Primaire en secondaire endosymbiose; het begin van evolutie

Symbiose maakt een belangrijk onderdeel uit van de natuur. Het gaat daarbij om organismen die nauw samenleven en hier wederzijds voordeel van hebben. Endosymbiose is daar een speciale vorm van waarbij één van de twee symbionten in de ander leeft. Er hebben zich met betrekking tot symbiose in de geschiedenis van het leven twee zeer belangrijke fasen voorgedaan. De eerste of primaire endosymbiose ontstond door het opslokken van een cyanobacterie door een andere bacterie. Een cyanobacterie (ook wel blauwalg genoemd ondanks dat het geen alg is) is een bacterie die leeft op fotosynthese. Als gevolg van het opslokken van deze cyanobacterie ontstonden de eerste echte algen. De gastheerbacterie, die de cyanobacterie opslokte, kan vervolgens de suikers die deze laatste met fotosynthese maakt gebruiken om van te leven. De samenwerking tussen de gastheercel en de endosymbiont is zo nauw dat er zelfs genen uitgewisseld worden. Op den duur zijn de twee cellen tot één organisme geworden. Hieruit ontwikkelden zich de algen en landplanten.

Primaire en secondaire endosymbiose

Er heeft zich vervolgens een tweede of secondaire endosymbiose voorgedaan, waarbij een eukaryotische cel de algencel opslokte. Deze eukaryotische cel was daardoor in staat ook van fotosynthese te leven. Zo ontstond er een cel met chloroplasten en twee celkernen. De celkern van één van de twee werd opgenomen door de andere celkern. Deze cellen vormen organismen als diatomen, zeewieren en bepaalde dinoflagellaten, die een zeer belangrijke rol spelen in de koolstofcyclus. Nu hebben de onderzoekers van deze studie aangetoond dat er twee unicellulaire algen bestaan, Guillardia theta en Bigelowiella natans ( het zijn twee van de meest complexe cellen die in de natuur voorkomen), waarbij deze transitie tussen de twee celkernen nog te zien is. Er bestaat in deze cellen een volwaardige kern plus een zogenaamde nucleomorf. Deze tweede kleinere celkern is het overblijfsel van de uitwisseling van genen die er tussen de twee celkernen geweest is. Blijkbaar kan de gastheercel niet méér genen onttrekken aan de gast want dan zou de laatste sterven en zou de symbiose teniet gedaan worden. De gastheercel zou zo de mogelijkheid tot fotosynthese verliezen. De onderzoekers merken op dat er in deze twee organismen nog steeds genen van de mitochondrien naar de celkern migreren, maar migratie van genen van plastiden naar de celkern of van de nucleomorf naar de celkern ligt helemaal stil. Kortom, de twee endosymbionten bevinden zich in een patstelling. G. theta en B. natans zijn twee levende ‘missing links’.

Uit: Nature article, Nature News and Views, Physorg.

De eerste adem

Het verhaal dat het leven zo’n 3 tot 4 miljard jaar geleden ontstond dankzij de evolutie van cyanobacteriën is niet langer houdbaar. Volgens Nick Lane heeft de Aarde pas leven gekend met de evolutie van deze blauwalgen, die tegenwoordig op zo’n 2,7 miljard jaar geleden geschat wordt, zo schrijft hij in NewScientist. Deze nieuwe inzichten zijn recent en zijn boek is dus enigszins verouderd.

Blauwalgen of cyanobacteriën zijn bacteriën (geen algen) die gebruik maken van fotosynthese om in hun energiebehoeften te voorzien. Ze produceren daarbij zuurstof (O₂) en waren de eerste organismen die dat deden. De datum van 2,7 miljard jaar geleden waarop de atmosfeer door toedoen van de  cyanobacteriën van 1 tot 10% zuurstof bevatte, komt overeen met het aanvangen van de stikstofcyclus en de verwering van chroom uit de rotsen die beide met geologisch onderzoek vastgesteld zijn. Vanaf dat moment zijn er toch nog perioden geweest dat het zuurstofgehalte van de atmosfeer weer naar nul ging (zie grafiek). Dit gebeurde na de perioden waarin de Aarde compleet bevroren was, ofwel na de perioden van de Sneeuwbalaarde. Deze perioden hebben te maken met de mogelijkheid dat het geproduceerde zuurstof reageerde met het sterke broeikasgas methaan en daarmee de Aarde sterk deed afkoelen. Het moleculaire zuurstof zelf verdween daarmee ook. De voortdurende vulkaanuitbarstingen brachten opnieuw broeikasgassen in de atmosfeer en de Aarde warmde weer op.

Uit NewScientist: Zuurstofnivo’s gedurende 3,5 miljard jaar

De daarop volgende toename van zuurstof, opnieuw dankzij de cyanobacteriën, zorgde voor verwering van sulfiden, waardoor sulfaten de zee in stroomden. Hier werden ze door bacteriën omgezet in waterstofsulfiden die de zeeën in stinkende en stagnerende wateren veranderden, met bijna geen zuurstof. Deze periode duurde wel zo’n miljard jaar en wordt wel de “boring billion” genoemd. Deze zogenaamde “boring billion” waren eigenlijk allesbehalve saai, want zoals William Martin suggereert, ontwikkelden zich gedurende deze periode de eerste bacteriën die zwavel of stikstof konden ‘ademen’ en zo in hun energiehuishouding konden voozien. Onze mitochondriën (die onze cellen tegenwoordig de zuurtsof doen ademen en daar energie uit opwekken) stammen waarschijnlijk van deze bacteriën af.

Uiteindelijk, na verschillende perioden van Sneeuwbalaarde ging dan toch het zuurstofgehalte omhoog. Een belangrijke doorslag was de groei van algen (rode en groen algen in zee) en van de eerste algen en lichenen op land, zo’n 800 miljoen jaar geleden. Deze laatsten breken de rotsen af en voorzien de zee van mineralen, ofwel voedsel voor het zeeleven. De zuurstof reageerde in eerste instantie ook met het door vulkanen uitgestoten methaan en waterstofsulfide, maar uiteindelijk was de balans ten voordele van de zuurstof.

De fossielen van cyanobacteriën, de zogenaamde fossiele stromatolieten, schijnen niet

Van internet: stromatolieten in Shark Bay

ouder te zijn dan 2,7 miljard jaar. De ‘oudere’ bewijzen voor het bestaan van stromatolieten blijken geen stromatolieten te zijn: het zijn rimpelingen in de zeebodem die ontstonden rondom de hydrothermale bronnen en die uit ijzeroxiden en kleimineralen bestaan.

Een paar dagen geleden werd er door een groep aan de Radboud Universiteit in Nijmegen een onderzoek gepubliceerd over de ontdekking van een nieuwe bacterie. Deze bacterie is in staat zijn eigen zuurstof aan te maken en te verbruiken, door energie uit methaan, nitriet en nitraat te halen. Er wordt gesuggereerd dat de bacterie Methylomirabilis oxyfera kan leven op planeten, en dus ook de Aarde, waar geen zuurstof aanwezig is. Maar nitrieten en nitraten kunnen alleen gevormd worden door de stikstofcyclus, die op haar beurt weer afhankelijk is van andere bacteriën en de aanwezigheid van zuurstof. Dus of deze bacterie Methylomirabilis oxyfera inderdaad in een atmosfeer zonder zuurstof kan leven blijft voor mij een vraag.

Bron: NewScientist