Het vroegste leven op aarde haalde zijn energie uit zonlicht, dat diep in het water van de oceaan doordrong. Wat dat met buitenaards leven te maken heeft? De lichtgevoelige eiwitten die in deze oeroude microben aanwezig waren, kunnen mogelijk helpen om levensvormen op andere planeten op te sporen.

Oersoep
Miljarden jaren geleden bestond de aarde voornamelijk uit water en hier en daar een enorme vulkaan. Er was nog geen ozonlaag, dus het was niet zo prettig toeven voor de eerste levensvormen. Energiebronnen waren schaars en het zonlicht was dodelijk. Het is dus geen toeval dat de eerste microben wat dieper in de oceaan ontstonden, waar het schadelijke uv-licht niet kon doordringen.

Groen en blauw licht dringt het verst door in het water en dus deden de stokoude eencelligen zich hieraan tegoed met behulp van het eiwit rodopsine. Achter de staafjes en kegeltjes van het menselijk oog kun je deze proteïnes ook vinden. “In de vroege fase van de aarde waren er weinig energiebronnen. Het lukte bacteriën om zich te voeden met zonne-energie zonder de complexe biomoleculen die nodig zijn voor fotosynthese”, zegt astrobioloog Edward Schwieterman van de University of California in gesprek met Scientias.nl.

Rodopsine laat ons het verschil zien tussen licht en donker en zorgt ervoor dat we kleuren kunnen onderscheiden. Het eiwit is aanwezig in veel moderne levensvormen in allerlei verschillende ecosystemen.

Machine learning
De onderzoekers schrijven in het vakblad Molecular Biology and Evolution hoe het met behulp van machine learning lukte om de oervorm van rodopsine tot leven te wekken en te onderzoeken hoe het reageert op allerlei impulsen. “Het is alsof je het DNA van een groep kleinkinderen analyseert en daarmee het DNA van de grootvader reconstrueert. Maar dan is het niet opa, maar microben van 2,5 tot 4 miljard jaar geleden, die je tot leven wekt.”

Hoofdonderzoeker Betül Kaçar: “We plakken het oeroude DNA in het genoom van een moderne variant. Zo herprogrammeren we de bacterie en creëren iets wat zo veel mogelijk lijkt op het microscopisch kleine oerleven. Rodopsine is ideaal voor deze techniek om terug in de tijd te gaan.”

Een afbeelding van hoe de microben met de rodopsines het zonlicht opvangen voor energie. Foto: Sohail Wasif/UCR

De Grote Oxidatie
Na de Grote Oxidatie van circa 2,4 miljard jaar geleden, ging het zuurstofpercentage in de atmosfeer omhoog. Ook ontstond er een ozonlaag om de aarde. Het was nu mogelijk om dichterbij of boven het wateroppervlak te leven. De rodopsine-eiwitten evolueerden door. Naast groen en blauw licht, lukte het later ook om andere soorten licht te gebruiken als energiebron.

“We kunnen rodopsines zien als ‘paleosensoren’ door stukjes van deze eiwitten te vergelijken met moderne organismen. Zo is het mogelijk om terug te rekenen en een goede inschatting te maken van de eerste levensvormen op aarde. Deze informatie kunnen we ook gebruiken om in te schatten hoe buitenaards leven zich ontwikkelt in exotische omstandigheden”, zegt Schwieterman.

Verrassend
“Het is verrassend hoe mooi de verhalen in elkaar passen. De eerste levensvormen gebruikten vooral het groene licht op gematigde oceaandiepte, waar het giftige uv-licht niet kon doordringen. Nadat de ozonlaag werd gevormd ontstond een grotere diversiteit aan rodopsines. Dit valt mooi samen met het grotere potentiële leefgebied van de microben.”

Het team hoopt deze nieuwe informatie in de toekomst te kunnen gebruiken in de zoektocht naar buitenaards leven. Met een volgende generatie satellieten kunnen planeten in nabije sterrenstelsels worden gescand op soortgelijke levensvormen.

Exoplaneten
“We zijn onder andere op zoek naar biologische ‘voetafdrukken’ in de dampkring of aan het oppervlak van interessante planeten. Plantaardig materiaal op aarde geeft een bepaalde verandering in de reflectie van zichtbaar licht naar infrarood af. Dit noemen we de ‘vegetation red edge’ of VRE. Dit signaal kunnen we gebruiken als biologische voetafdruk voor leven buiten ons zonnestelsel”, legt Schwieterman uit. “Door onze bevindingen is er mogelijk een nieuw soort voetafdruk gevonden, waar we op kunnen scannen. Deze verandering in lichtreflectie kunnen we de ‘rodopsine green edge’ noemen, omdat tussen groen en oranjerood een soortgelijk effect plaatsvindt.”

Topprioriteit
Schwieterman tot besluit: “Het scannen van sterrenstelsels op levenstekens is een topprioriteit van NASA. Het is belangrijk om het nut van een ‘rodopsine green edge’-scan zo snel mogelijk aan te tonen. Zo kan NASA-apparatuur voor het toekomstige ruimteobservatorium nog met deze technologie worden uitgerust.”

De Grote Oxidatie
2,4 miljard jaar geleden kwam er plots zuurstof in de atmosfeer van de aarde. In 100 miljoen jaar tijd steeg de hoeveelheid zuurstof in de lucht razend snel. Dit wordt de Great Oxidation Event (GOE) genoemd. De zuurstof werd gemaakt door blauwalgen (cyanobacteriën) via fotosynthese. Zonder deze zuurstof zouden er nooit meercellige, aërobe levensvormen zijn ontstaan. Het nieuwe leven kwam, het oude leven van de anaerobe eencelligen stierf uit.