Schaut man sich unser Genom an, also sämtliche vererbbare Information in unseren Körpern, lässt sich feststellen, dass wir viele Gene mit anderen Lebewesen teilen. Da liegt es nahe, anzunehmen, dass wir auch alle einen gemeinsamen Vorfahren haben, von dem wir abstammen. Dieser Vorfahre wird allgemein LUCA genannt, kurz für “Last universal common ancestor.” Dieser muss so weit zurück liegen, dass sich aus ihm die drei großen Gruppen (Domänen) von Lebewesen entwickelt haben, die es heute auf der Erde gibt: Eukaryoten (das sind wir und alle anderen Lebewesen mit einem Zellkern), Bakterien und Archaea.

Arche-was? Wie auch Bakterien besitzt diese Gruppe keinen Zellkern, unterscheidet sich aber zusätzlich durch ein paar andere Merkmale, besonders in der ribosomalen RNA.

Hier sind alle drei Gruppen einmal schematisch nebeneinander aufgezeigt:

treeoflife.png

Uns findet man oben rechts. LUCA ist auf dieser Abbildung auch schon zu finden, und zwar in der Mitte unten, wo sich die schwarzen, blauen und roten Linien treffen. DAS ist unser letzter gemeinsamer Vorfahre mit Pflanzen, Pilzen, Protozoen, Bakterien und Archaeen.

Darf ich vorstellen, LUCA

Hypothetisch existierte unser letzter gemeinsamer Vorfahre ungefähr solange wie die Menschen wussten, dass wir mit anderen Lebewesen der Erde verwandt sind. Es ist aber schwieriger, direkt Hinweise darauf zu finden, wie LUCA ausgesehen hat. Es ist schon schwierig, einen Eindruck davon zu bekommen wie unsere Vorfahren vor ein paar Tausend Jahren aussahen, da ist es quasi unmöglich sich vorzustellen, wie Leben vor ungefähr 3,5 Milliarden Jahren aussah.

Bisher wurde angenommen, dass diese Kreatur, wenn ich sie mal so nennen darf, unheimlich simpel strukturiert sein musste. Ein bisschen RNA, vielleicht zusammengehalten durch etwas Zytoplasma und bestenfalls eine dünne Membran. In einer neuen Studie in dem (mir bislang völlig unbekannten) Journal “Biology Direct” wird jetzt darüber diskutiert, ob LUCA vielleicht schon komplexer war, als man bisher annahm.

Die Autoren fanden nämlich Hinweise auf ein “Körnchen” in Archaeen, von dem bisher angenommen wurde, dass es nur in Bakterien und Eukaryoten existierte. Diese Körnchen mit dem komplizierten Namen Acidocalcisome sind Zellinterne Speicher für Phosphor und Metallionen. Sie finden sich in fast allen größeren Gruppen von Lebewesen, in Bakterien, Schleimpilzen, Amöben, Algen, den berüchtigten Malariaerregern und auch in menschlichen Thrombozyten, unseren Blutplättchen. Sie sind also bislang in zwei von den drei Domänen bekannt gewesen. Nun scheint es, als gäbe es sie auch in Archaeen.

Das Interessante an diesem Fund ist, dass es sich bei den im Englischen als “volutin granules” bezeichneten Körnchen um Organellen handelt, die eine Membran besitzen. Eukaryoten wurden traditionell von den Prokaryoten unterschieden eben weil Bakterien und Archaeen keine Organellen mit Membranen im Zellinnern besaßen. Nun kennen wir aber mindestens zwei Bakterien, bei denen das der Fall ist, und seit dieser Studie anscheinend auch einen Vertreter der Archaea (Methanosarcina acetivorans).

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TEM-Aufnahme von Methanosarcina acetivorans. Die Pfeile zeigen auf leere, leicht gefüllte und komplett gefüllte “Körnchen.” (Quelle: Biology Direct 2011, 6:50)

Dieses Organell, dieses “Körnchen,” ist damit das einzige, welches in allen drei Domänen des Lebens vorkommt. Es liegt nahe, zu vermuten, dass es daher auch in LUCA vorkam. LUCA wäre dadurch schon wesentlich komplexer als bisher angenommen. Doch nicht nur das, dieser Vorfahre wäre auch komplexer als viele seiner Nachfahren, denn in einem Großteil von Archaeen und Bakterien findet sich so ein membranöses Organell nicht mehr.

Das führt uns zu einer schon lange geführten, recht komplizierten Diskussion darüber, wie Bakterien eigentlich ihre Gene bekamen: Durch “vertikale” Vererbung von ihren Vorfahren, oder durch “horizontale” Weitergabe an andere Organismen? Aber eines nach dem anderen …

Wie vergleicht man eigentlich zwei Lebewesen?

Alle Lebewesen haben eine Menge Gene gemeinsam, es gibt also viele identische Sequenzen von Basenpaaren in den verschiedenen Genomen. Allerdings gibt es auch einzigartige Gene, die uns voneinander unterscheiden und uns z.B. erlauben dass wir Autos bauen und fahren können, während die Schimpansen zu Fuß gehen müssen. Man kann also nicht einfach sagen, dass Menschen und Menschenaffen sich zu so-und-so-viel Prozent gleichen; stattdessen schaut man sich an, wie ähnlich sich vergleichbare Gene sind. Bei Homo sapiens und Pan troglodytes, dem Schimpansen, ähneln sich diese Gene zu 95-98%. Vergleichen wir die Maus Mus musculus mit uns, ähneln sich die Gene im Durchschnitt zu 85%, was aber von Gen zu Gen sehr stark schwankt.

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Kommentare (12)

  1. #1 KommentarAbo
    Oktober 8, 2011

  2. #2 Sascha Vongehr
    Oktober 8, 2011

    Interesting. Do Acidocalcisome in LUCA hint at a certain prebiological to biological transition (e.g. importance of phosphorus) or make certain “origins of life” scenarios less likely?

  3. #3 MartinB
    Oktober 8, 2011

    Echt spannend, danke.

  4. #4 Nils
    Oktober 8, 2011

    @Sascha:
    (Nice, an english comment. :-)
    I think this is going into biochemistry, so I’m probably not the right person to answer this … however, as far as I understand, one of the compounds stored by acidocalcisomes is polyP, which is thought to have been present on earth even before LUCA. But there is still the possibility that the acidocalcisome pumps transferred extraterrestrial phosphorous as well, so as far as origin of life scenarios, I don’t think the paper will have much impact on this discussion.
    But then again, I’m no biochemist … 😉

  5. #5 BreitSide
    Oktober 8, 2011

    Wau, sehr interessant! Erzähl das mal dem Goethe mit seiner Urpflanze…

    Aus meiner Froschperspektive sehe ich da Parallelen zu unserer Sprache: die “Ursprachen”, wie ich es verstanden habe, zB bei den San/”Pygmäen”, haben viel mehr Laute als unsere “modernen” Sprachen. Die Klicklaute sind praktisch ganz verschwunden. Oder auch das “gb”, bei dem “g” und “b” gleichzeitig gesprochen werden.

    Das alte Gesetz: “Alles wird immer komplexer” scheint wohl auch eher für den Gesamtzustand zu gelten als für die einzelnen Teilsysteme. Ist da die Entropiezunahme eine Parallelität? Auch hier nimmt ja die Gesamtentropie zu, während in kleine Systemen (Lebewesen, Kühlschränke) die lokale Entropie abnimmt.

    Könnte man so eine Parallele ziehen?

  6. #6 Aveneer
    Oktober 8, 2011

    Die Frage wäre doch: Erfüllt die Phosphatase in allen Organismen, dieselbe/ die eine Funktion?

    Man hat also ein Gen gefunden, das in allen Domänen des Lebens gefunden wurde. O.K. das spricht dafür, dass das Gen in LUCA schon vorhanden war. Und das erklärt auch, warum der genetische Vergleich, den vorhandenen Stammbaum widerspiegelt.

    Eines der ersten Gene ist also eine Phosphatase. Das aller erste Gen? ;-))

    Nur kann dasselbe Gen in verschiednen Organismen verschiedene Funktionen erfüllen?

    In manchen dienen sie zum Aufbau der Acidocalcisomen. Aber ob es in LUCA dieselbe Funktion hatte? Genauso wahrscheinlich (wahrscheinlicher) hatte es eine andere Funktion und durch Koevolution übernahm es in manchen Organismen, den Transport in die Acidocalcisomen.

    Beipiel: Thrombozyten – hier die Funktion: Aufbau Acidocalcisomen

    In anderen Zellen? Keine Funktion? Unwahrscheinlich!

    Die Frage wäre kommt dieses Gen nur in Zellen vor die Acidocalcisomen besitzen? Beim Menschen schon mal nicht.

    Gruß
    Aveneer

    PS: Traditionell werden Eukaryoten von Prokaryoten durch das Fehlen eines Zellkerns (Karyon) bei Pro-Karyonten („Vor“ dem Zellken)- unterschieden ;-).

    Keine Organellen?

    Ich darf dich zitieren?

    Acidocalcisomen : „Sie finden sich in fast allen größeren Gruppen von Lebewesen, in Bakterien,….“ 😉

  7. #7 Nils
    Oktober 8, 2011

    @Aveneer:
    Du hast Recht, Eu- und Prokaryoten unterscheiden sich dadurch dass eine einen Zellkern haben, die anderen nicht. Aber bisher hat man als Eigenschaft auch angenommen, dass Prokaryoten keine Organellen mit Doppelmembran besaßen. Die gleiche Gruppe, die jetzt aber diese Studie veröffentlicht hat, hat schon in Bakterien gezeigt, dass sie Acidocalcisomen besitzen, also Organellen mit doppelter Membran (J Biol Chem 2003, 278:29971-29978; J Biol Chem 2004, 279:1193 – 51202). Auf Wikipedia findet man zwar immer noch die Aussage, dass “Prokaryoten … im Gegensatz zu Eukaryoten keine membranbegrenzten Organellen” besitzen, aber das scheint als Kriterium nicht mehr zu stimmen.

    Zur Funktion der Phosphatase: Die Funktion wird schon gleich gewesen sein, ob die Phosphatase jedoch auch in den Ur-Acidocalcisomen eine Rolle gespielt hat, steht noch aus. Darüber hinaus kann es natürlich sein, dass die Organellen sich unabhängig voneinander später entwickelt haben, die Phosphatasen aber von vornherein da waren.

    Wäre schön wenn der Publicity Boost, den die Thematik durch diese Publikation bekommt, andere Gruppen dazu bringt, sich dem Thema mehr anzunehmen …

  8. #8 Aveneer
    Oktober 8, 2011

    Bleibt man bei der Endosymbiontentheorie, könnte man sich vorstellen, dass diese Phosphatase die Aufgabe hatte Phospahat in die Zelle zubringen. Später wurde diese Zelle als Symbiont aufgenommen. Was jedoch bedeuteten würde, es gab LUCA-1 und LUCA-2. Oder der eine LUCA hat den anderen verschluckt hat 😉

    Die Bedeutung von Phosphat für die Entwicklung ist unbestritten, schließlich benötigt man auch die RNA-Synthese große Mengen davon. Dass eines der ersten Gene ein Protein codiert, welches den Phosphat -Transpot durch die Membran reguliert, ist daher nicht abwegig.

    Gruß
    Aveneer

  9. #9 rka001
    Oktober 8, 2011

    Gemmata obscuriglobus, eine Planctomycete, hat einen Doppelmembran um einen DNA/Ribosomen-enthaltenden Nucleoid. Alle anderen Planctomyceten haben eine Einfachmembran. Anammox-Planctomyceten besitzen zusätzlich eine weitere membran-begrenzte Organelle, das Anammoxosom.
    Planctomyceten sind ziemlich abundant – so selten ist Zellkompartimentation auch in Bakterien nicht.
    Man muss sich eben fragen, ob das das Ergebnis einer parallelen oder seriellen Evolution ist.
    Dazu ein excellenter Review von Fuerst/Sagulenko:
    http://www.nature.com/nrmicro/journal/v9/n6/full/nrmicro2578.html

  10. #10 EuroTanic
    Oktober 9, 2011

    Diese pseudowissenschaftlichen Aussagen sind immer wieder erheiternd. Im gleichen Masse könnte man Duplo- und Legosteine als eine frühere Verwandte oder auch als Vorform von Einfamilienhäusern oder gar von Hochhäusern betrachten weil diese bestimmte Ähnlichkeiten von Eigenschaften aufweisen.

  11. #11 Dr. Webbaer
    Oktober 21, 2011

    @EuroTanic
    Es handelt sich bei LUCA wohl um eine theoretische Entität, die der allgemeinen Theoretisierung hilfreich ist oder zumindest scheint. Theoretische Entitäten sind nicht unüblich, vielleicht hätte das im Artikel klarer herausgestellt werden können.
    Und klar, was war zuerst: Der kleine Holzblock oder das Haus?

    Duplo gibt’s noch nicht so lange.

    MFG
    Dr. Webbaer

  12. #12 Nils
    Oktober 21, 2011

    @Webbaer:
    Genau.