De oorsprong van het leven

Duitse biologen hebben experimenteel bewezen dat transport RNA-moleculen het belangrijkste element kunnen worden in de evolutie van vroege levensvormen. Onder bepaalde omstandigheden kunnen ze zich verzamelen in functionele eenheden die genetische informatie exponentieel reproduceren.

De overdracht van genetische informatie wordt achtereenvolgens uitgevoerd: eerst van DNA naar RNA (dit proces wordt transcriptie genoemd) en vervolgens wordt eiwitsynthese (vertaling) gerealiseerd op de RNA-matrix. In een operatie die bekend staat als replicatie, dupliceren eiwitten genetische informatie die is gecodeerd in DNA-moleculen en opgeslagen in de celkern, verdelen ze deze gelijkmatig tussen twee dochtercellen tijdens de deling en herhaalt het proces zich.

De paradox van het centrale dogma van de moleculaire biologie is dat al in het eerste stadium complexe eiwitverbindingen-enzymen fungeren als transcriptiekatalysatoren: in een bepaald gedeelte wordt de dubbele DNA-helix ontwikkeld onder de werking van enzymen en wordt een van de ketens een matrix Voor het bouwen van de zogenaamde matrix, of informatief RNA (mRNA), dat vervolgens deelneemt aan de vertaling.

Dat wil zeggen, op moleculair niveau rijst de eeuwenoude vraag over de oorsprong van het leven—wat primair was – een ei of een kip: eiwitten zijn nodig voor de overdracht van genetische informatie, maar hun synthese zelf is afhankelijk van transcriptie.

Biologen van de Ludwig en Maximilian Universiteit van München hebben voor het eerst experimenteel bewezen dat kleine veranderingen in transport RNA (tRNA) moleculen hen in staat stellen zichzelf te assembleren tot een functionele eenheid die informatie kan reproduceren.

Aldus, volgens wetenschappers, zou het TRANSPORTRNA die als tussenpersoon tussen mRNA en proteïnen handelen een zeer belangrijk element in de evolutie van vroege levensvormen kunnen zijn: tRNA molecules konden autonoom met elkaar in wisselwerking staan om een soort replicatiemodule te vormen geschikt om informatie exponentieel te repliceren.

"Onze studies van vroege vormen van moleculaire replicatie en onze ontdekking van het verband tussen replicatie en translatie brengen ons dichter bij het reconstrueren van de oorsprong van het leven," zegt Dieter Braun, een van de auteurs van de studie.

Om een dergelijk systeem te laten werken, is een niet-evenwichtsomgeving nodig om de overeenkomstige fysische en chemische processen te starten, geloven wetenschappers. Daarom waren al hun experimenten een herhalende reeks temperatuurschommelingen.

Elk experiment begon met een sjabloon – een informatiestructuur bestaande uit twee soorten centrale nucleotidesequenties. De onderzoekers toonden aan dat onder periodiek veranderende omstandigheden een template binaire structuur vele malen kan worden gekopieerd. Een dergelijk replicatiemechanisme zou kunnen hebben plaatsgevonden in een hydrothermisch microsysteem op de vroege aarde.

Volgens de auteurs zou zich met name een gunstige omgeving voor dergelijke reactiecycli kunnen hebben ontwikkeld in poreuze gesteenten op de zeebodem, waar natuurlijke temperatuurschommelingen geassocieerd zijn met convectiestromen.

Paleontologen hebben sponsvormige fossielen ontdekt in oude riffen die 890 miljoen jaar oud zijn. Als de resultaten worden bevestigd, zal het de oudste vondst van meercellige levende organismen op aarde zijn.

Men gelooft dat de eerste meercellige organismen, die met vertrouwen aan dieren kunnen worden toegeschreven, ongeveer 635 miljoen jaar geleden op aarde verschenen, in Ediacaria – de laatste geologische periode van het Proterozoïcum. We hebben het over vendobionten – mysterieuze radiaal en bilateraal symmetrische organismen die een sedentaire of sedentaire levensstijl leidden.

Sommige wetenschappers geloven echter dat de eerste dieren op aarde sponzen waren – mariene meercellige die aan de bodem waren bevestigd, die vandaag de dag nog steeds wijdverspreid zijn over de hele wereld.

Goed bewaarde oude fossiele sponzen zijn bekend sinds het Cambrium, dat 541 miljoen jaar geleden begon, maar filogenetische analyse en biomarkers geven aan dat sponzen veel eerder bestonden, en in sedimentaire gesteenten van 750 miljoen jaar oud, vonden wetenschappers siliciumspicules – elementen van het gemineraliseerde skelet van sponzen.

De Canadese paleontoloog Elizabeth Turner van de Laurentian University heeft fossielen ontdekt die qua structuur zeer vergelijkbaar zijn met sponzen in oude riffen in het noordwesten van Canada. De riffen behoren tot bacteriële structuren, bestaan uit calciumcarbonaat en zijn 890 miljoen jaar oud.

In de rotsmonsters identificeerde Turner vertakte netwerken van buisvormige structuren gemineraliseerd met calciet – kristallijn calciumcarbonaat. De onderzoeker merkte op dat deze structuren zeer vergelijkbaar zijn met het vezelvormige skelet van hoornige sponzen, die momenteel worden gebruikt voor de productie van sponzen voor het wassen.

De auteur gelooft dat deze structuren de gefossiliseerde overblijfselen kunnen zijn van hoornsponzen die nog 90 miljoen jaar op koolzuurriffen leefden voordat het zuurstofniveau op aarde steeg tot concentraties die noodzakelijk worden geacht om het dierenleven te behouden.

Als de veronderstellingen van de wetenschapper worden bevestigd, zal blijken dat de evolutie van de vroege dieren op onze planeet plaatsvond onafhankelijk van oxygenatie – zuurstofverzadiging van de atmosfeer, en de allereerste organismen waren in staat om de zwaarste wereldwijde ijstijden van de cryogene periode in de geschiedenis van de aarde te overleven, die plaatsvond tussen 720 en 635 miljoen jaar geleden.

Te oordelen naar de resultaten van micrometrografische reconstructie, was de oudste spons een bevestigd wormachtig organisme met een grootte van de eerste millimeter tot een centimeter, dat leefde op het oppervlak of in riffen die waren gebouwd door het verkalken van cyanobacteriën-fotosynthesizers.

De zeldzaamheid van de vondsten van sponzen uit het Neoproterozoïcum wordt verklaard door het feit dat ze hoogstwaarschijnlijk geen gemineraliseerde skeletten hadden – siliceus of kalkvormig, maar uitsluitend bestonden uit eiwit – spongine-of keratinverbindingen. Daarom is de wetenschapper van mening dat het in oude afzettingen niet nodig is om te zoeken naar skeletelementen – spicules – maar naar afdrukken van zachte weefsels die de structuur hebben bewaard. Paleontologen hebben dergelijke structuren eerder ontmoet, maar ze geïnterpreteerd als fossiele kolonies van algen of protozoa.