Op zoek naar de klepel

bij dezen en genen

De expansie van genfamilies

Micro-organismen hebben geen fossielen achtergelaten en het is daarom onmogelijk te weten hoe het leven er miljarden jaren geleden uit zag. Alleen uit de periode van het Cambrium, zo’n 540 miljoen jaar geleden, bestaan de ons bekende fossielen van meercellige organismen. Door het vergelijken van een enorm aantal genen van verschillende levende organismen is men er desondanks toch in geslaagd terug te kijken in de tijd. Daarbij is het duidelijk geworden dat meer dan een kwart van de huidige genfamilies tussen de 2,8 en 3,5 miljard jaar geleden ontstonden. De onderzoekers noemen deze periode de ‘expansie van het Archaïcum’.

De onderzoekers van het MIT onderzochten 3,983 genfamilies van 100 verschillende organismen. Ze hielden daarbij rekening met

Archean Expansion

De expansie van het Archaicum. Klik op de afbeelding voor een grotere versie met zoom.

hoe genen evolueren. Nieuwe genen ontstaan en worden geërfd, ze kunnen uitgewisseld worden of via horizontale genentransfer doorgegeven worden, ze kunnen verdubbelen of verloren raken. Omdat alle organismen hun DNA erven van voorouderlijke genomen, konden ze, door deze genen te vergelijken, vaststellen dat genen voor het elektronentransport 3,3 miljard jaar geleden ontstonden. Het elektronentransport is essentieel in het proces van celademhaling en fotosynthese. De genen die verantwoordelijk zijn voor het gebruik van zuurstof verschenen 2,8 miljard jaar geleden, aan het eind van deze genetische expansie. Zuurstof zelf begon rond de 2,5 miljard jaar geleden deel uit te maken van de atmosfeer. Cyanobacteriën of uitgestorven verwanten waren de eerste organismen die zuurstof produceerden. Sommige teksten geven weer dat stromatolieten ofwel fossiele cyanobacteriën meer dan 3 miljard jaar oud zijn. De laatste inzichten spreken daarentegen van 2,8 miljard jaar; een gegeven dat overeenkomt met de tijd waarin zich ‘The Great Oxidation Event’ voordeed (de enorme stijging van zuurstof in de atmosfeer die gepaard ging met een massa-extinctie van anaerobe micro-organismen.) Zie hiervoor ook het voorgaande blog ‘De eerste adem‘.

Het elektronentransport bestaat uit de overdracht van elektronen via eiwitten die in het membraan liggen. De energie die daarbij vrijkomt creëert een gradiënt van ionen H+ die de ATP-pomp aandrijven. Deze pomp produceert ATP (Adenosinetrifosfaat), hét energie-molecuul van al het leven. Het elektronentransport verhoogt het rendement van ATP enorm vergeleken met eenvoudige fermentatie (gisting) en heeft het leven dus vele malen efficiënter gemaakt.

Uit Astrobiology, Molecular Biology of The Cell (Alberts), De eerste adem.

21 Reacties op “De expansie van genfamilies

  1. tsjok45 februari 28, 2011 om 23:10

    * Je WP blog ziet er keigoed uit …Bovendien merk ik dat je erin geslaagd bent je archief vrijwel volledig (?) over te plaatsen ….Het zal wel veel bloed , zweet en tranen hebben gekost … maar gelukkig is de zaak gesaved …

    * Inhoudelijk kommentaren op je nieuwe artikel mag je volgende week verwachten , ik heb het momenteel nogal druk ….
    Ik ben namelijk begonnen met het opschonen en het terug klantvriendelijker-toegankelijk maken van mijn evodisku Multiply archief …

    P.S.
    Ik hoop dat veel waardevols uit andere voormalige VK blogs eveneens zijn overgeheveld …

    • Pierra Veneta februari 28, 2011 om 23:20

      Tsjok45, bedankt! Eigenlijk viel het mee. Met een heel beknopte gebruiksaanwijzing heeft het misschien twee uur geduurd. Het heeft vooral @knutselsmurf en @Ina Dijstelberghe veel gekost. Ze zijn dag en nacht in de weer om iedereen bij te staan met het overhevelen. Voozover ik weet hebben ze dit werk alleen voor WordPress gedaan en (nog) niet voor blogspot dus hoe het Terrence vergaan is weet ik niet.
      Bij de OBA berichten kun je lezen welke blogs een exportbestand aangevraagd en gekregen hebben. Mieke Roth bijv. zat daar niet bij.
      Ik ben er héél blij mee want er zitten een aantal blogs tussen waar ik graag naar verwijs.
      Heb je gelezen dat het VKblog tot 1 juni open blijft? Toch is het merendeel van de bloggers al wel verhuisd inmiddels.
      Succes met evodisku, ik kom daar binnenkort zeker kijken.

  2. blutch1 maart 1, 2011 om 00:07

    =De genen die verantwoordelijk zijn voor het gebruik van zuurstof verschenen 2,8 miljard jaar geleden, aan het eind van deze genetische expansie. Zuurstof zelf begon rond de 2,5 miljard jaar geleden deel uit te maken van de atmosfeer=

    Is dat niet merkwaardig? Het zou logischer zijn als die genen pas verschenen toen er al zuurstof was en niet daarvoor. Als die genen daarvoor verschenen zou je denken dat ze voor een andere functie waren dan zuurstofgebruik.

    Dan staat er ook nog: De laatste inzichten spreken daarentegen van 2,8 miljard jaar; een gegeven dat overeenkomt met de tijd waarin zich ‘The Great Oxidation Event’ voordeed (de enorme stijging van zuurstof in de atmosfeer die gepaard ging met een massa-extinctie van anaerobe micro-organismen.)
    Wat is het nu, eerst de zuurstof en toen de genen of eerst de genen en toen de zuurstof?

    • Pierra Veneta maart 1, 2011 om 00:18

      blutch1, helemaal mee eens. Zelf vond ik het in eerste instantie ook merkwaardig klinken, het is een beetje de kip en het ei-verhaal. Om zuurstof in de atmosfeer te krijgen moeten er wel eerst organismen zijn die het produceren, dus de genen moeten er eerst geweest zijn. Je zou inderdaad denken dat er op geselecteerd wordt door een zuurtsofhoudende atmosfeer. Blijkbaar is het niet zo gegaan. Zelf kan ik geen mechanisme bedenken hoe dit in zijn werk ging, behalve kleine stapsgewijze mutaties die ervoor zorgden dat het eerste zuurstofmolecuul ontstond.

    • Tsjok De Clercq maart 1, 2011 om 10:24

      ” …Wat is het nu, eerst de zuurstof en toen de genen of eerst de genen en toen de zuurstof?…”

      * Volgens mij zullen diverse “genen”(= met al hun potentieele eigenschappen )er obligaat het éérst zijn geweest …Iets(= of de omgevingen automatisch laten) selekteren ) kan immers niet als er niet vooraf potentieel een keuze -aanbod aanwezig is . Dat aanbod is een uitgebreid ( en voortdurend wisselend en veranderend )keuze palet .
      In feite is zulk keuzepalet een wezenlijk onderdeel ( een grondvoorwaarde ) van/voor het natuurlijke selektie proces in kwestie…(vergelijk het eens met het overvloedig ( en verspillend) aanbod aan goederen en diensten in de huidige maatschappij= hoe meer keuze hoe meer “vrijheid” en vooral hoe meer selektie-mogelijkheden )

      Selectie optimaliseert in elk geval /bevoordeligt de reeds in de kiem aanwezige trends ,de nieuwigheden( ook de meest onnozele en overbodige –> zie bijvoorbeeld alweer het aanbod aan overbodige verpakkingen en vormgevingen in de distributiesektor ) , zuivert de miskleunen (= de onsuccesvolle __maar die kunnen evengoed “goede ” produkten zijn ) eruit , en dat ( in een natuurlijk proces ) volgens kriteria afhankelijk van / naargelang de samenloop van diverse ( ook volkomen toevallige )omstandigheden en labiele evenwichten en begrenzingen in het millieu “exterieur “( en millieu “interieur” ) …millieu’s die ook bestaan uit steeds verschuivende evenwichtsoefeningen…en uiteraard is er een konstante aanvoer van nieuwe aanbiedingen (anders valt het proces stil)

      Ik denk ___( om eens een doodsimpel(misschien mank ) bedacht ander analogon/voorbeeldje ter verduidelijking , te gebruiken) ____dat sommige erfelijke varianten onder(bijvoorbeeld) de prehistorische mensen ook wel potentieel “goede” voetballers waren .
      Uiteindelijk verdienen velen van de tegenwoordige mensen en in het bezit van die voetbaltalenten , vandaag een dikbelegde boterham .Hun voorouders bezaten die talenten misschien ook maar ze konden er waarschijnlijk niet zo veel mee als hun tegenwoordige afstammelingen … ze hadden er ook niet al te veel last van,(misschien een licht voordeel ?) veronderstel ik …
      En , neen , ik ben geen voorstander van genetisch determinisme …

      Hetzelfde merkwaardige verhaal geld voor genen ;dezen die overblijven zijn neutraal (of zijn heel licht voordelig = wat betekent dat ze in een bepaald bekend milieu deergelijke kleine voordelen/voorsprong bieden )en ze gaan uiteraard vooraf aan deselectie-kriteria … Vanzelfsprekend gaan de slechte probeersels ten gronde …

      Overigens zijn zowel fotosynthese als het “zien” vertrokken van dezelfde merkwaardige eigenschap :namelijk de gevoeligheid van bepaalde opstellingen voor lichtenergie

      Dat is dus dubbelop en vertrekkend van dezelfde eigenschap = fototropie =
      het detecteren van licht én schaduw én het stapsgewijs gebruiken van lichtenergie als strategische drijfkracht van chemische reacties die organismen( eigenlijk de tijd overstijgende voertuigen, dupliceermachines en uiteindelijk ontwikkelings-expressies van genen en genencomplexen ) in stand helpen houden …

      Merkwaardig ook dat veel planten zich kunnen richten op de zon, zodat ze maximaal belicht kunnen worden …

      Genen en eventuele duplicaties van die genen (=uiteindelijk dus genenfamilies ) kunnen dus altijd op verschillende manieren worden ingezet tijdens de verdere ontwikkeling binnen de natuurlijke evolutionaire algorythmes …

      Planten of algen met “ogen”zijn niet bekend
      Er bestaan wel symbioses tussen “oog”dieren en planten

      Dieren met fotosynthestische eigenschappen bestaan ook niet ?
      Er zijn echter wel dieren die erin geslaagd zijn , planten-onderdelen te integreren in hun lichaam

    • Pierra Veneta maart 1, 2011 om 13:17

      Tsjok45, dank voor je aanvullende reactie. In de link naar Molecular Biology of the Cell staat ook een toepasselijk verhaal over de ontwikkeling van het eerste elektronentransport. De gradienten van ionen H+ zouden in dit geval in plaats van ATP synthese aan te drijven, een omgekeerde elektronenflux aansturen (reverse electron flow). Helaas wordt dat niet verder toegelicht. Deze mechanismen schijnen nu nog te bestaan in bepaalde anaerobische bacterien.

  3. antoinetteduijsters maart 1, 2011 om 08:00

    Het zijn toch de groene planten de zuurstof losmaken en als afval afstaan? ik moet hier nog eens goed over nadenken.
    Maar weer een goed blog.

    • Pierra Veneta maart 1, 2011 om 09:23

      Antoinette, inderdaad de groene planten, en algen. Maar de eerste zuurstofproduceerders waren de cyanobacterien (blauwalgen) waarvan mijn denkt dat deze (of verwante soorten) de chloroplasten van de latere algen en planten geworden zijn.
      In deze bacterien voltrekt zich de splitsing van water en de productie van zuurstof. Daarvoor is wel een elektronentransportketen nodig, dus dat moest bestaan voordat er uberhaupt fotosynthese kon plaatsvinden.

  4. Aad Verbaast maart 1, 2011 om 11:11

    Interessant weer. Net als blutch1 was ik ook even de getallen aan het vergelijken.
    Voor mij wel een eyeopener: ‘leven’ is dus mogelijk zonder dat er zuurstof is.
    Mag ik tot die conclusie komen?

    • Pierra Veneta maart 1, 2011 om 13:21

      Aad, er wordt geschat dat er 3,5 miljard jaar geleden de eerste primitieve cellen ontstonden. Deze leefden en vermenigvuldigden zich in een atmosfeer zonder zuurstof. Pas 2,5 miljard jaar geleden ontstonden er zuurstofmoelculen in de atmosfeer (O2). O is een sterke electronenacceptor en gaf het metabolisme nieuwe vaart.

  5. Aad Verbaast maart 1, 2011 om 18:38

    @Pierra: bijzonder dus. Geeft voor mijn gevoel enorm veel extra mogelijkheden om te kunnen rekenen op leven elders in het heelal! Geweldig!

    • Pierra Veneta maart 1, 2011 om 22:10

      Ja dat is inderdaad zo! Het plaatje wordt steeds duidelijker en men zoekt inderdaad niet meer naar een atmosfeer die op de onze lijkt maar naar (bio)sferen of atmosferen waarvan de componenten niet in chemisch evenwicht zijn. Afwijkingen in dit evenwicht duiden op leven dat actief bepaalde componenten van de atmosfeer verhogen of verlagen ten opzichte van het chemisch evenwicht.

  6. antoinetteduijsters maart 1, 2011 om 19:56

    Pierra, zat ik toch in de goede richting, ik dacht ook aan cyanobacteriën.
    Maar vandaag gaat het denken langzaam met mijn wattenhoofd.

  7. JeroenJ maart 6, 2011 om 16:11

    Fijn, Pierra, dat je doorgaat, en het ziet er mooi uit.

    Gaaf diagram van het MIT onderzoek. Ik zou graag wat dieper de genfamilies induiken, en ga proberen het spoor te volgen om er een goed boek over te vinden. Ik ben bijvoorbeeld benieuwd welke nieuwe eiwitfuncties er nog door eukaryoten uitgevonden zijn. Dat kan, lijkt me, nog wel eens vies tegenvallen.

    @Blutch1
    =De genen die verantwoordelijk zijn voor het gebruik van zuurstof verschenen 2,8 miljard jaar geleden, aan het eind van deze genetische expansie. Zuurstof zelf begon rond de 2,5 miljard jaar geleden deel uit te maken van de atmosfeer=
    Is dat niet merkwaardig? Het zou logischer zijn als die genen pas verschenen toen er al zuurstof was en niet daarvoor. Als die genen daarvoor verschenen zou je denken dat ze voor een andere functie waren dan zuurstofgebruik.

    Eerst zal de levenloze natuur voor metaboliseerbare koolstofverbindingen hebben gezorgd. Er zijn toen waarschijnlijk al (cel-?)organismen ontstaan die voor noodgevallen er zelf wat konden bijmaken, en evolueerden tot chemo-autotrofe organismen die onafhankelijk werden van de oorspronkelijke niet-biologische koolstofverbindingsbronnen. Ook zal er een slimmerik fotosynthese hebben uitgevonden, om onafhankelijk te worden van de (reducerende) energiebron van de eerste autotrofen, en zo vrijlevend foto-autotroof te kunnen worden.

    Je paradox van eerst de dissimilatie-genen, daarna de zuurstof kan opgelost worden als er lokaal al organismen evolueerden die gebruik konden maken van de zuurstof van foto-autotrofen. Voordat de hele atmosfeer zuurstofrijker werd zullen er lokaal al milieus geweest zijn met veel zuurstof én veel organische verbindingen van autotrofen, waar lekker op meegelift kon worden door zuurstofverbruikers en organische-stofdieven.

    Belangrijker: Vergeet ook niet dat de foto-autotrofen zelf ook energie winnen uit het weer verbranden van hun koolstofverbindingsreserves, en dus mogelijk al dissimilatiegenen gebruikten om dat te kunnen doen. Veel stappen van het opbouwen van koolhydraten gewoon achteruit kunnen lopen en zo in bepaalde gevallen energie léveren, ipv vastleggen. In milieus met veel rondzwervend organisch afval en zuurstof zou het zo een peuleschil zijn om het fotosynthese apparaat uit te laten en andermans koolstofketens op te peuzelen.

    Een sappig en overtuigend scenario voor het vroegste leven wordt beschreven in Nick Lane’s “Life Ascending” (Een tip van Theo, één van de volkskrant blogmensen), volgens mij voornamelijk op basis van de ideeën van Günther Wächterhäuser.

    Er is door Theo in het oude vk klepelblog ook al eerder naar verwezen zie ik. De vonk voor leven

  8. JeroenJ maart 6, 2011 om 19:03

    Dank voor je welkom.

    Is het algemeen geaccepteerd dat fotofosforylering ouder is dan oxidatieve? Het lijkt mij wat vreemd en zoek het na.

    “Dissimilatie heeft dus in eerste instantie plaatsgevonden door fermentatie met een laag rendement.”

    Dat kan, maar pas op, er zijn dus serieuze geluiden (Wächtershäuser weer) dat iets citroenzuurcyclusachtigs nog wel eens ouder dan het leven (!) kon zijn. Je hebt dan misschien nog niet een elektronentransportketen en de bijbehorende hoogefficiënte ATP productie, maar toch kansen op het beschikbaar maken van veel meer chemische energie dan bij wat ik fermentatie (melkzuurgisting, alcoholgisting) zou noemen. Maar dat kan woordgebruik zijn.

  9. JeroenJ maart 7, 2011 om 00:22

    Sorry, ik was een beetje in de bonen. Niemand beweert dat fotofosforylering ouder is dan oxidatieve en the cell is duidelijk over het gebruik van “fermentatie” in deze context.

    Over levenssporen in meteorieten had Neil deGrasse Tyson in het door jou gelinkte poetry filmpje met Dawkins wel wat leuks, vond ik: Dat als je in een meteoriet dicht bij elkaar sporen vindt van anaerobe en aerobe (bio)chemische processen, dat dat op zich al een flinke aanwijzing is voor iets levens-achtigs.

    Wat een grappige illustratie van het communicatieprobleem tussen de brit en de amerikaan overigens.

  10. jeroenj maart 8, 2011 om 23:12

    Heeft er trouwens iemand enig idee wat het forse bolletje “loss” bij de chimp behelst? Ik kan dat óf niet plaatsen, óf ik begrijp het diagram niet.

    • Pierra Veneta maart 9, 2011 om 00:58

      jeroenj, sorry voor de late reactie, maar eigenlijk ben ik met vakantie en heb nu pas even een paar minuten voor het blog.
      Dank voor je aanvullingen.
      Dat bolletje ‘loss’ is inderdaad vreemd. Ik heb geen idee hoe het zit, hopelijk kan iemand daar uitleg over geven.

  11. jeroenj maart 9, 2011 om 16:57

    Ik google flink op genenverlies bij specifiek chimpanzees maar kan weinig vinden.

    Wat een beetje verdacht lijkt is dat de onderzoekers conclusies trekken over elektronentransport en zuurstofverbruik, terwijl mijn gegoogel (Ik wil een goeie wetenschappelijke bieb in Overijssel!) leert dat juist op dát vlak primaten nogal zijn ge-evolueerd. Ik blijf stuiten op de abstract van “Accelerated evolution of the electron transport chain in anthropoid primates.” van Grossman LI, Wildman DE, Schmidt TR, Goodman M.

    Dat is gek want ik begrijp dat het diagram is opgesteld voor de dik 3000 genfamilies in zijn algemeen, en dat pas daarna door de onderzoekers de rooie (gene birth) partjes grotendeels zijn thuisgebracht als zuurstof/ETK gerelateerde genen. En die rooie partjes hoeven dus niks te maken te hebben met het opvallend grote en gele bolletje van de chimp.

Praat mee en laat hier uw reactie achter

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s

Zwervende gedachten

Een filosoof over argumentatie, biologie, handelingstheorie en wat hem verder invalt

Jonas Bruyneel

Literatuur/Journalistiek/Muziek

per amanti della vera musica

SangueVivo

Ancora solo un battito in più

Microplastics

INTERREG MICRO PROJECT

Scientia Salon

Philosophy, Science, and all interesting things in between

Infinite forme bellissime e meravigliose

si sono evolute e continuano a evolversi

Vita da simbionte

perché collaborare è talvolta meglio che combattere

Meneer Opinie

Altijd een mening, maar niet altijd gehinderd door kennis van zaken

The Cambrian Mammal

An evo-devo geek's scientific meanderings

Evolutie blog

bij dezen en genen

The Finch and Pea

The Public House for Science...

voelsprieten

* wonder van het alledaagse *

the aphid room

All about aphids... not simply bugs|

kuifjesimon

Just another WordPress.com site

The Amazing Comics Men

Comics by Dutch cartoonists Jan the Stripman & Wim the Mysterious Helpman

Barbara Jansma

Prenten, spotprenten en schilderijen

%d bloggers op de volgende wijze: