehren“, erklärt Paul Rainey, Leiter der Studie.

Zellen, die kein Haftprotein mehr bilden, können sich den Aufwand für die Haftproteine sparen und vom hohen Sauerstoffgehalt profitieren, ohne selbst etwas dazu beizutragen. Sammeln sich aber immer mehr dieser Betrügerzellen an, wird irgendwann zu wenig Klebstoff produziert und die Bakterienmatte löst sich auf. Aus bisherigen Ergebnissen haben Wissenschaftler lange Zeit gefolgert, dass die Evolution solche Betrüger eliminieren muss, die wie Trittbrettfahrer die Kooperationsbereitschaft anderer ausnutzen. Nur dann könnten sich vielzellige Organismen entwickeln.

Den Forschern zufolge ist dies nicht der Fall. Vielmehr fördern die Betrügerzellen die Entwicklung und Ausbreitung der Bakterienmatten. Obwohl sie die Matte zerstören, sind sie gleichzeitig ihr „Retter“. Sie könnten also den Ursprung von Keimzellen und spezialisierten Zellen darstellen – und damit den Ursprung der Fortpflanzung vielzelliger Organismen.

In den Experimenten verglichen die Forscher zwei verschiedene Lebenszyklen, die die Evolution der Bakterienmatten beeinflussten. Im ersten Fall entnahmen sie aus jeder Mattengeneration nur Betrügerzellen und züchteten daraus neue Kolonien. Im zweiten Fall entfernten die Wissenschaftler die Betrügerzellen. „Die Überlebenstauglichkeit der so entstanden Bakterienmatten, also ihre biologische Fitness, wuchs in beiden Fällen – unter der Voraussetzung, dass die Matten miteinander konkurrierten“, erklärt Katrin Hammerschmidt vom New Zealand Institute for Advanced Study.

Die Forscher stellten jedoch fest, dass sich in ihren Experimenten die biologische Fitness der Zellverbände von der der einzelnen Zellen abkoppelt, wenn Betrügerzellen Teil des Lebenszyklus sind: Verbände mit hoher Überlebensfähigkeit bestanden aus Zellen mit relativ gesehen geringer individueller Fitness. „Die Einzelzellen haben in diesen Verbänden also zugunsten der Allgemeinheit auf eigene Vorteile verzichtet. Die so entstandenen Bakterienmatten sind also mehr als ein zufälliger Zusammenschluss vieler Zellen. Sie haben sich vielmehr zu einem vielzelligen Organismus entwickelt, dessen biologische Fitness sich nicht mehr aus der Fitness seiner Einzelzellen ergibt, sagt Rainey.

Solche aus zwei Phasen bestehenden Lebenszyklen sind typisch die meisten heute lebenden vielzelligen Organismen. Möglicherweise sind die Zellen der Keimbahn, Ei- und Samenzellen, im Laufe der Evolution aus solchen egoistischen Betrügerzellen hervorgegangen.

Ansprechpartner

Prof. Dr. Paul Rainey
Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie, Plön

E-Mail: rainey@evolbio.mpg.de

Originalpublikation
Katrin Hammerschmidt, Caroline Rose, Ben Kerr and Paul B. Rainey

Life cycles, fitness decoupling and the evolution of multicellularity

Nature 6. November 2014 (doi:10.1038/nature13884)