Es waren zwei Königskinder,
die hatten einander so lieb,
sie konnten beisammen nicht kommen,
das Wasser war viel zu tief.
So beginnt die traurige Volksballade, die mit dem Tod der beiden endet. Erstaunlich, dass es den beiden Symbiosepartnern, aus denen die erste Eukaryoten-Zelle entstand, nicht genauso ergangen ist! Denn – so nahm man zumindest bisher an – die Archaeen-Zelle, die später zur Wirtszelle wurde und alle möglichen Gene und Zellstrukturen zu den Eukaryoten beisteuerte, war strikt anaerob: Der Sauerstoff, den Cyanobakterien mit der ersten Photosynthese in die Ur-Erdatmosphäre und die oberste Wasserschicht entlassen hatten, war durch seinen ungestümen Umgang mit energiereichen Elektronen schieres Gift für Archaeen. Entsprechend sollen sie in tiefen, anoxischen Meeres- oder Sedimentschichten gelebt haben.
Das Alphaproteobakterium hingegen, aus dem bei der Eukaryogenese das Mitochondrium wurde, hat Sauerstoff zumindest in den damaligen Konzentrationen (deutlich weniger als heute) vertragen und dürfte ihn sogar schon als finalen Elektronenakzeptor genutzt, also einen sehr effektiven Stoffwechsel gehabt haben. Dafür müsste es sich an der Wasseroberfläche aufgehalten haben.
Dass die Symbiosepartner einander dennoch fanden, erklärte man sich bisher mit einem besonders flexiblen Stoffwechsel der Alphaproteobakterien: Wie auch heute noch viele Bakterien, sollen sie opportunistisch diejenigen Energiequellen und Elektronenakzeptoren genutzt haben, die in der jeweiligen Umwelt verfügbar waren. Wenn sie wirklich „fakultativ aerob“ waren, könnten sie in der Wassersäule auf- und abgestiegen sein, weil sie mit sehr wenig, aber auch mit mehr Sauerstoff zurechtkamen. Abseits der sauerstoffgesättigten Oberfläche könnten sie auf strikt anaerobe Archaeen gestoßen sein, und in einem singulären Ereignis könnte ein einziges Bakterium in eine einzige Archaeen-Zelle geraten sein – zack: Unser aller eukaryotischer Urahn war entstanden:
Ganz glücklich war die Forschung mit dieser Hypothese aber nicht. Denn der Stoffwechsel des neuen Endosymbionten hätte der strikt anaeroben Wirtszelle eigentlich größte Probleme bereiten müssen, wenn sie noch gar nicht mit Sauerstoff umgehen konnte. Wie soll die neue, kombinierte Zelle diesen Konflikt überlebt haben?
Unter den heute bekannten Archaeen sind die Heimdall-Archaeen innerhalb der Asgard-Gruppe der rekonstruierten Wirtszelle aus dem einmaligen Eukaryogenese-Ereignis am ähnlichsten – und bis vor kurzem wiesen alle analysierten Heimdall-Genome auf eine strikt anaerobe Lebensweise hin. Asgard-Archaeen findet man entsprechend in der Tiefsee oder in praktisch sauerstofffreien Sedimenten.
Aber in den üblichen Metagenom-Analysen werden Archaeen leicht übersehen, weil sie meist in kleiner Zahl auftreten. Eine neue Analyse unter Leitung von Forschenden der Universität Austin (Texas) und unter Beteiligung der Universität Wien hat nun gut 400 neue Archaeen-Genome geliefert. Mit dem KI-Programm AlphaFold2 wurden dann aus den Gensequenzen die dreidimensionalen Strukturen der zugehörigen Proteine errechnet. Und siehe da: Vertreter der Heimdall-Archaeen hatten nicht nur Gene, die für eine aerobe Lebensweise typisch sind, sondern offenbar auch entsprechende Proteine – zum Beispiel solche, die an die heutigen Bestandteile des Atmungskette-Komplexes IV oder an Proteine zur Entschärfung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) erinnern.
Das mach ein neues Szenario möglich. Statt des Bakteriums könnte sich die Archaeenzelle in Bewegung gesetzt und im sauerstoffhaltigen Oberflächenwasser seinen Partner gefunden haben:
Ob sich diese neue Entstehungsgeschichte durchsetzt, bleibt abzuwarten. Ich konnte nur Zusammenfassungen der Forschungsarbeit von Appler et al. lesen. Der Nachweis, dass die Gene zur Sauerstoffverarbeitung bereits zum Zeitpunkt der eukaryogenetischen Symbiose vor etwa 1,7 Milliarden Jahren im Wirtsgenom enthalten waren und nicht etwa später durch horizontalen Gentransfer in die Ur-Heimdall-Archaeen aufgenommen wurden, ist sicher nicht leicht zu erbringen.
Literatur
Zur neuen Hypothese:
Appler K. E. et al. (2026): Oxygen metabolism in descendants of the archaeal-eukaryotic ancestor (Bezahlschranke, nur Abstract frei)
Meldungen auf Basis der Pressemitteilung der Uni Austin:
Scientists uncover oxygen-loving ancestor of all complex life
Zur alten Hypothese:
López-García P., Moreira D. (2023): The symbiotic origin of the eukaryotic cell