Antike 'lebende Fossilien' enthüllen, wie zelluläre Zusammenarbeit komplexes Leben auslöste

Auf den ersten Blick können Stromatolithen und ihre nahen Verwandten, mikrobielle Matten, wie nichts weiter als dunkle, uralte Gesteine aussehen. In Wirklichkeit sind sie dicht gepackte, geschichtete Gemeinschaften, die von Mikroben aufgebaut wurden. Vor Milliarden von Jahren, bevor es Tiere und Pflanzen gab, halfen Stromatolithen, einen Teil des frühesten Sauerstoffs in die Erdatmosphäre freizusetzen. Nun legt eine in Current Biology veröffentlichte Studie nahe, dass diese ungewöhnlichen Formationen auch Hinweise auf ein weiteres bedeutendes Ereignis in der Erdgeschichte bewahren könnten: die Entstehung komplexen Lebens.

Außerordentlicher Professor Brendan Burns, Evolutionsmikrobiologe an der UNSW Sydney, ist Teil eines Forschungsteams, das einen bisher unbekannten Mikroben entdeckt hat, der in enger Verbindung mit einem anderen Organismus in diesen 'lebenden Fossilien' lebt. Das Projekt, das gemeinsam mit Forschern der University of Technology Sydney und der University of Melbourne geleitet wird, könnte Wissenschaftlern helfen, ein grundlegendes evolutionäres Rätsel besser zu verstehen: wie relativ einfache Zellen begannen, zusammenzuarbeiten und schließlich viel komplexere Lebensformen hervorzubringen.

'Stromatolithen könnten mehr sein als 'nur' eine Wiege des Lebens, in der frühes mikrobielles Leben gedieh', sagt A/Prof. Burns. 'Sie könnten uns auch erzählen, wie komplexes Leben zuerst entstand.'

Stromatolithen und mikrobielle Matten tauchten erstmals vor Milliarden von Jahren auf, sind aber nicht verschwunden. Sie bilden sich noch heute in der Shark Bay, einem UNESCO-Weltkulturerbe in Westaustralien. Dort gesammelte Proben führten A/Prof. Burns und seine Kollegen schließlich dazu, ein Mitglied der Asgard-Archaeen zu isolieren, eine ungewöhnliche Gruppe von Mikroben, von der angenommen wird, dass sie eng mit den Vorfahren der Eukaryoten verwandt ist, den Zellen, aus denen alle Pflanzen und Tiere bestehen, einschließlich des Menschen.

Eine seit langem bestehende Idee in der Biologie schlägt vor, dass sich die erste eukaryotische Zelle durch eine enge Partnerschaft zwischen einem uralten Archaeon und einem Bakterium entwickelte. Dieser Theorie zufolge verschlang ein Organismus schließlich den anderen, und diese Beziehung führte letztendlich zu Mitochondrien, den energieproduzierenden Strukturen in komplexen Zellen. Wissenschaftlern fehlte jedoch der direkte Beweis dafür, wie eine solche frühe Partnerschaft tatsächlich ausgesehen haben könnte. Die neue Forschung liefert den ersten visuellen Beweis dafür, dass ein Asgard-Archaeon physisch mit einem Bakterium durch extrem dünne, röhrenförmige Verbindungen, sogenannte Nanotubes, interagiert.

'Dies könnte ein kleines Modell dafür sein, wie solche Partnerschaften begannen und letztendlich Eukaryoten hervorbrachten', sagt A/Prof. Burns.

Genetische Sequenzierung zeigte, dass die DNA der Organismen in den Proben vorhanden war, aber die Mikroben im Labor zum Wachsen zu bringen, damit Forscher sie direkt untersuchen konnten, erwies sich als weitaus schwieriger. 'Es dauerte vier oder fünf Jahre im Labor', sagt A/Prof. Burns. 'Viel Zeit, Optimierung und das Jagen verschiedener Schatten.' Asgard-Archaeen sind dafür bekannt, dass sie außerhalb ihrer natürlichen Lebensräume nur schwer zu kultivieren sind. Den Forschern gelang es nicht, die Organismen allein zu züchten, und A/Prof. Burns sagt, dass diese Schwierigkeit selbst etwas Wichtiges über ihre Biologie offenbaren könnte. 'Die Tatsache, dass wir diese Organismen nie in Reinkultur bringen konnten, liegt wahrscheinlich daran, dass sie immer von anderen Organismen abhängen, um zu überleben', sagt er.

Die Forscher machten schließlich Fortschritte mit der Elektronen-Kryotomographie, einer hochauflösenden 3D-Bildgebungsmethode, die Strukturen im Maßstab von einem Millionstel Millimeter sichtbar machen kann. Die Bilder zeigten das Archaeon und das Bakterium, die durch bakterielle Nanotubes physisch verbunden waren. Die Forscher beobachteten auch, wie das Archaeon Ketten von knospenden Vesikeln sowie aufwendige röhrenförmige Strukturen produzierte. Die beiden Mikroben schienen sich chemisch zu ergänzen, wobei jeder Verbindungen produzierte, die der andere nutzen konnte, darunter Vitamine, Nährstoffe und Wasserstoff.

Co-Autor Außerordentlicher Professor Debnath Ghosal von der University of Melbourne sagt, dass die direkte Erfassung einer Interaktion zwischen einem Asgard-Archaeon und einem Bakterium besonders bedeutsam ist. 'Diese Entdeckung bringt uns ein paar Schritte näher daran zu verstehen, wie Co