Nature-onderzoek: complex leven ontwikkelde zich veel eerder dan gedacht

Het onderzoek van de Universiteit van Bristol en NIOZ is 3 december gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature. Het wijst erop dat complexe organismen al evolueerden lang voordat er aanzienlijke hoeveelheden zuurstof in de atmosfeer aanwezig waren. Tot nu toe werd zuurstof beschouwd als een voorwaarde voor de evolutie van complex leven.

Prokaryoten als enige levensvorm

"De aarde is ongeveer 4,5 miljard jaar oud en de eerste microbiële levensvormen verschenen meer dan 4 miljard jaar geleden. Deze organismen bestonden uit twee groepen: bacteriën en de afzonderlijke, maar verwante, archaea. Samen kennen we ze als prokaryoten", aldus auteur Anja Spang van de afdeling Mariene Microbiologie & Biogeochemie van het Koninklijk Nederlands Instituut voor Zeeonderzoek (NIOZ). Spang deed eerder belangrijke ontdekkingen in dit vakgebied en was binnen dit nieuwe onderzoek betrokken bij de analyse en interpretatie van de resultaten.

Prokaryoten waren honderden miljoenen jaren de enige levensvorm op aarde, totdat complexere eukaryote cellen evolueerden, zoals die van algen, schimmels, planten en dieren. Die cellen hebben een celkern waarin het erfelijk materiaal zit.

Eerdere ideeën waren speculatie

Davide Pisani, hoogleraar fylogenomica aan de School of Biological Sciences van de Universiteit van Bristol, legt uit: "Eerdere ideeën over hoe en wanneer vroege prokaryoten zijn getransformeerd in complexe eukaryoten waren grotendeels gebaseerd op speculatie. Schattingen liepen een miljard jaar uiteen, omdat er geen tussenvormen bestaan en definitief fossiel bewijs ontbreekt."

Moleculaire klokken

Het onderzoeksteam heeft een nieuwe manier ontwikkeld om deze vragen te onderzoeken, door voort te bouwen op de ‘moleculaire klokken’-methode die wordt gebruikt om te schatten hoe lang geleden twee soorten een gemeenschappelijke voorouder hadden.

Tom Williams van de afdeling Levenswetenschappen van de Universiteit van Bath: "Door DNA-volgorden van honderden soorten te verzamelen en te combineren met bekend fossiel bewijs, konden we een tijdgebonden stamboom van het leven creëren. Vervolgens konden we die gebruiken om de timing van historische gebeurtenissen binnen genfamilies beter te bepalen."

De onderzoekers verzamelden bewijsmateriaal uit meer dan honderd genfamilies in verschillende biologische systemen. Daarbij concentreerden ze zich op de kenmerken die eukaryoten van prokaryoten onderscheiden, zoals het vervoer van stoffen binnen de cel via blaasjes. Met die informatie kon het team beginnen met het samenstellen van het ontwikkelingspad voor complex leven.

Celkern was er vóór het mitochondrium

Verrassend genoeg vonden de onderzoekers bewijs dat de overgang bijna 2,9 miljard jaar geleden begon – bijna een miljard jaar eerder dan sommige andere schattingen – wat suggereert dat de kern en andere interne structuren aanzienlijk eerder zijn geëvolueerd dan mitochondriën. "Het proces van opstapelende complexiteit vond plaats over een veel langere periode dan gedacht", aldus Gergely Szöllősi, hoofd van de Model-Based Evolutionary Genomics Unit aan het Okinawa Institute of Science and Technology (OIST).

Het nieuwe scenario: CALM

De gegevens betekenden dat de wetenschappers enkele scenario's voor eukaryogenese (de evolutie van complex leven) konden verwerpen, en hun gegevens pasten niet helemaal in een bestaande theorie. Daarom heeft het team een nieuw, op bewijs gebaseerd scenario voor het ontstaan van complex leven voorgesteld, dat ze ‘CALM’ hebben genoemd: Complex Archaeon, Late Mitochondrion.

Verschillende disciplines

Hoofdauteur Christopher Kay, onderzoeksmedewerker aan de School of Biological Sciences van de Universiteit van Bristol: "Deze studie is bijzonder omdat we in detail hebben gekeken naar wat deze genfamilies eigenlijk doen en welke eiwitten met welke eiwitten samenhangen – en dat alles in absolute tijd. Hiervoor was een combinatie van verschillende disciplines nodig: paleontologie om de tijdlijn te bepalen, fylogenetica om betrouwbare en bruikbare stambomen te maken en moleculaire biologie om deze genfamilies in een context te plaatsen. Het was een hele klus."

Mitochondriën kwamen later dan gedacht

"Een van onze belangrijkste bevindingen was dat de mitochondriën aanzienlijk later zijn ontstaan dan verwacht. De timing valt samen met de eerste substantiële stijging van het zuurstofgehalte in de atmosfeer", aldus Philip Donoghue, hoogleraar paleobiologie aan de School of Earth Sciences van de Universiteit van Bristol. "Dit inzicht koppelt de evolutiebiologie rechtstreeks aan de geochemische geschiedenis van de aarde. De archaea-voorouder van eukaryoten begon, ongeveer een miljard jaar voordat zuurstof overvloedig aanwezig was, complexe kenmerken te ontwikkelen in oceanen die volledig zuurstofloos waren."

Meer informatie

• Artikel: Dated gene duplications elucidate the evolutionary assembly of eukaryotes.

Tekst en beeld: Koninklijk Nederlands Instituut voor Zeeonderzoek (NIOZ)