LUCA – the big bang of evolution

Een gastbijdrage van Leonardo da Gioiella

 

Een paar dagen geleden botste ik op een conclusie van Douglas L. Theobald, over universal common ancestry (UCA) – een positieve bevinding – neergelegd in Nature, in a letter to the editor. Ik denk dat dat niet zomaar een voorbarige conclusie was, maar een pertinent onjuiste conclusie: een conclusie die niet getrokken mag worden gegeven de premissen die aan de conclusie ten grondslag (zouden) moeten worden gelegd. Ik denk verder, dat dat niet zozeer een misrekening is van Theobald alleen, dan wel een misrekening van de evolutionist community die in haar wetenschappelijke methode de mogelijkheid van deze misrekeningen als het ware heeft ingebakken.

Vooraf moet opgemerkt worden dat Theobald over UCA spreekt, terwijl LUCA ook een staand begrip is: last universal common ancestor. Ik heb goede redenen om aan te nemen dat Theobald hetzelfde fenomeen op het oog heeft. Hij refereert enkele keren aan (het gebruik van) LUCA bij andere auteurs, en geeft dan niet aan dat zijn UCA daarvan zou afwijken. Daarnaast, en bovendien, voor de evolutionist dekt het begrip common ancestor dezelfde redenatie als common ancestry: de evolutionaire gedachte die the existence of universal homologies én in de constructie van het DNA én in de wijze waarop DNA en RNA zich manifesteren bij vermeerdering, als zekerheid van de onzichtbare, en bewijs van de onkenbare evolutie ziet.

De bijdrage van Theobald bestaat uit twee artikelen: a letter in Nature (abstract; 2010). Hierin maakt Theobald gewag van zijn bevindingen.
Een uitgebreider artikel in Biology Direct (2011), n.a.v. kritiek op de wijze waarop hij tot zijn conclusies gekomen is. De kritiek – let wel: niet op de conclusies, maar op de methode – kwam van Koonin & Wolf. Dit tweede artikel is peer reviewed door 3 wetenschappers. Wat daarbij opvalt is dat alle drie de wetenschappers positief zijn over de activiteit van Theobald, maar vraagtekens zetten bij zijn verslag, dan wel een stevige discussie aangaan, met als conclusies: suitable for publication (1ste reviewer), a great contribution to an ongoing discussion (2de reviewer) en the clash of scientific philosophies on display between the ‘old guard’ of Koonin and Wolf (and reviewers) […] and the ‘new guard’ of Theobald.

GSSP site in de Ediacara Hills, waar rudimentaire sporen van leven zijn gevonden – Ediacaran biota
(GSSP is een keurmerk voor geologisch belangrijke locaties)

 

De methode van Theobald is als volgt.
Hij bouwt statistisch materiaal op, op basis van de uitkomsten van een computermodel van evolutie, een computermodel dat algemeen geaccepteerd wordt. The probability van de mogelijke stappen vooruit in de ontwikkelingen in de evolutie wordt daarbij een kanswaarde toegekend.
Het aldus verkregen statistische materiaal wordt daarna geïnterpreteerd met de Bayesian benadering van statistics. Die benadering houdt grofweg in dat the probability mede bepaald wordt door de verwachtingen die de onderzoeker mag hebben op basis van logische denkstructuren (Bayes zelf sprak hier van believe).

Waar ik hierboven sprak van de evolutionist community, doelde ik op die scientific philosophies die een rol spelen in het wetenschappelijke proces, en die zich in het hart van de evolutionist community manifesteren: de handboeken bijvoorbeeld. In het handboek dat ik nu hanteer (Barton et alii) volgt, na de hoofdstukken evidence for evolution en the origin of life – dat begint met de vraag: Is it extraordinary to consider that all living creatures on Earth share a common ancestry. – het hoofdstuk the last universal common ancestor and the tree of life. Dat hoofdstuk telt 28 bladzijden. Aan het eind van het hoofdstuk weet je dat er geen bewijs is, en dat er ook andere interpretaties mogelijk zijn. Echter, er worden 23 bladzijden besteed aan de behandeling van de veronderstelde gang van zaken, waarbij de tree of life de bepalende denkvorm is, en in twee bladzijden wordt de mogelijkheid overwogen van gene transfer between species, waarbij niet de tree of life zichtbaar wordt maar een soort van, zeg maar spaghetti structuur.

Merk op dat het grote probleem is het ontbreken van fossielen. Daarvoor heb je botten en ander hard residumateriaal nodig, en dat was er in de beginfase van het leven niet.

Wat zijn nu de werkelijke mogelijkheden.
Op de wereld bevinden zich 2 plekken A en B, waar dezelfde rotzooi is komen te liggen als gevolg van de big bang en de vorming van ons sterrenstelsel. Rotzooi dat de neiging heeft om zich te ontwikkelen tot meer rotzooi, een ontwikkeling die begeleid wordt door wat we nu atmosferische en klimatologische omstandigheden noemen. Gelijkelijke wel te verstaan: er is geen enkele voorkeursreden om aan te nemen dat er zoiets was als een voor- en achterkant van de aarde.
Plek A en B liggen op behoorlijke afstand van elkaar. Dat dat verondersteld mag worden weten we, omdat zowel in Groenland als in Australië sporen van een elementaire vorm van leven gevonden zijn, met een zelfde leeftijd: iets meer dan 3,5 miljard jaar, respectievelijk iets minder dan 3,5 miljard jaar.
Er is geen voorkeursreden om te veronderstellen dat op plek A wel ontwikkeling zou plaats vinden en op plek B niet, of omgekeerd. Ofwel, er zijn in plaats van 10^n (n is groot) mogelijkheden, precies 3 mogelijkheden:
op plek A wel en op plek B niet, op plek B wel en op plek A niet, en op zowel plek A als plek B.
Om plek A én plek B een positive probability te geven was er meer dan plenty time: het leven is zich een half miljard jaar geleden gaan manifesteren zoals wij het nu kennen, en daar was ruim 3 miljard jaar voor beschikbaar.

 

Fjord wanden met sedimentaire lagen, Scoresby Sound, East Greenland. by Frans Lanting.

 

Als we hier kijken naar probabilities, moeten we goed naar David Deutsch luisteren, denk ik. De natuur kent geen probabilities, dat is een uitvinding van de mens die denkt dat de natuur door de wiskunde is bepaald in plaats van dat onze ontwikkeling van de wiskunde door de verschijnselen in de natuur is vorm gegeven. Iets gebeurt, of iets gebeurt niet, en daar liggen geen statistische methoden aan ten grondslag.
En ook geen randomizer!

Uitgaande van de mogelijkheid dat er op twee plekken precies hetzelfde gebeurt met de daar liggende rotzooi onder gelijke omstandigheden, zijn er nu twee mogelijkheden.
Op plek A ontstaat een andere vorm van leven dan op plek B (1) òf op plek A is de uitkomst van de ontwikkeling (nagenoeg) gelijk aan die van plek B (2). Met “anders” dan wel “gelijk” bedoel ik: beide ontwikkelingen vertonen wel of niet die kenmerken die door de evolutie theorie bepalend worden geacht voor common ancestry.

Eerst de mogelijkheid van niet het zelfde: er ontstaat een biosfeer (plek A) en een biosfeer accent (plek B).
Op enig moment ontmoeten die biosferen elkaar- noodzakelijkerwijs, de loop der dingen. Er is geen clash of civilizations – de biosferen hebben verschillende manifestaties en dus verschillende behoeftes – er is geen reden voor een struggle for life.
Van een dergelijke ontwikkeling zijn geen sporen te vinden.
Het kan gebeurd zijn, het kan niet gebeurd zijn. Het heeft dan ook geen zin om hierover te speculeren – voor zover het gebeurd is kennen we de specificaties niet. Dat levert in deze discussie ook geen probleem, want het speelt in het denken van de evolutionist community in het algemeen, en in het denken van Theobald versus Koonin en Wolf geen enkele rol.

De andere mogelijkheid: er ontstaat een biosfeer A en een biosfeer B die, zoals logisch verwacht mocht worden – gezien dezelfde rotzooi als beginvoorwaarde en dezelfde begeleidende omstandigheden als ontwikkelingsvoorwaarden – in alle verschijningsvormen overeenkomstig zijn.
Op enig moment ontmoeten die biosferen elkaar- noodzakelijkerwijs, de loop der dingen. Er is een clash of civilizations – de biosferen hebben dezelfde manifestaties en dus overeenkomstige behoeftes – er is alle reden voor een struggle for life. Uiteraard heeft die struggle for life zich voorgedaan, en tot resultaat gehad dat er winnaars en verliezers zijn geweest. Uiteraard, want ik moet hier de theorie van de evolutie volgen, waarvoor voldoende aanwijzingen voorhanden zijn.

Mijn stelling is nu deze. Er is geen enkele aanwijzing die ons inzicht verschaft in welke mogelijkheid zich gemanifesteerd heeft in de natuur. Er is geen enkele aanwijzing die ons inzicht verschaft of de overlevenden van een mogelijke clash enkel uit A, of enkel uit B of uit A én uit B afkomstig zijn.
Geen enkele aanwijzing!
En de enige reden dat Theobald of, om diezelfde reden, Koonin en Wolf, tot de conclusies komen waartoe ze komen is omdat ze maar uitgaan van één scenario, en dat scenario in hun modellen stoppen, in plaats van ook zoiets als een plek A én een plek B op te nemen.
Dat betekent dus dat het geen enkele zin heeft om speculaties in die zin te verheffen tot hypotheses: er wordt in de modelmatige benadering geen rekening gehouden met meerdere ontwikkelingspaden en, voor zover iemand dat zou willen, er zijn geen specifieke aanwijzingen op basis waarvan je een model kunt inrichten.

Er is dus geen enkele uitspraak over UCA of LUCA mogelijk (QED).
Wat mij betreft: het kan gegaan zijn zoals de evolutionist community denkt dat het gegaan is, het kan ook heel anders gegaan zijn.

Enkele aanvullende opmerkingen.

Daar zijn de Ediacara organisms – vindplaatsen zowel boven de evenaar op het westelijk halfrond als onder de evenaar op het oostelijk halfrond – [… looking] very different from anything living today, so it is perhaps not surprising that the nature and affinities of these fossils remain controversial. Naar aanleiding waarvan de paleontologist McMenamin suggereert: … that the path toward intelligent life was embarked upon more than once on this planet.

Uiteraard hoefde het samenkomen van die twee biosferen niet te wachten op de uitwerking van territoriumdrift. Door de klimatologische omstandigheden – cyclonen, vulkanische uitbarstingen, inslagen van meteorieten – zal er in die oertijd veel stof zijn opgewaaid, waardoor er eerder contact kan zijn geweest, tijdens de ontwikkeling van die biosferen, dan dat dat heeft moeten wachten op territoria die naar elkaar toegroeiden.

Volledigheidshalve moet een clash tussen biosfeer A en een daarvan essentieel verschillende biosfeer accent  B overwogen worden. Maar dan, mutatis mutandis, wel een clash met winnaars en verliezers. Ook voor dit scenario geldt dat de afwezigheid van ook maar de geringste aanwijzingen tot terughoudendheid en bescheidenheid noopt bij uitspraken daarover.

 

alkaline hydrothermal vent at Lost City. Atlantic Ocean, Mid-Atlantic Ridge. 2005 July. Credit: IFE, URI-IAO, UW, Lost City Science Party; NOAA/OAR/OER; The Lost City 2005 Expedition.

 

NB’s

In deze post komt panspermia niet ter sprake.
Het is uiteraard ook een mogelijkheid. Maar het zou eigenlijk geen andere vragen oproepen, wanneer Theobald, respectievelijk Koonin en Wolf, hun modellen op panspermia hadden losgelaten.

Er staat hier, als illustratie, ook een plaatje van an ocean environment waar leven zou (kunnen) zijn ontstaan. Een gedachte die gepropageerd is door geochemist Michael Russell, en verder is uitgewerkt door Nick Lane (waarover Marleen geblogged heeft).
Dat plaatje is ook toegevoegd om een probleem te signaleren.
Allereerst weten we niet waar het water vandaan komt, en wanneer het zich als water manifesteerde. Daarnaast weten we niets over de hoeveelheden en de accumulatie daarvan, behalve dan dat de oceanen van betrekkelijk recente datum zijn, zeker in verhouding tot het ontstaan en de ontwikkeling van leven. Even goed denkbaar is dat water ontstaan is als bijproduct van het leven – denk aan metabolisme – waarna het, door de overvloedige aanwezigheid, als accelerator kon optreden.

Eén (onderdeel) van de verklaringen van de tree of life – examples of universal homologies – luidt als volgt: translating RNA into proteins using a three-letter genetic code. Ik denk dat het vooral dit soort taalgebruik is dat evolutiebiologen parten speelt en tot zulke gedachtenspinsels leidt als hierboven besproken. Er wordt uiteraard niks vertaald, en een molecuul die zichzelf wil vermenigvuldigen gaat niet naar de winkel met de mededeling: doet U mij maar een cécégeetje. Wetenschappers die met zulke taal opgevoed worden, raken zo diep in het modelmatige dat ze als vanzelf gaan denken dat je het analoge, continue proces van evolutie in discrete modellen kunt simuleren…. op de voet gevolgd door vooronderstellingen die vervolgens, als selffulfilling backward prophecies, tot prachtige schilderingen van het verleden leiden.

 

De eerste ionenpompen en de oorsprong van leven

Figuur 1: Boven de barrière het zeewater en daaronder de basische waterstroom. Op de grens daarvan en in het gradiënt bevindt zich de eerste benadering van een cel met lekkend membraan waar de OH- en H+ passief door verspreiden. Een eerste protonkanaal exploiteert het gradiënt voor de vorming van ATP of de assimilatie van koolstof door fixatie van CO2. doi:10.1371/journal.pbio.1001926.g002

Nick Lane houdt zich al lang bezig met onderzoek naar de oorsprong van leven in hydrothermale bronnen. Daarover schreef ik verschillende blogs, waaronder deze voorgaande die de hypothese simpel weergeeft. Alkaline hydrothermale bronnen bestaan uit een poreuze schoorsteen waar door de wand een proton gradiënt bestaat. Het basische water met hoog pH (dus weinig H+; de protonen) stroomt door de schoorsteen naar buiten. Aan de buitenkant van de schoorsteen is het pH lager (met relatief hoge concentratie aan H+). Dit verschil zorgt ervoor dat er een gradiënt bestaat tussen de binnenkant en buitenkant van de schoorsteenwand. Nu stelt de hypothese dat zich hier de eerste cellen vormden. Deze konden zich nestelen in de poriën van de wand en gedurende de lange evolutie tijden membranen, RNA/DNA en eiwitten vormen – de basis ingrediënten van cellen.

In hun laatste publicatie, die rijk is aan prachtige illustraties, gaan Nick Lane en medewerkers nog

Rechts de evolutie van bacteriën en links de evolutie van Archaea vanaf LUCA.  doi:10.1371/journal.pbio.1001927.g001

 

verder terug in de tijd en tonen met behulp van modellen voor membranen aan dat er eerste een soort lekkend membraan bestond, waarbij protonen vrijelijk konden passeren. Deze passage of dit gradiënt kon uitgebuit worden door een protonpomp, verbonden aan een ATP-ase die ATP (het universele betaalmiddel in alle organismen) kon produceren of waarbij CO2 geassimileerd en gefixeerd werd. Toch stroomt in deze lekkende cellen het grootste deel van de binnengestroomde protonen snel weg. Ze pasten hun model aan en toonden aan dat een vermindering van de lekkage een sterker gradiënt door de celwand creëert. Deze verbetering ging vermoedelijk samen met het ontstaan van een pomp die zowel natrium als protonen pompte in tegenovergestelde richting – de zogenaamde natrium (sodium) proton antiporter of SPAP. Aangezien lipide membranen minder permeabel zijn voor Na+ permitteerde dit het ontstaan van een gradiënt voor natrium dat uitgebuit kon worden door een ATPase met promiscue activiteit ten aanzien van zowel natrium als protonen zoals het geval is voor primitieve ATPase. Aangezien lipide membranen minder permeabel zijn voor Na+ permitteerde dit het ontstaan van een gradiënt voor natrium dat, samen met het natuurlijk bestaande gradiënt voor H+, uitgebuit kon worden om energie uit op te halen. Deze 60% toename in beschikbare energie, de capaciteit ook in minder sterke gradiënten te kunnen overleven en de beter sluitende membranen zouden de toekomstige cellen in staat moeten stellen andere ecologische niches te bewonen.
De SPAP gaf een groot voordeel gedurende de lekkende fase en bleef een goede uitvinding ook voor de meer sluitende membranen getuige het feit dat de fylogenese van dit eiwit aantoont dat het in LUCA, de laatste gemeenschappelijke universele voorouder van de cellen reeds aanwezig geweest moet zijn. Pas nadat er ook actieve pompen ontstonden werd het voordelig de membranen te dichten. Ook voor dit belangrijke facet hebben de onderzoekers modellen gemaakt. Het voert ver om ook dat helemaal te beschrijven. Het komt erop neer dat de verschillen in membranen tussen twee belangrijke domeinen van het leven, de Archaea en de bacteriën, voortkomen uit LUCA die waarschijnlijk een membraan van eenvoudige vetzuren had. De Archaea en bacteriën tonen elk kleine maar belangrijke verschillen tussen hun membranen, die te herleiden zijn naar een gemeenschappelijke voorouder met een lekkend membraan. Kortom, de identiteit van LUCA wordt volgens deze theorie steeds duidelijker. Hoe dit te rijmen is met het idee dat virussen aan de oorsprong stonden van de cellen en hun DNA zou eens beter belicht kunnen worden. Ook de RNA-wereld, die zijn oorsprong zou hebben in geothermale bronnen, laat zich moeilijk integreren in deze visie van de oorsprong van leven. Het wordt tijd dat wetenschappers als Nick Lane, Eugene Koonin, Patrick Forterre eens met elkaar gaan overleggen.

Het laatste nieuws uit Nature meldt dat men van plan is de zeebodem te gaan ontginnen op mineralen. Dit zou een gevaar kunnen betekenen voor de ecosystemen rondom de hydrothermale bronnen. We beginnen ons net de juiste vragen te stellen en het potentiele studieobject dreigt vernietigd te worden. Dat zou zonde zijn.

Uit: Sojo V, Pomiankowski A, Lane N (2014) A Bioenergetic Basis for Membrane Divergence in Archaea and Bacteria. PLoS Biol 12(8): e1001926. doi:10.1371/journal.pbio.1001926
Nature News: Health check for deep-sea mining. European project evaluates risks to delicate ecosystems.

Een levende zee

Een week geleden was er in Londen een symposium over de oorsprong van het leven. Daar heeft men gedurende een dag gesproken over al het nieuws rond onze laatste gemeenschappelijke voorouder (LUCA = Last Universal Common Ancestor). LUCA wordt in het algemeen gezien als één cel en dan ook nog eens als een enkel exemplaar. Maar het ontstaan van het leven zou wel eens op een heel andere manier gegaan kunnen zijn.

Het mega-organisme: de zee.

Na vele jaren onderzoek is het nog steeds erg moeilijk te bepalen hoe het eerste leven eruit moet hebben gezien. Er zijn geen fossielen van de eerste cellen. Daarom zijn er erg veel verschillende theorieën over. Men ging er vooralsnog van uit dat het om een heel primitieve, eenvoudige cel ging. Er werd daarbij gedacht aan een bacterie. Dat was immers de meest rudimentaire cel die bekend was. Recente studies tonen echter aan dat LUCA reeds een redelijk complexe cel heeft moeten zijn, met eigen organellen. De bacteriën en Archaea zouden daar van afstammen. (Archaea vormen één van de drie domeinen van het leven en zijn net als bacteriën eencellig). Daarbij zouden bacteriën en Archaea een aantal functies of structuren verloren hebben en zo een gestroomlijnde versie van de oorspronkelijke LUCA zijn.

Nu hebben een aantal onderzoekers gekeken naar de stamboom van verschillende eiwitten van uiteenlopende organismen binnen de drie domeinen van het leven ofwel de Archaea, de bacteriën en de eukaryoten (alle planten en dieren zoals wijzelf). Daarbij keken ze naar de driedimensionale structuur van het eiwit in plaats van naar de sequentie. De sequentie kan namelijk enorm veranderen gedurende de evolutie en het is moeilijk daar een stamboom van te maken. Ze konden van zo’n 7 tot 11 % van de eiwitten van 420 organismen bepalen dat deze in al deze organismen voorkomen. Dat betekent dat deze eiwitten ook aanwezig geweest moeten zijn in onze laatste gemeenschappelijke voorouder. Deze eiwitten waren in staat voedingsstoffen af te breken en te assimileren, maar enzymen (katalyserende eiwitten) voor de bouw en het aflezen van het DNA ontbraken.

Als LUCA een cel was dan moet deze ook een membraan gehad hebben. Onderzoekers baseerden zich dit keer op membraaneiwitten om te concluderen dat het een heel simpel membraan moest zijn dat voornamelijk uit isoprenoiden bestond. Deze membranen waren behoorlijk lekkend en veel stoffen bewogen er vrij doorheen. LUCA moet ook organellen gehad hebben aangezien deze in alle drie de domeinen voorkomen.

Aangezien enzymen voor de bouw en het aflezen van DNA ontbraken is het waarschijnlijk dat LUCA geen DNA bezat, maar RNA. Deze laatste macromolecule is erg onstabiel maar er is wel van aangetoond dat deze enzymatische eigenschappen kan hebben. Dit RNA zou op zijn beurt meer kopieën van zichzelf of ander RNA kunnen maken. Er wordt al langer gespeculeerd over een mogelijke RNA-wereld. Dat wil zeggen een wereld waarin RNA de enige molecule was die informatie kon opslaan. De translatie van RNA naar eiwit was niet erg precies en LUCA moet erg slordige kopieer- en translatiemechanismen gehad hebben.

Tot zover LUCA als cel. Het nieuwe aan de gepresenteerde inzichten is dat de primordiale cellen met hun lekkende membranen veel genen en eiwitten uitwisselden. Er bestond als het ware een globale zee aan genetisch materiaal en eiwitten waarvan alle cellen oppikten wat ze nodig hadden, zonder enige vorm van competitie. Deze hele zee was één groot mega-organisme dat overleefde door deze globale distributie van alle benodigde moleculen: een levende zee.

Pas nadat de rudimentaire cellen alles zelf konden produceren waren ze in staat los van de gemeenschap te leven. Dit laatste is ongeveer wat er zo’n 2,9 miljard jaar geleden gebeurd moet zijn ; een moment in de evolutie van het leven dat overeenkwam met het verschijnen van de eerste zuurstof.

Uit NewScientist.

Met dank aan Rob van der Vlugt.

Een pril begin

Na weer enkele nieuwe inzichten volgt hier de laatste versie van het verhaal van de evolutie van onze cellen. Daar is nog veel over te ontdekken en te onderzoeken. Van de evolutie van dieren en planten, die tijdens het Cambrium begon en die ook wel de Cambrische explosie wordt genoemd, heeft men aan de hand van fossielen, en nu ook met DNA-onderzoek, kunnen aantonen hoe zich die voltrok. De evolutie van de meest eenvoudige naar gecompliceerdere cellen daarentegen is eigenlijk pure theorie.

De cellen

Er wordt onderscheid gemaakt tussen twee verschillende soorten cellen. De prokaryoten ofwel cellen zonder celkern en de eukaryoten, de cellen met celkern. Prokaryoten zijn simpel gezegd de bacteriën en zijn minder complex dan eukaryoten. De eukaryoten vormen de autonome cellen ofwel protisten (ééncellige diertjes) en de cellen van alle dieren, planten en schimmels. Behalve de celkern hebben eukaryoten nog veel meer organellen zoals de mitochondriën en het Golgi-apparaat die deze cellen complexer maken dan de bacteriecellen.

Nog niet zo lang geleden ging men er van uit dat de prokaryoten aan de oorsprong stonden van de eukaryoten; dat de prokaryoten ofwel bacteriën de eerste organismen op Aarde waren en dat de complexere eukaryoten daar uit evolueerden. Sinds kort wordt deze theoretische evolutielijn in twijfel getrokken en wordt er gesproken van een eukaryoot als voorouder van al het leven op Aarde. De prokaryoten (bacteriën) zouden daarvan afgeleid zijn als een soort gestroomlijnde, versimpelde afstammeling van de complexe cel. De vraag blijft natuurlijk hoe deze gecompliceerde cel kon bestaan als er nog geen bacteriën waren. De mitochondriën, die kenmerkend zijn voor de eukaryoot, stammen immers af van symbiotische bacteriën. Deze laatste zouden ooit door fagocytose (‘opslokken’) opgenomen zijn door een andere cel om de eukaryoot te vormen.

Recent is er een artikel gepubliceerd waarin een nieuw organel beschreven wordt, een acidocalcisome. Dit organel met bijbehorend enzym (V-H+PPase) is aanwezig in zowel prokaryoten als eukaryoten en suggereert opnieuw dat er voor beide één gemeenschappelijke voorouder bestond.

Het model waarin de eukaryoot de eerste voorouder van onze cellen was, wordt ondersteund door veel Franse wetenschappers

FECA en LECA

zoals Forterre en Labedan, die de eerste eukaryoot een protoeukaryoot noemen. Een onbekende blogger van de Universiteit van Indiana in Bloomington maakt onderscheid tussen een FECA en een LECA. FECA is de First Eucaryotic Common Ancestor en moet een erg simpel organisme geweest zijn dat eerst een celkern of eerst de mogelijkheid tot fagocytose had. LECA is de Last Eucaryotic Common Ancestor en heeft alle kenmerken van een eukaryoot (celkern, mitochondriën, fagocytose, Golgi enz.). Deze blogger schrijft dat het ontstaan van deze eerste cel tussen 0,8 en 3,5 miljard jaar geleden wordt ingeschat. Dat is een erg lange periode. Hijzelf denkt dat het rond de 1,5 miljard jaar geleden geweest moet zijn op basis van fossielvondsten en de moleculaire klok. De fossielenvondsten geven weinig uitsluitsel omdat het microfossielen zijn waarvan men vaak niet eens zeker is of deze ooit levend waren. Het blijft dus een zoeken en werken met theoretische modellen, al zou het onderzoek op protisten meer licht kunnen schijnen op de evolutie van de FECA en LECA.

Wanneer twee genomen elkaar mislopen

Bijna alle levensvormen bezitten twee genomen. Wanneer deze niet goed op elkaar afgestemd zijn kunnen er nare gevolgen zijn zoals snelle veroudering, ziekten als Alzheimer en kanker. Deze twee genomen bestaan uit het nucleair en het mitochondriale genoom. Het nucleair genoom verwijst naar het DNA waar we het doorgaans over hebben als we spreken van ‘de genen’. Maar een minstens zo belangrijk onderdeel van onze cellen zijn de mitochondriën. Ook zij bevatten een weliswaar klein genoom wat exact moet samenwerken met dat van de nucleus.

Hoewel de oceanen op Aarde zuurstofatomen in hun watermoleculen bevatten, was er in eerste instantie nog geen spoor van moleculair zuurstof (O2) te bekennen. De eerste bacteriën waren dan ook verplicht anaeroob. Enkele van deze bacteriën ontwikkelden de mogelijkheid de energie van het zonlicht te gebruiken door middel van fotosynthese. Zij produceerden zuurstof dat voor de anaerobe bacteriën giftig was. Enkele van deze bacteriën die zuurstof schuwden evolueerden de mogelijkheid om deze zuurstof te ademen. Deze laatste bacteriën vormen de voorouders van de mitochondriën. Een aantal werd door cellen verzwolgen en dit revolutioneerde het leven op Aarde; de eerste eukaryoten ofwel de eerste meercelligen konden zodoende ontstaan.*

De eucaryotische cel

Mitochondriën zijn organellen in de cel die verantwoordelijk zijn voor de ademhaling van de cel en het organisme. Alle biologen zijn het er inmiddels over eens dat deze mitochondriën afstammen van endosymbiontische bacteriën. Ze bezitten net als de aerobe bacteriën een elektronentransportketen in hun membraan die uiteindelijk zuurstof reduceert tot water.

Het mitochondrion heeft een eigen genoom. Dit genoom is gereduceerd vergeleken met dat van een bacterie en bevat de meest essentiële genen voor de interne functies van het mitochondrion. Het genoom van de mitochondriën is helemaal afgestemd op dat van de celkern. Beide genomen produceren de eiwitten die in de mitochondriën zorg dragen voor het elektronentransport. Deze eiwitten moeten perfect samenwerken. Is er een kleine discrepantie, veroorzaakt door een puntmutatie bijvoorbeeld, dan lekt het elektronentransport elektronen en worden er vrije radicalen gevormd.

Mitochondriën worden via de moeder doorgegeven in plaats van door beide ouders zoals het geval is met het nucleair genoom. Het mitochondriale genoom of mtDNA kan daarom gebruikt worden om stambomen te herleiden. Het zijn de eicellen die de mitochondriën van het toekomstige organisme bevatten. Deze zijn perfect afgestemd op het DNA van de nucleus. Nick Lane, een expert op het gebied van mitochondriën, beweert dat dit de reden is waarom er bijna uitsluitend twee geslachten bestaan in de planten- en dierenwereld. Eén geslacht, meestal de moeder, draagt behalve de (nucleaire) genen bij aan de mitochondriën en het andere geslacht voegt uitsluitend het vaderlijke deel van de genen toe.

Een groot probleem bij kloneren is het feit dat de mitochondriën van de ontvangende cel helemaal niets te maken hebben met het DNA

Gemuteerd mtDNA

van de nucleus. De celkern wordt immers geïnjecteerd in de eicel. Het is dan te verwachten dat een gekloneerd dier niet oud zal worden. De keten van het elektronentransport lekt natuurlijk en zorgt voor het ontstaan van vele vrije radicalen.

Nu is het mitochondriale genoom onderhevig aan een hoge mutatiesnelheid (3 tot 2,7 x 10^-5 per generatie van 20 jaar) vergeleken met dat van de nucleus (2,5 x 10^-8 per generatie van 20 jaar). Het mitochondriale DNA heeft nauwelijks reparatiesystemen van schade of andere mutaties en de mutatiesnelheid ligt dus hoger vergeleken met dat van de nucleus waar er een uitgebreid arsenaal aan reparatie-enzymen bestaat. Bovendien worden in de mitochondriën de ‘fouten’ makkelijker gefixeerd. Er zijn per cel immers meer mitochondriën en sommige ontbrekende functies in één mitochondrion worden eenvoudigweg getolereerd door de aanwezigheid van andere mitochondriën in dezelfde cel.

Dit betekent dat het mitochondriale genoom behoorlijk uit de pas kan lopen als deze ‘fouten’ accumuleren. Het elektronentransport, waaraan zowel het nucleaire als het mitochondriale genoom bijdragen, kan daardoor vrije radicalen produceren en de veroudering in gang zetten. Raakt een cel teveel beschadigd door al deze vrije radicalen dan wordt het proces van apoptose ingezet, ofwel een zelfmoordprogramma waarbij de cel zichzelf elimineert.

Het verschil in mitochondriën maakt het onmogelijk voor verschillende soorten om tussen elkaar te paren. Het ontstaan van hybriden is daardoor uitgesloten. Het was al lang duidelijk dat mitochondriën verantwoordelijk zijn voor de energiehuishouding van de cel. Sinds een aantal jaren is het duidelijk geworden, dankzij Nick Lane, dat deze organellen ook en vooral van essentieel belang zijn bij soortvorming en veroudering.

*Recent onderzoek wijst uit dat de laatste universele gemeenschappelijke voorouder (LUCA) wel eens complexer zou hebben kunnen zijn dan tot nu toe werd aangenomen en dat deze reeds mitochondriën bezat die in een tweede moment verloren werden door de toekomstige bacteriën.

Uit: NotRocketScience (Ed Yong), Critics on Nick Lane’s: Power, Sex and Suicide, DecodedScience (met dank aan ingStHawk), W.M. Brown et al.

Over reuzenvirussen: een nieuw concept

Sinds de ontdekking van het mimivirus en het mamavirus, twee reuzenvirussen, wordt er opnieuw veel gedebatteerd over het al dan niet rekenen van virussen tot de levende organismen. Patrick Forterre, een microbioloog aan het Instituut Pasteur in Parijs, wijdt er een omvangrijk artikel aan.

Virussen bezitten geen eigen cel en metabolisme waardoor ze cellen moeten infecteren om

Het mamavirus. Hier is de rand van de virusfabriek te zien met bovenin de geproduceerde virusdeeltjes en onderin de virusfabriek.

zich te vermenigvuldigen. Hebben ze de cel eenmaal geïnfecteerd dan kapen ze de hele kopieerfabriek van deze cel om nieuwe kopieën van zichzelf te maken. Dit gebeurt in een duidelijk afgetekende regio van de cel die de virusfabriek genoemd wordt. In 2003 werd het mimivirus ontdekt. Dit enorme virus werd tot dan toe door virusjagers weggezeefd samen met de bacteriën omdat het zo groot is. Dit virus infecteert een amoebe (Entamoeba haemolytica). Het mamavirus, dat nog groter is, werd in 2008 ontdekt en infecteert een andere amoebe (Acanthamoeba polyphaga). Dit mamavirus wordt op zijn beurt geïnfecteerd door een heel klein virusje dat Spoetnik genaamd werd. Spoetnik kaapt de virusfabriek van het mamavirus binnen de geïnfecteerde amoebe. Het mamavirus maakt daardoor foute kopieën van zichzelf en wordt ‘ziek’. Dit is de eerste keer dat er een virofaag ontdekt is. Het feit dat een virus ziek kan worden is voor de onderzoekers een goede reden om virussen tot de levende organismen te rekenen.

mamavirus in een amoebe. De donkere vlek is de virusfabriek. De zwarte stippen zijn de virusdeeltjes.

Patrick Forterre stelt voor het leven in te delen in capside-coderende organismen (virussen ofwel virocellen) en ribosoom-coderende organismen (alle andere organismen ofwel ribocellen). Een virus wordt in zijn afbeeldingen altijd weergegeven als onderdeel van de geïnfecteerde cel. De fase waarin het virus binnen de cel is, zou de levende fase van zijn levenscyclus zijn. Hierbij moet gedacht worden aan levenscyclussen van planten met sporen, waarbij de virions ofwel virusdeeltjes een soort sporen zouden zijn. Er wordt aan virussen een grote rol toebedeeld in de evolutie van het eerste leven (zie ook ‘LUCA en virussen‘). Virussen zouden ontstaan kunnen zijn uit de eerste cellijnen die de ‘struggle for life’ verloren hebben. Slechts een enkele lijn overleefde. De virussen infecteerden ook de afstammelingen van LUCA en liftten zo mee met de eerste winnende cellijnen. Hij legt de nadruk op het feit dat virussen specifieke eiwitten hebben die niet homoloog zijn met eiwitten van (hedendaagse) cellen wat zou kunnen betekenen dat de virussen inderdaad voortkomen uit cellijnen die eerder dan LUCA leefden. Deze specifieke eiwitten zijn onder andere betrokken in het metabolisme van DNA dus virussen zouden aan de oorsprong van het DNA kunnen staan. Er is door andere auteurs ook gesuggereerd dat reuzenvirussen de eerste celkernen vormden.

Het is onmogelijk een boom van leven te maken voor virussen omdat er teveel genen uitgewisseld worden met onder andere plasmiden. Voorlopig blijft de boom van leven zoals we hem nu kennen, maar de wereld van virussen zou gezien kunnen worden als een soort omhulsel van de stam en de vertakkingen.

Uit: National Geographic, Noorderlicht, Nature
en het artikel:
Giant Virusses: Conflicts in Revisiting de Virus Concept.
Patrick Forterre

LUCA en virussen

We zijn gewend te denken aan een boom van leven waarin er bij de stam ‘lage’ organismen voorkomen en bovenaan ‘hogere’ organismen. Zo maken velen nog de fout te beweren dat wij van de aap afstammen, terwijl wij afstammen van een gemeenschappelijke voorouder met de aap. De aap is dus net zo ‘ver’ geëvolueerd als wij mensen. Dit geldt ook voor onze afstamming van de eerste ééncellige. Vaak wordt er gedacht dat alle levende organismen afstammen van een bacterie zoals we die nu kennen. Nu is er een groep Franse wetenschappers die al sinds enige jaren hypothesen formuleert over de wortel van de boom van het leven. Onze laatste gemeenschappelijke voorouder (LUCA; last universal common ancestor) zou niet een bacterie zijn, maar een protoeukaryote. Deze hypothetische cel bevatte een kern met RNA.

De hoofddomeinen van het leven bestaan uit prokaryoten (bacteriën en Archaea) en eukaryoten. De prokaryoten (= ‘vóór’ de celkern) hebben (nog) geen nucleus terwijl de eukaryoten (=’echte’ celkern) deze wel bezitten. Eukaryoten vormen alle ééncellige en meercellige organismen waarvan de cel een nucleus bevat, dat wil zeggen alle organismen die geen bacteriën of Archaea zijn: de schimmels, protozoa, planten en dieren. De term prokaryoten is volgens de auteurs gedateerd omdat de term prokaryoten suggereert dat deze laatste organismen vóór de eukaryoten leefden.

De hypothetische LUCA is volgens de auteurs een cel met een nucleus die in plaats van DNA zoals in alle tegenwoordige eukaryoten een kern met RNA bevatte. Deze hypothese is gebaseerd op de theorie van de RNA-wereld. Van deze protoeukaryoten stammen de eukaryoten en de prokaryoten af. De prokaryoten zouden de eigenschap van de celkern verloren hebben terwijl de eucaryoten deze behouden hebben. Het eerste leven wordt voorgesteld als een gemengde gemeenschap van allerlei verschillende protoeucaryoten die met minichromosen van RNA een nog onduidelijke verhouding hadden tussen fenotype en genotype.

Het RNA zou in deze eerste organismen omgezet zijn in DNA door virussen. Virussen, die

De drie virussen, drie domeinen theorie. Gestippelde lijnen geven RNA cellijnen aan en vette lijnen geven DNA cellijnen aan. FvA, FvB en FvE zijn de grondlegger virussen voor Archaea, Bacteriën en Eukarya resp.

in de RNA-wereld ook uit RNA bestonden en deze eerste cellen infecteerden, vormden DNA zodat hun genetisch materiaal beter bestand was tegen de verdedigingsmechanismen van de cel. Deze hypothese wordt versterkt doordat vele virussen ook vandaag nog genen voor enzymen bevatten die van belang zijn voor de synthese van precursoren van het DNA. Een dergelijk DNA-virus zou zijn litische vermogen kunnen verliezen en permanent in de cel aanwezig kunnen blijven als lineair of circulair chromosomaal element (plasmiden). Via retrotranscriptie zou het cellulaire RNA deel hebben kunnen gaan uitmaken van het groeiende plasmide. Dit DNA zou stabieler zijn en het zou voor de cel een selectief voordeel betekenen al zijn RNA om te zetten in DNA.

Omdat Eukaryoten, Archaea en bacteriën alle drie verschillende ribosomen hebben wordt er voorgesteld dat ze afstammen van protoeucaryoten die ooit door drie verschillende virussen geïnfecteerd werden. Het gaat hier duidelijk om theorieën die goed kunnen verklaren hoe er drie zulke verschillende domeinen van de boom van het leven konden ontstaan uit één gemeenschappelijke voorouder. Tot nu toe was men daar nog niet in geslaagd.

Uit: Three RNA cells for ribosomal lineages and three DNA viruses to replicate their genomes: A hypothesis for the origin of cellular domain.
Patrick Forterre

The Last Universal Common Ancestor: emergence, constitution and genetic legacy of an elusive forerunner
Nicolas Glansdorff, Ying Xu and Bernard Labedan

In deze context is het interessant om ook een voorgaand bericht te lezen over Planctomyceten. Dit bericht verscheen eerder op het Volkskrantblog dat per 1 maart 2011 sluit.

LUCA en virussen

We zijn gewend te denken aan een boom van leven waarin er bij de stam ‘lage’ organismen voorkomen en bovenaan ‘hogere’ organismen. Zo maken velen nog de fout te beweren dat wij van de aap afstammen, terwijl wij afstammen van een gemeenschappelijke voorouder met de aap. De aap is dus net zo ‘ver’ geëvolueerd als wij mensen. Dit geldt ook voor onze afstamming van de eerste ééncellige. Vaak wordt er gedacht dat alle levende organismen afstammen van een bacterie zoals we die nu kennen. Nu is er een groep Franse wetenschappers die al sinds enige jaren hypothesen formuleert over de wortel van de boom van het leven. Onze laatste gemeenschappelijke voorouder (LUCA; last universal common ancestor) zou niet een bacterie zijn, maar een protoeukaryote. Deze hypothetische cel bevatte een kern met RNA.

 

De hoofddomeinen van het leven bestaan uit prokaryoten (bacteriën en Archaea) en eukaryoten. De prokaryoten (= ‘vóór’ de celkern) hebben (nog) geen nucleus terwijl de eukaryoten (=’echte’ celkern) deze wel bezitten. Eukaryoten vormen alle ééncellige en meercellige organismen waarvan de cel een nucleus bevat, dat wil zeggen alle organismen die geen bacteriën of Archaea zijn. De term prokaryoten is volgens de auteurs gedateerd omdat de term prokaryoten suggereert dat deze laatste organismen vóór de eukaryoten leefden.

 

De drie virussen, drie domeinen theorie. Gestippelde lijnen geven RNA cellijnen aan en vette lijnen geven DNA cellijnen aan. FvA, FvB en FvE zijn de grondlegger virussen voor Archaea, Bacteriën en Eukarya resp. Uit artikel van Patrick Forterre (zie onderaan).

De hypothetische LUCA is volgens de auteurs een cel met een nucleus die in plaats van DNA zoals in alle tegenwoordige eukaryoten een kern met RNA bevatte. Deze hypothese is gebaseerd op de theorie van de RNA-wereld. Van deze protoeukaryoten stammen de eukaryoten en de prokaryoten af. De prokaryoten zouden de eigenschap van de celkern verloren hebben terwijl de eucaryoten deze behouden hebben. Het eerste leven wordt voorgesteld als een gemengde gemeenschap van allerlei verschillende protoeucaryoten die met minichromosen van RNA een nog onduidelijke verhouding hadden tussen fenotype en genotype.

 

Het RNA zou in deze eerste organismen omgezet zijn in DNA door virussen. Virussen, die in de RNA-wereld ook uit RNA bestonden en deze ‘jonge’ cellen infecteerden, vormden DNA omdat dit beter bestand was tegen de verdedigingsmechanismen van de cel. Deze hypothese wordt versterkt doordat vele virussen ook vandaag nog genen voor enzymen bevatten die van belang zijn voor de synthese van precursoren van het DNA. Een dergelijk DNA-virus zou zijn litische vermogen kunnen verliezen en permanent in de cel aanwezig kunnen blijven als lineair of circulair chromosomaal element (plasmiden). Via retrotranscriptie zou het cellulaire RNA deel hebben kunnen gaan uitmaken van het groeiende plasmide. Dit DNA zou stabieler zijn en het zou voor de cel een selectief voordeel betekenen al zijn RNA om te zetten in DNA.

 

Omdat Eukaryoten, Archaea en bacteriën alle drie verschillende ribosomen hebben wordt er voorgesteld dat ze afstammen van protoeucaryoten die ooit door drie verschillende virussen geïnfecteerd werden. Het gaat hier duidelijk om theorieën die goed kunnen verklaren hoe er drie zulke verschillende domeinen van de boom van het leven konden ontstaan uit één gemeenschappelijke voorouder. Tot nu toe was men daar nog niet in geslaagd.

 

Uit:

 

Three RNA cells for ribosomal lineages and three DNA viruses to replicate their genomes: A hypothesis for the origin of cellular domain

Patrick Forterre

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1450140/

 
The Last Universal Common Ancestor: emergence, constitution and genetic legacy of an elusive forerunner
Nicolas Glansdorff, Ying Xu and Bernard Labedan
http://www.biology-direct.com/content/3/1/29#B11

Het laatste stukje van de puzzel

Primordial soup – art from Fippy Populosa

In het begin waren er Ida en Luca. Ida (the initial Darwinian ancestor) was de eerste molecuul die in staat was tot zelfreplicatie. Deze molecuul maakte vele kopieën van zichzelf, ontwikkelde de eigenschap genetische informatie op te slaan, wat uiteindelijk leidde naar het ontstaan van Luca (last universal common ancestor). Deze laatste gemeenschappelijke voorouder maakte waarschijnlijk gebruik van een RNA molecuul. RNA kan namelijk kopieën van zichzelf maken zonder gebruik van een catalysator. Het is lang de vraag geweest hoe zich spontaan strengen van oligonucleotiden, oftewel RNA, konden vormen vanuit losse nucleotiden. Ernesto Di Mauro toont aan dat dit spontaan kan gebeuren. In het on-line wetenschapsjournal NewScientist wordt zijn baanbrekend werk binnen de oorsprong van genetisch materiaal en het leven geplaats; de puzzel is nu opgelost.

Twee weken geleden gaf Ernesto Di Mauro een lezing aan de Universiteit van Padova. In een voorgaand bericht heb ik daar verslag van gedaan. Dit bericht is een vervolg op het voorgaande en plaatst het werk van Di Mauro in breder perspectief.

RNA kan als enzyme te werk gaan. Dit betekent dat het metabolisme al kon aanvangen voordat er proteïnen bestonden. Luca ontstond zo’n 4 miljard jaar geleden, een half

Van internet. RNA-code

miljard jaar na het ontstaan van de Aarde. Deze eerste vorm van leven gebruikte waarschijnlijk RNA-moleculen zowel als drager van genetische informatie als vorm van enzyme.
De genetische code is gebaseerd op codons. De vier nucleotiden A,U (of T in DNA), C en G bepalen de volgorde en worden door ribosomen gelezen in codons van drie nucleotiden. Elk codon correspondeert met een aminozuur. De ribosomen lezen de genetische code af en vormen naar gelang de codons voorbijschuiven een keten van aminozuren, ofwel een proteïne. Een recente studie toont aan dat deze code voor elk aminozuur bepaald wordt door een bijzonder hoge affiniteit van het specifieke aminozuur voor het corresponderende codon. Dit proces baseerde zich uitsluitend op eenvoudige chemische mechanismen. De code die Luca kenmerkte geldt nu nog voor al het leven, van dinosaurus tot gist, van plant tot mens.

De vraag die tot nu toe open bleef is hoe Ida lange ketens van RNA kon vormen vanaf

Van internet: cyclisch GMP: de fosfaatgroep vormt een ring met het suiker

losse nucleotiden. Al lang wordt er gesproken van een ‘missing link’: een catalysator die van nucleotiden een keten van RNA kan vormen. En hier komt het onderzoek van de groep van Ernesto Di Mauro naar voren. Hij toont aan dat cyclische nucleotiden, die chemische varianten zijn van nucleotiden, zonder catalysator in warm water (van 40°C tot 90°C) RNA-strengen kunnen vormen. Cyclische nucleotiden kunnen net zo makkelijk in een primordiale omgeving voorkomen als gewone nucleotiden.

Deze reacties konden zich voordoen in de hete thermale bronnen of beter in de rustig bubbelende alkalische bronnen op de bodem van de oceaan. (Zie een voorgaand blog). Daar bestaat geen experimenteel bewijs voor, maar recentelijk ontdekte eigenschappen van de bronnen tonen aan dat er kleine ‘microcellen’ in de structuur van deze bronnen bestaan die een micro-omgeving creëren waar zich deze chemische reacties afgespeeld kunnen hebben. Het RNA vormde zich, kopieerde zich, codeerde voor aminozuren en vanaf dat moment nam het leven haar aanloop.