Endosymbiontentheorie

Endosymbiontentheorie — einfach erklärt

Die Endosymbiontentheorie besagt, dass bestimmte Organellen in den Zellen von Tieren und Pflanzen ursprünglich eigenständige Bakterien waren.

Die Bakterien sind vor langer Zeit in eine andere Zelle eingedrungen oder von dieser aufgenommen worden. Anstatt verdaut zu werden, haben sie sich aber in der Wirtszelle weiterentwickelt und sind eine symbiotische Beziehung eingegangen: Die Wirtszelle bot den Bakterien Schutz und Nährstoffe. Im Gegenzug versorgten die Bakterien der Zelle mit Energie oder der Fähigkeit zur Fotosynthese.

Im Laufe der Zeit haben sich diese ehemaligen Bakterien so weit angepasst und integriert, dass sie zu einem festen Zellorganellen der Wirtszelle wurden. Diese Zellorganellen sind Mitochondrien und Plastiden. 

Übrigens: Die Endosymbiontentheorie bezeichnest du auch als Endosymbiontenhypothese oder Endosymbiosetheorie.

Endosymbiontentheorie — Ablauf

Die Endosymbiontentheorie erklärt, wie sich komplexere eukaryotische Zellen wie Tier- und Pflanzenzellen aus Bakterien bilden konnten. Der Ablauf dieser Entwicklung lässt sich in mehrere Schritte unterteilen: 

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1. Aufnahme der Prokaryoten:
   Der erste Schritt war die Aufnahme kleinerer Prokaryoten durch eine größere Wirtszelle, die ebenfalls ein Einzeller war. Der Theorie nach könnte dies eine Archaee gewesen sein. Sie nahm vermutlich durch Endozytose die Prokaryoten auf. Das ist ein Prozess, bei dem eine Zelle andere Zellen oder Partikel in sich aufnimmt. Anstatt jedoch verdaut zu werden, blieben die aufgenommenen Prokaryoten in der Wirtszelle erhalten.
    
2. Symbiotische Beziehung:
   Nach ihrer Aufnahme begannen die Prokaryoten, eine symbiotische Beziehung (Endosymbiose) mit ihrer Wirtszelle einzugehen. Die kleineren Zellen, die später zu Mitochondrien oder Chloroplasten wurden, versorgten die größere Wirtszelle mit Energie oder halfen bei der Fotosynthese. Im Gegenzug erhielten sie Schutz und die nötigen Nährstoffe.
    
3. Genetische Integration:
   Über Millionen Jahre integrierten sich die eingedrungenen Prokaryoten immer mehr in die zellulären Strukturen ihrer Wirtszelle. Entscheidend war dabei der Transfer von Genen aus dem Genom der eingewanderten Prokaryoten in das Genom der Wirtszelle. Dieser Gentransfer war ein langwieriger Prozess. Er führte dazu, dass die eingewanderten Prokaryoten immer weniger in der Lage waren, außerhalb ihrer Wirtszelle zu überleben, da sie wesentliche Funktionen an die Wirtszelle abgaben.
    
4. Entstehung der Eukaryoten:
   Als Ergebnis entstanden Zellen, die du heute als Eukaryoten kennst. Diese Zellen zeichnen sich durch einen Zellkern und andere Organellen aus, die spezialisierte Funktionen innerhalb der Zelle übernehmen. Die Mitochondrien und die Chloroplasten sind direkte Nachfahren der ursprünglich eigenständigen Prokaryoten.

Entstehung von Mitochondrien

Nach der Endosymbiontentheorie sind Mitochondrien aus einem sehr speziellen Prokaryoten hervorgegangen: den α-Proteobakterien. Sie wurden von einer Urzelle aufgenommen und gingen mit ihr eine Endosymbiose ein. Das α-Proteobakterium lebte innerhalb der Urzelle und versorgte sie mit Energie und wichtigen Nährstoffen, wie z. B. Wasserstoff.  

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Mit der Zeit entwickelte sich das α-Proteobakterium zum Mitochondrium weiter. Dabei gab das α-Proteobakterium einen Teil seiner eigenen DNA und viele seiner selbständigen Funktionen auf. Dadurch wurde es zu einem festen Bestandteil der Urzelle.

Nun stellt das Bakterium nicht nur Wasserstoff zur Verfügung, sondern produzierte auch ATP — die wichtigste Energiequelle für Zellen. So entstanden die Mitochondrien, wie sie heute in Tier- und Pflanzenzellen vorhanden sind.

Entstehung von Plastiden

Auch die Plastiden sollen auf diese Weise entstanden sein. Plastiden sind Organellen in Pflanzenzellen, die für die Photosynthese, die Speicherung von Stoffen und für die Synthese wichtiger chemischer Verbindungen verantwortlich sind. Die bekannteste Plastiden sind die Leukoplasten, Chloroplasten und Chromoplasten. 

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Die Entwicklung von Plastiden beginnt ebenfalls mit einer Urzelle und einem speziellen Bakterium — dem Cyanobakterium. Diese Bakterien sind vor allem für ihre Fähigkeit zur Photosynthese bekannt.

Als die Urzelle das Cyanobakterium aufnahm, gingen auch sie eine Endosymbiose ein. Das Cyanobakterium lieferte der Urzelle Energie und Sauerstoff, und im Gegenzug erhielt es Schutz und die notwendigen Nährstoffe zum Überleben. Schließlich wurde das Bakterium zu einem Plastiden, indem es seine DNA an die Wirtszelle abgab.

Endosymbiontentheorie — Beweise

Die Endosymbiontentheorie wird durch verschiedene wissenschaftliche Beweise gestützt. Lass uns einige der wichtigsten Beweise anschauen und verstehen, warum sie so überzeugend sind: 

• DNA:
  Sowohl Mitochondrien als auch Plastiden besitzen ihre eigene DNA, die große Ähnlichkeiten mit der DNA von Bakterien aufweißt. Das deutet darauf hin, dass Mitochondrien und Plastiden von eigenständigen Bakterien abstammen, die irgendwann in der Vergangenheit von einer anderen Zelle aufgenommen wurden. 
   
• Doppelmembranen:
  Mitochondrien und Plastiden sind von zwei Membranen umgeben. Die äußere Membran stammt vermutlich von der Aufnahme durch die Wirtszelle, während die innere die ursprüngliche Membran des Bakteriums darstellt. Diese Doppelmembran ist ein starkes Indiz für die Endozytose zwischen den Bakterien und der Urzelle.  
   
• Zellteilung:
  Ein weiterer Beweis ist, dass sowohl Mitochondrien als auch Chloroplasten sich durch einen Prozess teilen, der der bakteriellen Zellteilung ähnelt. Sie replizieren sich unabhängig vom Zellzyklus der Wirtszelle. Das deutet darauf hin, dass sie einmal unabhängige Organismen waren.
   
• Ribosomen und Proteinbiosynthese:
  Die Ribosomen in Mitochondrien und Plastiden ähneln denen in Bakterien – sowohl in ihrer Größe als auch in ihrem Verhalten. Diese Ähnlichkeit unterstützt die Idee, dass Mitochondrien und Plastiden von Bakterien abstammen.
   
• Genomsequenzierung:
  Die Sequenzierung der Genome von Mitochondrien und Chloroplasten hat gezeigt, dass ihre genetischen Sequenzen mit denen bestimmter Bakterienstämme übereinstimmen. α-Proteobakterien sind die nächsten Verwandten der Mitochondrien, während Cyanobakterien mit den Chloroplasten verwandt sind.

Endosymbiontentheorie — Geschichte

Die Endosymbiontentheorie wurde erstmals von dem deutschen Botaniker Andreas Franz Wilhelm Schimper im Jahr 1883 aufgestellt. Er vermutete, dass Chloroplasten ursprünglich freilebende Bakterien gewesen sein könnten. Das war der erste Schritt zur Formulierung der Endosymbiontentheorie.

Wirkliche Bekanntheit erlangte sie aber im Jahr 1967 durch die US-amerikanische Biologin Lynn Margulis. Sie lieferte detaillierte biochemische und genetische Beweise, die zeigten, dass Mitochondrien und Chloroplasten in eukaryotischen Zellen tatsächlich von ehemals freilebenden Prokaryoten abstammen.

Endosymbiontentheorie — häufigste Fragen

• Was ist die Endosymbiontentheorie einfach erklärt?
  Die Endosymbiontentheorie erklärt, wie komplexere Zellen (Eukaryoten) entstanden sind. Sie geht davon aus, dass ein Bakterium von einem anderem Bakterium aufgenommen wurde. Der aufgenommene Einzeller entwickelte sich dann zu Organellen wie Mitochondrien und Chloroplasten in der Wirtszelle.
   
• Was ist die Endosymbiontenhypothese?
  Die Endosymbiontenhypothese ist eine wissenschaftliche Theorie. Sie besagt, dass Zellen mit  Zellorganellen aus einer Symbiose zwischen prokaryotischen Einzellern entstanden sind. Der aufgenommene Einzeller wurde zum Endosymbionten. Im Laufe der Zeit entwickelte er sich zu einer Zellorganelle der Wirtszelle.
   
• Was haben die Mitochondrien mit der Endosymbiontentheorie zu tun?
  Mitochondrien sind zentral für die Endosymbiontentheorie. Sie dienen als Beweis dafür, dass eukaryotische Zellen durch die Aufnahme eines prokaryotischen Organismus, speziell eines α-Proteobakteriums, entstanden sind. 

Symbiose

In der Endosymbiontentheorie spielt vor allem die Endosymbiose eine wichtige Rolle. Dabei gibt es aber noch viele weitere Formen der Symbiose. Welche das sind und was sie auszeichnet, zeigen wir dir in unserem Video!