De vraag "hoe is het leven precies begonnen?" is een van de grootste mysteries van de moderne wetenschap. Hoewel de meeste wetenschappers geloven dat alle levensvormen zijn geëvolueerd uit een gewoon primitief oud micro-organisme, eindigen de details daar. Wat voor genen bezat deze levensvorm en waar leefde hij? Een nieuwe studie gepubliceerd in Nature Microbiology werpt licht op de oorsprong en ontwikkeling van dit oude organisme.
Ervaren wetenschappers die geïnteresseerd zijn in de oorsprong van het leven, pakken dit probleem meestal op twee verschillende manieren aan. Een daarvan is een bottom-upbenadering, waarbij ze zich proberen voor te stellen hoe lang geleden het leven begon, en vervolgens de belangrijkste fasen van zijn oorsprong in het laboratorium herscheppen. Een alternatieve top-down benadering is het analyseren en "afhakken" van moderne cellen om ze te vereenvoudigen en de belangrijkste stappen in de evolutie van celcomplexiteit af te leiden.
Computerwetenschappers die dit probleem proberen op te lossen, maken gebruik van de enorme hoeveelheden gegevens die naar voren zijn gekomen als gevolg van de revolutie - DNA-sequencing. Het heeft wetenschappers overspoeld met informatie over de genomen van organismen, van bacteriën tot mensen. Ze kunnen informatie verbergen over de DNA-sequenties van primitieve cellen - de eerste cellen op de planeet die de moderne genetische code gebruiken - die door miljarden generaties zijn doorgegeven.
De "laatste universele gemeenschappelijke voorouder" is hypothetisch een van de allereerste cellen waaruit al het leven op aarde is ontstaan. De relatie tussen deze voorouder en moderne organismen wordt vaak gevisualiseerd als evolutionaire bomen, waarvan de eerste bekende voorbeelden teruggaan tot Charles Darwin.
DNA-sequentiebepaling biedt een uitstekende en zeer kwantitatieve maatstaf voor genetische connectiviteit die de hele biologie doordringt. Bijna alle organismen op de planeet gebruiken dezelfde code van vier basen A, C, G en T. Daarom zou het in principe kunnen worden gebruikt om evolutionaire bomen van al het leven te bouwen. We weten dat bepaalde genen bestonden aan het begin van het cellulaire leven en werden geërfd door alle volgende levensvormen. Meer dan vier miljard jaar zijn kopieën van een klein 16S-rRNA-gen bijvoorbeeld geleidelijk veranderd in de loop van willekeurige mutaties in individuele lijnen die hebben geleid tot verschillende vormen van leven. Hieruit volgt dat elk van hen een karakteristieke volgorde heeft, die vergelijkbaar zal zijn in nieuw ontwikkelde organismen, maar steeds meer zal verschillen in stambomen.die eerder verscheen op het evolutionaire segment.
De eerste analyses van deze "universele" DNA-sequenties, die ongeveer 30 jaar geleden werden uitgevoerd, leidden tot significante veranderingen in onze beoordeling van de diversiteit van het leven op aarde, en vooral de diversiteit van eencellige organismen zonder kernen (prokaryoten). Ze hebben ook een heel nieuw domein van prokaryotisch leven uitgekozen, dat nu archaea wordt genoemd.
Promotie video:
Pogingen om echt universele bomen te ontwikkelen die de oorsprong van alle moderne cellen van hun laatste universele voorouders zullen bepalen, zijn beperkt door een aantal technische problemen. Een probleem is het grote aantal groepen dat vanaf het allereerste leven van elkaar is gescheiden. Bovendien kunnen bacteriën ook genen met elkaar uitwisselen, waardoor het moeilijker wordt om hun oorsprong te bepalen.
Waterstofeters?
In de nieuwe studie gebruikten de onderzoekers een slimme, geavanceerde methode om gesequentieerde prokaryote genen in families te organiseren. Vervolgens zochten ze naar overeenkomsten en patronen in alle bacteriegroepen en vonden een kleine set genen die aanwezig waren in zowel archaea als bacteriën. Wetenschappers konden aantonen dat deze genen hoogstwaarschijnlijk rechtstreeks van een gemeenschappelijke voorouder werden geërfd en niet door uitwisseling werden verkregen.
Dit resultaat is significant omdat het de specifieke groepen bacteriën (clostridia) en archaea (methanogenen) identificeert die vroege versies van deze genen dragen, en geeft aan dat ze erg oud zijn en mogelijk vergelijkbaar zijn met de allereerste organismen die hebben geleid tot het ontstaan van afzonderlijke bacterielijnen. en archaea.
Wat nog belangrijker is, de aard van de genen die overleefden, vertelt een verbazingwekkend verhaal over de omgeving waarin hun laatste voorouder leefde - inclusief hoe hij energie ontving. Onderzoek toont aan dat de wereld die vier miljard jaar geleden door deze organismen werd bewoond, heel anders was dan de onze. Er zat geen zuurstof in, maar als je de genen gelooft, ontving de gemeenschappelijke voorouder energie uit waterstof, blijkbaar geproduceerd door de geochemische activiteit van de aardkorst. "Inerte" gassen, waaronder kooldioxide en stikstof, vormden de basisbouwstenen voor de productie van alle celstructuren. IJzer was in overvloed beschikbaar en het gebrek aan zuurstof veranderde het niet in onoplosbare roest, dus dit element werd gebruikt door enzymen in de eerste cel. Aangenomen wordt dat verschillende van de genen betrokken waren bij het aanpassen aan hoge temperaturen,wat anders suggereert: organismen evolueerden in een hydrothermische omgeving - vergelijkbaar met moderne hydrothermale ventilatieopeningen of warmwaterbronnen, waar bacteriën nog steeds met plezier leven.
Zonder een tijdmachine kunnen we deze resultaten helaas niet direct verifiëren. Maar dergelijke informatie is van groot belang, vooral voor wetenschappers die proberen de vormen van primitief leven na te bootsen. Het is eng om te denken dat onze eerste voorouders (de allereerste) het zonder zuurstof hadden.
Ilya Khel
