Klein, aber oho!

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bakterie

Nirgends hat dieser Ausruf wohl mehr Berechtigung als in Bezug auf Mikroorganismen. Liest man Fakten zu dieser kleinsten Form des Lebens, dann weiß man nicht so recht, ob man sich nur wundern oder doch eher gruseln soll. Vielleicht stellt sich auch ein Staunen ob ihrer Vielfalt ein, Entzücken über ihre Pracht wohl weniger, da man sie nicht sieht, jedenfalls nicht mit bloßem Auge. Wenn überhaupt, dann nimmt man sie meist als Erreger von Krankheiten wahr. Fakt ist jedoch, dass schätzungsweise 2 bis 3 Milliarden Arten dieser Lebewesen „unseren“ Planeten bevölkern. Es sollen jedoch erst 0,5% der Arten überhaupt entdeckt und klassifiziert sein, von denen übrigens die wenigsten Krankheiten verursachen.1) Manche der von ihnen ausgelösten Krankheiten sind allerdings furchteinflößend, wie die Pest, die im 14. Jahrhundert innerhalb von gerade einmal vier Jahren ein Drittel der Menschen Europas dahinraffte. Sie schwappte auch in anderen Zeiten immer wieder in Wellen des Todes über Länder und Kontinente. In den Jahren 1918/19 war es die „Spanische Grippe“, die mehr Menschenleben gefordert haben soll als der  gesamte Weltkrieg davor. 2) Auf der anderen Seite der Bilanz steht jedoch, dass ohne die Hilfe der Mikroorganismen weder Pflanzen noch Tiere überleben könnten. Abgesehen davon, wäre unser Leben auch um manchen Genuss ärmer.

Mikroorganismen sind meist Einzeller. Zu ihnen gehören Bakterien genauso wie einfache Pilze, Mikroalgen und Urtierchen. Man könnte auch die Viren zu den Mikroorganismen zählen, was jedoch wegen des Fehlens eines eigenen Stoffwechsels umstritten ist. Mikroorganismen kommen praktisch überall vor – in der Luft, im Wasser, in der Erde und natürlich in und auf anderen Lebewesen. Die Zahl der Mikroorganismen, die ein Mensch mit sich herumschleppt, schätzt man auf 1 Billiarde. Damit übertrifft die Zahl der Mikroorganismen die Zahl der körpereigenen Zellen deutlich. Allein in einer Probe menschlicher Atemluft hat man 1800 Bakterienarten festgestellt.3) In den Ozeanen sollen bis zu 10 Millionen Arten leben. Wer hat die nur alle gezählt? Aber egal, ob es nun ein paar Millionen mehr oder weniger sind, fest steht, wir sind von ihnen umzingelt. Sie sind überall. Wie konnte das passieren?

Nun, sie waren einfach als erste da. Die Erde ist zirka 4,6 Milliarden Jahre alt. 4) Vor vielleicht 3,8 Milliarden Jahren traten die ersten Mikroorganismen auf. 1) Vielzeller entwickelten sich vor ungefähr 600 Millionen Jahren und der „moderne“ Mensch gar erst vor 130.000 Jahren. Er ist, gemessen an den Mikroorganismen, ein rechter Jungspund. Die Mikroorganismen hatten also alle Zeit, diese Welt bis in die unwirtlichsten Nischen hinein zu besiedeln. Die Frage ist also weniger, warum die Mikroorganismen zahlen- und artenmäßig allen anderen Lebewesen überlegen sind, vielmehr sollte man fragen, warum sie die Ausbreitung anderer Lebewesen überhaupt zugelassen haben. Entweder sie haben die „Großen“ nicht als Bedrohung empfunden, oder sie haben sich sogar Vorteile von deren Existenz versprochen. Wahrscheinlich würde es ihnen nicht schwerfallen, dem Spuk ein schnelles Ende zu bereiten, wenn ihnen die Sache lästig wird. Das wäre aber eher ein Thema für einen Phantasie-Thriller.

Für uns ist an dieser Stelle wichtiger zu klären, wie Mikroorganismen entstanden sind, wie sich aus lebloser Materie Leben entwickelte. Schauen wir uns dazu die Gegebenheiten in der Frühzeit der Erde an. In den ersten 500 Millionen Jahren nach der Entstehung des Sonnensystems herrschte ein bemerkenswertes Chaos in demselben. Unmengen von Kometen jeder Größe schwirrten durch den Raum und stießen auch mal mit Planeten zusammen. Diese Kollisionen blieben nicht folgenlos, denn die Kometen brachten eine Reihe von Stoffen mit. Auf diese Weise gelangte Wasser in großen Mengen auf die Erde, ein dort bis dahin eher rarer Stoff. Dies ist zumindest eine der Theorien darüber, wie die Erde zum blauen Planeten wurde. Die Erdatmosphäre, die anfangs vor allem aus Wasserstoff, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff bestanden hatte, wurde mit Stickstoff, Ammoniak und Edelgasen angereichert. Außerdem hatten sich bei der Entstehung der Erde Erze und Minerale gebildet, die nun im Erdmantel schlummerten. Das heißt, es war eine beachtliche stoffliche Vielfalt vorhanden.

Irgendwann neigte sich die stürmische Frühzeit des Sonnensystems ihrem Ende zu und der Kometenhagel versiegte. Trotzdem verlief auf Erden noch lange nicht alles in geordneten Bahnen, denn es brodelte an allen Ecken und Enden. Die Luft war heiß, die Ozeane dampften, Landmassen bildeten und veränderten sich, überall schoß Lava hervor. Nicht nur die noch junge Erde war überaus aktiv, auch unsere Sonne war ein einziger Hexenkessel, der riesige Mengen Energie in alle Richtungen verschleuderte. Diesen Energiestürmen konnte sich die Erde nicht entziehen, so dass atmosphärische Entladungen mit gewaltigen Blitzen und Blitzkaskaden an der Tagesordnung waren. Die ungebändigte Energie verursachte chaotische Zustände, in denen sich immer neue stoffliche Strukturen bildeten, aber auch wieder zerstört wurden.

Als Ergebnis dieses Prozesses waren unter anderen Nukleinsäuren und Aminosäuren entstanden, für deren Bildung günstige stoffliche Voraussetzungen herrschten. Aus der Verbindung von Aminosäuren mit Metallen und Mineralen ging eine große Vielfalt von Eiweißen hervor. Sie entstanden jedoch völlig willkürlich, das heißt sie bildeten sich irgendwann und irgendwo, existierten eine gewisse Zeit lang, um dann unter dem Einfluss ihrer Umwelt wieder aufgelöst zu werden. Hinzu kam die stoffliche Vielfalt ihrer jeweils mehr oder weniger kurzen Existenz, so dass an eine Fortentwicklung zu komplexeren Strukturen nicht zu denken war. Für einen solchen Schritt war eine Basis, das heißt eine größere Anzahl gleicher Verbindungen erforderlich. Diese konnte jedoch nur entstehen, wenn es gelang, vorhandene Moleküle zu vervielfältigen. Eiweiße kamen dafür nicht in Frage, da sie eine nur schwer kopierbare dreidimensionale Struktur besitzen. Nukleinsäuren sind einfacher aufgebaut, ihre Bausteine reihen sich fortlaufend aneinander. Außerdem besitzen sie ein spezifisches katalytisches Potential, das sich in der gegenseitigen Anziehung ihrer Bausteine äußert. Basenpaarung nennt man das. Die Ribonukleinsäure hat darüber hinaus noch eine ganz besondere Macke, denn einige Abschnitte des RNA-Moleküls können bewirken, dass andere vom Verbund abgetrennt werden. Unter anderen Umständen wäre eine solche Selbstverstümmelung wahrscheinlich tötlich, hier wurde sie jedoch zur Lösung des Problems, denn sobald sich das RNA-Molekül zerteilte, wurden die Reste durch das Paarungsstreben der Basen wieder komplettiert. Auf diese Weise wurde das gesamte Molekül dupliziert.2)

Damit war das Problem aber noch nicht ganz gelöst, denn die sich so munter verdoppelnden Moleküle wurden in der energiegeladenen Umwelt bald wieder zerstört. Sie brauchten einen Schutz, eine Hülle, die sie vor marodierender Energie und anderen Störenfrieden abschirmte. Die Schutzhülle durfte jedoch keine undurchdringliche Mauer bilden, denn sie musste einige Stoffe, die für die Vermehrung erforderlich waren, passieren lassen und gleichzeitig den Abfall nach außen leiten. Irgendwann fanden sich tatsächlich Stoffe, Fette vor allem, die diesen Anforderungen genügten. Die nunmehr umhüllte RNA wurde zu einem eigenen kleinen Kosmos, Zelle genannt. Für die Vermehrung der Zelle reichte es jedoch nicht aus, nur die RNA zu kopieren, auch die Hülle und alle inneren Bestandteile mussten geteilt und verdoppelt werden. Dafür brauchte man einen Bauleiter, der die Maßnahmen koordinieren und in der richtigen Reihenfolge in Gang setzen konnte. Diese Aufgabe konnte nur die RNA übernehmen. Aber, was nutzt ein Chef, wenn es an Baumaterial fehlt? Das heißt, die Vermehrung konnte nur gelingen, wenn genügend aus dem Erdmantel gelöst Minerale und Metalle verfügbar waren. Die ebenfalls erforderliche Energie gab es im Überfluss. Hier bestand das Problem eher darin, einen gleichbleibend mäßigen Zufluss zu sichern, denn allzu große Schwankungen würden die gerade entstandenen Zellen vernichten. Beide Voraussetzungen waren in der Umgebung von hydrothermalen Quellen am Grund der Tiefsee gegeben. Sie könnten die Kinderstube des Lebens gewesen sein.

Aus der obigen Schilderung mag man den Eindruck gewonnen haben, dass die Entstehung des Lebens ein folgerichtiger, beinahe zwangsläufiger Prozess war. Das wäre jedoch ein Trugschluss. In Wahrheit verging ein unvorstellbar langer Zeitraum von mehreren hundert Millionen Jahren bis sich erste reproduktionsfähige organische Strukturen herausgebildet hatten. Unzählige Versuche waren gescheitert, entweder war das Ergebnis nicht ausreichend oder die entstandenen Strukturen wurden in einer energiegeladenen Umwelt wieder zerstört. Nur über die Länge der Zeit und durch die Gunst vergleichsweise stabiler äußerer Bedingungen war es möglich, dass Gebilde aus verschiedenen organischen Bausteinen entstehen konnten, die einerseits ein abgeschlossenes Ganzes bildeten und die sich andererseits in Interaktion mit der Umwelt vermehren konnten.

Irgendwann waren also Einzeller entstanden, die die Voraussetzungen für eine schnelle Vermehrung mitbrachten. In der RNA waren die Informationen zum Aufbau der Zelle gespeichert und sie besaß die Fähigkeit, diese zu kopieren. Als begrenzender Faktor für die Vermehrung erwies sich nun der Umstand, dass die erforderlichen Baustoffe genau in der Form vorgefunden werden mussten, die gerade benötigt wurde. Durch die Vielfalt der Stoffe war die Wahrscheinlichkeit, die jeweils benötigten in unmittelbarer Nähe und dann auch noch in ausreichender Menge vorzufinden, nicht sehr groß. Nur, wenn die Einzeller in die Lage kämen, die wichtigsten dieser Stoffe, wie die erforderlichen komplexen Eiweiße, selbst zu synthetisieren, dann sähe die Sache anders aus. Mit der Herstellung komplexer Eiweißmoleküle war die RNA jedoch überfordert. Der Trick, mit dem die Aufgabe letztlich doch gemeistert wurde, bestand darin, dass die RNA die Synthese relativ einfacher Eiweiße mit speziellen katalytischen Eigenschaften auf den Weg brachte, die wiederum andere Stoffe zu bestimmten Reaktionen veranlassen konnten. Diese als Enzyme bekannten Eiweiße werden auf Veranlassung der RNA in einer solchen Reihenfolge bereitgestellt, dass die daraus resultierende Abfolge von Wirkungen und Reaktionen schlussendlich zum Aufbau der erforderlichen komplexen Eiweiße führt. 5)

Der schnellen Vermehrung der Einzeller stand nun wirklich nichts mehr im Wege. Die schnelle Vervielfältigung wurde sogar zu ihrem Markenzeichen. Eine schnelle Vermehrung führt jedoch zu Fehlern, vielleicht, weil der Bauplan nicht exakt kopiert wurde, weil die Baustoffe nicht wie erforderlich zur Verfügung standen oder weil beim Aufbau der Eiweiße gepfuscht worden war. Natürlich konnten auch Wirkungen von außen zu Fehlern beitragen. Die meisten der fehlerhaften Klone wurden als Ausschuss entsorgt. Einige waren jedoch überlebensfähig, mitunter kamen sie sogar besser als ihre Vorgänger mit den gegebenen Bedingungen zurecht. Jedenfalls gelang es den Mikroorganismen, sich durch Veränderungen in ihrem Bauplan unter beinahe allen Bedingungen zu behaupten und den gesamten Planeten zu besiedeln. Den in dieser ersten Phase entstandenen Mikroorganismen war gemeinsam, dass sie ohne Sauerstoff auskamen, denn der stand nicht zur Verfügung. Man bezeichnet sie deshalb als anaerob. Die anaeroben Mikroorganismen wurden zu unumstrittenen Herrschern auf Erden, und dies für den unvorstellbaren Zeitraum von beinahe einer Milliarde Jahren.

Immer nur auf Energiequellen aus dem Erdinnern angewiesen zu sein, war jedoch lästig, zumal das Sonnenlicht praktisch unbegrenzt zur Verfügung stand. Einige der Mikroorganismen fanden dann auch einen Weg, diese Energiequelle für sich nutzbar zu machen. Die Cyanobakterien waren mit der Photosynthese besonders erfolgreich, auch weil sie dafür lediglich Wasser und Kohlendioxid benötigten, die ausreichend vorhanden waren. Bei der Photosynthese, wird jedoch Sauerstoff freigesetzt, der über die Jahrmillionen die stoffliche Zusammensetzung der Luft und dann auch des Wassers veränderte. Dumm nur, dass Sauerstoff für anaerobe Lebewesen einem Gift gleichkommt. Ihre bahnbrechende Erfindung wurde daher irgendwann auch ihr Verhängnis, in dessen Folge sie gezwungen waren, das Feld den anderen, den sauerstoffliebenden Mikroorganismen zu überlassen. Sie selbst zogen sich in unwirtliche Gegenden wie Sedimente und Schlämme zurück. Später besiedelten sie auch so beschauliche Fleckchen wie die Gedärme von Menschen und anderem Getier. Trotzdem zählen anaerobe Mikroorganismen auch heute noch mehr Arten als alle höheren Lebewesen zusammen. 5)

Mit der größer werdenden Artenvielfalt bildeten sich auch sehr unterschiedliche Fähigkeiten der Einzeller aus, die mit entsprechenden Veränderungen in ihrem Zellaufbau verbunden waren. Da sie teilweise über mehrere solcher Fähigkeiten verfügten, wurden die Informationen, die an die Nachkommen weitergegeben werden mussten, immer komplexer. In diesem Zusammenhang stellte sich heraus, dass die RNA gegen Wirkungen von außen recht anfällig war, so dass umfassende Informationen oft nicht fehlerfrei an Nachkommen weitergegeben werden konnten. Die DNA war besser geeignet, komplexe Informationen zu bewahren, jedenfalls waren Organismen, die die DNA zur Weitergabe ihres Bauplanes nutzten, erfolgreicher bei der Erorberung neuer Lebensräume. Gefahr drohte aber nicht nur von außen. In der Zelle selbst waren mittlerweile ebenfalls vielfältige Bestandteile vorhanden, die Wirkungen auf andere, also auch auf die Erbinformationen, ausübten. Die Stoffwechselprozesse sorgten ebenfalls für Gefährdungen, so dass es irgendwann erforderlich wurde, die Erbinformationen mit einer schützenden Hülle zu umgeben. Ein Zellkern entstand.

Einzeller brauchen für ihre Lebensprozesse wie auch für die Vermehrung eine Vielzahl von Stoffen. Um diese aus der Umwelt aufnehmen zu können, entwickelten sie Sensoren, mit denen die erforderlichen Substanzen identifiziert werden konnten. Nur, was macht man, wenn deren Konzentration geringer wird? Dann muss man sie an anderen Orten suchen, das heißt, man muss sich fortbewegen. Da für eine Bewegung Energie verausgabt wird, ist eine solche Aktion mit einem gewissen Risiko verbunden. Eine Alternative wäre, auf Aktivitäten gänzlich zu verzichten und auf diese Weise Energie zu sparen. Viren „leben“ dieses Modell erfolgreich vor, zumindest ist ihre Artenvielfalt nicht geringer als die der aktiven Verwandten. Ihr passiver Lebensstil hat nämlich einige Vorteile. So können sie sich besser gegen äußere Einflüsse schützen, da sie nicht auf die Aufnahme von Stoffen und Energie aus der Umwelt angewiesen sind. Aus dem gleichen Grund kommen sie mit einem deutlich geringeren Volumen aus, was sie ebenfalls widerstandsfähiger werden lässt. Nicht zu vergessen, dass mit dem permanenten Stoffwechsel, wie ihn die aktiven Zeitgenossen benötigen, erhebliche Gefahren verbunden sind. In der tätigen Zelle müssen eine Vielzahl von Stoffen vorgehalten und Prozesse realisiert werden, von denen Wirkungen auf die Zellstruktur ausgehen und sie tendenziell zerstören. Mit anderen Worten, das Tätigsein hat den Preis des Verschleißes, der irgendwann zum Exodus führt. Diesen Nachteil gleichen die tätigen Einzeller dadurch aus, dass sie selbst Einfluss auf ihre Vermehrung nehmen können. Die passiven Zeitgenossen haben zwar keinen inneren Verschleiß zu fürchten, sie haben jedoch auch keinen Einfluss darauf, ob und wann ihnen eine passende Wirtszelle für die Vermehrung beschert wird.

Die Geschichte der Evolution zeigte, dass der Fortschritt mit den Aktiven ist. Sie sind zudem meist gesellige Wesen. Nehmen sie die Nähe von Artgenossen durch Moleküle, die diese absondern, wahr, dann ist das ein Signal dafür, dass man beieinander bleiben kann. In den auf diese Weise entstehenden Gemeinschaften entwickelte sich nach und nach eine Arbeitsteilung. Jeder sollte sein Bestes für den Erhalt und das Gedeien des Ganzen geben. Von solchen Gemeinschaften war es nur noch ein kleiner Schritt bis zur Herausbildung mehrzelliger Wesen. Dass dieser Schritt gerade vor rund 600 Millionen Jahren gegangen wurde, hängt mit der zu dieser Zeit herrschenden Totalvereisung des Planeten zusammen. Die verschlechterten Lebensbedingungen beförderten die Verschmelzung der Zellen zu komplexen, ganzheitlich gesteuerten Einheiten, die selbst unter komplizierten Bedingungen die Fähigkeit zur Anpassung bewahrten.

 zuletzt geändert: 15.07.2019

Quellen:

1) Wikipedia, Stichwort Mikroorganismen

2) vgl. Gerhard Gottschalk, Welt der Bakterien, WILEY-VCH Verlag, Weinheim 2009

3) Nathan Wolfe, Mikroben: Unsere kleinen Freunde, www.nationalgeographic.de

4) Wikipedia, Stichwort Erde

5) vgl. Bernard Dixon, Der Pilz, der John F. Kennedy zum Präsidenten machte, Spektrum Akadem. Verlag 2009