Die Frage "Wie genau hat das Leben begonnen?" ist eines der größten Geheimnisse der modernen Wissenschaft. Während die meisten Wissenschaftler glauben, dass sich alle Lebensformen aus einem gemeinsamen primitiven alten Mikroorganismus entwickelt haben, enden die Details dort. Welche Art von Genen besaß diese Lebensform und wo lebte sie? Eine neue in Nature Microbiology veröffentlichte Studie beleuchtet den Ursprung und die Entwicklung dieses alten Organismus.
Erfahrene Wissenschaftler, die sich für den Ursprung des Lebens interessieren, gehen dieses Problem normalerweise auf zwei verschiedene Arten an. Einer von ihnen ist ein Bottom-up-Ansatz, bei dem sie versuchen, sich vorzustellen, wie lange das Leben her ist, und dann die Hauptstadien seiner Entstehung im Labor nachbilden. Ein alternativer Top-Down-Ansatz besteht darin, moderne Zellen zu analysieren und "abzuschneiden", um sie zu vereinfachen und wichtige Schritte in der Entwicklung der Zellkomplexität abzuleiten.
Informatiker, die versuchen, dieses Problem zu lösen, nutzen riesige Datenmengen, die als Ergebnis der Revolution entstanden sind - die DNA-Sequenzierung. Es hat Wissenschaftler mit Informationen über die Genome von Organismen überflutet, von Bakterien bis hin zu Menschen. Sie können Informationen über die DNA-Sequenzen primitiver Zellen verbergen - die ersten Zellen auf dem Planeten, die den modernen genetischen Code verwenden -, die über Milliarden von Generationen weitergegeben wurden.
Der "letzte universelle gemeinsame Vorfahr" ist hypothetisch eine der allerersten Zellen, aus denen alles Leben auf der Erde stammt. Die Beziehung zwischen diesem Vorfahren und modernen Organismen wird oft als Evolutionsbäume dargestellt, deren erste bekannte Beispiele auf Charles Darwin zurückgehen.
Die DNA-Sequenzierung bietet ein hervorragendes und hoch quantitatives Maß für die genetische Konnektivität, das die gesamte Biologie durchdringt. Fast alle Organismen auf dem Planeten verwenden den gleichen Code aus vier Basen A, C, G und T. Daher könnte es im Prinzip verwendet werden, um Evolutionsbäume allen Lebens zu bauen. Wir wissen, dass bestimmte Gene zu Beginn des zellulären Lebens existierten und von allen nachfolgenden Lebensformen vererbt wurden. Im Laufe von vier Milliarden Jahren haben sich Kopien von beispielsweise einem kleinen 16S-rRNA-Gen im Verlauf zufälliger Mutationen in einzelnen Linien, die zu unterschiedlichen Lebensformen geführt haben, allmählich verändert. Daraus folgt, dass jeder von ihnen eine charakteristische Sequenz aufweist, die bei neu entwickelten Organismen ähnlich sein wird, bei Stammbäumen jedoch immer unterschiedlicher wird.die früher auf dem evolutionären Segment erschien.
Die ersten Analysen dieser „universellen“DNA-Sequenzen, die vor etwa 30 Jahren durchgeführt wurden, führten zu signifikanten Änderungen in unserer Einschätzung der Vielfalt des Lebens auf der Erde und insbesondere der Vielfalt einzelliger Organismen ohne Kerne (Prokaryoten). Sie haben auch eine ganz neue Domäne des prokaryotischen Lebens herausgegriffen, die jetzt Archaea heißt.
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Versuche, wirklich universelle Bäume zu entwickeln, die den Ursprung aller modernen Zellen ihrer letzten universellen Vorfahren bestimmen, wurden durch eine Reihe technischer Probleme eingeschränkt. Ein Problem ist die große Anzahl von Gruppen, die sich von Anfang an voneinander getrennt haben. Darüber hinaus können Bakterien auch Gene miteinander austauschen, was die Bestimmung ihrer Herkunft erschwert.
Wasserstofffresser?
In der neuen Studie verwendeten die Forscher eine clevere, hochmoderne Methode, um sequenzierte prokaryotische Gene in Familien zu organisieren. Dann suchten sie nach Ähnlichkeiten und Mustern in allen Bakteriengruppen und fanden einen kleinen Satz von Genen, die sowohl in Archaeen als auch in Bakterien vorhanden waren. Wissenschaftler konnten zeigen, dass diese Gene höchstwahrscheinlich direkt von einem gemeinsamen Vorfahren geerbt wurden und nicht durch Austausch erhalten wurden.
Dieses Ergebnis ist signifikant, da es die spezifischen Gruppen von Bakterien (Clostridien) und Archaeen (Methanogene) identifiziert, die frühe Versionen dieser Gene tragen, und darauf hinweist, dass sie sehr alt sind und möglicherweise den allerersten Organismen ähneln, die zu getrennten Abstammungslinien von Bakterien geführt haben. und Archaeen.
Noch wichtiger ist, dass die Natur der überlebenden Gene eine erstaunliche Geschichte über die Umgebung erzählt, in der ihr letzter Vorfahr lebte - einschließlich der Art und Weise, wie er Energie erhielt. Untersuchungen zeigen, dass die Welt, in der diese Organismen vor vier Milliarden Jahren lebten, sich sehr von unserer unterschied. Es war kein Sauerstoff verfügbar, aber wenn Sie den Genen glauben, erhielt der gemeinsame Vorfahr Energie aus Wasserstoff, der anscheinend durch die geochemische Aktivität der Erdkruste erzeugt wurde. "Inerte" Gase, einschließlich Kohlendioxid und Stickstoff, bildeten die Grundbausteine für die Herstellung aller zellulären Strukturen. Eisen war im Überfluss verfügbar, und der Mangel an Sauerstoff verwandelte es nicht in unlöslichen Rost, so dass dieses Element von Enzymen in der ersten Zelle verwendet wurde. Es wird angenommen, dass einige der Gene an der Anpassung an hohe Temperaturen beteiligt waren.was etwas anderes nahelegt: Organismen, die sich in einer hydrothermalen Umgebung entwickelt haben - ähnlich wie moderne hydrothermale Quellen oder heiße Quellen, in denen Bakterien immer noch gerne leben.
Ohne eine Zeitmaschine können wir diese Ergebnisse leider nicht direkt überprüfen. Solche Informationen sind jedoch von großem Interesse, insbesondere für Wissenschaftler, die versuchen, die Formen des primitiven Lebens nachzubilden. Es ist beängstigend zu glauben, dass unsere ersten Vorfahren (die allerersten) auf Sauerstoff verzichteten.
Ilya Khel
