23. Jan. 2020
Das bemannte Tiefstauchboot Shinkai 6500, mit dem der Tiefseeschlamm mit den Asgard-Archäen aus dem Nankai-Trog geborgen wurde.

Das bemannte Tiefstauchboot Shinkai 6500, mit dem der Tiefseeschlamm mit den Asgard-Archäen aus dem Nankai-Trog geborgen wurde.

Einer der großen Schritte in der Entwicklung des Lebens war das Auftreten von Lebewesen, deren Zellen spezialisierte Instrumente, sogenannte Organellen, besaßen. Zu diesen Eukaryoten gehören heute alle höheren mehrzelligen Lebewesen, doch ihr Ursprung vor rund zwei Milliarden Jahren ist dunkel. In "Nature" berichten japanische Mikrobiologen, dass sie eine spezielle Art von Archäen im Labor kultivieren konnten, die den Urahnen der Eukaryoten ähneln.

Die Entstehung der eukaryotischen Zellen, aus denen alles höhere Leben aufgebaut ist, ist eines der großen Rätsel der Evolution. Zu sehr unterscheiden sich diese Zellen mit ihren spezialisierten Einheiten wie dem Kern oder den Mitochondrien von den viel einfacher aufgebauten Bakterien und Archäen, als dass sie als eine einfach schrittweise Weiterentwicklung aus einem solchen Urahn denkbar wären. Daher gehen die meisten Mikrobiologen inzwischen davon aus, dass die Eukaryoten aus der Verschmelzung von mindestens zwei verschiedenen Einzellern entstanden. Bakterien und Archäen kennen verschiedene Verfahren sich zu vernetzen oder andere Zellen gleich ganz aufzunehmen, ein solcher Vorgang könnte damit am Anfang der Entwicklung zum höheren Leben gestanden haben.

Elektronenmikroskop-Aufnahme von Prometheoarchaeum syntrophicum. Zu sehen sind die Fortsätze, mit denen das Archäon seine Partner möglichweise umschließen kann.

Elektronenmikroskop-Aufnahme von Prometheoarchaeum syntrophicum. Zu sehen sind die Fortsätze, mit denen das Archäon seine Partner möglichweise umschließen kann.

Bild: Jamstec
Von der japanischen Arbeitsgruppe vorgeschlagener Entstehungsweg einer eukaryotischen Zelle.

Von der japanischen Arbeitsgruppe vorgeschlagener Entstehungsweg einer eukaryotischen Zelle.

Bild: Nature/Masaru K. Nobu and Hiroyuki Imachi
Phylogenetischer Stammbaum der drei Domänen, in die die Gesamtheit des Lebens zerfällt.

Phylogenetischer Stammbaum der drei Domänen, in die die Gesamtheit des Lebens zerfällt.

Bild: Nature/Masaru K. Nobu
Der phylogenetische Stammbaum des kultivierten Asgard-Archäons Prometheoarchäum syntrophicum

Der phylogenetische Stammbaum des kultivierten Asgard-Archäons Prometheoarchäum syntrophicum

Bild: Nature/Masaru K. Nobu
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Elektronenmikroskop-Aufnahme von Prometheoarchaeum syntrophicum. Zu sehen sind die Fortsätze, mit denen das Archäon seine Partner möglichweise umschließen kann.

Bild: Jamstec

Von der japanischen Arbeitsgruppe vorgeschlagener Entstehungsweg einer eukaryotischen Zelle.

Bild: Nature/Masaru K. Nobu and Hiroyuki Imachi

Phylogenetischer Stammbaum der drei Domänen, in die die Gesamtheit des Lebens zerfällt.

Bild: Nature/Masaru K. Nobu

Der phylogenetische Stammbaum des kultivierten Asgard-Archäons Prometheoarchäum syntrophicum

Bild: Nature/Masaru K. Nobu

Bleibt die Frage, welche Organismen die Linie zu den höheren Lebewesen begonnen haben. Einer der Partner, das scheint klar zu sein, war ein Bakterium, das mit Sauerstoff umgehen konnte, und das im Lauf der Entwicklung in die Kraftwerke der höheren Zellen, die Mitochondrien, umgewandelt wurde. Schließlich fällt die Entstehung der Eukaryoten in die Zeit nach der ersten Sauerstoffanreicherung in der Erdatmosphäre vor rund 2,4 Milliarden Jahren. Die Verbindung mit einem Mikroorganismus, der mit dem für die damaligen Lebewesen giftigen Stoff umgehen kann, war zweifellos ein wichtiger Wettbewerbsvorteil. Wer aber war der aufnehmende Partner? Ganz hoch im Kurs steht eine rätselhafte Archäen-Gruppe, die fantasievolle Forscher aus den Niederlanden Asgard tauften.

Asgard-Archäen in Zellkultur

Von diesen Archäen war bisher nur die Erbsubstanz bekannt, und in dieser befinden sich Gene, die sonst nur von höheren Lebewesen bekannt sind. Das Problem: außer den Gensequenzen hatten die Mikrobiologen bisher nichts in der Hand. "Und solange man den Organismus selbst nicht untersucht, kann man sich nicht wirklich sicher sein", sagt Christa Schleper, Professorin für Mikrobiologie an der Universität, die sich speziell mit den Asgard-Archäen beschäftigt. Genau das aber hat sich jetzt gerade geändert. Japanische Mikrobiologen berichten in "Nature", sie hätten ein Asgard-Archäon in Zellkultur züchten und daher näher untersuchen können.

"Das ist eine monumentale Arbeit, die ein unglaubliches Maß an Arbeit und Durchhaltevermögen erforderte", rühmt Thijs Ettema, Mikrobiologe an der Technischen Universität Wageningen in den Niederlanden. Ettema gehörte zu der Arbeitsgruppe, die die ersten Genome von Asgard-Archäen publizierte, doch die Mikroben zu züchten ist ihm bisher nicht gelungen. Tatsächlich haben die Forscher um Hiroyuki Imachi von der japanischen Meeresforschungsbehörde Jamstec zwölf Jahre gebraucht, um aus ein bisschen Tiefseeschlamm, den sie im Nankai-Trog vor Honschu gewonnen hatten, eine Zellkultur aus lebendigen und offenbar sich wohlfühlenden Archäen gezüchtet hatten.

Problematische Kostgänger

Allein, um die optimale Ernährung herauszufinden, vergingen Jahre. Die Archäen gedeihen am besten mit einer Diät aus Aminosäuren und Milchpulver, und sie brauchen auch andere Mikroben, mit denen sie zusammenleben. Die Prometheoarchaeum syntrophicum getauften Archäen gedieh am besten mit einem Alphaproteobakterium und einem methanogenen Bakterium zusammen. Die Arbeitsgruppe um Imachi vermutet, dass aus einer solchen Gemeinschaft schließlich die eukaryotischen Zellen hervorgingen. Allerdings war dazu der klassische Weg, dass ein Partner den anderen schluckt, verbaut. Prometheoarchaeum syntrophicum ist dafür schlicht zu klein. Allerdings kann das Archaebakterium fadenartige Fortsätze ausbilden, mit denen es seine Partner "einwickelt".

Natürlich ist Prometheoarchaeum nicht der Urahn aller höheren Lebewesen. Auch wenn es nach Thijs Ettema "einer der sich am langsamsten teilenden Organismen, die ich je gesehen habe", ist, ist der Organismus ebenfalls Produkt einer Evolutionslinie, die sich seit der Entstehung der Eukaryoten vor vielleicht zwei Milliarden Jahren weiterentwickelt hat. Allerdings ist es nicht unwahrscheinlich, dass damals Archäen wie Prometheoarchaeum und ein Alphaproteobakterien eine immer engere Gemeinschaft eingingen, die schließlich in den ersten eukaryotischen Zellen gipfelte.