1 Nach der Teilung zusammengeblieben
Du selbst hast als eine einzige Zelle angefangen. Eine befruchtete Eizelle teilt sich in zwei, aus zwei werden vier. Etwas mehr als vierzig solcher Verdopplungen, und die Zahl der Zellen reicht für einen Menschen.
Nur sind die Zellen deines Körpers nach der Teilung nicht auseinandergegangen. Wenn aus einer Zelle zwei werden, geht gewöhnlich jede ihrer Wege. Bakterien trennen sich nach der Teilung, Pantoffeltierchen ebenfalls. Bei deinen Hautzellen sind danach zwar die Membranen getrennt, aber weggezogen ist niemand: Besondere Proteine nieten sie an ihren Nachbarn fest. Manchmal bleiben Zellen also zusammen. Im Labor lässt sich das binnen weniger Dutzend Tage herbeiführen. Darum geht es im sechsten Abschnitt.
Das sieht nach einer Kleinigkeit aus und hat gewaltige Folgen. Denn sobald Zellen sich nicht mehr jede für sich fortpflanzen, ändert sich, worauf die Selektion wirkt. Zuvor konkurrierte eine Zelle mit einer anderen darum, wer mehr Nachkommen hinterließ. Nun konkurriert eine Gruppe von Zellen mit einer anderen Gruppe. Aber dieser Übergang vollzieht sich nicht von allein.
Ein Haufen zusammenklebender Zellen ist noch keine Fortpflanzungseinheit. Dazu müssen sie sich auch gemeinsam fortpflanzen: Der Körper der nächsten Generation muss aus diesem Körper hervorgehen, statt dadurch zu entstehen, dass einzelne seiner Zellen fortziehen und jede für sich neu anfangen. Und in dieser Gruppe vermehrt sich weiterhin jede einzelne Zelle selbst.
Darum ist Vielzelligkeit keine Kleinigkeit: Sie macht aus einer Einheit ohne innere Konkurrenz eine Einheit, in der Konkurrenz herrscht. Die Frage lautete also nie bloß: Wie kleben Zellen aneinander? Sie lautet: Was geschieht mit ihrer Konkurrenz, wenn sie erst einmal zusammenkleben?
Angenommen, ein Körper besteht aus tausend genetisch völlig gleichen Zellen. Nun tritt in einer davon eine Mutation auf, durch die sie selbst sich schneller vermehrt. Dem ganzen Körper nützt sie nicht, vielleicht schadet sie ihm sogar. Innerhalb dieses Körpers werden die mutierten Zellen immer zahlreicher.
Der Körper als Ganzes könnte sich dadurch jedoch schlechter fortpflanzen. Auf zwei Ebenen wirkt die Selektion in entgegengesetzte Richtungen. Diese Schwierigkeit hat einen Namen, den jeder kennt: Krebs.
So sieht das Problem heute aus. Manche haben sogar vorgeschlagen, Krebszellen kehrten zur Lebensweise ihrer einzelligen Vorfahren zurück: sich selbst teilen, ohne Rücksicht auf die anderen. Darüber wird noch gestritten. Doch diese Deutung stellt den Krebs und die Entstehung der Vielzelligkeit in denselben Problemzusammenhang.
Krebszellen sind genau so eine Gruppe von Zellen: Im Körper vermehren sie sich schneller, und der Körper, in dem sie leben, stirbt daran. Von Verrat kann keine Rede sein. Eine Krebszelle weiß nicht, was sie tut. Sie vermehrt sich bloß schneller als ihre Nachbarn.
Und in einem Körper, der aus vielen jeweils selbst vermehrungsfähigen Teilen besteht, genügt dieses „schneller als die Nachbarn“ bereits. Schon dass vielzellige Lebewesen überhaupt existieren, zeigt deshalb eines: Dieser Widerspruch muss unter ein bestimmtes Maß gedrückt werden. Sonst kann der Körper nicht bestehen.
Beseitigt ist er bis heute nicht. Der Widerspruch im Inneren vielzelliger Körper ist kein historisches Problem, das irgendwann gelöst wurde. Er ist ein fortdauernder Vorgang, der jeden Tag abläuft und lediglich weit genug eingedämmt wird.
Ein erwachsener Mensch besteht aus gut dreißig Billionen Zellen. Jeden Tag sterben Hunderte Milliarden alte Zellen und werden durch neue ersetzt. Bei jeder Teilung werden ein paar Buchstaben der DNA falsch abgeschrieben. Wahrscheinlich gibt es auch in deinem Körper gerade Zellen, die sich regelwidrig vermehren. Die meisten davon werden beseitigt.
Die meisten, wohlgemerkt. In der kleinen Differenz zwischen „die meisten“ und „alle“ liegt die Stelle, an der diese Ordnung noch immer nicht aufgeht. Damit eine Zelle zur Krebszelle wird, müssen gewöhnlich nacheinander mehrere entscheidende Gene Schaden nehmen. Das braucht Zeit. Deshalb tritt Krebs überwiegend im mittleren und höheren Lebensalter auf. Im Lauf eines Menschenlebens durchlaufen die Zellen des Körpers mehr als zehn Billiarden Teilungen. Jede einzelne ist eine Gelegenheit.
Manche Krebszellen haben sogar ihren ursprünglichen Körper verlassen. Bei Hunden gibt es einen ansteckenden Tumor, der beim Paaren von Hund zu Hund übertragen wird. Die Zellen sämtlicher dieser Tumoren stammen von ein und demselben Hund, der vor Jahrtausenden lebte.
Dieser Hund ist längst tot. Eine Gruppe seiner Zellen lebt noch immer in Hunden auf der ganzen Welt. Beim Menschen gab es etwas Ähnliches: Krebszellen, die man 1951 einer amerikanischen Patientin namens Henrietta Lacks entnahm, wurden in Kulturflaschen weitergezüchtet. Bis heute teilen sie sich in Laboren rund um den Globus.
Entnommen wurden sie ohne ihre Zustimmung. Auch bei Tasmanischen Teufeln gibt es einen übertragbaren Gesichtskrebs. In etwas mehr als zwanzig Jahren ließ er ihren Bestand um weit über die Hälfte einbrechen.
Das Problem ist auch sehr alt. 2020 wurde im Beinknochen eines mehr als siebzig Millionen Jahre alten Horndinosauriers ein Knochenkrebs nachgewiesen. Auch Pflanzen bekommen Tumoren, sterben aber nur sehr selten daran: Ihre Zellen sind durch die Zellwände am Ort festgehalten. Sie können nicht auswandern und keine Metastasen bilden.
Der Körper setzt mehrere Verfahren ein, um solche Regelverstöße einzudämmen. Im fünften Abschnitt gehen wir sie einzeln durch. Zunächst etwas anderes: Dass Zellen sich zu einem Körper verbinden, ist in der Evolutionsgeschichte oft geschehen. Wie oft genau, lässt sich erheblich schwerer zählen, als man denkt.
2 Fünfundzwanzig, zweiundzwanzig, sechzehn, fünfundvierzig
„Vielzelligkeit ist mehr als zwanzigmal unabhängig entstanden“: Dieser Satz ist weit verbreitet. Meist lässt er sich auf zwei Übersichtsarbeiten zurückführen. Eine von 2007 spricht von „mindestens fünfundzwanzigmal“, eine von 2011 von „mindestens zweiundzwanzigmal“ bei Eukaryoten. Eine weitere Übersicht nannte 2017 „mindestens sechzehn eukaryotische Abstammungslinien“.
2023 ging der polnische Forscher Lamża dieser Zitatkette eigens nach. Er stellte fest, dass für die „mindestens fünfundzwanzig“ weder eindeutige Einschlusskriterien noch eine Aufstellung der einzelnen Fälle vorlagen. In der Abbildung derselben Arbeit waren ausdrücklich nur etwa sechzehn vielzellige eukaryotische Linien eingezeichnet.
Auch den „mindestens zweiundzwanzig“ lag keine vollständige Liste bei. Eine Schätzung mit dem Zusatz „mindestens“ wurde von Arbeit zu Arbeit weitergereicht. In der Sekundärliteratur war daraus schließlich geworden: „Wissenschaftler haben ermittelt.“ „Mindestens“ bedeutet „nicht weniger als“, nicht „ungefähr so viel wie“.
Auf die Höhe dieser Zahl kommt es an. Sie berührt eine größere Frage: die nach dem Leben außerhalb der Erde. Falls auch auf anderen Planeten Zellen entstanden sind, wie schwer fällt dann der Schritt zum Körper?
Wenn Vielzelligkeit hier Dutzende Male auftrat, ist dieser Schritt vermutlich nicht allzu schwer. Schwer sind dann die Schritte danach. Wäre sie nur ein- oder zweimal entstanden, sähe sie nach einem seltenen Glücksfall aus. Bei Dutzenden Ursprüngen gleicht sie eher einer Tür, die die ganze Zeit offen steht.
Er zählte selbst noch einmal nach und legte dabei die weiteste Definition an: Alles, was den größten Teil seines Lebens nicht mehr dem typischen Einzeller mit „einem Zellkern in einer Membran“ entspricht, wurde mitgezählt. Er untersuchte einundneunzig taxonomische Einheiten und kam auf fünfundvierzig unterscheidbare unabhängige Fälle.
Diese fünfundvierzig Fälle unterteilte er zudem in sechs verschiedene Arten von „Vielzelligkeit“: mehrkernige Pilzfäden mit Querwänden etwa, Klone, die nach der Teilung beisammenbleiben, vorübergehend versammelte Zellgruppen oder Netze aus vielen teilweise miteinander verschmolzenen Zellen. Die tatsächliche Zahl könnte seiner Ansicht nach deutlich höher liegen, vielleicht sogar nahe hundert. Denn viele kleine Protisten sind nur dürftig dokumentiert.
Die Zahlen liegen so weit auseinander, weil nicht feststeht, was überhaupt als ein Fall gilt. Es ist ein bisschen, als wollte man wissen, wie viele Flüsse es in China gibt: Ab welcher Länge zählt etwas als Fluss? Zählen Nebenflüsse mit? Und Wasserläufe, die nur zur Regenzeit Wasser führen? Erst wenn das geklärt ist, hat die Zahl einen Sinn. Pilze sind ein gutes Beispiel. Der Pilz, den wir essen, ist die „Frucht“ eines weit ausgedehnten unterirdischen Geflechts von Pilzfäden.
Diese Hyphen sind dünne Röhren. Viele Zellkerne liegen in demselben zusammenhängenden Abschnitt von Protoplasma; die Querwände dazwischen sind oft unvollständig oder fehlen ganz. Ob das als Vielzelligkeit gilt, hängt davon ab, ob man „mehrere Zellkerne“ verlangt oder „mehrere durch vollständige Membranen getrennte Zellen“.
Nach der ersten Definition zählt es, nach der zweiten nicht. Im Mittelmeer lebt die Alge Caulerpa taxifolia. Sie kann Gebilde ausbilden, die Wurzeln, Stängeln und Blättern ähneln, und etwa einen Meter lang werden. Innen besteht sie dennoch aus einer einzigen Röhre ohne Trennwände, mit vielen Zellkernen in derselben Protoplasmamasse. Ist das eine Zelle oder eine vielzellige Pflanze? Und bei den Pilzen, vom Speisepilz bis zum Schimmel, besteht der Großteil eines ganzen Reiches aus Hyphen. Diese eine Entscheidung kann ganze Scharen von Pilzen in der Zählung erscheinen oder verschwinden lassen.
Je höher die Anforderungen, desto kleiner die Zahl. Verlangt man nur, dass zwei oder mehr Zellen dauerhaft verbunden bleiben, zählen viele fadenförmige Bakterien, Hefeklumpen und Algenkolonien dazu. Fordert man außerdem, dass die Zellen dauerhaft voneinander abhängig sind, schrumpft die Menge.
Kommen unumkehrbare Differenzierung, Arbeitsteilung zwischen Keim- und Körperzellen, ein dreidimensionaler Körper und ein Entwicklungsprogramm hinzu, bleiben nur sehr wenige Linien übrig. Auch ein revidierter Stammbaum verändert die Zahl der Ursprünge. Manche Einzeller sind tatsächlich von vielzelligen Vorfahren zur Einzelligkeit zurückgekehrt. Hält man sie für seit jeher einzellig, zählt man zu viele unabhängige Entstehungen.
In Lehrbüchern heißt es oft: „Komplexe Vielzelligkeit ist nur etwa sechsmal entstanden“: bei Tieren, Pilzen, Rotalgen, Braunalgen, Grünalgen und Landpflanzen. Hinter dieser Aussage steht eine wirkliche Schwelle.
In einem eindimensionalen Faden oder einer zweidimensionalen Fläche liegt jede Zelle noch unmittelbar am Wasser. In einem dreidimensionalen Klumpen nicht mehr. Bei einem kompakten Zellball von einem Millimeter Durchmesser ist das Zentrum einen halben Millimeter von der Oberfläche entfernt. Sauerstoff legt diesen Weg durch Diffusion zu langsam zurück, um mit dem Verbrauch der Zellen Schritt zu halten. Überschreitet ein dreidimensionaler Körper eine bestimmte Dicke, muss er ein eigenes Transportsystem aufbauen. Andernfalls ist sein Inneres tot.
Nur liegen diese sechs Gruppen nicht auf derselben Ebene: Landpflanzen gehören ohnehin zu den grünen Pflanzen, und komplexe Fruchtkörper könnten bei Pilzen in acht bis elf verschiedenen Zweigen unabhängig entstanden sein. Fünfundzwanzig, zweiundzwanzig, sechzehn, fünfundvierzig: Das sind nicht vier Messungen derselben Größe.
3 Körper, die unabhängig voneinander entstanden
Diese unabhängig entstandenen Körper können sehr verschieden aussehen. Beginnen wir mit der uns vertrautesten Linie, den Tieren. Schwämme, Quallen, Würmer, Fische und Menschen stammen alle von demselben vielzelligen Vorfahren ab. Der tierische Körper entstand nur einmal. Auch bei den Landpflanzen gab es nur einen Ursprung; sie gingen aus einer im Wasser lebenden Grünalgenlinie hervor. Die übrigen haben jeweils ihre eigene Geschichte.
Kombu-Tang ist ein Beispiel. Er gehört zu den Braunalgen, ist mit den Landpflanzen nicht näher verwandt und hat seinen vielzelligen Körper unabhängig von ihnen entwickelt. Verwandtschaftlich liegt zwischen Kombu und Chinakohl mehr Abstand als zwischen einem Menschen und einem Pilz.
Der Riesentang vor der kalifornischen Küste kann an einem Tag einen halben Meter wachsen und insgesamt vierzig bis fünfzig Meter lang werden. Im Meer spannt er einen „Unterwasserwald“ auf. Darin leben Seeigel, die den Tang fressen, und Seeotter, die die Seeigel fressen.
Werden die Seeotter weniger, fressen die Seeigel den Tang kahl. Der ganze Wald wird zu nacktem Meeresgrund. Im Körper des Riesentangs gibt es besondere Zellen, die den bei der Photosynthese erzeugten Zucker in die Tiefe transportieren, ganz ähnlich den Leitgeweben von Pflanzen. Beide Seiten sind unabhängig darauf gekommen.
Nori-Algen und Gelidium gehören zu den Rotalgen. Das ist wieder ein eigener Ursprung. Kombu, Wakame, Nori und das aus Gelidium gekochte, kalt servierte Gelee auf dem Esstisch verteilen sich auf zwei voneinander unabhängige Entstehungen der Vielzelligkeit. Manche Rotalgen bilden eine harte Schale aus Calciumcarbonat aus, wie einen Überzug aus rosa Kalk. Sie kitten die Bruchstücke von Korallenriffen zusammen.
Das Pilzreich hinter unseren Speisepilzen steht für noch einen Ursprung. Im Wald schmiegen sich Hyphen an Baumwurzeln und verbinden einzelne Bäume miteinander. Zucker und Nährstoffe können entlang dieser Fäden ein Stück weit von Baum zu Baum gelangen.
Wie wichtig dieses unterirdische Netz tatsächlich ist, darüber streitet die Forschung noch. Ein reifer Riesenbovist kann mehrere Billionen Sporen enthalten. Ein leichter Tritt darauf, und schon steigt eine Rauchwolke auf.
Manchmal erscheinen auf einer Wiese Pilze in einem vollständigen Ring. Sein englischer Name bedeutet „Feenring“, sein chinesischer Alltagsname „Pilzring“. Das unterirdische Myzel ist von einem Punkt aus Jahr für Jahr nach außen gewachsen. Am Rand des Kreises gibt es die meisten Nährstoffe, also erscheinen dort die Pilze. In den Bergwäldern des US-Bundesstaats Oregon bildet das Myzel eines Hallimaschs unter der Erde einen zusammenhängenden Organismus von fast zehn Quadratkilometern Fläche. Sein Alter wird auf mehrere tausend Jahre geschätzt. Oft wird er als eines der größten Lebewesen der Erde bezeichnet.
Schleimpilze nehmen einen anderen Weg. Der gelbe Schleimpilz Physarum polycephalum ist eine riesige Zelle mit Tausenden bis Zehntausenden Zellkernen. Auf morschem Holz kriecht er zu einem Netz auseinander.
Japanische Forscher setzten ihn in ein Labyrinth und legten an dessen beiden Enden Haferflocken aus. Er zieht seinen Körper dann zur kürzesten Verbindung zwischen diesen Enden zusammen. 2010 ordneten sie Haferflocken entsprechend den Lagen der Städte rund um Tokio an. Das Netz, das der Schleimpilz bildete, ähnelte dem Eisenbahnnetz der Region auffallend.
Er kann sich sogar „Wege merken“: Wo er gekrochen ist, hinterlässt er eine Schleimspur. Trifft er später darauf, weicht er aus und geht nicht denselben Weg zurück. Ob er nun als eine Zelle oder als ein Körper zählt, ist genau die Frage aus dem vorigen Abschnitt.
Zelluläre Schleimpilze versammeln sich auf andere Weise. Dictyostelium discoideum lebt gewöhnlich als einzelne Amöben, die im Boden Bakterien fressen. Bei Hunger kriechen Tausende bis Zehntausende zum selben Ort. Sie bilden eine wenige Millimeter lange, bewegliche „Nacktschnecke“, die dem Licht und der Wärme entgegenwandert. An einem geeigneten Platz richtet sie einen dünnen Stiel auf, der an seiner Spitze ein Sporenpaket trägt. Diesen Stiel sehen wir uns im vierten Abschnitt genauer an.
Und dann sind da die Bakterien. Bestimmte Myxobakterien versammeln sich bei Hunger ebenfalls und bilden winzige, mit bloßem Auge gerade noch sichtbare „Früchte“. Manche sehen wie kleine Bäume aus und enthalten Sporen.
Cyanobakterien wachsen zu langen Zellketten. Einige Zellen darin sind auf die Stickstofffixierung spezialisiert; darum ging es in der vierten Folge. Die im Boden häufigen Streptomyceten bilden verzweigte Fäden. Der Geruch der Erde nach einem Regen stammt zu einem großen Teil von einem Molekül, das sie freisetzen. Außerdem richten sie Sporenketten auf. Mehr als die Hälfte der natürlichen Antibiotika, die wir verwenden, wurde ursprünglich bei dieser Bakteriengruppe gefunden.
Es gibt auch die nächsten einzelligen Verwandten der Tiere, die Kragengeißeltierchen. Jede Zelle trägt oben eine Geißel, umgeben von einem „Kragen“. Sie sieht den Zellen verblüffend ähnlich, die bei Schwämmen das Wasser filtern. Manche Kragengeißeltierchen bilden Zellgruppen wie kleine Rosenblüten. Auf sie kommen wir im siebten Abschnitt zurück.
Die Entstehung all dieser Körper lässt sich in zwei große Gruppen aufteilen. Unter den fünfundvierzig Fällen beruhen etwa dreiunddreißig darauf, dass sich eine Zelle teilt und die Tochterzellen zusammenbleiben. In etwa zwölf Fällen versammeln sich zuvor frei lebende Zellen. Der Unterschied zwischen diesen beiden Wegen ist weit größer, als er aussieht.
4 Sich versammeln oder zusammenbleiben
Es gibt zwei Bildungswege. Ihr Unterschied liegt nicht in der Gestalt. Beim klonalen Weg trennen sich die Tochterzellen nach der Teilung nicht vollständig voneinander. Alle Zellen haben denselben Ausgangspunkt. So ist es beim Menschen: Jede Zelle des Körpers stammt von derselben befruchteten Eizelle ab.
Beim aggregativen Weg dagegen existieren zunächst unabhängige, frei lebende Zellen. Ein Signal aus der Umwelt veranlasst sie, sich zu bewegen und zu versammeln. Sie kommen von verschiedenen Orten und können genetisch völlig verschieden sein.
2013 wurden die beiden Wege als „Zusammenbleiben“ und „Zusammenkommen“ auf den Begriff gebracht. Entscheidend ist, wie eng die Mitglieder einer Gruppe miteinander verwandt sind. Die Forschung nennt dieses Maß den Verwandtschaftsgrad innerhalb der Gruppe.
Er bestimmt Folgendes: Wenn eine Zelle sich so verändert, dass es ihr selbst nützt, dem Ganzen aber schadet, tragen dann ihre eigenen, mit ihr verwandten Nachkommen die Folgen?
Ein Vergleich. In einem Körper, der aus einer einzigen Zelle heranwächst, stammen alle Zellen von dieser einen Zelle ab. Wie in einer großen Familie leiblicher Geschwister. Eine durch Zusammenkommen gebildete Gruppe dagegen kann Zellen ganz unterschiedlicher Herkunft enthalten. Wie eine Ansammlung von Fremden, die sich vorübergehend zusammentun.
„Jemand drückt sich vor der Arbeit“ bedeutet in diesen beiden Fällen etwas völlig anderes. Unter leiblichen Geschwistern kommt der Vorteil des Drückebergers letztlich noch immer einer Reihe von Zellen zugute, die ihm fast gleichen. Unter Fremden dagegen ist der Vorteil reiner eigener Gewinn.
Auch ein durch Zusammenkommen gebildeter Körper kann Erstaunliches leisten. 1907 presste der Amerikaner Wilson ein Stück Schwamm durch feines Tuch. Der Schwamm zerfiel in frei lebende Zellen. Nach einigen Tagen krochen diese von selbst wieder zusammen und wuchsen zu einem kleinen Schwamm heran. Nur müssen diejenigen, die sich wieder zusammenfinden, nicht alle zur ursprünglichen Gemeinschaft gehören.
Auch im menschlichen Körper leben Fremde. Während einer Schwangerschaft gelangen einige Zellen des Fötus durch die Plazenta in den Körper der Mutter und können dort Jahrzehnte bleiben. Forscher haben Zellen des Kindes im Blut und in der Haut der Mutter gefunden, sogar in ihrem Gehirn.
In aggregativen Systemen bringt „Drückebergerei“ also wesentlich mehr ein. Und das entscheidet unmittelbar darüber, ob sich eine ausgeprägte Arbeitsteilung entwickeln kann.
2013 ergab ein stammesgeschichtlicher Vergleich von hundertachtundsechzig Arten: Von zwölf Linien mit klonaler Gruppenbildung hatten neun einen obligat vielzelligen Lebenszyklus entwickelt. Alle fünf untersuchten Linien, für die eine aggregative Bildung infrage kam, waren dagegen weiterhin fakultativ vielzellig. Klonale Gruppenbildung hing außerdem mit einer größeren Zahl von Zelltypen und dem Auftreten nicht fortpflanzungsfähiger Zellen zusammen.
Auch innerhalb eines Klons gibt es Konflikte. Mutationen, Chimärenbildung und Selektion unter Körperzellen erzeugen erneut Unterschiede. Die klonale Bildung entschärft die Ausgangsbedingungen, unter denen solche Konflikte entstehen.
Hinzu kommt eine Tatsache: Die heute größten und am komplexesten gebauten vielzelligen Lebewesen, Riesenmammutbäume, Blauwale und Menschen, haben allesamt Lebenszyklen, in denen die Abstammungslinie nach der Zellteilung zusammenhängend bleibt. In aggregativen Systemen lässt sich die Selektion innerhalb der Gruppe direkt beobachten.
Dictyostelium discoideum betreibt sogar „Landwirtschaft“. 2011 wurde entdeckt, dass manche dieser Schleimpilze bei ihrer gemeinsamen Wanderung ein paar Bakterien mitnehmen. Am neuen Ort säen sie die Bakterien zunächst aus und fressen sie erst, wenn sie sich vermehrt haben.
Bei den zellulären Schleimpilzen versammeln sich nach Einsetzen des Hungers viele Zellen. Etwa ein Fünftel bildet schließlich den Stiel und pflanzt sich nicht mehr fort. Der Rest geht in die Sporen ein. Die Zellen im Stiel hinterlassen keinerlei Nachkommen. Sie machen sich zu einer Stange, die die Sporen in die Höhe hält. Schon ein wenig höher, und Wind oder vorbeikommende Tiere können sie leichter mitnehmen.
Das ist also keine Verschwendung. Für dieses Fünftel selbst ist es jedoch das Ende. Mischt man verschiedene Klone, sind manche Genotypen unter den fertigen Sporen stärker vertreten als zu Beginn. Sie haben also bei der Verteilung „Wer wird Stiel, wer wird Spore?“ einen Vorteil erlangt.
Anders gesagt: Manche der beigemischten Zellen werden seltener zum Stiel und häufiger zu Sporen. Dazu ist keinerlei „Absicht“ nötig. Es genügt, dass einige Zellen beim Sortieren eher auf die Sporenseite geschoben werden. Ein kleiner Unterschied in den Eigenschaften ihrer Oberfläche reicht aus.
Fruchtkörper in freier Natur weisen gewöhnlich einen sehr hohen Verwandtschaftsgrad auf. Das gilt als wichtige Voraussetzung dafür, solche Konkurrenz zu begrenzen. Mit anderen Worten: Die Zellen, die unter natürlichen Bedingungen zusammenkommen, sind meist ohnehin schon miteinander verwandt.
Die Myxobakterien aus dem dritten Abschnitt, die kleine „Früchte“ bilden, sind auch sonst in Gruppen unterwegs. Wie ein Wolfsrudel umzingeln sie andere Bakterien, setzen Verdauungsenzyme frei und fressen gemeinsam. Mit ihnen gelang ein noch eindeutigeres Experiment.
2000 ließ man eine Population rund tausend Generationen lang in einer nährstoffreichen Umgebung evolvieren. Dabei entstanden mehrere Linien, deren Fähigkeit zur Fruchtkörperbildung nachließ. Als man einige davon mit der Ahnenform mischte und die Entwicklung auslöste, war ihr Anteil an den gebildeten Sporen höher als ihr Anteil beim Animpfen.
Hier wird unmittelbar sichtbar: Der relative Fortpflanzungserfolg einer Zelle oder Linie in einem gemischten Fruchtkörper muss nicht mit der Funktionsfähigkeit des gesamten Entwicklungsgebildes übereinstimmen. Dabei kommt es auf die Selektionsbedingungen des Experiments an. Diese tausend Generationen lebten in einer nährstoffreichen Umgebung. Unter solchen Bedingungen wurde die Fähigkeit, Fruchtkörper zu bilden, nicht belohnt.
Das Experiment zeigt also nicht, dass aggregative Systeme zwangsläufig zerfallen. Es zeigt: Solange der Weg für Selektion innerhalb der Gruppe offen bleibt, verkümmern nicht belohnte Gruppenfunktionen. Und die verkümmerten Linien sind in einer Mischung sogar im Vorteil.
5 Der Konflikt wird nicht gelöst, sondern eingedämmt
Genau genommen besteht das Problem darin, dass Selektion auf zwei Ebenen zugleich wirken kann. Die Gesamtveränderung einer Population vielzelliger Organismen lässt sich in zwei Beiträge zerlegen. Der eine ergibt sich aus den Unterschieden zwischen Gruppen: Welche Körper hinterlassen mehr Nachkommen?
Der andere ergibt sich aus den Unterschieden zwischen den Zellen desselben Körpers: Welche Zellen vermehren sich in diesem Körper stärker? Vergrößert ein Merkmal den Anteil einer Zelle am Körper, senkt aber zugleich den Fortpflanzungsertrag des ganzen Körpers, dann weisen diese beiden Beiträge in entgegengesetzte Richtungen.
Eine Zelllinie, die sich schneller vermehrt und weniger zur Funktion des Gewebes beiträgt, braucht keine Absicht. Ist ihr relativer Vorteil auf Zellebene groß genug, wird sie sich im Körper ausbreiten. Die Zerlegung zeigt noch etwas: Innere Konflikte sind eine strukturelle Eigenschaft vielzelliger Ordnungen. Solange ein Körper aus Teilen besteht, die sich jeweils selbst vermehren können, bleiben sie bestehen.
Sobald eine Fortpflanzungseinheit aus mehreren jeweils selbst vermehrungsfähigen Teilen besteht, sind beide Beiträge vorhanden. Einen davon zu dämpfen, ist zusätzliche Arbeit, die ihre Entwicklungsordnung leisten muss. Dafür gibt es mehrere Mechanismen. Und jeder hat seine eigenen undichten Stellen.
Der erste ist der einzellige Flaschenhals. Bei Tieren sowie vielen Algen und Pflanzen beginnt der Körper jeder Generation mit einer einzigen Zelle. Warum ist das so wichtig? Würde die neue Generation mit einem großen Zellhaufen anfangen, nähme sie alle Unterschiede, die sich zwischen den Zellen des elterlichen Körpers angesammelt haben, unverändert mit. Beim Beginn mit einer einzigen Zelle werden diese Unterschiede auf null gesetzt.
Verringert werden damit die inneren Unterschiede zu Beginn eines einzelnen neuen Körpers, nicht zwangsläufig die langfristige Variation der ganzen Art. In jeder Generation schaffen Mutationen neue Unterschiede. Der Flaschenhals bedeutet zugleich, dass der gesamte große Körper immer wieder aus sehr wenigen Zellen aufgebaut werden muss. Dadurch gewinnt der Zufall an Gewicht.
Ein Körper, der mit einer einzigen Zelle anfängt, muss alles, was die vorige Generation aufgebaut hat, von Grund auf neu entstehen lassen. Das ist ein Zurücksetzen auf null. Und es heißt, sämtliche Risiken noch einmal zu durchlaufen.
Der zweite Mechanismus ist die frühe Trennung von Keim- und Körperzellen. Tiere sondern bereits früh in ihrer Entwicklung eine kleine Zellgruppe ab, deren besondere Aufgabe darin besteht, die nächste Generation hervorzubringen. Alle übrigen Zellen, ob Haut, Muskeln, Nerven oder Blut, geben ihr Erbgut nicht weiter.
So wird für die allermeisten Veränderungen in Körperzellen der Weg in die nächste Generation abgeschnitten. Auch wenn sich eine spät entstandene Körperzellvariante im Organismus ausbreitet, kann sie gewöhnlich nicht zum Vorfahren der nächsten Generation werden. Die Folge: Die überwältigende Mehrheit der Zellen wird zur erblichen Endstation. Auch vorteilhafte Veränderungen in Körperzellen werden normalerweise nicht vererbt.
Bei Pflanzen gibt es diese strenge Grenze nicht. Jedes Bildungsgewebe eines Baumes kann unter Umständen Blüten hervorbringen, und die Blüten erzeugen Keimzellen. Dennoch erhalten Pflanzen komplexe Körper aufrecht.
Gerade auf solche Ausnahmen stützte sich 2022 der Einwand, ein einzelliger Flaschenhals und eine frühe Keimbahn seien keine logisch notwendigen Voraussetzungen komplexer Vielzelligkeit. Dieses Gegenbeispiel ist wichtig. Es zeigt, dass die fünf Mechanismen kein Pflichtprogramm sind, sondern ein Bündel möglicher Verfahren.
Verschiedene Linien haben verschiedene Kombinationen eingesetzt. Und alle haben den Konflikt so weit gedämpft, dass ihr System bestehen kann.
Der dritte Mechanismus ist das Erkennen und Abweisen anderer Zellen. Zelluläre Schleimpilze besitzen ein Erkennungssystem mit sehr vielen Varianten. Es ermöglicht Zellen mit kompatiblen Markierungen, sich während der Entwicklung gegenseitig zu erkennen. Sind die Markierungen nicht kompatibel, können sich die Zellen voneinander aussortieren.
Die Lücke ist ebenso klar: Ein Erkennungssystem kann nur Unterschiede abwehren, die es erkennt. Es kann keine neuen Mutationen verhindern, die später innerhalb desselben Klons auftreten. Eine strenge Abweisung kann außerdem die Zahl jener Zellen verringern, die sonst gemeinsam ein größeres Gebilde bilden könnten. Die Erkennung verändert also die Wahrscheinlichkeit, dass Fremde dazukommen.
Der vierte Mechanismus ist der programmierte Zelltod. Zellen verfügen über ein Selbstzerstörungsprogramm. Stellt eine Zelle fest, dass ihre DNA schwer beschädigt ist oder dass sie sich an einer Stelle befindet, an die sie nicht gehört, kann sie dieses Programm selbst in Gang setzen.
Aber auch Zelltod hat seinen Preis. Das Gewebe verliert Zellen, braucht Regeneration und muss Ressourcen ersetzen. Liegt die Schwelle zu niedrig, scheiden auch geschädigte, aber reparierbare Zellen aus. Liegt sie zu hoch, bleiben abweichende Zelllinien erhalten.
Die Selektion wirkt also auf die Abwägung zwischen Reparatur, Stillstand und Beseitigung. Das zeigt besonders der Grönlandwal, der mehr als zweihundert Jahre alt werden kann. Eine Studie von 2025 fand heraus, dass er DNA-Brüche außergewöhnlich gut repariert. Das könnte einer der Gründe für sein langes Leben sein.
Im Körper gibt es außerdem Patrouillen: Bestimmte Zellen des Immunsystems suchen gezielt nach Zellen mit auffälliger Oberfläche. Finden sie eine, töten sie sie.
Der fünfte Mechanismus ist die zentrale Kontrolle der Zellvermehrung. Die Frage „Wann teile ich mich?“ wird aus der lokalen Nährstofflage einer einzelnen Zelle herausgelöst und in das Entwicklungsprogramm des ganzen Körpers eingebunden.
Ein Beispiel liefert die Volvox-Verwandtschaft. Beim Übergang von der einzelligen Chlamydomonas zur vielzelligen Gonium wurde ein Regulationsweg des Zellzyklus für die koordinierte Teilung in einer Gruppe neu eingesetzt. Überträgt man den entsprechenden Regulator aus Gonium in Chlamydomonas, lässt sich eine Kolonieform hervorrufen.
Kehren wir nun zum Krebs zurück. Denn er belegt, dass dieses Problem bis heute strukturell fortbesteht. Entscheidend ist: Auch ein Körper mit einzelligem Flaschenhals, früher Abtrennung der Keimbahn, Erkennungssystemen, programmiertem Zelltod und zentraler Kontrolle der Zellvermehrung bringt in seinem Inneren immer wieder Zelllinien hervor, die diese Beschränkungen verletzen.
Alle fünf Mechanismen arbeiten zugleich. Das Problem ist dennoch nicht abgeschlossen. Und die Mechanismen selbst gibt es nicht umsonst: Der Flaschenhals wirft Variation weg, die Trennung der Keimbahn macht die allermeisten Zellen zur erblichen Sackgasse, die Erkennung kann mögliche Kooperationspartner zurückweisen, Zelltod verbraucht Gewebe, und die zentrale Kontrolle braucht ein ganzes Signalsystem.
In den 1970er-Jahren stellte der britische Epidemiologe Peto eine Frage, die später als Peto-Paradoxon bekannt wurde: Warum haben Menschen über tausendmal so viele Zellen wie Mäuse, leben einige Dutzend Mal so lange und bekommen trotzdem nicht häufiger Krebs? Der Intuition nach müsste es anders sein: Mehr Zellen und ein längeres Leben bedeuten mehr Gelegenheiten für Fehler. Ein Blauwal besitzt wiederum über tausendmal so viele Zellen wie ein Mensch. Eigentlich müsste er schon früh an Krebs erkranken. Tut er aber nicht.
Jedenfalls nicht im Verhältnis zur Zahl seiner Zellen. Moderne Daten haben aus der anekdotischen Beobachtung eine Frage für artübergreifende Statistik gemacht. Bei Menschen liegt der Anteil derer, die im Lauf ihres Lebens an Krebs sterben, bei etwa zehn bis fünfundzwanzig Prozent. Bei Elefanten in Zoos sind es weniger als fünf Prozent. 2022 wurden Zooaufzeichnungen zu 110.148 Individuen aus 191 Säugetierarten ausgewertet. Das Krebssterberisiko nahm weder mit dem Körpergewicht noch mit der Lebensdauer erwachsener Tiere einfach zu.
Eine weitere Arbeit desselben Jahres verglich Mutationen in Körperzellen von sechzehn Säugetierarten. Die jährliche Mutationsrate war stark negativ mit der Lebensdauer korreliert. Die Körpergröße allein erlaubte dagegen keine einfache Vorhersage des Krebsrisikos.
Zellzahl und Lebensdauer können die Krebsbelastung zwischen Arten bei Weitem nicht linear vorhersagen, wie es ein schlichtes Modell voneinander unabhängiger Risiken erwarten ließe. Große, langlebige Linien müssen daher zusätzliche Unterdrückungsmechanismen besitzen. Und diese Mechanismen sind keineswegs überall dieselben.
Elefanten besitzen ungefähr zwanzig Kopien eines Tumorsuppressorgens, das bei DNA-Schäden die Zelle zum Anhalten oder zum Selbstmord bringt. Menschen haben nur eine. Nacktmulle sind bloß mausgroß und leben wie Ameisen in großen unterirdischen Kolonien. Pro Kolonie pflanzt sich nur eine „Königin“ fort. Dennoch werden sie über dreißig Jahre alt und bekommen nur sehr selten Krebs. Hier hat die Forschung einen anderen Mechanismus vorgeschlagen: Besonders lange Hyaluronsäure, jenes Molekül, das auch in Hautpflegeprodukten häufig vorkommt, ist an ihrer starken Kontakthemmung beteiligt.
Beim Grönlandwal ist es wiederum anders: Hier ist es die Effizienz der Reparatur. Unterschiedliche große Körper haben auf verschiedenen Ebenen Beschränkungen entwickelt.
Entwicklung und Lebenszyklus senken die Häufigkeit des Auftretens, die Reichweite der Ausbreitung und die Chancen einer Vererbung über Generationen hinweg so weit, dass die vielzellige Fortpflanzungseinheit bestehen kann.
Wenn sich ein Problem nicht abschließen lässt, besteht der Ausweg oft nicht darin, es zu lösen. Er besteht darin, es auf ein Maß zu drücken, mit dem man weiterleben kann.
6 Im Labor, sechzig Tage
2012 führten der amerikanische Forscher Ratcliff und seine Kollegen ein Experiment durch, das unmittelbar prüfte, wie lange dieser Schritt braucht. Sie verwendeten die Hefe, mit der man Brot backt und Bier braut. Gewöhnlich wächst sie als einzelne Zellen.
Ihr Verfahren war denkbar einfach: Nach jedem Tag der Kultivierung ließen sie die Reagenzgläser eine Weile stehen. Nur den Teil, der sich am Boden abgesetzt hatte, übertrugen sie in ein neues Glas. Und schnell sinken die größeren Gebilde.
Die ganze Versuchsanordnung bestand aus einem Reagenzglas und etwas Geduld. Hefe hat noch einen praktischen Vorzug: Sie wächst schnell, schafft an einem Tag mehrere Generationen und lässt sich einfrieren und wiederbeleben.
In regelmäßigen Abständen wurde eine Probe eingefroren. So konnte man später die „Vorfahren“ wieder hervorholen und direkt mit ihren Nachkommen vergleichen. Keine Gentechnik, keine besondere Umwelt, keine zugesetzten Signalmoleküle. Jeden Tag wurde lediglich der schnell absinkende Teil ausgewählt.
Damit war „größer werden“ das Einzige, was belohnt wurde. Es entstanden Hefeverbände, bei denen sich jeder Ast weiter verzweigte. Unter dem Mikroskop sahen sie wie Schneeflocken aus, und so nannten die Forscher sie Schneeflockenhefe. In zwei unabhängigen Experimenten mit zusammen fünfzehn Wiederholungspopulationen trat die Klumpenform innerhalb von sechzig Tagen in sämtlichen Populationen auf.
Sie entstand nicht dadurch, dass freie Zellen sich erneut versammelten. Vielmehr konnten sich Mutter- und Tochterzelle nach der Knospung nicht mehr richtig voneinander lösen. Es bildeten sich verzweigte klonale Zellverbände. Jeder Verband hatte deshalb anfangs eine außerordentlich hohe genetische Verwandtschaft. Spätere Arbeiten brachten diese Erscheinungsform mit der beeinträchtigten Funktion eines Gens in Verbindung, das am Trennungsprogramm der Tochterzellen beteiligt ist.
Das heißt: Um Zellen zu einer Gruppe zu verbinden, kann es genügen, ein Trennungsprogramm abzuschalten. Eine neue Haftvorrichtung muss gar nicht erst aufgebaut werden. Das schwächt unmittelbar die Intuition, Vielzelligkeit müsse schwer zu entwickeln sein. Zumindest der erste Schritt kann sehr leicht fallen. Die Langzeitfassung des Versuchs ging erheblich weiter.
Ein späteres Experiment lief über sechshundert Selektionsrunden, rund dreitausend Generationen, und wurde 2023 veröffentlicht. Die Forscher nannten es Langzeit-Evolutionsexperiment zur Vielzelligkeit und wollen es ohne festes Ende fortsetzen. Vorbild war ein amerikanisches Langzeitexperiment mit Escherichia coli, das seit 1988 bis heute läuft. Die Bakterien haben dort bereits mehr als siebzigtausend Generationen durchlaufen. Eine Linie lernte nach mehr als dreißigtausend Generationen plötzlich, das Citrat in der Nährlösung zu verwerten. Ihre Vorfahren konnten das nicht.
In der Versuchsgruppe, die keinen Sauerstoff zur Atmung nutzen konnte und damit dem Nachteil einer begrenzten Sauerstoffdiffusion im Inneren entging, erreichten alle fünf Wiederholungspopulationen eine mit bloßem Auge sichtbare Größe. Der mittlere Radius der Zellverbände stieg von etwa sechzehn auf etwa vierhundertvierunddreißig Mikrometer. Ihre Gesamtgröße nahm ungefähr um das Zwanzigtausendfache zu, ihre mechanische Zähigkeit um das Zehntausendfache.
Vom nur unter dem Mikroskop Sichtbaren zum mit bloßem Auge Erkennbaren. All das binnen dreitausend Generationen, ohne ein einziges fremdes Gen. Die entscheidende Veränderung betraf die Form der Zellen.
Die Zellen wurden schlanker und länger. Dadurch konnten sich die Äste leichter ineinander verfangen. Um einen Verband zu zerbrechen, mussten nun mehr Zellverbindungen gleichzeitig reißen. Große Verbände hielten deshalb stärkeren mechanischen Belastungen stand.
Eine Formveränderung auf Zellebene hatte eine neue Eigenschaft auf Gruppenebene hervorgebracht. Auch die Sauerstoffbedingungen zeigen, warum man die Ergebnisse nicht einfach verallgemeinern kann.
Ein Experiment von 2021 ergab, dass gerade mittlere Sauerstoffkonzentrationen das Wachstum großer Verbände begrenzten: Die inneren Zellen erhielten zu wenig Sauerstoff. Nach ungefähr achthundert Generationen hatten die verschiedenen Sauerstoffbedingungen bereits deutlich verschiedene Größenobergrenzen hervorgebracht.
Vom Experiment „Grünalgen plus Fressfeind“ gibt es mindestens zwei Fassungen.
2019 ließ man Wimperntierchen auf eine durch Kreuzung erzeugte Population von Chlamydomonas los. Der Gedanke war einfach: Das Maul eines Räubers ist nur so groß, wie es ist. Schließen sich mehrere Zellen zu einem Klumpen zusammen, passt dieser nicht mehr hinein. Von fünf Populationen mit Fressfeinden entwickelten zwei binnen etwa siebenhundertfünfzig ungeschlechtlichen Generationen einen vererbbaren vielzelligen Lebenszyklus, der in den Kontrollen nicht auftrat.
2021 setzte eine andere Gruppe Rädertierchen auf zehn genetisch gleiche Grünalgenlinien an. Die Rädertierchen waren Verwandte jener kleinen Tiere aus der sechsten Folge, die austrocknen und davongetragen werden können. Nach rund fünfhundert Generationen erhielt man eine stabile, vererbbare Form des Koloniewachstums. Außerdem wies man parallele genetische Veränderungen nach, die sämtliche aus den Kolonien isolierten Linien gemeinsam hatten.
Bei „umkehrbar“ muss man zwei Ebenen auseinanderhalten. Manche evolvierten Linien bilden in ihrem Lebenszyklus kleinere, sogar einzellige Fortpflanzungsstadien. Vielzellige und einzellige Stadien können sich also innerhalb desselben erblich festgelegten Lebenszyklus abwechseln. Das bedeutet aber nicht, dass der Genotyp sofort zurückspringt, sobald man den Fressfeind entfernt.
Diese Experimente belegen nachdrücklich eines: Die Bildung einfacher Zellgruppen erfordert keine lange Wartezeit.
Was sie nicht zugleich hervorgebracht haben, sind stabile Entwicklungslinien verschiedener Zelltypen, komplexe räumliche Muster, Transportsysteme über große Entfernungen, fein abgestimmte ortsabhängige Signale und vollständige Entwicklungsprogramme für Keim- und Körperzellen.
Nach ungefähr dreitausend Generationen und einer zwanzigtausendfachen Größenveränderung wird Schneeflockenhefe von den Forschern noch immer ausdrücklich als System „undifferenzierter Vielzelligkeit“ verwendet. Schon das ist ein experimenteller Beleg dafür, dass „Millimetermaßstab“ und „komplexe Vielzelligkeit“ keine Synonyme sind. Eine weitere Grenze liegt in der Selektion selbst.
Die Maßstäbe solcher Experimente legen die Forscher fest. Meist besitzen sie nur eine Dimension: schnell absinken oder nicht gefressen werden. Das hat dieselbe Struktur wie das Reagenzglas zu Beginn der dritten Folge, in dem ausschließlich die Vermehrungsgeschwindigkeit zählte: Was der Auswahlmaßstab belohnt, das bleibt erhalten.
In der Natur wirkt Selektion dagegen gleichzeitig in vielen Dimensionen, darunter Ressourcen, Diffusion, Fressfeinde, Krankheiten, Raum, Fortpflanzung und Jahreszeiten. „Zellverbände nach einigen Dutzend bis einigen Hundert Generationen“ stützt deshalb die Aussage, dass die Schwelle zur Gruppenbildung niedrig sein kann. Wie viel Zeit ein komplexes Entwicklungssystem braucht, lässt sich daraus nicht ableiten.
Haben die oben besprochenen Experimente also bereits gezeigt, dass aus einzelligen Vorfahren eine neue, stabile und vererbbare Differenzierung in Zelltypen entstehen kann? Die hier behandelten Ergebnisse belegen das noch nicht.
Bei der Schneeflockenhefe geschah noch etwas Interessantes: Werden die Verbände größer, sterben einige Zellen im Inneren zuerst. Die toten Zellen bilden Bruchstellen. Dort bricht der Verband auseinander und setzt einen kleineren neuen Verband frei. Der Tod wird zur Fortpflanzung genutzt.
Schneeflockenhefe hat bereits ortsabhängigen Zelltod und deutliche funktionelle Unterschiede entwickelt. Das lässt sich als anfängliche Arbeitsteilung bezeichnen. Noch sind daraus jedoch keine zwei genetisch gleichen Zelltypen mit festgelegtem Schicksal geworden, wie sie bei Volvox durch ein stabiles Entwicklungsprogramm immer wieder neu hervorgebracht werden.
7 Die Stufenleiter ist ein Lehrmittel, kein Stammbaum
Volvox ist eine kleine grüne Kugel im Teich, mit bloßem Auge gerade noch zu erkennen. Im Jahr 1700 sah der Niederländer Leeuwenhoek sie erstmals durch sein selbst gebautes Mikroskop langsam durchs Wasser rollen. In der Kugel steckten bereits einige kleinere Kugeln der nächsten Generation. Volvox und seine Verwandten bieten tatsächlich ein besonders eindrucksvolles Spektrum von Formen.
Die einzellige Chlamydomonas. Gonium, meist acht oder sechzehn zu einer kleinen Platte angeordnete Zellen, ohne stabile Differenzierung. Pandorina, sechzehn zu einem kleinen Ball gedrängte Zellen. Eudorina, zweiunddreißig Zellen in einer Hohlkugel.
Eine weitere Gattung bildet Kolonien aus gewöhnlich einigen Dutzend bis über hundert Zellen. Bei manchen Arten sind Vorder- und Hinterseite bereits auf unterschiedliche Aufgaben spezialisiert. Volvox selbst besitzt ungefähr zweitausend kleine, endgültig differenzierte Körperzellen und etwa sechzehn große Fortpflanzungszellen.
Die zweitausend kleinen Zellen tragen Geißeln und sind fürs Rudern zuständig. Sie tun das ihr Leben lang und sterben dann. Nur die gut zehn großen Zellen können die nächste Generation hervorbringen: So sieht die einfachste Form der Abtrennung von Fortpflanzungszellen aus. In einer Volvox-Kugel stecken oft mehr als zehn Tochterkugeln. Schließlich bricht die Mutterkugel auf. Die Tochterkugeln schwimmen heraus und wachsen jede für sich. Während seiner Entwicklung stülpt sich der Volvox-Embryo zudem vollständig um, wie ein Strumpf, den man von innen nach außen dreht, damit die Geißeln außen liegen.
Reiht man diese Formen auf, sehen sie wie eine Stufenleiter vom Einfachen zum Komplexen aus. In Lehrbüchern werden sie tatsächlich oft so gezeichnet. Nur lässt sich daraus keine Stufenleiter von Vorfahren zu Nachfahren machen.
Sie alle sind heute lebende Endzweige. Seit der Trennung von ihren gemeinsamen Vorfahren hat sich jede Linie weiterentwickelt. Eine auf der molekularen Uhr beruhende Analyse von 2009 verlegte die frühe Aufspaltung der vielzelligen Volvox-Verwandtschaft auf mindestens etwa zweihundert Millionen Jahre vor unserer Zeit. Die einfachen Kolonien, die wir heute sehen, sind keine eingefrorenen Urahnen.
Aus ihnen eine Stufenleiter zu bauen wäre, als stellte man heutige Mäuse, Hunde und Menschen nebeneinander und sagte: So verlief die Evolution der Säugetiere. Auch die Zahl der Ursprünge selbst wurde mit den Stammbäumen bereits revidiert.
Ältere Modelle gingen eher von einem hauptsächlichen Ursprung undifferenzierter Vielzelligkeit aus. Ein auf Transkriptomvergleichen beruhender Stammbaum von 2021 kam zu einem anderen Ergebnis: Vielzelligkeit entstand mindestens zweimal unabhängig, und eine der traditionell unterschiedenen Familien war nicht monophyletisch. Nicht einmal „Vielzelligkeit in der Volvox-Verwandtschaft hat nur einen Ursprung“ ist also eine gesicherte, unveränderliche Tatsache. Die Genomdaten sind noch überraschender.
Schon 2010 zeigte der Vergleich der Genome von Volvox und Chlamydomonas, dass sie einander insgesamt viel ähnlicher sind, als ihre unterschiedlichen Gestalten vermuten lassen.
Als 2016 das Genom der undifferenzierten Gonium hinzukam, fand man am stammesgeschichtlichen Knoten, an dem die Vielzelligkeit auftrat, netto lediglich rund hundertzehn zusätzliche Genfamilien und neun neue Proteindomänen. An früheren Knoten waren die Veränderungen erheblich größer gewesen. Hundertzehn Genfamilien: Für einen Übergang „vom Einzeller zum Vielzeller“ ist das überraschend wenig.
Das deutlichste Beispiel ist jener Regulationsweg des Zellzyklus. Er existiert bereits in der einzelligen Chlamydomonas. Bei Gonium hat sich seine Steuerung verändert. Die Bauteile waren schon vorhanden. Geändert hat sich ihr Gebrauch.
Zusammengenommen heißt das: Beim Entstehen einer neuen Organisationsebene können nur wenige Genfamilien hinzukommen. Zugleich ändern sich die Regulationsbeziehungen, die Kopienzahl und die Einsatzbereiche bereits vorhandener Genfamilien. Die Intuition, Vielzelligkeit brauche einen Satz völlig neuer Gene, wird in dieser Gruppe also nicht bestätigt.
Bei den Tieren ist die Lage ähnlich. Sie weist auf denselben Schluss hin.
Bei einem 2008 sequenzierten Kragengeißeltierchen, einem Vertreter der nächsten bekannten einzelligen Verwandten der Tiere, fanden sich unter ungefähr neuntausendzweihundert Genen bereits viele, die für Haft- und Signalproteine codieren, die man zuvor vor allem von Tieren kannte. Ein weiterer, etwas entfernterer einzelliger Verwandter der Tiere ergänzte diesen Werkzeugbestand um zusätzliche Teile.
Doch keineswegs der gesamte Werkzeugkasten war schon vorhanden. Dieselben Arbeiten betonen auch, dass viele Signalwege zwischen tierischen Zellen und große Teile der entwicklungssteuernden Netzwerke erst in der Tierlinie ausgebaut wurden.
Schwämme gehören zu den einfachsten Tieren. Sie besitzen weder Nerven noch Muskeln noch echte Organe. Ihr Körper ist mit kleinen Poren übersät. Wasser strömt durch die Poren hinein. Im Inneren bewegen die Kragenzellen einer Zellschicht mit ihren Geißelschlägen das Wasser, filtern Bakterien heraus und fressen sie. Kragengeißeltierchen sehen diesen Zellen verblüffend ähnlich. Das war der ursprüngliche Grund, sie für Verwandte der Tiere zu halten.
Ein besonders klarer Fall stammt aus dem Labor von King im amerikanischen Berkeley.
Eine bestimmte Art von Kragengeißeltierchen kann ohne ein besonderes bakterielles Signal einzeln oder in geraden Zellketten leben. Wird sie von Molekülen angeregt, die eine ihrer Futterbakterienarten produziert, bildet sie durch aufeinanderfolgende Zellteilungen stabile kugelige Kolonien.
Entdeckt wurde das zufällig. Zunächst gelang es den Forschern einfach nicht, die kleinen Rosenblüten zu züchten. Erst später stellte sich heraus, dass eine Bakterienart, die in die Kulturflüssigkeit geraten war, den Ausschlag gab. Die Bakterien liefern nur ein Signal. Die Fähigkeiten zur Zellhaftung, zur Polarität, zur fortgesetzten Teilung und zur Formbildung stammen vom Kragengeißeltierchen selbst. Der Satz „Der größte Teil des molekularen Werkzeugkastens für Vielzelligkeit war schon vor der Vielzelligkeit vorhanden“ kann also zutreffen. Man muss dabei aber zwei Ebenen unterscheiden.
Die erste betrifft das Alter der Proteinbauteile. Für Haftproteine, Signalproteine und zahlreiche Klassen von Transkriptionsfaktoren gibt es homologe Gegenstücke in einzelligen Verwandten der Tiere.
Die zweite betrifft das Alter ihrer regulatorischen Verknüpfung. Diese alten Proteine wurden bereits in verschiedenen einzelligen Lebensstadien in unterschiedlichen Kombinationen eingesetzt. Eine wichtige Veränderung bei der tierischen Vielzelligkeit bestand darin, solche bestehenden Module neu in räumlich, zeitlich und nach Zelltypen spezifische Regulationsnetze einzubinden. Ein vorhandener Werkzeugkasten ist aber noch keine vorhandene Ordnung.
Auch Einzeller müssen sich an einen Untergrund heften, Nahrung erkennen, Nachbarn wahrnehmen und zwischen Lebenszuständen wechseln.
Ein Vorläuferprotein, das später Zellen aneinanderheftet, kann also zuvor durchaus eine Zelle am Untergrund befestigt haben. Das Haftsystem jenes einzelligen Verwandten wirkt schon in seinem einzelligen Zustand an der Anheftung an den Untergrund mit. Das ist das unmittelbarste funktionelle Beispiel.
„Tierische Haftproteine gab es schon bei Einzellern“ klingt, als sei damit die Vielzelligkeit bereits vorbereitet gewesen. Tatsächlich besagt der Satz: Das betreffende Protein tat damals etwas anderes.
Auf der Ebene der Ordnung kommt Folgendes hinzu: Ein einheitlicher Lebenszyklus muss diese Bauteile fortwährend einsetzen. Der Zustand einer Zelle muss den einer anderen verlässlich beeinflussen und je nach Position wiederholbar verschiedene Zellschicksale hervorbringen.
8 Die nicht weit gekommen sind
Sehen wir zunächst, was sich an Fossilien überhaupt erkennen lässt. Die stärksten Anhaltspunkte dafür, dass ein Fossil ein vielzelliges Individuum war, sind sichtbare echte Zellgrenzen, eine regelmäßige Wiederholung benachbarter Zellen, wiederkehrende Unterschiede der Zelltypen je nach Position, eine einheitliche Wachstumsrichtung und besondere Strukturen zur Verankerung.
Doch jeder dieser Hinweise lässt sich teilweise nachahmen. Querwände können auch in großen prokaryotischen Fäden auftreten. Verzweigungen können aus einer einzigen mehrkernigen Zelle wachsen. Größe kann von einem riesigen Einzeller stammen, wie bei dem fast zwei Zentimeter langen Schwefelbakterium aus der fünften Folge. Erst wenn mehrere Merkmale zugleich vorliegen und zueinander passen, trägt die Zuordnung.
Das Fossil aus Nordchina, von dem in der sechsten Folge die Rede war, erhält hier ein anderes Gewicht. Diese 2024 beschriebenen fadenförmigen Fossilien sind etwa 1,635 Milliarden Jahre alt. Ihre einzelnen Zellen erreichen einen Durchmesser von bis zu etwa hundertneunzig Mikrometern und sind unmittelbar erhalten. Der Beleg für frühe Vielzelligkeit wechselt damit von „Dieses Gebilde ist groß und regelmäßig“ zu „Die einzelnen Zellen, aus denen es besteht, sind zu sehen“.
Dass Zellen sichtbar bleiben, hängt von der Erhaltungsweise ab. Bei einer kohlig erhaltenen Kompression bleibt nach dem Flachpressen des Organismus ein dünner Kohlenstofffilm zurück. Die dreidimensionale Struktur der Zellen geht beim Zusammendrücken verloren.
Phosphatisierung und Verkieselung dagegen „gießen“ die Strukturen aus, bevor sie verrotten. Die Überlieferung früher Vielzelligkeit hängt daher zum Teil davon ab, welche Lebewesen damals existierten, und zum Teil davon, welche Fenster der Erhaltung gerade offen standen.
Nun zur Gegenwart. Der Titel sagt, die meisten seien nicht weit gekommen. Bedeutet „weit kommen“ mehr Zelltypen, dickere Körper und tiefere Entwicklungsstufen, dann stimmt das: Von den fünfundvierzig unabhängigen Fällen brachten nur wenige dreidimensionale, mit Geweben und vielen Zelltypen ausgestattete Körper hervor. Die meisten blieben Fäden, Hyphen, dünne Flächen, klonale Kolonien oder vorübergehende Aggregate.
Nimmt man jedoch einen anderen Maßstab, ändert sich die Rangfolge. Forschern im dänischen Aarhus fiel 2010 zunächst etwas Merkwürdiges auf: An der Oberfläche des Meeresbodenschlamms wurde Sauerstoff verbraucht, und ein bis zwei Zentimeter tiefer verschwand Schwefelwasserstoff. Beides lief auffällig synchron ab, als läge ein Stromkabel dazwischen. 2012 fanden sie dieses „Kabel“: ein Kabelbakterium, einen dünnen Faden aus vielen hintereinanderhängenden Zellen.
Das eine Ende steckt tief im sauerstoffarmen Schlamm, das andere reicht bis zur sauerstoffhaltigen Oberfläche. Elektronen wandern entlang des Fadens von einem Ende zum anderen. An einer Stelle werden sie aufgenommen, an einer anderen abgegeben. Ein lebendes Stromkabel. Die Leiter liegen unter der äußeren Zellhülle: Bündel paralleler, elektrisch leitfähiger Fasern.
Eine einzelne Zelle kann diese Strecke nicht überbrücken. Deshalb muss es ein Faden sein. Er kann mehrere Zentimeter lang werden und aus mehr als zehntausend aneinandergereihten Zellen bestehen. Unter einem Quadratzentimeter Meeresboden können die Kabel zusammen eine Länge von bis zu zweitausend Metern erreichen.
Man hat sie in marinen Salzwiesen, Mangroven, Seen, Bächen und im Grundwasser gefunden. Sie verbinden die Chemie der tieferen Sedimentschichten mit der Oberfläche. Keine Differenzierung in Zelltypen, keine Gewebe, keine Organe. Nach der Zahl der Zelltypen stehen sie ganz unten. Nach der Größe des Meeresbodenareals, dessen Chemie sie verändern, nicht.
Ein Pantoffeltierchen besteht aus nur einer Zelle. Trotzdem besitzt es eine Mundrinne, Nahrungsvakuolen, pulsierende Vakuolen, zwei Arten von Zellkernen und einen ganzen Apparat koordiniert schlagender Wimpern. Nach der Zahl seiner Zelltypen steht bei ihm eine Eins. In seinem inneren Bau ist es alles andere als einfach.
Der Kalkstein der ägyptischen Pyramiden steckt voller Fossilien von Nummuliten, einer Gruppe von Foraminiferen. Jede dieser Schalen wurde von einem Einzeller gebaut; große Exemplare messen mehrere Zentimeter. Im Mittelmeer lebt außerdem die Schirmalge Acetabularia. Sie wird mehrere Zentimeter hoch und sieht aus wie ein aufgespannter kleiner Regenschirm. Das ganze Gewächs ist eine einzige Zelle. In den 1930er-Jahren schnitt der Deutsche Hämmerling einer Schirmalgenart den Hut ab und ersetzte ihren Zellkern durch den einer anderen Art. Die Form des neu wachsenden Hutes richtete sich nach dem Zellkern. Damit wies er nach, dass der Zellkern die Gestalt steuert.
Komplexität lässt sich mindestens an der Zahl der Zelltypen, der Körpergröße, den Organisationsebenen, dem Umfang der Genregulationsnetze und den ökologischen Verflechtungen messen. Diese Größen steigen nicht gemeinsam an. Menschen besitzen ungefähr zwanzigtausend proteincodierende Gene, ähnlich viele wie eine nur einen Millimeter lange Fadenwurmart.
Das Genom einer Zwiebel ist etwa fünfmal so groß wie das eines Menschen. 1991 wies der amerikanische Paläontologe McShea darauf hin, dass die allgegenwärtige Intuition, „Komplexität nimmt im Verlauf der Evolution allgemein zu“, bis dahin kaum quantitativ geprüft worden war.
Weit kommen ist auch keine Einbahnstraße. Bei den Pilzen ist die einzellige Lebensweise der Hefen in mehreren Zweigen unabhängig wieder aufgetreten. 2014 wurde gezeigt, dass dahinter parallele Veränderungen eines alten Regulationsnetzes stehen. Ein neuer Satz von Genen für Einzelligkeit musste dafür nicht erfunden werden.
Auch im Experiment lässt sich das beobachten. 2019 wählte man aus klumpig wachsender Hefe immer wieder den schwebenden Teil aus und erhielt Nachkommen, die sich erneut einzellig vermehrten. Eine Folgearbeit von 2025 zeigte: Kam erneut eine Auswahl nach schnellem Absinken hinzu, bildeten sie alle wieder vielzellige Verbände. Allerdings in sehr unterschiedlichem Tempo.
Komplexe Vielzelligkeit ist selbstverständlich etwas Besonderes. Dreidimensionale Gewebe, Ferntransport, ortsabhängige Signale und stabile Zelltypen treten tatsächlich nur in wenigen Linien auf. Nur steckt in diesem „wenige“ noch kein Urteil über die übrigen. Seltenheit und Überlegenheit sind zweierlei.
Kehren wir nun zum Begriff Aufbau in dieser Folge zurück. Mit Aufbau meint diese Reihe das Ziehen einer Grenze: Was innerhalb liegt, zählt; was außerhalb liegt, zählt nicht. Hier verläuft die Grenze am Rand des Körpers. Die Zellen darin pflanzen sich gemeinsam fort und unterliegen gemeinsam der Selektion. Die außerhalb gehen jede ihren eigenen Weg.
Die Einheit der Selektion wechselt hier erneut die Ebene: von einer Zelle zu einem Verband aus vielen Zellen. Das „einmal“ der fünften Folge bezog sich auf die gemeinsame Grundorganisation heutiger Eukaryoten, nicht darauf, dass jede Art zellulärer Eingliederung nur einmal vorgekommen wäre. Vielzelligkeit entstand dagegen Dutzende Male in verschiedenen Abstammungslinien.
Schneeflockenhefe schaffte es in sechzig Tagen. Grünalgen schafften es in fünfhundert bis siebenhundertfünfzig Generationen. In der Natur ist es nach der weitesten Definition mindestens fünfundvierzigmal gelungen, vielleicht nahezu hundertmal. Die Einheit der Selektion von der Zelle auf die Zellgruppe anzuheben, hat für sich genommen eine sehr niedrige Schwelle. Selten ist die weitere Organisation nach dem Ebenenwechsel: Zelltypen festzulegen, Entwicklungsprogramme aufzubauen und innere Konflikte so weit einzudämmen, dass das Ganze auf Dauer bestehen kann.
Und dieser Konflikt ist bis heute nicht abgeschlossen. Im ersten Abschnitt war davon die Rede: In deinem Körper vermehren sich gerade Zellen regelwidrig. Die meisten werden beseitigt. Die kleine Differenz zwischen „die meisten“ und „alle“ bildet den ersten Rest dieser Ordnung. Den Teil, den der Aufbau weder unterbringen noch beseitigen kann, nennt diese Reihe Rest.
Der zweite Rest liegt offen vor uns. All die Dutzenden Ursprünge, auf die keine weitere Organisation folgte, sind noch da: mit Namen, Verbreitungsgebieten, Biomasse, ökologischen Funktionen und einem Platz im Stammbaum.
Sie heißen nicht deshalb „nicht weit gekommen“, weil man sie nicht sehen könnte. Sie heißen so, weil der Maßstab, mit dem wir sie in eine Rangfolge bringen, die Komplexität, keine natürliche Einheit besitzt. Die als „nicht weit gekommen“ Bezeichneten sind lediglich auf der von uns gewählten Achse nicht weit gekommen. Wählen wir eine andere Achse, etwa „In wie vielen Sedimentmilieus kommen sie vor?“ oder „Wie groß sind die Stoffströme, die sie in einem Ökosystem vermitteln?“, fällt die Rangfolge völlig anders aus.
Die Ursprünge werden noch immer neu gezählt. Vor jeder neuen Zählung muss neu bestimmt werden, was als ein Ursprung gilt. Der Maßstab steht noch nicht fest.