Endosymbiose ist eine für beide Seiten vorteilhafte Beziehung zwischen einem Wirtsorganismus und einem internen assoziierten Organismus. Der Begriff leitet sich aus dem Präfix „endo“ ab, was innerhalb bedeutet, und dem Wort Symbiose, das sich auf eine für beide Seiten vorteilhafte Beziehung zwischen zwei eng miteinander verbundenen Organismen bezieht. Ein anderer Begriff für Symbiose ist Mutualismus, der die Tatsache hervorhebt, dass beide Organismen von der Beziehung profitieren.
Beispiele für Endosymbiose
Ein bekanntes Beispiel für Endosymbiose ist die Beziehung zwischen einer Termite und den Mikroorganismen in ihrem Darm. Die Termite verbraucht Holz, aber sie kann es nicht ohne die Hilfe von Protozoen im Darm der Termite verdauen, die die Zellulose in eine Form zerlegen, die die Termite metabolisieren kann. So liefert die Termite Nahrung für die Protozoen, und die Protozoen liefern Nahrung für die Termiten. In diesem Beispiel ist der Protozoon der Endosymbiont oder der innere Organismus in der endosymbiotischen Beziehung.Es gibt eine Vielzahl von Abhängigkeitsniveaus zwischen den beiden Partnern, darunter zum einen eine völlig freiwillige Beziehung, in der jeder Partner alleine überleben kann, und zum anderen eine Situation, in der beide völlig voneinander abhängig sind. Der Endosymbiont kann sich auch an verschiedenen Stellen innerhalb des Wirtsorganismus befinden, von einer Körperhöhle wie dem Darm bis zu einzelnen Zellen. Die Endosymbiose spielt auch eine Rolle in der Evolution und beeinflusst die Struktur, das Verhalten und die Lebensgeschichte der assoziierten Organismen.Obwohl es in einer endosymbiotischen Beziehung verschiedene Abhängigkeiten zwischen den beiden Organismen gibt, ist es fast immer vorteilhaft, dass die beiden zusammen bleiben. Ein Beispiel, das dies zeigt, ist die Gegenseitigkeit zwischen Korallen und ihren endosymbiotischen Algen. Die hier beteiligten Algentypen werden Dinoflagellaten genannt und sind darauf spezialisiert, Bio-Lebensmittel als Energiequelle zu photosynthetisieren oder zu verwenden. Bestimmte Nährstoffe sind jedoch im Ozean nicht ohne weiteres verfügbar, so dass es für die Dinoflagelleten von Vorteil ist, in den Korallen zu leben, wo die Nährstoffe verfügbar sind. In ähnlicher Weise können Korallen etwas gelösten organischen Kohlenstoff aus dem Wasser oder aus Beutegegenständen sammeln, aber es ist viel einfacher und schneller, sie aus der photosynthetischen Aktivität von Dinoflagellaten Endosymbionten zu sammeln. Ein Nebeneffekt der Photosynthese ist, dass Calciumcarbonat aus dem Wasser ausgefällt wird, das die Korallenstrukturen von Korallenriffen bildet.
Beide Organismen wurden unabhängig voneinander im Labor kultiviert, um das Ausmaß ihrer gegenseitigen Abhängigkeit zu zeigen. Unter diesen Umständen haben beide Wachstumsraten deutlich reduziert. Manchmal hören sie sogar auf zu wachsen und sind auf Energiereserven angewiesen. Wenn sie im selben Wasser zirkulieren dürfen, aber keinen Kontakt herstellen, verdoppelt sich ihr Wachstum fast.Wenn es in Kontakt gebracht wird, ist das Wachstum noch größer, was darauf hindeutet, dass der tatsächliche Kontakt eine höhere als normale Freisetzung und Aufnahme von Chemikalien, die sie austauschen, auslösen kann. Es ist also klar, dass es für beide von Vorteil ist, zusammen zu bleiben.
Einige Seeanemonen mit diesen dinoflagellaten Endosymbionten haben ihr Verhalten an die Bedürfnisse ihrer Algen angepasst. Zum Beispiel machen freischwimmende Quallen vertikale Wanderungen zu Wasserschichten, die reich an Ammonium für die Dinoflagellaten sind. Tagsüber legen sitzende Seeanemonen die Körperteile frei, in denen sich die Dinoflagellaten befinden, um die Photosynthese zu ermöglichen. Nachts ziehen sie diese Teile zurück und setzen ihre stechenden Tentakel frei, um Beute zu fangen, um Nahrung zu sequestrieren und ihren Endosymbionten Stickstoff zuzuführen. Diese Beispiele für Verhaltensänderungen durch den wirtsassoziierten Organismus zeigen, wie sich die beiden Organismen entwickelt haben, um voneinander zu profitieren, und, im Gegenzug, selbst.
Standorte von Endosymbionten
Endosymbionten können in ihrem assoziierten Organismus an verschiedenen Orten leben. Sie können innerhalb eines Hohlraums des Organismus, innerhalb von Hohlräumen und innerhalb von Zellen oder vollständig innerhalb von Zellen sein. Intrazellulär kann der Ort in Zellen sein, die spezielle Vakuolen zur Isolierung des Endosymbionten aus dem Inneren der Zelle aufweisen, oder in Zellen, die den Endosymbionten direkt in der Zellflüssigkeit halten.
Termiten und ihre Protozoen-Darmbewohner sind ein Beispiel für den Endosymbionten, der in einer Höhle des assoziierten Organismus lebt. Ein weiteres häufiges Beispiel ist die Fauna im Magen von wiederkäuenden Tieren oder Tieren, die Nahrungspartikel wie Hirsche, Rinder und Antilopen erbrechen und erneut kauen. Mägen von Wiederkäuern haben Kammern, von denen die erste Pansen genannt wird und speziell entwickelt wurde, um Populationen von Bakterien und Protozoen zu erhalten, die die Nahrung ihres Wirts durch Fermentation abbauen. Der Pansen wird mit Nahrung versorgt und durch spezialisierte Speicheldrüsen in einem bestimmten pH-Bereich gehalten. Dies bietet der mikrobiellen Gemeinschaft ein Substrat, von dem sie sich ernähren können, und eine günstige Umgebung dafür. Dort leben eine Vielzahl von Mikroorganismen, darunter Bakterien, die Cellulose verdauen, Protozoen, die Cellulose mit Hilfe ihrer eigenen Endosymbionten verdauen, und andere, die auf diesen Protozoen Raubtiere sind. Dort lebt eine ganze Gemeinschaft verschiedener Arten mit unterschiedlichen Lebensstilen.
Ein häufiges Beispiel für den Endosymbiont, der in den Zellen des Wirts lebt, ist der von Bakterien in den Zellen von Insekten. Die Zellen von Kakerlaken enthalten Bakterien, und Kakerlaken zeigen eine verlangsamte Entwicklung, wenn die Bakterien mit Antibiotika abgetötet werden. Das Wachstum der Kakerlake kann jedoch mit bestimmten Zusätzen zu ihrer Ernährung wiederhergestellt werden, die die Bakterien vermutlich zur Verfügung stellten.
Die Übertragung dieser Bakterien von einer Kakerlake auf einen Nachwuchs ist erblich bedingt, wenn auch nicht genetisch bedingt, da die Bakterien in das Zytoplasma des Eies eindringen. Dann, wenn das Ei befruchtet wird und sich entwickelt, hat es bereits das Endosymbiont, das die Mutter hatte.
Ein weiteres Beispiel für die mütterliche Übertragung findet sich bei wiederkäuenden Tieren. Bei diesen Tieren gibt die Mutter die Pansenmikroorganismen nach der Geburt durch ihren Speichel und wiederkäuende Nahrung an ihr Baby weiter,die alle mikrobiellen Arten enthalten, die das Baby im Leben benötigt. Wenn ein wiederkäuendes Tier nicht mit seiner Mutter in Kontakt kommen darf, erhält das Baby möglicherweise nie die Mikroben, die es benötigt, um Pflanzenmaterial verdauen zu können, und stirbt ab.
Endosymbiotische Evolution
Aus Verhaltensweisen wie der Migration von Quallen in verschiedene Wasserschichten und speziellen Strukturen wie dem Pansen des Magens wird deutlich, dass die Endosymbiose komplexe Wechselwirkungen beinhaltet und dass sich diese Organismen seit vielen Generationen zusammen entwickelt haben, um solche Wechselwirkungen zu entwickeln.
Das vielleicht älteste und am weitesten verbreitete Beispiel dieser endosymbiotischen Koevolution ist der Ursprung eukaryotischer Zellen. Sie entwickelten sich aus prokaryotischen Zellen, wobei die Hauptunterschiede darin bestehen, dass eukaryotische Zellen größer und komplexer sind und einen separaten Kern und zahlreiche Organellen (wie Mitochondrien) enthalten, während prokaryotische Zellen kleiner sind und einige Organellen frei in der Zellflüssigkeit schwimmen. Beispiele für Prokaryoten sind einfache einzellige Organismen wie Bakterien. Die meisten vielzelligen komplexen Organismen, von Protozoen über Pilze bis hin zu Tieren, sind jedoch Eukaryoten.
Wie sind eukaryotische Zellen entstanden? Obwohl es keine direkten Beweise gibt, ist die plausibelste Theorie, dass eine frühe prokaryotische Zelle, der Vorfahr des Mitochondriums, in eine andere prokaryotische Zelle eingedrungen ist, entweder als Nahrungsmittel oder als Parasit. Im Laufe der Zeit wurde die Beziehung zwischen den beiden endosymbiotisch, wobei das Mitochondrium dem Wirt Energie lieferte und der Wirt dem Mitochondrium die richtige Umgebung und Nährstoffe lieferte. So entstand eine Zelle mit einer unterschiedlichen Organelle oder einer eukaryotischen Zelle. Dies bedeutet, dass jede einzelne Zelle in allen prokaryotischen Organismen endosymbiotische Organellen hat.
Mehrere Merkmale der Mitochondrien unterstützen diese weithin akzeptierte Theorie einer endosymbiotischen Evolution, die zu eukaryotischen Zellen führt:
- Die für beide Seiten vorteilhafte Beziehung zwischen der Zelle, die Nährstoffe und eine Umgebung für die Organelle liefert, und dem Mitochondrium, das Energie für die Zelle liefert, wird in vielen anderen endosymbiotischen Systemen gesehen, einschließlich der oben genannten.
- Die moderne Rolle der Mitochondrien besteht darin, Energie in einer nutzbaren Form für die Zelle bereitzustellen.
- Das Mitochondrium enthält ein Genom, das es sich selbst reproduzieren lässt und weitgehend unabhängig von der Zelle und dem Genom der Zelle ist, das sich im Zellkern befindet. Schließlich teilen und vermehren sich die Mitochondrien nicht auf die gleiche Weise wie die Wirtszelle. Bei sexuell reproduzierenden Tieren zum Beispiel sind die Mitochondrien der Nachkommen keine Mischung aus den Mitochondrien beider Elternteile. Stattdessen werden sie alle von der Mutter geerbt. Somit rekombinieren die Mitochondrien nicht wie der Rest der Zelle während der sexuellen Fortpflanzung. Vielmehr agieren sie eher als unabhängige Organismen und behalten ihre Identität von Wirt zu Wirt bei.
siehe auch Interspezies-Interaktionen.
Jean K. Krejca
Bibliographie
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