Het was lang onduidelijk wanneer precies het eerste leven ontstond op onze aardbol. Nu blijkt dat dit waarschijnlijk veel eerder gebeurde dan gedacht, volgens baanbrekend Brits onderzoek naar de vroegste ecosystemen op aarde.
De studie, die deze week in het gezaghebbende Nature verscheen, toont aan dat het leven al binnen enkele honderden miljoenen jaren na de vorming van onze planeet opbloeide. Dit werpt nieuw licht op de oorsprong van het leven.
Maak kennis met LUCA
Al het leven dat vandaag de dag op aarde te vinden is, stamt af van één enkele gemeenschappelijke voorouder, liefdevol aangeduid als LUCA (Last Universal Common Ancestor). LUCA is de hypothetische gemeenschappelijke voorouder van alle moderne cellulaire levensvormen, van eencellige organismen als bacteriën tot de gigantische reuzensequoia’s die in Californië groeien; en ook wij mensen zijn uiteraard onderdeel van dit wonderbaarlijke geheel. LUCA vertegenwoordigt de wortel van de levensboom voordat die zich opsplitste in de drie domeinen die we nu onderscheiden: Bacteria, Archaea en Eukarya.
Het moderne leven evolueerde uit LUCA en deelt daarom diverse kenmerken, zoals de aminozuren die worden gebruikt als bouwstenen van eiwitten, celbrandstof (ATP) en de cellulaire machinerie zoals ribosomen, die eiwitten maken op basis van DNA-informatie. Zelfs het gebruik van DNA zelf als informatiedrager is een overblijfsel van LUCA.
4,2 miljard jaar oud
Om daar meer over te weten te komen vergeleken de onderzoekers van de University of Bristol het genenpakket van een groot aantal nog levende soorten, waarbij ze de mutaties telden die zich in de loop van de tijd hebben voorgedaan vanaf het moment dat soorten zich aftakten van de gemeenschappelijke voorouder LUCA.
We weten ongeveer hoeveel tijd er tussen het ontstaan van bepaalde soorten zit door fossiele gegevens naast elkaar te leggen. Met behulp van een genetische equivalent van de bekende natuurkundige formule om snelheid te berekenen, lukte het de wetenschappers uiteindelijk om vrij nauwkeurig te bepalen wanneer LUCA leefde. Ze kwamen uit op ongeveer 4,2 miljard jaar geleden, zo’n 400 miljoen jaar na de vorming van de aarde en ons zonnestelsel.
“We hadden niet verwacht dat LUCA zo oud zou zijn. Het is slechts enkele honderden miljoenen jaren na de vorming van de aarde ontstaan. Onze resultaten sluiten daarmee erg goed aan bij de moderne inzichten over de bewoonbaarheid van de vroege aarde”, zegt onderzoeker Sandra Álvarez-Carretero.
Genealogie
Het onderzoeksteam modelleerde ook de biologische eigenschappen van LUCA door de fysiologische kenmerken van levende soorten te analyseren en terug te redeneren naar de bron. “De evolutionaire geschiedenis van genen is een ingewikkeld verhaal, omdat er sprake was van uitwisseling tussen verschillende afstammingslijnen. Het is ons gelukt om deze geschiedenis te koppelen aan de genealogie van de soorten door complexe evolutionaire modellen te bouwen”, legt hoofdauteur Edmund Moody uit.
“Een van de grote voordelen van onze aanpak is dat we op deze manier konden beschikken over een zeer diverse dataset van de primaire domeinen van het leven: Archaea en Bacteria”, vertelt de Britse onderzoeker Tom Williams, die eveneens meewerkte aan de studie. “Zo kunnen we met vrij grote zekerheid iets zeggen over de wijze waarop LUCA leefde.”
Immuunsysteem
Professor Davide Pisani reageert: “Onze studie toont aan dat LUCA een complex organisme was, niet zo heel anders dan moderne prokaryoten (eencelligen). Het is ook erg interessant om te zien dat LUCA al een vroege vorm van een immuunsysteem had. We kunnen er dan ook zeker van zijn dat onze voorouder 4,2 miljard jaar geleden al in een wapenwedloop met virussen verwikkeld was.”
Medeonderzoeker Tim Lenton van de Universiteit van Exeter vertelt: “Het is duidelijk dat LUCA zijn omgeving benutte en veranderde. Daarnaast is het zeer onwaarschijnlijk dat hij alleen leefde. Zijn afvalstoffen waren mogelijk het voedsel voor andere microben, zoals methanogenen, die waarschijnlijk hebben bijgedragen aan een vroeg ecologisch recyclingsysteem.”
Interdisciplinaire samenwerking
“Ons werk brengt data en methoden uit meerdere disciplines samen en onthult een schat aan inzichten over de vroege aarde en het leven in die periode” besluit professor Philip Donoghue. “Zonder deze interdisciplinaire samenwerking zou dit nooit mogelijk zijn geweest. Het laat ook zien hoe snel er een ecosysteem ontstond op aarde. Dit suggereert dat er mogelijk ook leven bestaat in de biosferen van aardachtige exoplaneten elders in het universum.”
Dit onderzoek biedt een fascinerend inkijkje in het vroege leven op aarde en wijst uit dat ecosystemen zich veel sneller hebben ontwikkeld dan eerder gedacht. De bevindingen verbeteren ons begrip van de evolutie van prokaryoten en laten zien dat leven dus mogelijk ook elders in het universum floreert.
