Kapitel 5 der Vitalen Frage: Warum sind Bakterien relativ einfach, während Eukaryoten all die wunderbare Komplexität hervorgebracht haben, die wir um uns herum sehen? Eukaryoten sind typischerweise 1000x größer in Volumen und Genomgröße. Und natürlich haben sie zur internen Kompartimentierung, Multizellularität, Sexualität und vielem mehr geführt. Hier ist eine subtil falsche Theorie: Es geht alles um das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Eukaryoten erzeugen Energie in Mitochondrien (deren Anzahl mit dem Zellvolumen skaliert). Prokaryoten erzeugen Energie entlang der Zellmembranoberfläche (da sie kein internes Organell wie die Mitochondrien haben, um die Protonengradienten zu erzeugen und zu speichern, die das Leben antreiben). Die Oberfläche (auch bekannt als die Energieproduktion der Bakterien) skaliert quadratisch mit dem Radius, während das Volumen (auch bekannt als Energieverbrauch) kubisch skaliert. Ergo, Bakterien können nicht so groß werden und können daher nicht viel Komplexität hervorbringen. Aber wir wissen, dass es völlig möglich ist, dass Membranen auf alle möglichen seltsamen Arten gefaltet werden, um das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zu erhöhen. Und wir wissen, dass Bakterien Vakuolen im Inneren schaffen können (wo sie vermutlich einen Protonengradienten speichern könnten). Warum haben Bakterien diese Tricks nicht genutzt, um die Leiter der Komplexität hinaufzusteigen? Nick Lane erklärt, dass der entscheidende Vorteil der Eukaryoten darin besteht, dass das mitochondriale Genom von dem bakteriellen Genom getrennt ist (aufgrund des endosymbiotischen Ereignisses, das den bakteriellen Vorfahren der Mitochondrien verschlang). Aus irgendeinem Grund, den ich nicht ganz verstehe, muss es eine super-lokale Kontrolle der Redoxreaktionen in der Elektronentransportkette geben, die die Atmung antreiben. Du brauchst die relevanten Gene vor Ort. Mitochondrien haben bereits ihre eigenen internen Genome und Ribosomen, um ihre Arbeit zu regulieren. Wenn eine bakterielle Zelle viel größer werden würde, müsste sie Kopien der relevanten Gene in der Nähe der Membran speichern. Aber Bakterien haben keine Möglichkeit, spezifische stückweise Schnitte im Genom vorzunehmen. Sie müssten also ihr gesamtes Genom über die gesamte Membran hinweg viele, viele Male kopieren. Und auch viele Kopien von Ribosomen und anderer Infrastruktur speichern. Das ist einfach unpraktisch. Nick erklärt auch, dass im Laufe der Zeit die meisten der ursprünglichen mitochondrialen Gene in den Zellkern abgedriftet sind, weil es effizienter ist, dort eine einzige Kopie zu behalten. Und nur die, die absolut notwendig sind, bleiben in den Mitochondrien. Der genaue Mechanismus dieses Abdriftens und wie es zur Evolution der Kernmembran und der einzelnen linearen Chromosomen führte, sollte besser dem Buch überlassen werden. Fragen an Nick Lane: - Warum sind Mitochondrien das einzige Organell, das sein eigenes Genom direkt vor Ort haben muss? Ist es der Fall, dass andere Organellen auch von lokaler Kontrolle profitieren würden, aber diese einzigartige endosymbiotische Geschichte nicht haben, die plausibel zu ihren eigenen Genomen geführt hätte? Oder ist es einfach so, dass der Krebszyklus so komplex und fragil ist, dass man auf Störungen direkt vor Ort reagieren muss? - Warum gab es nicht mehr endosymbiotische Ereignisse?