Fortpflanzung: Wie kann sich die Arbeitsteilung der Zellen durchsetzen?

18. Oktober 2021

In komplexen Organismen findet man zwei grundlegende Arten von Zellen: einerseits Reproduktionszellen, die nur für die Fortpflanzung des Lebewesens zuständig sind, und andererseits Zellen, die sich auf die vegetativen Funktionen des Körpers spezialisiert haben. Diese Aufteilung der Zellen ist irreversibel, das heißt, der vegetative Zelltyp bringt nur vegetative Zellen hervor, die nicht mehr am Prozess der Fortpflanzung beteiligt sind. Warum hat sich diese Arbeitsteilung entwickelt, wo liegen die Vorteile? Daran forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Evolutionsbiologie in Plön mithilfe mathematischer Modelle.
 

Der Lebenszyklus eines Organismus im Modell beginnt mit einer einzelnen Fortpflanzungszelle. In jeder Runde teilen sich alle Zellen, und die Tochterzellen entwickeln sich jeweils in eine der unterschiedlichen Zellarten. Ist der Organismus ausgereift, pflanzt er sich fort, dabei wird jede Fortpflanzungszelle (grün) zu einem neuen Organismus und jede somatische Zelle (weiß) stirbt.
 

Die überwiegende Mehrheit der vielzelligen Tiere (Metazoen) weist ein sehr spezifisches Muster der Zelldifferenzierung auf: Jede Zelle, die vegetative Körperfunktionen erfüllt, bildet eine somatische Linie, d. h. sie bringt Zellen hervor, die dieselbe vegetative Funktion erfüllen - die somatische Differenzierung ist irreversibel. Da aus solchen somatischen Zellen keine reproduktiven Fortpflanzungszellen hervorgehen können, haben somatische Zellen keine Chance, ihre Nachkommen an die nächste Generation von Organismen weiterzugeben. Diese Art der Organismusentwicklung hat den Weg für eine tiefere Spezialisierung der Körperzellen und damit für die erstaunliche Komplexität der vielzelligen Tiere geebnet.

 

Aus der Perspektive einer Zelle in einem Organismus scheint das garantierte Aussterben ihrer Linie allerdings das denkbar schlechteste evolutionäre Ergebnis zu sein. Aus der Perspektive des Organismus wiederum ist das Aussterben der vegetativen Zelllinien am Ende ihres Lebenszyklus eigentlich eine Verschwendung von Ressourcen.

Wie und warum also ist dieses Prinzip der irrversiblen somatischen Differenzierung der Zellen entstanden?

 

Mathematische Modelle zeigen die Bedingungen der möglichen Entwicklungen

Die Forscherinnen und Forscher um Dr. Yuanxiao Gao und Dr. Yuriy Pichugin, der mittlerweile in Princeton forscht, entwickelten ein Modell, um zu untersuchen, unter welchen Bedingungen die Strategie der irreversiblen somatischen Differenzierung die Wachstumsrate des Organismus maximiert verglichen mit Strategien, in denen diese Differenzierung nicht vorkommt oder reversibel ist. Während das Modell in einigen Fällen mit Papier und Bleistift gelöst werden kann, sind meistens groß angelegte Computersimulationen notwendig.

Die Simulationen brachten mehrere klare Ergebnisse zu Tage:

  1. Die irreversible somatische Differenzierung entwickelt sich nur, wenn die Differenzierung mit hohen Kosten verbunden ist. Sonst entwickelt sich eine reversible Differenzierung, das heißt, somatische Zellen können sich wieder in reproduktive Zellen zurück ändern.
  2. Sie entwickelt sich dann, wenn das Vorhandensein von schon wenigen somatischen (vegetativen) Zellen zu einem verstärkten Wachstum des Organismus beiträgt. Das bedeutet, dass die Spezialisierung der vegetativen Zellen, die sich ganz auf eine Funktion konzentrieren können, ohne sich mit der Reproduktion beschäftigen zu müssen, eine positive Auswirkung auf den jeweiligen Körper hat.
  3. Damit die irreversible somatische Differenzierung auftritt, muss die Größe des Organismus ausreichend sein.

 

Die Ergebnisse zeigen also klare Faktoren, die dazu beitragen, dass die irreversible somatische Differenzierung einen evolutionären Vorteil bietet. Dieser Vorteil führt zu einem schnelleren Wachstum gegenüber anderen Entwicklungsstrategien und zu deren Verdrängen.

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