Uit recent wetenschappelijk onderzoek is gebleken dat het ontwikkelingsproces van complex leven in een verder afgelegen periode begon en langer duurde dan eerder werd gedacht. Het werk biedt nieuwe perspectieven op de essentiële omstandigheden voor de evolutie van de eerste levende wezens en stelt algemeen aanvaarde wetenschappelijke concepten in het veld in vraag.

De studie, uitgevoerd door de Universiteit van Bristol en gepubliceerd op 3 december in het prestigieuze tijdschrift Nature, wijst erop dat complexe levende wezens ontstonden lang vóór de aanwezigheid van aanzienlijke hoeveelheden zuurstof in de atmosfeer van de aarde. Deze bevinding is in tegenspraak met de eerdere opvatting dat zuurstof uit de lucht een onmisbare voorwaarde was voor de vooruitgang van complex leven.

Co-auteur Anja Spang, van de afdeling Microbiologie en Biogeochemie van het Koninklijk Nederlands Instituut voor Marien Onderzoek, legde uit dat de planeet Aarde ongeveer 4,5 miljard jaar oud is, waarbij de oudste manifestaties van microbieel leven meer dan 4 miljard jaar oud zijn. Ze legde uit dat deze vroege organismen waren onderverdeeld in bacteriën en archaea, twee verschillende maar onderling verbonden groepen die gezamenlijk prokaryoten worden genoemd.

Honderden miljoenen jaren lang bleven prokaryoten de enige levensvorm op aarde. Deze realiteit bleef bestaan ​​tot de ontwikkeling van eukaryotische cellen, met een meer uitgebreide structuur, waaruit organismen zoals algen, schimmels, planten en dieren ontstonden.

Davide Pisani, hoogleraar Phylogenomics aan de School of Biological Sciences van de Universiteit van Bristol en een van de co-auteurs van het onderzoek, verduidelijkte dat eerdere hypothesen over de overgang van de eerste prokaryoten naar complexe eukaryoten grotendeels gissingen waren. Hij voegde eraan toe dat tijdsprojecties rond een miljard jaar varieerden, vanwege het gebrek aan tussenvormen en de schaarste aan sluitend fossiel bewijs.

De groep wetenschappers die betrokken zijn bij gezamenlijk onderzoek heeft echter een innovatieve strategie bedacht om deze vragen te onderzoeken. Ze verbeterden de methodologie die bekend staat als “moleculaire klokken”, die wordt gebruikt om de periode te berekenen waarin twee soorten een gemeenschappelijke voorouder hadden.

Professor Tom Williams, van de afdeling Levenswetenschappen van de Universiteit van Bath en co-hoofdauteur, heeft de tweeledige aanpak uiteengezet. Hij legde uit dat het mogelijk was om een ​​levensboom met een hoge temporele resolutie te bouwen door informatie over de genetische sequentie van honderden soorten te verzamelen en deze te integreren met reeds bekende fossielengegevens. Deze structuur werd vervolgens gebruikt om de tijdlijn van historische gebeurtenissen in verschillende genfamilies nauwkeuriger vast te stellen.

Door bewijsmateriaal te verzamelen uit meer dan honderd verschillende genfamilies, afkomstig uit diverse biologische systemen, en zich te concentreren op de bijzonderheden die eukaryoten van prokaryoten onderscheiden, was het team van onderzoekers succesvol in het reconstrueren van het evolutionaire pad van complex leven.

Verrassend genoeg hebben wetenschappers bewijs gevonden dat deze cruciale transitie ongeveer 2,9 miljard jaar geleden begon, een periode die bijna een miljard jaar eerder was dan sommige eerdere projecties suggereerden. Dit geeft aan dat de celkern en andere interne structuren zich aanzienlijk vóór de mitochondriën lijken te hebben ontwikkeld.

Gergely Szöllősi, hoofd van de Model-Based Evolutionary Genomics Unit van het Okinawa Institute of Science and Technology (OIST), verklaarde dat “het proces van cumulatieve complexiteit zich over een aanzienlijk langere periode uitstrekte dan eerder werd aangenomen.”

De verzamelde gegevens stelden onderzoekers in staat verschillende hypothesen te weerleggen die waren opgeworpen voor eukaryogenese, wat de evolutie van complex leven is, omdat de informatie niet volledig in overeenstemming was met enige reeds bestaande wetenschappelijke theorie. Daarom presenteerde het team een ​​ongekend, op bewijs gebaseerd model voor de komst van complex leven, genaamd ‘CALM’ Complex Archaeon, Late Mitochondrion.

Dr. Christopher Kay, universitair hoofddocent aan de School of Biological Sciences van de Universiteit van Bristol en hoofdauteur van het werk, legde uit dat het verschil in het onderzoek ligt in de gedetailleerde analyse van de functie van genfamilies, waarbij eiwitinteracties worden geïdentificeerd, allemaal binnen een nauwkeurig schema. Hij voegde eraan toe dat de onderneming de integratie van meerdere kennisgebieden vereiste: paleontologie om de tijdlijn te definiëren, fylogenetica om robuuste en bruikbare fylogenetische bomen te ontwikkelen, en moleculaire biologie om deze genfamilies te contextualiseren.

Philip Donoghue, hoogleraar Paleobiologie aan de School of Earth Sciences van de Universiteit van Bristol en een van de auteurs, stelde dat een van de belangrijkste bevindingen de opkomst van mitochondriën in een veel later stadium was dan voorspeld. Hij merkte op dat deze periode samenvalt met de eerste opmerkelijke toevoeging van zuurstof aan de atmosfeer.

Hij sloot af met de uitleg dat deze openbaring een direct verband legt tussen de evolutionaire biologie en het geochemische traject van de planeet. De Archeaanse voorouder van de eukaryoten was ongeveer een miljard jaar voordat zuurstof de overhand kreeg al begonnen met het vormen van complexe kenmerken, in een omgeving waar de oceanen volledig verstoken waren van zuurstof.