Ähnlichkeiten zwischen Bakterien und halbautonomen Organellen
Da die Symbiose-Hypothese besagt, dass Mitochondrien und Chloroplasten durch das Eindringen von Bakterien in eine eukaryotische Zelle entstanden sind, um eine symbiotische Beziehung zu bilden, zeigen Ähnlichkeiten zwischen Bakterien und diesen halbautonomen Organellen starke Beweise dafür, dass diese Hypothese richtig ist.
- Funktion
Mitochondrien teilen sehr ähnliche Eigenschaften mit Purpur-Aerobiern. Sie verwenden beide Sauerstoff zur Produktion von ATP, und beide tun dies mit Hilfe des Kreb’schen Zyklus und der oxidativen Phosphorylierung. (Mitochondrien auf der linken Seite und violette aerobe Bakterien auf der rechten Seite)
Chloroplasten sind photosynthetischen Bakterien insofern sehr ähnlich, als sie beide ein sehr ähnliches Chlorophyll besitzen, das Lichtenergie in chemische Energie umwandelt. (Chloroplasten links und photosynthetische Bakterien rechts)
Obwohl es viele Ähnlichkeiten zwischen Mitochondrien und aeroben Purpurbakterien und Chloroplasten und photosynthetischen Bakterien gibt, scheinen sie gering zu sein und durch Evolution entstanden zu sein.
- Größe
Die Größe von Mitochondrien und Chloroplasten im Vergleich zu Bakterien ist eine weitere einfache Beobachtung, die die endosymbiotische Hypothese unterstützt. Mitochondrien, Chloroplasten und Prokaryoten (Bakterien) haben eine Größe von etwa einem bis zehn Mikron. (1 Mikron=1X10-6 Meter) Das scheint sehr einfach zu sein, aber wenn es einen großen Größenunterschied zwischen diesen drei Komponenten gäbe, würde die Hypothese als falsch erscheinen.
- DNA, RNA, Ribosomen und Proteinsynthese
Der erste Beweis, der gefunden werden musste, um die Endosymbionten-Hypothese zu unterstützen, war, ob Mitochondrien und Chloroplasten ihre eigene DNA haben und ob diese DNA der bakteriellen DNA ähnlich ist. Dies wurde später für DNA, RNA, Ribosomen, Chlorophyll (für Chloroplasten) und die Proteinsynthese nachgewiesen. Dies lieferte den ersten substantiellen Beweis für die Endosymbionten-Hypothese. Es wurde auch festgestellt, dass Mitochondrien und Chloroplasten sich unabhängig von der Zelle, in der sie leben, teilen.
Mitochondrien, die ihre eigene DNA haben und sich unabhängig von der Zelle teilen, sind das, was letztlich dazu führt, dass nur mitochondriale DNA von der Mutter vererbt wird, da nur eine Eizelle DNA hat, während eine Samenzelle keine hat. (Diese Beziehung beweist auch weiter, dass die entdeckten Eigenschaften der Mitochondrien wahr sind.)
Dieses Maß an Unabhängigkeit der halbautonomen Organellen zeigt, dass sie nicht sehr verwandt mit dem Zellkern oder anderen Organellen einer eukaryotischen Zelle sind. Da sie nicht verwandt sind, erscheint es umso wahrscheinlicher, dass Mitochondrien und Chloroplasten ursprünglich Bakterien waren, die über Endozytose in die eukaryotische Zelle eingedrungen sind, um eine symbiotische Beziehung einzugehen.
Evolutionärer Antrieb
Wissenschaftler (insbesondere Lynn Margulis) begannen dann zu denken, dass, wenn Mitochondrien und Chloroplasten wirklich Bakterien waren, die über Endozytose in eukaryotische Zellen aufgenommen wurden, es einen historischen Antrieb geben muss, um diese symbiotische Beziehung zu fördern. Vor etwa 3,8 Milliarden Jahren gab es nur anaerobe Bakterien, weil die Erdatmosphäre keinen Sauerstoff enthielt. Die ersten photosynthetischen Bakterien entstanden vor etwa 3,2 Milliarden Jahren und begannen, große Mengen an Sauerstoff als Nebenprodukt der Photosynthese zu produzieren. Sauerstoff ist sehr giftig für Zellen, und als Folge davon konnten diese anaeroben, photosynthetischen Bakterien in ihrer Umgebung immer schlechter überleben. An diesem Punkt entwickelten sich einige der anaeroben Bakterien zu aeroben Bakterien. Aerobe Bakterien sind viel besser an diese sauerstoffhaltige Umgebung angepasst und sie verwenden sogar Sauerstoff bei der Herstellung von ATP (ein Molekül, das eine große Menge an leicht zugänglicher Energie speichert). Ein wichtiger Faktor, der diesen beiden Bakterien fehlte, war die Fähigkeit, über Phagozytose große Mengen an Nährstoffen aus der Umgebung aufzunehmen. Vor etwa 1,5 Milliarden Jahren entstand im Laufe der Evolution die erste kernhaltige Zelle (der Eukaryote), die die bahnbrechende Fähigkeit besaß, große Mengen an Nährstoffen über Phagozytose aufzunehmen. Die Tatsache, dass Bakterien, die den Mitochondrien und Chloroplasten sehr ähnlich sind, vor der eukaryotischen Zelle existierten, zeigt, dass es Bakterien waren, die in eine eukaryotische Zelle integriert wurden, und nicht Eukaryoten, die in der Evolutionsgeschichte völlig getrennt waren. Diese Zeitlinie gibt auch Hinweise darauf, warum eine symbiotische Beziehung vorteilhaft wäre.
Die photosynthetischen und aeroben Bakterien wurden auf natürliche Weise dazu getrieben, diese Beziehung einzugehen, weil die eukaryotische Zelle sowohl Schutz als auch Nährstoffe liefert, und die Bakterien den Eukaryoten Möglichkeiten bieten, mehr Energie zu nutzen, als sie zuvor nur durch Glykolyse gewinnen konnten.
Dies (oben) ist die zweite Stufe des Glykolyse-Prozesses (die einzige Stufe, die tatsächlich das ATP produziert), und wie Sie sehen können, produziert sie nur insgesamt 4 ATP (2 Netto-ATP). Wenn dieser Prozess mit dem Krebs-Zyklus und der oxidativen Phosphorylierung (für die Mitochondrien benötigt werden) kombiniert wird, beträgt die Netto-ATP-Menge, die produziert wird, 36-38 Moleküle.
Indem eukaryotische Zellen photosynthetische Bakterien verschlingen, können sie Glukosemoleküle erzeugen, die dann verwendet werden können, um die katabolen Prozesse in den Mitochondrien zu durchlaufen, und somit nutzt die eukaryotische Zelle noch mehr Energie, als sie es von sich aus tun würde. So viel Energie zum Antrieb der zellulären Prozesse zu haben, macht diese neue eukaryotische Zelle überlebensfähiger.
Doppelte Phospholipid-Doppelschicht
Ein recht einfacher Beweis für die endosymbiotische Hypothese ist die Tatsache, dass sowohl Mitochondrien als auch Chloroplasten doppelte Phospholipid-Doppelschichten haben. Dies scheint dadurch entstanden zu sein, dass Mitochondrien und Chloroplasten über Endozytose in eukaryotische Zellen gelangt sind. Beide, aerobe Bakterien (ähnlich wie Mitochondrien) und photosynthetische Bakterien (ähnlich wie Chloroplasten) haben nur eine Phospholipid-Doppelschicht, aber wenn sie über Endozytose in eine andere Zelle eindringen, werden sie durch ein Vesikel gebunden, das die zweite Schicht ihrer doppelten Phospholipid-Doppelschicht bildet.
Dieses Video zeigt den Prozess der Endozytose von aeroben Bakterien und photosynthetischen Bakterien sehr gut.