Nicht alle Eukaryonten stützen sich allein auf Mitochondrien zur Energiegewinnung. Zum Beispiel haben Pflanzen und einige Protisten zusätzlich Plastiden, in denen die Photosynthese stattfindet und durch die der Organismus mit Nährstoffen versorgt wird. Organismen, die in einer sauerstoffarmen Umgebung leben, wie anaerobe Pilze und Protozoen besitzen überhaupt keine Mitochondrien -- statt dessen gewinnen sie ihre Energie mit Hilfe von Hydrogenosomen. Diese Organellen sind zwar in vieler Hinsicht den Mitochondrien ähnlich, haben aber einen anderen Metabolismus. Während Mitochondrien Sauerstoff zur Energiegewinnung brauchen, produzieren die Hydrogenosome die Energie unter sauerstoffarmen Bedingungen.

Forscher der Niederländischen Organisation für Wissenschaftliche Forschung (NWO) glauben, daß die Hydrogenosome sich im Zuge der Evolution wiederholt aus den Mitochondrien entwickelt haben. Sie stellen die Hypothese auf, daß Protozoen und Pilze, die in einer sauerstoffreichen Umgebung gelebt haben, sich plötzlich in einer komplett anoxischen (sauerstofffreien) Umgebung wiedergefunden haben. Um diesen Sauerstoffmangel zu überleben, entwickelten sich in ihnen die Mitochondrien zu Hydrogenosomen. 

Über den Ursprung der Hydrogenosome wurde lange debattiert. Wie die NWO-Forscher glauben einige Wissenschaftler, daß Hydrogenosome aus Mitochondrien entstanden sind. Andere glauben, daß Hydrogenosome und Mitochondrien einen gemeinsamen Vorfahren haben. Im Gegensatz zu Mitochondrien arbeiten Hydrogenosome in anoxischen Umgebungen, deshalb zeigt uns die Entwicklung dieses Systems zur Energiegewinnung etwas über die Entwicklung des Lebens auf der frühen Erde. Die Antworten auf diese Fragen könnten uns die Möglichkeiten aufzeigen, nach denen sich das Leben auch auf anderen Welten entwickelt haben könnte.

Mitch Sogin, ein Mikrobiologe des Meeresbiologischen Laboratoriums und Mitglied des Astrobiologischen Instituts der NASA (NAI) meint, daß jeder klare Einblick in die mikrobiologische Evolution wichtige Hinweise für die Astrobiologie bringe. Man brauche nur zu verstehen, wie die Diversität sich in der Abstammung der Bakterien entwickelt hat. 

Um sich zu Hydrogenosomen umzuwandeln, brauchen Mitochondrien genetisches Material von anaeroben Bakterien. Diese Übergabe von genetischem Material von einem Mikroorganismus zu einem anderen wird "lateraler Gentransfer" genannt.

Lateraler Gentransfer beinhalte die Bewegung von Genen zwischen Organismen, erklärt Sogin. Dies erlaube die unerwartete Einführung von einer oder mehrerer biochemischer Möglichkeiten in einen Organismus. 

Laut Sogin weicht der laterale Gentransfer von dem ab, was wir normalerweise als Evolution bezeichnen, bei der der Genpool sich im Laufe der Zeit durch Mutationen verändert. Mutationen werden im Genom aufgehoben, neue Fähigkeiten entwickelt oder es gehen andere Funktionen verloren. Wissenschaftler können diese allmählichen Veränderungen verfolgen, wohingegen der laterale Gentransfer schwerer zu entdecken ist, da er das plötzliche Einführen von Genen, die nicht mit der natürlichen Entwicklung des Genpools übereinstimmen, beinhaltet. 

Links: Eine der vielen Arten von Zyanobakterien aus der Familie Tolypothrix. (Photo: Cyanosite)

In der Frühzeit der Erde, als Sauerstoff kaum vorhanden war, wurde der Planet von einzelligen Organismen mit wenig oder keiner intrazellulären Organisation beherrscht. Eine Überlegung ist, daß blaugrüne Algen vermutlich so viel Sauerstoff produziert haben, daß die Ozeane ihn nicht mehr aufnehmen konnten und der Überschuß sich in der Atmosphäre angesammelt hat. Zu dieser Zeit war Sauerstoff ein giftiges Gas für die meisten Lebewesen auf der Erde. Um zu überleben, mußten sich neue Formen des Stoffwechsels, welche auf der Veratmung von Sauerstoff basieren, entwickeln.

Molekulare und fossile Daten zeigen, dass Eukaryonten vor 2 bis 3 Billionen Jahren auftauchten, als die Erdatmosphäre größtenteils frei von Sauerstoff war.  Der früheste Eukaryont hatte keine Mitochondrien. Viele Wissenschaftler glauben, dass Mitochondrien ursprünglich aerobe (sauerstoffatmende) Bakterien waren, die von einem größeren anaeroben Organismus gefressen wurden, von dem frühen Eukaryonten. Anstatt als Nahrung verdaut zu werden überlebte das Bakterium und wurde Teil des Zellstoffwechsels (Endosymbiontentheorie). Die Eingliederung des aeroben Bakteriums erlaubte dem anaeroben Eukaryonten in einer Sauerstoffatmosphäre zu überleben, indem der anaerobe Organismus Nährstoffe für das aerobe Bakterium bereitstellte und dafür Energie in Form des Energietransferstoffes Adenosintriphosphat (ATP) erhielt. 

Mitochondrien und Hydrogenosome benutzen viele gemeinsame Proteine und der Stoffwechsel der Hydrogenosome ist ähnlich wie der der frühen Eukaryonten, bevor die Mitochondrien sich entwickelt hatten. Deshalb glauben einige Wissenschaftler, daß Hydrogenosome neue Einblicke liefern, wie Eukaryonten funktionierten, bevor der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre zu steigen begann. Sogin glaubt nicht, daß Hydrogenosome etwas über den Ursprung der Eukaryonten aussagen. 

"Die Wasserstofftheorie ist ein kluges Modell, um die Ursprünge der Eukaryonten zu erläutern," sagt Sogin. "Meiner Meinung nach ist dieses Forschungsgebiet auf der einen Seite sehr aufregend, aber auf der anderen Seite fehlen bedeutungsvolle molekulare Sequenzdaten, um in der Lage zu sein, die Richtigkeit dieser Hypothese zu beweisen. Ich denke, die Transformation von aeroben Mitochondrien zu einem Stoffwechsel, der auf anaeroben Hydrogenosomen basiert, hat wenig oder gar nichts mit dem Ursprung der Eukaryonten zu tun."

Rechts: Protozoen sind auch Eukaryonten, d. h. sie besitzen einen Zellkern, in dem das genetische Material der Zelle enthalten ist. (Photo: UCMP Berkeley)

Das NWO-Forscherteam vergleicht die Hydrogenosome verschiedener Protozoen und anaerober Pilze und entdeckte, daß Inhalt und Form dieser Zellorganellen sich von Spezies zu Spezies unterscheiden. Die Hydrogenosome von Nyctotherus ovalis, ein Protozoe aus den Därmen der Küchenschabe, ähneln noch sehr den Mitochondrien. Die der Neocallimastix und Piromyces, Pilze aus den Därmen des Lamas und des indischen Elefanten, sehen dagegen völlig anders aus.

Neben den Unterschieden gibt es aber auch viele Gemeinsamkeiten zwischen den Hydrogenosomen der verschiedenen Spezies. Die Forscher folgern daraus, daß die Hydrogenosome jedesmal aufs neue aus den Mitochondrien im Zuge der Evolution entstehen.

Mit anderen Worten: Hydrogenosome entstehen sogar heute noch aus Mitochondrien, wann immer Organismen aus einer sauerstoffreichen in eine sauerstoffarme Umgebung gelangen, wie Sogin meint. Dieser Wechsel der Umgebungsbedingungen kann so einfach sein, wie z. B. im Matsch begraben oder in die Därme eines Tieres aufgenommen zu werden. 

Sogin's Schluß: "Für mich ist klar, daß sich Hydrogenosome in der Geschichte der Protozoen mehrfach entwickelt haben, und daß diese Entwicklung eine unausweichliche Konsequenz für einen Eukaryonten ist, der sich in eine anaerobe Nische hinein bewegt."

Übersetzt und bearbeitet von Melanie Lindner.

Quelle: Evolution’s Double Take, Astrobiology News, NASA Astrobiology Institute (NAI)