Złożone życie może być o miliard lat starsze niż sądziliśmy

Od dawna wiadomo, że życie na Ziemi dzieli się na dwie wielkie grupy: prokarionty i eukarionty. Prokarionty – bakterie i archeony, które pojawiły się około 4 mld lat temu – to komórki stosunkowo proste, zbudowane głównie z błony i swobodnie unoszącego się DNA. Eukarionty są znacznie bardziej skomplikowane: mają jądro, wyspecjalizowane organelle oraz delikatną sieć błon wewnętrznych i obejmują wszystkie rośliny, grzyby oraz zwierzęta.

Od lat trwają spory o to, kiedy i w jakiej kolejności wykształciły się kluczowe elementy eukariontów. Szczególnie gorącym punktem dyskusji są mitochondria – „elektrownie” komórki, które przekształcają energię zawartą w glukozie w ATP napędzające procesy życiowe.

Zegar molekularny cofa historię komórek

Uważa się, że mitochondria były kiedyś wolno żyjącą bakterią, która weszła do wnętrza innej komórki i z czasem zlała się z gospodarzem. Nie było jednak jasne, czy to właśnie ten symbiotyczny „sojusz” zapoczątkował drogę ku złożoności, czy też pojawił się dopiero w już częściowo złożonej komórce.

Aby to rozstrzygnąć, zespół kierowany przez paleobiologa Christophera Kaya z University of Bristol przeprowadził analizę zegara molekularnego genów u setek organizmów. Badacze porównali sekwencje DNA i zestawili je ze znanymi skamieniałościami, budując drzewo życia, na którym można nanieść przybliżone daty pojawienia się określonych cech.

„Nasze podejście było dwuetapowe: zebraliśmy sekwencje od setek gatunków i połączyliśmy je z zapisem kopalnym, tworząc drzewo życia z osią czasu. Potem wykorzystaliśmy tę ramę, by lepiej określić moment pojawienia się zdarzeń w historii poszczególnych rodzin genów” – wyjaśnia Tom Williams, biolog ewolucyjny z University of Bath.

Pierwsze kroki ku złożoności przed 3 mld lat

Zespół skupił się na genach odróżniających eukarionty od prokariontów i na tej podstawie odtworzył kolejność powstawania eukariontycznych cech. Wyniki okazały się zaskakujące. Najwcześniejsze ślady charakterystycznych genów pojawiają się około 2,9-3 mld lat temu. To wtedy w zapisie ewolucyjnym widać pierwsze sygnały rozwoju białek aktyny i tubuliny, prostego cytoszkieletu oraz najwcześniejszych cech zalążkowego jądra komórkowego.

Później, według autorów pracy, nastąpiły zmiany prowadzące do powstania błon cytoplazmatycznych, aparatu Golgiego i bardziej złożonych systemów regulacji ekspresji genów. Innymi słowy, spora część „wewnętrznej architektury” komórki zaczęła się kształtować na długo przed pojawieniem się mitochondriów.

Długa droga do świata eukariontów

Same mitochondria w tym scenariuszu pojawiają się stosunkowo późno, około 2,2 mld lat temu. Ten moment dobrze pokrywa się z okresem, gdy w ziemskiej atmosferze gwałtownie rośnie stężenie tlenu, co mogło dać eukariontom dodatkowy energetyczny „zastrzyk” potrzebny do dalszego rozwoju.

Nowe datowanie sugeruje więc, że eukarionty zaczęły ewoluować w kierunku złożoności w środowisku ubogim w tlen, a dopiero później skorzystały z „okna możliwości”, jakie otworzyła zmiana warunków na Ziemi. Mitochondria mogły wtedy dać im przewagę, która pozwoliła rozwinąć większe ciała, bardziej złożone cykle życiowe i bogatsze sieci ekologiczne.

Praca opublikowana na łamach „Nature” wskazuje, że granica między „prostym” a „złożonym” życiem jest mniej wyraźna, niż sądziliśmy. Zamiast nagłego pojawienia się w pełni ukształtowanych eukariontów widzimy długi, etapowy marsz ku złożoności, rozciągnięty na setki milionów lat, co może zmienić sposób, w jaki szukamy śladów złożonego życia w najstarszych skałach Ziemi i w przyszłości być może także na innych planetach.