Die Endosymbiontentheorie beschreibt die wissenschaftliche Annahme, dass in der Evolution zwei Zellen eine gegenseitige Vorteilbeziehung, eine Endosymbiose, miteinander eingegangen sind.
Definition Prokaryoten und Eukaryoten
Bevor die Frage gestellt werden kann, wie Endosymbionten in der Evolution entstehen konnten, sollten zunächst einige Begriffe geklärt werden.
Prokaryoten
Prokaryoten sind als Zellen, die keinen Zellkern besitzen, definiert. In der Evolution sind Prokaryoten weit vor den Eukaryoten entstanden. Wie genau das womöglich passiert ist, erklärt die Endosymbiontentheorie.
Ein Beispiel für einen Prokaryoten ist ein Bakterium.
Eukaryoten
Im Gegensatz zu Prokaryoten besitzen Eukaryoten einen Zellkern. Diese Zellen mit Zellkern ergeben in ihrer Gesamtheit den Organismus.
Menschen und Tiere zählen beispielsweise zu den Eukaryoten.
Geschichte der Endosymbiontentheorie
Schon im Jahr 1883 kam der Botaniker Andreas Franz Wilhelm Schimper auf die Idee, dass es sich bei der Entstehung von Eukaryoten möglicherweise um eine Endosymbiose handelt. Er versuchte, die Entstehung von Chloroplasten zu erklären und führte sie auf die Endosymbiontentheorie zurück.
In den Fokus der Wissenschaft rückte die Endosymbiontentheorie aber erst im Jahre 1967 durch die Veröffentlichung von Lynn Margulis. Sie beschrieb darin, dass einzellige Lebewesen (Prokaryoten) in der Evolution andere Einzeller aufgenommen haben müssen. Laut ihrer Veröffentlichung seien daraus höhere Lebewesen (Eukaryoten) entstanden, die sich durch die Evolution dann im Laufe der Zeit zu immer komplexeren Lebewesen entwickelten.
Damit beschrieb Margulis die Endosymbiontentheorie, die heutzutage größtenteils als erforscht und plausibel in der Wissenschaft anerkannt wird.
Endosymbiontenhypothese einfach erklärt
Die Endosymbiontenhypothese (auch Endosymbiontentheorie genannt) einfach erklärt, beschreibt die wissenschaftliche Annahme, dass in der Evolution eukaryotische Zellen mit Zellorganellen durch die Aufnahme von prokaryotischen Zellen entstanden sind. Der Prozess der Aufnahme eines Endosymbionten in eine Wirtszelle wird Endosymbiose genannt.
Die Symbiose
Eine Symbiose beschreibt in der Biologie einen Zustand, den zwei Lebewesen miteinander eingehen. Diese Beziehung der beiden zueinander ist positiv, sodass letztlich beide davon einen Vorteil haben.
Gleichermaßen beschreibt die Endosymbiose den symbiotischen Zustand, aber mit dem Zusatz, dass ein Organismus in den anderen aufgenommen wurde.
Die Endosymbionten
Bei Endosymbionten handelt es sich um Symbionten, die innerhalb einer Wirtszelle leben.
Es wird angenommen, dass zwei Bakterien in der Evolution miteinander eine Endosymbiose eingegangen sind, wie die unten stehende Abbildung 1 beschreibt. Die eine größere Zelle ("Wirtszelle") hat die kleinere aufgenommen. Da diese Zusammenkunft für beide Zellen von Vorteil war, gingen sie eine Symbiose ein.
Im Detail ist laut dieser Theorie wahrscheinlich ein alpha-Proteobakterium mit einem Urbakterium, dem Archeon, eine Endosymbiose eingegangen.
Archeen sind neben Bakterien und Eukaryoten die dritte Säule der Einteilung von Lebewesen. Sie werden auch als Urbakterien bezeichnet und sind Einzeller ohne Zellkern. Sie grenzen sich durch die Zusammensetzung ihrer Zellmembran von den Bakterien ab und ihr Erbmaterial ist oftmals in sich geschlossen.
Der Theorie zufolge konnte nach der Symbiose von Archeon und alpha-Proteobakterium teilweise ein Cyanobakterium aufgenommen werden. Dieses Bakterium zählt mit zur Endosymbiose. Das Pigmentsystem der Cyanobakterien konnte sich zu Chloroplasten entwickeln. Somit war dies der Ausgangspunkt für die Bildung von Pflanzenzellen.
Cyanobakterien ähneln dem Zellaufbau der Bakterien. Jedoch liegt der Unterschied zu normalen Bakterien darin, dass sie eine Art Fotosynthese Funktion besitzen. Bei dieser wird Sauerstoff gebildet. Die Fotosynthese ist wichtig für Pflanzen zur Energiegewinnung.
Dabei kann man die Organellen der Zelle in ihre Aufnahmemechanismen unterteilen.
1. Plastide
Plastide sind laut der Endosymbiontentheorie Bestandteile, die im Rahmen der Endosymbiose in die Zelle gelangt sind. Dabei handelte es sich vermutlich um Cyanobakterien, von welchen die Plastide abstammen.
Plastide werden bestimmte Zellorganellen der Pflanzenzelle genannt. Der wichtigste Plastid ist hierbei der Chloroplast. Andere Plastide sind beispielsweise Leukoplasten und Chromoplasten der Pflanzenzelle.
Chloroplasten sind in Pflanzenzellen für die Fotosynthese zuständig. Dadurch wird, vereinfacht gesagt, Zucker zur Energiegewinnung der Zelle mithilfe von Licht hergestellt.
In diesem Artikel sind mit dem Begriff Plastid meist die Chloroplasten gemeint. Daher werden die Begriffe Plastid und Chloroplast hier synonym verwendet.
Mitochondrien sind die Kraftwerke unserer Zelle. Sie kommen sowohl in tierischen als auch in Pflanzenzellen vor und sorgen für die Produktion von ATP, der Energiewährung des Organismus. Auch sie wurden durch die Endosymbiose aufgenommen.
Hier kannst Du eine vereinfachte Darstellung der Endosymbiose sehen. Von links nach rechts ist die Aufnahme erst vom Mitochondrium und dann vom Chloroplast zu erkennen.
Endosymbiose
Wie genau die beiden Partner der Endosymbiose davon profitierten und wie diese vermutlich ablief, erfährst Du im Folgenden.
Abbildung 1: Die Endosymbiose vereinfacht dargestellt. Quelle: nutriexperts.com
Eine Endosymbiose findet dann statt, wenn eine eukaryotische Wirtszelle eine prokaryotische Zelle aufnimmt und diese sich im Laufe der Evolution zu einem Zellorganell der Wirtszelle entwickelt.
Vorteile der Endosymbiose
Bei einer Symbiose profitieren beide Parteien. In der klassischen Endosymbiontentheorie machen die Plastide und Mitochondrien von dem Schutz Gebrauch, den die Zelle bietet, die sie aufgenommen hat. Diese aufnehmende Zelle hingegen profitiert von der Aktivität der Chloroplasten und Mitochondrien. Das geschieht durch die Energie- und Zuckerbereitstellung der Organellen.
Ablauf der Endosymbiose
Wie genau aber lief die Endosymbiose (s. obige Abbildung) vermutlich ab? Es wird davon ausgegangen, dass die Wirtszelle (der Prokaryot) ein Bakterium durch Phagozytose aufgenommen hat.
Bei der Phagozytose werden Partikel in die Zelle aufgenommen.
Dieses Bakterium muss einen Abwehrmechanismus besessen haben, da es nach der Aufnahme nicht wie üblich verdaut wurde. Das zurückbleibende unverdaute Bakterium (der Endosymbiont) war der Grund für die Endosymbiose der beiden Zellen. Dabei behielt es seine Membran.
Die Invagination der Plasmamembran
Das Urbakterium muss aber noch weitere Organellen in sich aufgenommen haben. Diesen Vorgang bezeichnet man auch als Invagination.
Zellorganellen, die durch Invagination entstanden sein sollen, sind der Golgi-Apparat, das Endoplasmatische Retikulum und die Kernhülle.
Indizien für die Endosymbiontentheorie
Es gibt viele Indizien, die für die Endosymbiontentheorie sprechen. Dadurch erscheint diese Theorie als sehr wahrscheinlich und gilt deshalb laut heutigem Stand in der Wissenschaft als eine insoweit akzeptierte Tatsache. Die Hinweise darauf, dass Zellorganellen wie Mitochondrien und Chloroplasten womöglich von Bakterien abstammen, lernst Du in folgendem Abschnitt kennen.
DNA
Die mitochondriale DNA (kurz mtDNA) und die DNA der Chloroplasten, genauer gesagt Plastiden liegen beide in Ringform vor. Diese DNA Struktur ähnelt stark der Bakterien DNA, die auch die Form eines Rings besitzt.
Zusätzlich ist die mRNA der beiden Organellen nicht mit der typischen Sequenz ausgestattet, welche Eukaryoten am Ende besitzen.
Die mRNA wird auch als messenger RNA bezeichnet und ist das Produkt der Transkription. Bei dem Vorgang der Transkription wird ein bestimmter Abschnitt der DNA abgelesen. Dieser abgeschriebene Teil der DNA wird als mRNA bezeichnet.
Auch die Ribosomen der Mitochondrien und der Chloroplasten ähneln denen der Bakterien. Sowohl in ihrer Größe als auch in der Zusammensetzung sind die Ribosomen der Plastide und Mitochondrien den Bakterien ähnlicher als den Eukaryoten.
Die 80S-Ribosomen liegen in den eukaryotischen Zellen vor. Jedoch haben Chloroplasten und Mitochondrien ihre eigenen Ribosomen, die als 70S-Ribosomen bezeichnet werden. Diese kommen auch in Bakterienzellen vor.
Doppelmembran
Im Gegensatz zu den meisten Zellorganellen ist es auffällig, dass sowohl Plastide als auch Mitochondrien eine doppelte Membran besitzen. Die äußere Membran stammt vermutlich von der Zelle, welche die Endosymbiose durchgeführt hat. Die innere Membran ist laut der Theorie die immer noch vorhandene Membran des Bakteriums, das aufgenommen wurde.
Die innere Mitochondrienmembran (kurz IMM) besitzt beispielsweise das Phospholipid Kardiolipin. Dieser Baustein für die Membran des Organells, welches vom Mitochondrium selbst synthetisiert wird, ist nicht in den restlichen Membranen der Zelle und der Zellorganellen enthalten.
Zellteilung
Ein weiterer Hinweis auf die Endosymbiontentheorie ist die Tatsache, dass sich sowohl Mitochondrien als auch Plastide, speziell Chloroplasten, autonom teilen und nicht nur verdoppelt werden, wenn sich die Zelle teilt. Somit vermehren sich die Organellen unabhängig von der eigentlichen Zellteilung.
Semiautonomität
Semiautonom bedeutet, dass beispielsweise Mitochondrien in den Zellen heute nicht mehr außerhalb dieser leben könnten. Die Symbiose hat ihnen also mit der Evolution ihre Autonomie genommen. Manche ihrer Gene sind nun im Zellkern, weswegen die Mitochondrien auf diesen angewiesen sind.
Die ATP-Synthase, welche die Mitochondrien für ihre Atmungskette und Energiegewinnung benötigt, wird zum Teil aus Untereinheiten aus dem Zellkern und zum anderen Teil aus mitochondrialen Untereinheiten hergestellt. Deswegen sind Mitochondrien auf den Zellkern angewiesen.
Endosymbiontentheorie - Das Wichtigste
- Die Endosymbiontentheorie ist eine Erklärung für die Entstehung von Eukaryoten in der Evolution.
- Dabei wird davon ausgegangen, dass in der Evolution ein Bakterium ein anderes in sich aufgenommen hat, wobei dies sein Zellorganell wurde.
- Die Endosymbionten sind in dieser Theorie meist Mitochondrien und Plastide, die heute noch spezielle Merkmale für die Stützung dieser Theorie besitzen.
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