Wie vollzieht sich der Übergang von einzelligem zu mehrzelligem Leben? Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Lutz Becks am Limnologischen Institut der Universität Konstanz ist bei der Erklärung dieses sehr komplexen Prozesses einen wichtigen Schritt weitergekommen. Sie konnte – in Zusammenarbeit mit einem Kollegen des Alfred-Wegner-Instituts (AWI) – zeigen, dass die einzellige Grünalge Chlamydomonas reinhardtii in nur 500 Generationen Mutationen aufzeigt, die den ersten Schritt hin zu mehrzelligem Leben erlauben.

Damit konnte eine Theorie zur Entstehung von mehrzelligem Leben experimentell bestätigt werden, die besagt, dass die Evolution von Zellgruppen und die nachfolgenden Schritte zur Mehrzelligkeit nur dann auftreten können, wenn Zellgruppen sowohl besser in ihrer Fortpflanzung als auch Überlebenswahrscheinlichkeit sind als einzelne Zellen. Die Ergebnisse wurden am 9. Juli 2021 im Wissenschaftsjournal Nature Communications veröffentlicht.

Die dem Experiment zugrundeliegende Theorie geht davon aus, dass mehrzellige Organismen ursprünglich aus einzelnen Zellen evolviert sind und sich in einem ersten Schritt Kolonien identischer Tochterzellen bilden, die sich nach der Teilung nicht mehr trennen. Eine wichtige, aber bisher experimentell nicht überprüfte Bedingung dieser allgemeinen Theorie ist, dass sich zunächst Kolonien bilden, die die Überlebenswahrscheinlichkeit erhöhen. In einem zweiten Schritt entwickeln sich die Kolonien dann weiter, um auch eine höhere Reproduktion zu erreichen. Erst im Anschluss können die nächsten Schritte hin zur Spezialisierung in Körper- und Keimzellen erfolgen. Die Bedingungen, die den Übergang von Einzelligkeit zur Bildung von Kolonien hervorrufen, hat Lutz Becks, Professor für Aquatische Ökologie und Evolution, mit seinem Team experimentell getestet.

Kolonie mit identischen Tochterzellen, die sich nach der Teilung nicht mehr trennen. Die Kolonie wurde nach 500 Generationen Wachstum in Anwesenheit eines Fraßfeindes (Rädertier Brachinous calyciflorus ) in dem Experiment beobachtet. Gezeigt wird die gleiche Kolonie nach 0, 6, 12 und 18 Stunden. Die Zelle, die mit dem Pfeil markiert ist, teilt sich in den ersten sechs Stunden in acht Tochterzellen, die nach den Zellteilungen zusammenbleiben, statt sich, wie in ihrem Vorfahren in dem Experiment, zu trennen und wegzuschwimmen.
 

Zu groß für den Fraßfeind
Als Bedingung für die Entwicklung von Kolonien mit hoher Überlebenswahrscheinlichkeit und gleichzeitiger hoher Reproduktion wurde ein Selektionsdruck erzeugt, indem der Probe mit den Algenzellen ein Fraßfeind beigegeben wurde, in diesem Fall ein mehrzelliges Rädertier. Einzeln ist die Algenzelle zunächst ungeschützt gegen Fraß. Mutationen, die dazu führen, dass Zellen in Kolonie wachsen, die nach der Zellteilung aneinander kleben bleiben, erhöhen die Überlebenswahrscheinlichkeit, da die Räuber die Kolonien nicht mehr oder zumindest nicht mehr so leicht fressen können.

https://www.youtube.com/watch?v=jpFB94lw0nI

Das Rädertier Brachinous calyciflorus frisst Einzelzellen der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii

https://www.youtube.com/watch?v=zhbONbeP-WI

Das Rädertier Brachinous calyciflorus versucht eine Kolonie der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii zu fressen, die aber zu groß für die Mundöffnung ist.

Die Alge Chlamydomonas reinhardtii gehört zu einer Gruppe von Algen, in der verschiedene Stufen der evolutionären Mehrzelligkeit zu finden sind und die alle von einem einzelligen Vorfahren abstammen. Somit waren die Voraussetzungen dafür gegeben, die Evolution von Kolonien im Experiment in Echtzeit beobachten zu können. Zehn verschiedene Zelllinien der Alge wurden isoliert und in dem Medium zum Wachsen gebracht. Zu einigen wurde ein Räuber gesetzt, zu anderen nicht, alle anderen Versuchsbedingungen waren gleich.

Spezialisierung der Zellen auf der Genomebene sichtbar
Bei der näheren Betrachtung der evolvierten Zelleigenschaften nach 500 Generationen erwies es sich, dass es in den Medien mit Räubern deutlich öfter Kolonien gab und diese eine deutlich höhere Reproduktionsrate hatten als Kolonien, die in den Ansätzen ohne Räuber wuchsen. Lutz Becks: „Die Verteilung der Kolonietypen, die überleben, und diejenigen, die sich schnell reproduzieren, passt genau zu der Theorie, die wir getestet haben. Wir haben nicht nur gezeigt, dass es sie gibt, sondern auch, dass sie unter bestimmten Bedingungen wiederholt evolvieren.“

Damit konnte die zugrundeliegende Theorie nicht nur bestätigt werden, sondern auch nachgewiesen werden, dass sich der evolutionäre Schritt sehr schnell vollzogen hat. Die 500 Generationen, die dazu nötig waren, brauchen ungefähr ein halbes Jahr. Überraschend war für die Forschenden, dass die evolvierten Anpassungen der Zellen auch auf der Genomebene wiederholbar war. „Wir hatten eigentlich erwartet, dass die Bildung von Kolonien durch verschiedene Mechanismen in den Algenzellen erreicht werden kann und wir daher auch verschiedene Mutationen finden. Tatsächlich haben wir ein sehr hohes Maß der Wiederholbarkeit gesehen. Das spricht dafür, dass der Selektionsdruck sehr gezielt gewirkt hat“, so Lutz Becks.

Bildunterschrift vom Hauptbild: Grünalge Chlamydomonas reinhardtii, die auf festem Medium wächst. Für die experimentelle Evolutionsstudie wurden 10 verschiedene Stämme von Chlamydomonas reinhardtii verwendet, die 6 Monate lang in Flüssigkulturen mit und ohne Räuber gewachsen sind, bevor sie auf evolutionäre Veränderungen getestet wurden.

Lutz Becks ist seit 2018 Professor für Aquatische Ökologie und Evolution am Limnologischen Institut der Universität Konstanz. Er forscht zur öko-evolutionären Dynamik in komplexen Systemen. Zuvor war er im Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön, von 2011 bis 2016 als Emmy Noether-Nachwuchsgruppenleiter, danach als Heisenberg-Stipendiat.