Als Zellen aufhörten, allein zu leben

Es gibt Fragen, die so grundlegend sind, dass man sie leicht für längst beantwortet hält. Diese hier gehört dazu: Warum hören Zellen auf, jede für sich zu leben, und wachsen stattdessen zu einem Körper zusammen? Der Schritt von einzelligen Vorfahren zu mehrzelligen Organismen war ein tiefgreifender evolutionärer Übergang – er schuf die Grundlage für den überwiegenden Teil des makroskopischen Lebens auf diesem Planeten. Fast alles, was wir ohne Mikroskop sehen können, steht am Ende dieser Entwicklung.

Erstaunlicherweise ist schon die einfachste Frage dazu umstritten: Wie oft ist das passiert? Die Antwort hängt davon ab, was man mitzählt. Je nach Definition von Mehrzelligkeit soll sie sich 13- bis 25-mal unabhängig voneinander aus einzelligen Vorfahren entwickelt haben. Versteht man darunter schlicht eine Ansammlung zusammenhängender Zellen, kommt man vorsichtig geschätzt auf mindestens 25 Linien. Legt man strengere Maßstäbe an – dauerhafte Verbindungen zwischen den Zellen, Kommunikation, echte Kooperation –, schrumpft die Liste drastisch: Bei den Tieren geschah es dann nur ein einziges Mal, bei den Pilzen dreimal, bei den Algen sechsmal. Die Spanne ist also weniger ein Zeichen von Unwissen als von Uneinigkeit darüber, ab wann ein Zellhaufen ein Organismus ist.

Noch schwieriger wird es beim Anfang. Die ersten Schritte dieses Übergangs liegen tief in der Vergangenheit, mehr als 200 Millionen Jahre zurück. Die Übergangsformen sind ausgestorben, und über Physiologie, Ökologie und Verlauf beginnender Mehrzelligkeit ist entsprechend wenig bekannt. Wer verstehen wollte, wie so etwas anfängt, war lange auf Rekonstruktion angewiesen – auf Spuren, Vergleiche, Rückschlüsse.

Bis jemand beschloss, den Übergang einfach noch einmal stattfinden zu lassen. In Laborexperimenten entwickelten sich aus einzelligen Hefen mehrzellige Verbände, die den Namen Schneeflocken-Hefe bekamen und zeigten, dass zentrale Aspekte mehrzelliger Komplexität aus einzelligen Eukaryoten ohne Weiteres entstehen können. 2018 wurde daraus ein Langzeitprojekt: das Multicellularity Long Term Evolution Experiment, kurz MuLTEE, benannt nach Rich Lenskis wegweisendem Langzeitexperiment mit E. coli und ausdrücklich auf Jahrzehnte angelegt. Ausgangspunkt war der Hefestamm Y55.

Damit hat sich etwas Grundsätzliches verschoben. Der Beginn der Mehrzelligkeit ist nicht länger allein ein Gegenstand des Rückschließens aus dem, was übrig blieb, sondern ein Vorgang, dem man beim Geschehen zusehen kann.

Wer nach dem Anfang der Mehrzelligkeit sucht, erwartet vielleicht eine große Erfindung: einen Bauplan, einen ersten Körper, irgendetwas Zielgerichtetes. Die Wirklichkeit ist unscheinbarer. Am Anfang steht kein Plan, sondern eine Panne — und eine Umwelt, die diese Panne zufällig belohnt. Genau dieses Zusammenspiel aus ungerichteter Veränderung und einem Filter, der auswählt, lässt sich im Labor nachstellen. Es beginnt mit etwas, das man leicht übersieht: dem Moment, in dem sich eine Zelle teilt.

Normalerweise endet eine Zellteilung damit, dass sich die Nachkommen vollständig voneinander lösen — zwei getrennte Einzeller gehen ihrer Wege. Bleibt dieser letzte Trennungsschritt aus, hängen die Nachkommen einer einzigen Zelle nach der Teilung schlicht aneinander. Bei Zellen mit Wand genügt dafür eine Änderung im Aufbau der Zellwand, die die endgültige Spaltung unterbindet; die Töchter bleiben verbunden. Dieses unvollständige Zelltrennen gilt als entscheidender Schritt in jenen unabhängigen Ursprüngen der Mehrzelligkeit, aus denen Tiere, Pflanzen und koloniebildende Algen hervorgingen.

Ein Fehler allein macht aber noch keinen Vorteil. Es braucht einen Filter — etwas in der Umwelt, das die Verbundenen bevorzugt. In einem Experiment mit der Hefe Saccharomyces cerevisiae übernahm die Schwerkraft diese Rolle. Zellklumpen sinken in Flüssigkeit schneller zu Boden als einzelne Zellen; wer schneller sinkt, wird weitergereicht. Zehn anfangs genetisch gleiche Populationen wuchsen in nährstoffreicher Lösung, durften sich vor jeder Überimpfung 45 Minuten lang absetzen, und nur was unten ankam, gelangte in frisches Medium. Nach der ersten Woche übernahm eine kurze Zentrifugation diesen Schritt.

Die Antwort kam schnell und einheitlich: Nach 60 Übertragungen waren alle Populationen von rundlichen, schneeflockenartigen Gebilden aus vielen zusammenhängenden Zellen beherrscht. Und der Vorteil war messbar. Unter den Bedingungen der Auslese hatte diese Schneeflocken-Form einen Fitnessvorteil von 34 Prozent gegenüber einzelnen Zellen. Fiel die Absink-Auslese weg, kehrte sich das Vorzeichen um: Dann kostete die Klumpenform rund zehn Prozent.

Damit rückt der Filter selbst in den Blick. Das Absinken war nicht als Nachbau eines beobachteten Lebensraums gewählt worden, sondern weil es sich im Labor gut handhaben ließ, um auf größere Gebilde zu selektieren. Zu sehen ist hier also nicht, wie es damals war, sondern wie leicht es gehen kann: eine ungerichtete Veränderung, ein passender Filter — und aus Einzelnen wird ein Verbund.

Zusammenzubleiben ist das eine. Etwas zu werden, das hält, ist das andere. Ein Verband aus Zellen kann wachsen und trotzdem ein Klumpen bleiben: locker, zerbrechlich, jederzeit auseinanderzubröseln. Der Schritt vom Klumpen zum Körper verlangt, dass die Zellen einander nicht nur berühren, sondern zusammenhalten – auch dann, wenn an ihnen gezogen wird.

Der lockere Klumpen ist dabei kein Nebenschauplatz. Das Zusammenballen noch völlig gleichartiger Zellen gilt als notwendige Vorstufe für alles, was danach kam: für Arbeitsteilung und für die Trennung von Fortpflanzungs- und Körperzellen. Und diese erste Stufe ist erstaunlich billig zu haben – an einem einzelligen Laborstamm der Backhefe ließen sich mehrzellige Aggregate durch geeigneten Selektionsdruck binnen weniger Generationen künstlich erzeugen. Schwierig wird es erst danach: Komplexere Lebensformen mit differenzierten Zellen setzen die Lösung zahlreicher Probleme voraus. In der Theorie der großen evolutionären Übergänge heißt dieser Weg, dass gleichartige Einheiten zusammenbleiben, zuerst den Vorteil der Größe ernten und erst danach Arbeitsteilung entwickeln.

Wie weit Größe allein tragen kann, zeigt ein Laborsystem mit der sogenannten Schneeflocken-Hefe. Fünf Populationen, die ohne Sauerstoff lebten, brachten Verbände hervor, die mit bloßem Auge zu sehen waren; Schneeflocken-Hefe, die Sauerstoff verwerten konnte, blieb mikroskopisch klein. Der mittlere Radius stieg von 16 auf 434 Mikrometer – etwa die 20.000-fache Volumenzunahme. Aus rund hundert Zellen pro Verband wurden etwa 450.000.

Der Grund dafür liegt in der Form der einzelnen Zellen. Die Zellen wuchsen in die Länge und verstrickten sich im Inneren des Verbands wie Reben ineinander. Dadurch hielt das Gebilde selbst dann noch zusammen, wenn einzelne Verbindungen zwischen Zellen rissen; die Zähigkeit stieg um mehr als das 10.000-Fache. Als Material war die Hefe anfangs rund hundertmal schwächer als Gelatine – am Ende hatte sie die Festigkeit und Zähigkeit von Holz. Die Erbgutanalyse fand gehäuft Mutationen an Zellzyklus und Knospung, und eigens hergestellte Stämme mit längeren Zellen und größeren Knospennarben durchliefen denselben Weg vom Mikroskopischen ins Sichtbare.

Nichts daran ist geplant. Die neuen Eigenschaften des Verbands sind eine emergente Folge von Veränderungen auf der Ebene einzelner Zellen. Dass eine Körperform verlässlich wiederholt wird, ruht erst in komplexeren Fällen auf gesteuerter Entwicklung, auf Lageinformation, die nicht nur zählt, wie viele Zellen welchen Typs vorhanden sind, sondern auch, wo sie sitzen.

Wenn Zellen sich zusammentun, muss dann etwas völlig Neues erfunden werden? Oder genügt es manchmal, eine Fähigkeit, die längst vorhanden ist, einfach nicht mehr abzuschalten? Genau diese Frage lässt sich im Labor stellen – mit einer Grünalge, einem hungrigen Einzeller und viel Geduld. Was dabei herauskommt, verschiebt den Blick darauf, wie schwer der Schritt zur Mehrzelligkeit überhaupt ist.

Chlamydomonas reinhardtii ist die mit Abstand am besten erforschte einzellige Vertreterin ihrer Verwandtschaftsgruppe, eine bodenlebende Alge aus feuchtem Schlamm und kleinen Wasseransammlungen. Sind die Bedingungen günstig, teilt sich die Zelle innerhalb der Wand der Mutterzelle in rascher Folge zweimal; die vier Tochterzellen trennen sich anschließend und leben als Einzeller weiter. Und genau hier steckt bereits eine winzige Vielzelligkeit: Zwischen der Teilung und dem Aufreißen der Mutterzellwand bilden die Tochterzellen für einen Moment einen Verbund – dann platzt die Hülle, und jede geht ihrer Wege.

Dazu kommt eine zweite, leicht übersehene Fähigkeit. Auch der Wildtyp kann sogenannte Palmelloide bilden, also Zellverbünde. Er tut das fakultativ, gelegentlich und je nach Umständen. Der Werkzeugkasten für vielzellige Strukturen lag in der Ausgangspopulation des Experiments also schon bereit.

Nun der Räuber. Eingesetzt wurde das Wimpertierchen Paramecium tetraurelia, um in ausgekreuzten Populationen der Alge die Entstehung von Mehrzelligkeit von Grund auf zu selektieren; um die genetische Vielfalt zu Beginn zu erhöhen, gingen fünf Experimental- und drei Kontrollpopulationen aus einer Kreuzung hervor. Der Gedanke dahinter ist schlicht: Filtrierende Räuber sind in Gewässern häufig, und Algen jenseits einer bestimmten Schwellengröße bleiben für sie weitgehend unerreichbar.

Was sich veränderte, war weniger eine Erfindung als eine Verschiebung im Timing. Bei den evolvierten Algen reißt die Mutterzellwand nicht mehr sofort, sondern erst, nachdem mindestens eine weitere Teilungsrunde stattgefunden hat – der vielzellige Zustand bleibt bestehen, und freigesetzt werden vielzellige Ableger. Aus gelegentlich wurde zwingend: Die evolvierten Stämme sind obligat mehrzellig. Möglicherweise brauchte es dafür nur den Wechsel von fakultativer zu dauerhafter Ausprägung genau jener Gene, die schon an der Palmelloid-Bildung beteiligt sind.

Und der Fressfeind? Die Ergebnisse stützen die Ansicht, dass Räuberdruck bei zumindest einigen Ursprüngen der Mehrzelligkeit eine Rolle gespielt hat – mehr nicht. Für Zellklumpen sind viele Vorteile vorgeschlagen worden; die meisten fallen in zwei Kategorien: Schutz oder Nährstoffnutzung. Und weil Mehrzelligkeit mehrfach unabhängig entstanden ist, können durchaus verschiedene Mechanismen für verschiedene Ursprünge verantwortlich sein.

Ein Zellhaufen ist nur so lange ein Zellhaufen, wie ihn etwas zusammenhält. Damit ein potenzieller Vielzeller nicht einfach auseinanderfällt, braucht es Brücken oder Bindungen zwischen seinen Zellen; dieser Vorgang heißt Adhäsion. Man könnte vermuten, dass dafür erst ein neuer Klebstoff erfunden werden musste. Die Laborversuche und der Blick auf verwandte Organismen erzählen eine andere Geschichte.

In den Algenkulturen war das Haftmittel bereits vorhanden. Teilte sich dort eine Zelle, trennten sich die Töchter zwar, blieben aber dicht beieinander, weil sie in der extrazellulären Matrix des Elternverbands steckten – jenem zellfreien Material, das Zellen nach außen abgeben und das schon einfachen Vielzellern Form und Gestalt gibt. Wuchsen und teilten sich diese Zellen weiter, blieben einige darin eingebettet, und aus dem Verband wurden immer größere Ansammlungen.

Den zweiten Halt lieferte die Mutterzelle. Ähnliche Gebilde, Palmelloide genannt, treten bei diesen Grünalgen auch sonst auf, und sie beruhen auf zwei Dingen: Tochterzellen schaffen es nicht, die Wand der Mutterzelle zu verlassen, was zu Kolonien von vier bis sechzehn Zellen führt, und die Zellen scheiden ein gallertiges Material aus, das sie aneinander haften lässt. Genau so sieht der klonale Weg in die Mehrzelligkeit aus: Zellen bleiben nach der Teilung aneinander hängen, statt dass sich – wie bei der aggregativen Variante – freischwimmende Einzelzellen zu einem Verband zusammenfinden.

Dasselbe Muster zeigt der Vergleich unabhängiger Linien, denn stabile Zellhaftung ist in verschiedenen mehrzelligen Gruppen mehrfach und unabhängig voneinander entstanden. Bei den Volvocinen lässt sich der Umbau besonders schön ablesen: Was bei der einzelligen Chlamydomonas nur eine formlose Zone unterhalb der äußeren Zellwand ist, wächst bei Pandorina und Volvox zu einer voluminösen Matrix heran, in die die Zellen eingebettet sind. Eine Volvox-Zelle besitzt rund zehntausendmal so viel davon wie eine Chlamydomonas-Zelle, und die kugelige Kolonie besteht zu 99 Prozent aus extrazellulärer Matrix. Molekulare Befunde stützen das Bild: Proteinfamilien der Zellwand wurden umgewidmet und weiterentwickelt, aus der Schutzhülle wurde ein Gerüst.

Auch die Haftmoleküle selbst lagen bereit. Das einzellige Kragengeißeltierchen Monosiga besitzt 23 Cadherine, 17 Integrine, fünf Immunglobuline und zwölf C-Typ-Lektine – keine einzelne Erfindung also, sondern gleich eine ganze Batterie von Molekülen jener Art, über die Tierzellen ihre Zellkontakte herstellen. Wozu Monosiga sie nutzt, ist bis heute ungeklärt. Bei den einfach gebauten Schwämmen sind es komplexe Proteoglycane, die den Verband organisieren – stark genug, dass vereinzelte Schwammzellen sich spontan wieder zusammenfinden.

Der Klebstoff, so scheint es, war da, bevor es etwas zu kleben gab.

Jeder Vorteil hat seinen Preis, und die Evolution rechnet gnadenlos nach. Wer den Weg zum Zellverbund nur als Aufstieg liest, übersieht die zweite Spalte der Bilanz: Zusammenhalt muss bezahlt werden, und zwar von jeder einzelnen Zelle. Wo aber eine Rechnung existiert, tauchen zuverlässig auch jene auf, die versuchen, sie nicht zu begleichen.

Denn altruistische Systeme sind immer durch Betrüger bedroht, die die Vorteile ausnutzen, ohne selbst etwas beizutragen. Das ist das Grundproblem jeder Kooperation: Wer kooperiert, kann von jenen ausgebeutet und verdrängt werden, die den Nutzen der Kooperation anderer einstreichen, deren Kosten aber vermeiden. Damit Zusammenarbeit Bestand hat, braucht es deshalb zweierlei – einen ökologischen Vorteil oder Effizienzgewinn und einen Mechanismus, der die Früchte der Kooperation zu den Kooperierenden selbst oder zu deren Verwandten zurücklenkt.

Wie empfindlich diese Rechnung ist, zeigt die Hefe. Sie gibt ein Enzym namens Invertase nach außen ab, das Rohrzucker in verwertbare Einfachzucker spaltet – ein öffentliches Gut, von dem alle in der Nachbarschaft zehren können. Zellen, die keine Invertase herstellen können, werden deshalb oft „Betrüger“ genannt: Sie wachsen auf den Zuckern, die andere freisetzen, während die Produzenten für ihr Enzym Fitnesskosten tragen. Ob sich das Betrügen auszahlt, hängt am Abstand. Bei niedriger Zelldichte steigt der Anteil der Produzenten, weil die Nicht-Produzenten schlicht zu weit entfernt sitzen, um mitzuprofitieren; bei hoher Dichte kehrt sich das Verhältnis um. In gut durchmischten Umgebungen entweicht ohnehin ein Großteil des freigesetzten Zuckers ins umgebende Medium. Eine Computersimulation legte nahe, dass Klumpenbildung Energie effizienter nutzbar macht, gerade weil sie die Berührung mit Betrügern verringert.

Und selbst wo sich der Verbund lohnt, lohnt er sich nicht überall. Die Kugelkolonie der Grünalge Volvox besteht zu 99 Prozent aus extrazellulärer Matrix, die von den Zellen koordiniert abgeschieden werden muss. Als Vorteile werden vor allem zwei genannt: die Einlagerung von Nährstoffen, allen voran Phosphor, als Speicher für Mangelzeiten, und der bessere Schutz, den schiere Größe gegenüber vielen Fressfeinden verleiht. Während Chlamydomonas fast überall verbreitet ist, findet sich Volvox jedoch nur in relativ wenigen Lebensräumen, vor allem in Tümpeln und sehr nährstoffreichen, geschichteten Seen – dort kann sie häufiger werden als Chlamydomonas. Unter ungünstigen Umweltbedingungen sind ihre Vorteile keineswegs eindeutig. Der molekulare Stammbaum der Volvocales zeigt denn auch, dass es in der Evolution dieser Gruppe zu zahlreichen Rückentwicklungen zu wenigerzelligen Formen gekommen sein muss.

Der Verbund ist also kein Ziel, auf das das Leben zusteuert, sondern ein Angebot, das sich rechnen muss – und wenn die Umgebung die Zahlen ändert, wird es auch wieder zurückgegeben.

Bis hierher ging es darum, wie aus einzelnen Zellen ein Verband wird, was ihn zusammenhält und was er kostet. Am Schluss steht die unbequemste Frage von allen: Bleibt das so? Ein Zusammenschluss, der beim nächsten Gegenwind wieder auseinanderfällt, wäre keine Wende in der Geschichte des Lebens, sondern eine Episode.

Die Theorie der großen evolutionären Übergänge macht daraus zwei nüchterne Bedingungen. Erstens die wechselseitige Abhängigkeit: Einheiten, die sich vorher allein vermehren konnten, können sich danach nur noch als Teil des größeren Ganzen vermehren. Zweitens muss der Streit im Inneren so weit verstummen, dass sich die größere Einheit als eigenes Individuum verstehen lässt, das seine Fitness als Ganzes maximiert. Sind beide erfüllt, ist eine neue Ebene von Lebewesen entstanden.

Der eigentliche Wendepunkt liegt darin, dass die Gruppe selbst zur Fortpflanzungseinheit wird. Sie muss sich auf eine Weise vermehren, die der Auslese erlaubt, zwischen ganzen Gruppen zu unterscheiden und nicht nur zwischen deren Zellen. Erst dann greift die obere Ebene nach unten durch und schränkt die Evolution der einzelnen Bausteine ein. Dass Arbeitsteilung dabei hilft, ist kein Zufall: Sie macht die höhere Einheit unter bestimmten Bedingungen leistungsfähiger, und dieser Vorteil muss sich in Nachkommen auszahlen.

Wie fest ein solcher Zustand wird, lässt sich an Fossilien kaum ablesen — wohl aber im Computer. In der Software Avida leben digitale Organismen, die entweder aus einer einzigen Untereinheit bestehen oder aus mehreren. Jede Zelle trägt ein Genom, eine Folge von Befehlen, die ihr Verhalten steuert, vom Stoffwechsel bis zur Selbstvervielfältigung; Mutationen schreiben an diesen Befehlen mit, und so evolviert eine Population, die niemand entworfen hat. Von 1000 solcher Läufe wurden 65 mehrzellig, 48 davon mit reproduktiver Arbeitsteilung.

Dann wurde Mehrzelligkeit künstlich verteuert — als einstellbare Zeitverzögerung, während der die Zellen untätig sind und der Organismus von Konkurrenten verdrängt werden kann. Als Maß der Stabilität gilt der kleinste Kostenwert, bei dem einzellige Rückkehrer nach 100 Generationen die Population beherrschen. Im gezeigten Beispiellauf stieg dieser Wert vom Zeitpunkt des Übergangs bis zum Ende von 130,3 auf 383,0: Dieselbe Linie ertrug am Ende ein Vielfaches an Last, bevor sie zurückfiel.

Endgültig ist das trotzdem nicht. Auch wechselseitige Abhängigkeit kann die Evolution wieder auflösen — Mitochondrien sind bei manchen Parasiten des Menschen verschwunden, Plastiden gleich mehrfach. Die Grenzen bleiben unscharf, ein Mosaik von Merkmalen. Genau das macht die Mehrzelligkeit so bemerkenswert: nicht als einmalig gefallene Entscheidung, sondern als ein Zustand, der sich mit jeder Generation ein Stück tiefer eingräbt.