A timeline for evolution of metabolism in early microbes

Lang voordat mensen over de aarde liepen, en lang voordat de eerste bossen of oceanen zoals wij die kennen bestonden, werd de planeet gevormd door microscopisch leven. Deze vroege microben waren niet slechts bewoners; zij waren de architecten van de chemie van onze wereld. Door de chemische reacties die zij uitvoerden om in leven te blijven, gaven zij gassen af, braken zij gesteente af en vulden zij uiteindelijk de atmosfeer met zuurstof, wat de basis legde voor al het complexe leven dat volgde. Wetenschappers proberen al lang de geschiedenis van deze minuscule organismen te ontrafelen, specifiek wanneer zij het vermogen ontwikkelden om verschillende soorten metabolisme uit te voeren — de chemische processen die energie omzetten in leven. De bewijslast is echter vaak vaag. Gestonnen van miljarden jaren geleden kunnen soms een hint geven naar deze oude activiteiten, maar het verslag zit vol hiaten en ambiguïteiten. Sommige metabolische processen laten helemaal geen sporen na in steen, waardoor onderzoekers zich afvragen wanneer en hoe de eerste microben leerden te eten, ademen en groeien.

Om dit puzzelstuk op te lossen, heeft een onderzoeker zich tot de digitale archieven van het moderne leven gewend. Door de genetische blauwdrukken van honderden levende bacteriën en archaea te analyseren, heeft hij een nieuwe tijdlijn voor de evolutie van het metabolisme opgesteld. Zijn werk suggereert dat deze levensonderhoudende chemische processen niet willekeurig in de loop van de tijd verschenen, maar eerder in drie duidelijke golven arriveerden. De eerste golf, die meer dan 3,4 miljard jaar geleden plaatsvond, omvatte eenvoudige, zuurstofvrije methoden voor het genereren van energie. Een tweede golf, beginnend rond 3,2 miljard jaar geleden, introduceerde complexere processen, inclusief die welke uiteindelijk leidden tot het gebruik van zuurstof. De laatste golf, die ongeveer 1,4 miljard jaar geleden begon, bracht gespecialiseerde vormen van metabolisme voort die in minder organismen voorkomen. Deze tijdlijn, geconstrueerd door computer modellen te combineren met de geschiedenis van het leven, komt nauw overeen met de meest betrouwbare data gevonden in oude gesteenten, wat een duidelijker beeld geeft van hoe onze planeet leefbaar werd.

De onderzoeker begon zijn werk met het verzamelen van de genetische data van 700 verschillende moderne microben. Hij behandelde deze genomen als een historisch verslag, uitgaande van de veronderstelling dat de genen die vandaag de dag in levende organismen aanwezig zijn, afstammen van hun oude voorouders. Met behulp van krachtige computerprogramma's reconstrueerde hij de genetische functies van deze voorouders, waarbij hij effectief terugwerkte om te voorspellen welke genen de vroegste levensvormen bezaten. Vervolgens paste hij twee verschillende computationele hulpmiddelen toe op deze gereconstrueerde genen. Eén hulpmiddel maakte gebruik van een machine learning-benadering, getraind op moderne organismen, om te raden of een oer-microbe een specifieke taak kon uitvoeren op basis van zijn genetische opbouw. Het tweede hulpmiddel bracht de genen in kaart tegen bekende chemische netwerken om te zien of de noodzakelijke machinerie voor een specifieke metabolische route aanwezig was. Door deze hulpmiddelen over hun evolutionaire boom te draaien, konden zij vaststellen wanneer specifieke eigenschappen, zoals het vermogen om voedsel te fermenteren of zwavelverbindingen te ademen, voor het eerst verschenen.

De resultaten onthulden een duidelijk patroon van drie evolutionaire golven. De vroegste golf, beginnend ruim 3,4 miljard jaar geleden, werd gedomineerd door anaerob leven — organismen die gedijden zonder zuurstof. Deze vroege microben vertrouwden op fermentatie en de respiratie van zwavelverbindingen om energie te genereren. Deze periode valt samen met het eerste breed geaccepteerde chemische bewijs van microbieel leven in de gesteenterecord. De tweede golf begon rond 3,2 miljard jaar geleden en markeerde een significante verschuiving naar aerobe diversificatie. Dit tijdperk zag de opkomst van aerobe respiratie, het vermogen om zuurstof te gebruiken voor energie, gevolgd door de opkomst van aerobe groei. Het omvatte ook de verschijning van andere complexe kenmerken zoals stikstoffixatie en zuurstofhoudende fotosynthese, het proces dat uiteindelijk de atmosfeer vulde met de zuurstof die wij vandaag de dag inademen. De derde golf, die veel later verscheen rond 1,4 miljard jaar geleden, werd gekenmerkt door specialisatie. Tijdens deze tijd ontwikkelden microben zeer specifieke metabolische vermogens, zoals het vermogen om selenium of chloraat te respireren, die in minder lineages voorkomen en een meer verfijnd stadium van de evolutionaire geschiedenis vertegenwoordigen.

De onderzoeker testte de betrouwbaarheid van zijn door de computer gegenereerde tijdlijn door deze te vergelijken met onafhankelijke data afgeleid uit de geologische verslagen. Hij vond een sterke overeenstemming tussen zijn voorspellingen en de meest conservatieve, breed geaccepteerde data uit oude gesteenten. Bijvoorbeeld, zijn model voorspelde de opkomst van zwavelgebaseerde respiratie en aerobe groei op momenten die overeenkomen met het oudste betrouwbare geochemische bewijs. Deze overeenstemming suggereert dat zijn methode robuust is en dat de tijdlijn niet slechts een product is van de computermodellen, maar werkelijke historische gebeurtenissen weerspiegelt. De studie benadrukte ook dat sommige vormen van metabolisme, die geen sporen achterlaten in de gesteenterecord, nu gedateerd kunnen worden met deze genetische benadering. Dit stelt wetenschappers in staat om de hiaten in de geschiedenis van de Aarde in te vullen met een niveau van detail dat voorheen onmogelijk was.

Hoewel de tijdlijn een sterk kader biedt, erkent de onderzoeker dat het niet het laatste woord is. Zijn model vertrouwt op de enzymen die vandaag de dag bestaan en kan geen rekening houden met metabolische processen die zonder enzymen plaatsvonden of die werden uitgevoerd door organismen die inmiddels uitgestorven zijn. Deze beperking zou kunnen verklaren waarom zijn tijdlijn suggereert dat sommige processen iets later verschenen dan de oudste, meest controversiële geochemische aanwijzingen. Bijvoorbeeld, het model plaatst de oorsprong van stikstoffixatie later dan wat sommige gesteenteverslagen suggereren, hoewel de datum dichter bij de geologische verslagen komt te liggen wanneer de onderzoeker zijn criteria voor wat een volledig metabolisch systeem vormt, aanpaste. Ondanks deze nuances slaagde de studie erin om verschillende bewijslijnen te verzoenen, door de fossiele verslagen, de chemische geschiedenis van gesteenten en de genetische geschiedenis van het leven samen te brengen. Het biedt een allesomvattend beeld van hoe het microbiële metabolisme evolueerde, waardoor een stille, chemische wereld werd getransformeerd in de vitale, zuurstofrijke planeet waarin wij vandaag de dag leven.