Das Gebiet der Eukaryonten ist in 4 Bereiche aufgeteilt: Tiere, Pflanzen, Pilze und Protisten. Protisten sind Organismen, die sich von Pflanzen und Tieren durch geringe morphologische Differenzierung unterscheiden und meistens einzellig sind. Algen, Pilze und Protozoen sind höhere Protisten und Bakterien und Zyanobakterien, die zu den Prokaryonten gezählt werden, sind niedere Protisten. Die Eukaryonten charakterisieren sich dadurch, daß ihre DNA in einem Zellkern eingeschlossen ist. Viele Eukaryonten besitzen Mitochondrien in der Zelle.

Mitochondrien wirken quasi als Kraftwerke, dadurch daß sie durch Veratmung von Sauerstoff Nährstoffe zu Energie verarbeiten.

Oben: Mitochondrien sind die Energiequellen der Zellen. Es sind eigenständige Organellen mit zwei Membranen. Im allgemeinen stabförmig, kommen sie auch in runder Form vor. Die äußere Membran begrenzt die Organelle, während die innere Membran zu Falten verworfen ist, die in's Innere ragen. Abbildung: UIUC

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.

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

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."

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

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."