Document ID: /fineweb-2-swissfilter-quality_10-filterrobots/filtered/03271.jsonl.gz/2784

|www.ethlife.ethz.ch|

Rubrik: Tagesberichte
Computersimulationen helfen weiter
Der Mehrzelligkeit auf der Spur

Published: 05.04.2001 06:00
Modified: 04.04.2001 19:25

Anhand von Computermodellen ist es ETH-Forschern gelungen, Bedingungen zu finden, welche die Entstehung von Nahrungs-abhängigen Mehrzellern begünstigt haben könnten. Die Energiegewinnung spielt dabei eine zentrale Rolle.

Von Christoph Meier (mailto:<email-pii>)
Ausgangspunkt der Forschung von der Gruppe um Sebastian Bonhoeffer, SNF-Professor für theoretische Biologie, war ein Dilemma bei der Gewinnung von Energie in Lebewesen. Wenn ein Substrat von einem Lebewesen zu einem energieärmeren Produkt abgebaut wird, ist es ein Ziel, möglichst viel freie Energie in Form von ATP zu gewinnen (ATP kann man als eine Art zellulärer Energiewährung betrachten). Das Dilemma dabei ist, dass eine schneller ATP-Gewinn auf Kosten der Ausbeute geht. Oder anders formuliert: Eine schnelle Produktion reduziert den Nettoertrag an ATP. Eine kleinere ATP-Ausbeute führt wiederum zu einem eingeschränkten Wachstum, was ökologisch relevant ist. Denn das Wachstum kann als Gradmesser für die Fitness erachtet werden. Dass bei erwähnten Dilemma einerseits auf Schnelligkeit und andererseits auf grossen Ertrag gesetzt wird zeigt sich in der Natur selbst. So stellt die Gärung eine schnelle Möglichkeit dar, ATP zu gewinnen auch wenn sie im Vergleich zur langsamen Atmung mehr als zehn mal weniger Energie aus einer bestimmten Ressource ziehen kann.Wie begann es?
Die Frage für die ETH-Forscher war nun, unter welchen Bedingungen eine entsprechende Ressourcenverwertung vorkommt. Diese Frage enthält einen evolutionsbiologischen Aspekt, indem ihre Antwort auch Hinweise auf den Ursprung der Lebewesen mit verschiedenen ATP-Produktionswegen geben kann. Die Frage akzentuiert sich erst richtig, wenn man von beschränkten Ressourcen ausgeht. Die Forscher fanden anhand einer Computersimulation, dass bei gleicher Verfügbarkeit der Nahrung, die Schnelleren - sprich die Gärenden - gewinnen , auch wenn sie eine kleinere Population etablieren. In diesem Zusammenhang sei darin erinnert, dass der Wettbewerb um beschränkte Ressourcen ein wichtiger Bestandteil von Darwins Evolutionstheorie darstellet.
Wie kommt es nun aber, dass trotzdem Lebewesen mit Atmung entstehen konnten? Eine Erklärungsmöglichkeit besteht in der Annahme, dass die Verfügbarkeit der Ressourcen nicht homogen war.
Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn ein Lebewesen die Energiequelle vor ihrer Verwertung aufnimmt und somit der Nutzung anderer entzieht, wie dies bei höheren Lebewesen der Fall ist. Ein höheres Lebewesen kann man aber auffassen als eine weit entwickelte Form von kooperierenden Zellen.
Diese Überlegung führte die Forscher dazu, eine Computersimulation durchzuführen, bei der sich atmende und gärende Zellen um räumlich verteilte Nahrung streiten. In einer räumlich strukturierten Umgebung zahlt sich eine schnelle, aber ineffiziente Ressourcennutzung unter gewissen Bedingungen nicht mehr aus. Denn wenn die Energienutzung so schlecht ist, dass die nächste Energiequelle nicht mehr erreicht wird, hilft auch der schnelle Konsum nichts. Hier ist es von Vorteil, sparsam die Nahrung auszunutzen, damit der Schnauf bis zu einer neuen Nahrung reicht. Es zeigte sich tatsächlich, dass bei langsamer Bewegung der verschiedenen Zelltypen und kleinem Nahrungsangebot die Zellen mit Atmung sich durchsetzen konnten. Es bildeten sich Cluster von atmenden Zellen, die in dieser Form mit der Zeit die Zellen mit Fermentation verdrängten. Die respirierenden Zellen profitierten voneinander, indem sie sich nicht gegenseitig ihre Nahrungsgrundlage wegfrassen. Vielleicht gleicht diese Situation der, als erstmals Mehrzeller entstanden.Atmung als treibende Kraft
Dass diese Forschung nicht nur theoretischer Natur ist, zeigen auch natürliche Beispiele. So kommt der Brotschimmelpilz bei Sauerstoffanwesenheit in einer mehrzelligen, atmenden Form vor, wogegen er bei fehlendem Sauerstoff als gärender Einzeller auftritt. Bei der im Scienceexpress erschienenen ETH-Untersuchung (1) ist jedoch zu beachten, dass sie nur von heterotrophen Organismen ausgeht, das heisst von Lebewesen, die auf ein organisches Substrat zur Energiegewinnung angewiesen sind. Für autotrophe Lebewesen wie Pflanzen müsste ein eigenes Evolutionsszenario entwickelt werden. Zudem können die Ergebnisse erdgeschichtlich nur einen Einblick in die Entstehung der Mehrzelligkeit nach dem Vorhandensein einer Sauerstoffatmosphäre bieten.
Nichtsdestoweniger ist es bedeutend, dass die Atmung vielleicht eine treibende Kraft für die Aggregation von Zellen und somit der Mehrzelligkeit gewesen sein könnte. Denn bis anhin wurde die Mehrzelligkeit hauptsächlich unter dem Aspekt der Spezialisierung einzelner Zellgruppen gesehen. Diese Vorstellung fällt aber besonders schwer, wenn nicht schon vorher mehrzellige Formen durch die Evolution begünstigt wurden.References:
Footnotes: