Leven op aarde ontstond mogelijk twee keer

William Martin, de hoofdonderzoeker van de studie, vat het idee samen als: “We kijken naar één oorsprong van de genetische code, maar naar twee oorsprongen van het leven” .

LUCA was mogelijk nog niet volledig zelfstandig

In de klassieke voorstelling staat LUCA aan de basis van één levensboom, als het organisme waaruit alle latere levensvormen zijn voortgekomen. De nieuwe analyse maakt dat beeld minder eenduidig.

De onderzoekers vergeleken genomen uit de belangrijkste groepen bacteriën en archaea. Daarbij volgden ze de evolutionaire geschiedenis van enzymen die de kern van de stofwisseling aandrijven: de chemische reacties waarmee uit eenvoudige stoffen als waterstof, koolstofdioxide, ammoniak en fosfaat onder meer aminozuren, RNA-basen en cofactoren worden opgebouwd .

Volgens hun reconstructie bezat LUCA enzymen voor slechts ongeveer de helft van de circa 420 onderzochte kernreacties. De overige reacties werden niet door enzymen uitgevoerd, maar door metalen die van nature aanwezig waren in een omgeving met hydrothermale bronnen, waaronder ijzer, nikkel en kobalt .

Dat zou betekenen dat LUCA zijn stofwisseling niet volledig zelfstandig kon onderhouden. In plaats van een vrij levende cel was het mogelijk een voorcellulaire entiteit die afhankelijk bleef van de geochemische omgeving.

“De verrassing is dat de enzymen die deze reacties katalyseren niet behouden zijn gebleven aan weerszijden van de evolutionaire scheiding tussen bacteriën en archaea”, zei Martin tegen Scientific American .

Vier stappen van vroege katalyse

De onderzoekers reconstrueren een ontwikkeling in vier fasen, waarin chemische reacties geleidelijk verschoven van zuiver geologische naar biologische katalyse :

1. Reacties die uitsluitend door metalen werden gekatalyseerd. In de vroegste fase konden anorganische metalen eenvoudige stofwisselingsreacties ondersteunen.
2. Een hybride fase van metaal en enzymen. LUCA beschikte al over enkele primitieve enzymen, maar bleef voor veel essentiële reacties afhankelijk van metalen uit de omgeving.
3. De evolutionaire splitsing. De voorlopers van bacteriën en archaea begonnen uiteen te groeien en namen elk een gedeeltelijke enzymatische uitrusting van LUCA mee.
4. Onafhankelijke ontwikkeling van enzymen. Beide lijnen ontwikkelden afzonderlijk nieuwe, structureel verschillende enzymen die de ontbrekende metaalreacties konden vervangen.

Juist die laatste stap vormt de kern van het argument. Als bacteriën en archaea dezelfde stofwisselingsproblemen afzonderlijk oplosten met verschillende enzymen, wijst dat erop dat beide groepen na hun splitsing onafhankelijk de overgang naar autonome, vrij levende cellen maakten .

Hoe kon vroege stofwisseling werken zonder ATP?

Moderne cellen gebruiken ATP, adenosinetrifosfaat, als universele energiedrager. Maar ATP is zelf een complex molecuul dat door enzymen wordt geproduceerd. Op een aarde waarop nog geen leven bestond, kon het dus niet zomaar als kant-en-klare energiebron beschikbaar zijn.

De studie wijst op fosfiet, een vorm van fosfor die in hydrothermale omgevingen kan voorkomen. Wanneer fosfiet in water reageert met organische verbindingen en daarbij wordt gekatalyseerd door natuurlijk palladium, kunnen volgens het voorgestelde model fosforyleringsreacties ontstaan. Zulke reacties zouden vroege stofwisseling hebben kunnen aandrijven voordat enzymen en ATP bestonden .

Dit is een plausibele chemische route van geochemie naar biochemie, maar nog geen bewezen reconstructie van wat er miljarden jaren geleden daadwerkelijk gebeurde.

Van levensboom naar levensstruik

Het traditionele beeld zet LUCA onderaan één stam, waaruit vervolgens alle takken van het leven ontspringen. De nieuwe bevindingen suggereren een ander model :

• Eén oorsprong van de genetische code. Alle huidige levensvormen delen een genetische erfenis van LUCA, waaronder de basis van DNA, RNA en de productie van eiwitten.
• Twee oorsprongen van vrij levend leven. De overgang van niet-levende chemie naar autonome, zelfonderhoudende cellen vond mogelijk tweemaal plaats: eenmaal in de bacteriële lijn en eenmaal in de archaeale lijn.

De levensboom lijkt in dat scenario eerder op een struik met twee afzonderlijke stammen die uit een gedeelde, nog niet volledig levende basis voortkomen. De auteurs formuleren hun conclusie nadrukkelijk: de bacteriële en archaeale lijnen gingen onafhankelijk over naar een vrij levende toestand. Volgens hun definitie zijn alleen vrij levende cellen daadwerkelijk levend. Het gaat dan om één oorsprong van de genetische code, maar om twee oorsprongen van het leven .

Wat betekent dit voor de zoektocht naar buitenaards leven?

Als de overgang naar leven op aarde meer dan één keer kon plaatsvinden, heeft dat gevolgen voor de astrobiologie. Het kan erop wijzen dat de stap van niet-levende chemie naar leven minder onwaarschijnlijk is dan vaak wordt aangenomen.

De omgekeerde mogelijkheid blijft echter eveneens open: misschien was juist een zeer specifieke omgeving nodig, zoals de metaalrijke chemie rond hydrothermale bronnen . Dan zou de dubbele oorsprong niet betekenen dat leven overal gemakkelijk ontstaat, maar dat bepaalde geologische omstandigheden meerdere keren een vergelijkbare evolutionaire doorbraak kunnen ondersteunen.

Belangrijke kanttekeningen

De studie is opvallend, maar de conclusie is nog niet definitief. De analyse steunt sterk op genetische gegevens van bacteriën. Archaea zijn minder uitgebreid bemonsterd, en ontbrekende gegevens kunnen de reconstructie beïnvloeden.

Ook de voorgestelde rol van fosfiet en palladium is voorlopig een aannemelijk chemisch model, geen bewezen route uit de vroege aardgeschiedenis . Er zijn nog geen laboratoriumexperimenten uitgevoerd die de volledige overgang van metaalgekatalyseerde reacties naar een door enzymen aangedreven stofwisseling in een synthetisch systeem aantonen.

Toch biedt het onderzoek een van de gedetailleerdste reconstructies tot nu toe van de manier waarop de vroegste stofwisselingsnetwerken kunnen zijn opgebouwd. Het oorsprongsverhaal van het leven blijkt daarmee mogelijk minder rechtlijnig, meer afhankelijk van omstandigheden en nog opmerkelijker dan het klassieke beeld van één enkele eerste cel doet vermoeden.