Fossiliserede molekyler afslører en fortabt verden af ​​oldtidens liv | Quanta Magasinet

Et træ har noget til fælles med ukrudt og svampe, der vokser omkring dets rødder, egern, der suser op ad stammen, fuglene, der sidder på dets grene, og fotografen tager billeder af scenen. De har alle genomer og cellemaskineri pænt pakket ind i membranbundne rum, et organisatorisk system, der placerer dem i en uhyre succesfuld gruppe af livsformer kaldet eukaryoter.

Den tidlige historie om eukaryoter har længe fascineret videnskabsmænd, der længes efter at forstå, hvornår det moderne liv startede, og hvordan det udviklede sig. Men det har været svært at spore de tidligste eukaryoter tilbage gennem Jordens historie. Begrænsede fossildata viser, at deres første forfader dukkede op for mindst 1.6 milliarder år siden. Endnu andre afslørende beviser for deres eksistens mangler. Eukaryoter bør producere og efterlade visse karakteristiske molekyler, men fossiliserede versioner af disse molekyler dukker ikke op i klipperekorden før for 800 millioner år siden. Denne uforklarlige 800 millioner-årige kløft i den tidlige eukaryote historie, en afgørende periode, hvor den sidste fælles forfader til hele nutidens komplekse liv først opstod, har indhyllet historien om det tidlige liv i mystik.

"Der er denne massive tidsmæssige kløft mellem den fossile optegnelse over, hvad vi tror er de tidligste eukaryoter og de første ... biomarkører beviser for eukaryoter," sagde Galen Halverson, professor ved McGill University i Montreal.

Der er mange mulige forklaringer på det paradoksale hul. Måske var eukaryoter for få i den tid til at efterlade molekylære fossile beviser. Eller måske var de rigelige, men deres molekylære fossiler overlevede ikke de barske forhold i geologisk tid.

En nylig undersøgelse offentliggjort i Natur tilbyder en alternativ forklaring: Forskere har muligvis ledt efter de forkerte fossiliserede molekyler hele tiden. Da undersøgelsens forfattere ledte efter mere primitive versioner af de kemikalier, andre havde søgt efter, opdagede de dem i overflod - og afslørede, hvad de beskrev som "en tabt verden" af eukaryoter, der levede for 800 millioner til mindst 1.6 milliarder år siden.

"Disse molekyler har været der hele tiden," sagde Jochen Brocks, en geokemiker ved Australian National University i Canberra, der ledede undersøgelsen sammen med sin daværende kandidatstuderende Benjamin Nettersheim. "Vi kunne ikke finde [dem], fordi vi ikke vidste, hvordan de så ud."

Resultaterne bringer ny klarhed over dynamikken i det tidlige eukaryote liv. Overfloden af ​​disse molekylære fossiler tyder på, at de primitive organismer trivedes i havene i hundreder af millioner af år, før forfædrene til moderne eukaryoter tog over, og så livsformer, der en dag ville udvikle sig til de dyr, planter, svampe og protister, som vi ser. i dag.

"Det er en elegant hypotese, der ser ud til at forene disse meget forskellige optegnelser," sagde Halverson, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Det giver alt mening."

Resultaterne var velkomne nyheder for palæontologer som Phoebe Cohen, formand for geovidenskab ved Williams College i Massachusetts, der længe troet der manglede noget i biomarkørposten. "Der er en rig og dynamisk historie om livet, før dyr udviklede sig, som er sværere at forstå, fordi vi ikke kan se det," sagde Cohen. "Men det er ekstremt vigtigt, fordi det grundlæggende sætter scenen for den verden, vi har i dag."

Protosteroid-puslespillet

Når fossilhistorien er undervældende, har forskerne andre måder at vurdere, hvornår forskellige arter forgrenede sig fra hinanden i det evolutionære træ. Det primære blandt disse værktøjer er molekylære ure: DNA-strækninger, der muterer med en konstant hastighed, hvilket gør det muligt for forskere at estimere tidens gang. Ifølge molekylære ure opstod den sidste fælles forfader til moderne eukaryoter, som tilhørte en mangfoldig samling af organismer kendt som kronegruppen, først for mindst 1.2 milliarder år siden.

Men den eukaryote historie starter ikke der. Andre tidlige eukaryoter, kendt som stammegruppen, levede i hundreder af millioner af år, før vores første fælles forfader udviklede sig. Forskere ved ikke meget om dem ud over, at de eksisterede. Den lille håndfuld gamle eukaryote fossiler, der er blevet opdaget, er for tvetydige til at blive identificeret som stamme eller krone.

I mangel af overbevisende kropsfossiler leder forskerne efter molekylære fossiler. Molekylære fossiler, som opbevares separat fra kropsfossiler, kan være en udfordring for forskere at fastlægge. Først skal de identificere, hvilke molekyler der kun kunne være blevet produceret af de organismer, de ønsker at studere. Så må de forholde sig til, at ikke alle de molekyler fossiler godt.

Organisk materiale henfalder med forskellige hastigheder, og nogle dele af eukaryoter bevares bedre i sten end andre. Væv opløses først. DNA kan blive ved i længere tid, men ikke for længe: Det ældste DNA, der nogensinde er fundet, er omkring 2 millioner år gammelt. Fedtmolekyler kan dog potentielt overleve i milliarder af år.

Eukaryoter skaber enorme mængder af fedtmolekyler kendt som steroler, en type steroid, der er en kritisk komponent i cellemembraner. Da tilstedeværelsen af ​​en cellemembran er tegn på eukaryoter, og fedtmolekyler har tendens til at forblive i sten, er steroler blevet det foretrukne molekylære fossil for gruppen.

Moderne eukaryoter kører på tre store sterolfamilier: kolesterol hos dyr, phytosterol hos planter og ergosterol hos svampe og nogle protister. Deres syntese starter med et lineært molekyle, som cellen støber til fire ringe, så den resulterende form passer perfekt ind i en membran, sagde Brocks. Den proces har mange trin: Det tager yderligere otte enzymatiske trin for dyreceller at lave kolesterol, mens planteceller kræver yderligere 11 enzymatiske trin for at lave en phytosterol.

På vej til at opbygge sit avancerede sterol, skaber en celle en række enklere molekyler ved hvert trin i processen. Når de er tilsluttet en kunstig membran, giver selv disse mellemsteroler den permeabilitet og stivhed, som en celle har brug for for at fungere, som den burde. Biokemikeren Konrad Bloch, der blev tildelt Nobelprisen i 1964 blandt andet for at have opdaget de cellulære trin til at lave kolesterol, "blev forundret over det," sagde Brocks. Hvorfor skulle en celle gøre en ekstra indsats for at lave en mere kompliceret sterol, når et enklere molekyle vil gøre jobbet?

I 1994 skrev Bloch en bog, hvori han forudsagde, at hver af disse mellemsteroler engang havde været slutproduktet, der blev brugt i membranen af ​​en forfædres eukaryot celle. Hvert ekstra trin kan have krævet mere af cellens energi, men det resulterende molekyle var en lille forbedring i forhold til det foregående - nok en opgradering til at udkonkurrere forløberen og tage fat i evolutionens historie.

Hvis det var sandt, ville det forklare, hvorfor ingen havde været i stand til at finde molekylære fossiler af steroler før den hurtige udvidelse af moderne eukaryoter for omkring 800 millioner år siden. Forskere havde ledt efter kolesteroler og andre moderne strukturer i rockrekorden. De var ikke klar over, at ældgamle biokemiske veje var kortere, og at stammegruppeorganismer ikke lavede moderne steroler: De lavede protosteroler.

Molekylær kaffekværn

I 2005, omkring fem år efter Blochs død, rapporterede Brocks og kolleger ind Natur de første antydninger af, at sådanne mellemliggende molekyler engang eksisterede. I gamle sedimenter havde de fundet usædvanligt strukturerede steroider, som de ikke genkendte. Men på det tidspunkt mente Brocks ikke, at en eukaryot kunne have skabt dem. "Dengang var jeg ret overbevist om, at de var bakterielle," sagde han. "Ingen tænkte overhovedet på muligheden for stamgruppeeukaryoter."

Han fortsatte med at tage prøver af gamle klipper og lede efter disse nysgerrige molekyler. Omkring et årti inde i arbejdet indså han og Nettersheim, at mange af de molekylære strukturer i klippeprøver så "primitive" ud og ikke som dem, bakterier typisk laver, sagde Brocks. Kan det være Blochs mellemsteroler?

De havde brug for flere beviser. I det følgende årti kontaktede Brocks og Nettersheim olie- og mineselskaber for at anmode om prøver af alle gamle sedimenter, de ved et uheld havde opdaget under boreekspeditioner.

"De fleste mennesker ville have fundet to eksempler og offentliggjort," sagde Andrew Knoll, en professor i naturhistorie ved Harvard University, som ikke var involveret i undersøgelsen. (Han var Brocks' postdoktorale rådgiver for år siden.) "Jochen brugte det meste af årtiet på at se på klipper i hele Proterozoikum fra hele verden."

I mellemtiden skabte forskerne en søgeskabelon til at identificere molekyler i sedimentet. De konverterede moderne mellemmolekyler lavet under sterolsyntese til plausible geologiske steroidækvivalenter. (Kolesterol, for eksempel, forstener som kolestan.) "Hvis du ikke ved, hvordan molekylet ser ud, vil du ikke se det," sagde Brocks.

I laboratoriet udtog de fossile molekyler fra sedimentprøverne ved hjælp af en proces, der er "lidt som at lave kaffe," sagde Nettersheim. Efter at have knust sten tilsatte de organiske opløsningsmidler for at udtrække molekylerne indeni - ligesom varmt vand bruges til at udvinde kaffe fra ristede og formalede bønner.

For at analysere deres prøver og sammenligne dem med deres referencer brugte de massespektrometri, som bestemmer molekylernes vægt, og kromatografi, som afslører deres atomare sammensætning.

Processen er besværlig. "Du analyserer hundredvis af sten og finder intet," sagde Brocks. Når du finder noget, er det ofte forurening fra nyere tid. Men jo flere prøver de analyserede, jo flere fossiler fandt de.

Nogle prøver var fyldt til randen med protosteroider. De fandt molekylerne i klipper fra 800 millioner til 1.6 milliarder år siden. Det så ud til, at ikke kun gamle eukaryoter var til stede i omkring 800 millioner år, før moderne eukaryoter tog fart, men de var rigelige.

Forskerne kunne endda genkende eukaryoternes evolutionære proces, da deres steroider blev mere komplekse. I 1.3 milliarder år gamle sten fandt de for eksempel et mellemmolekyle, der var mere avanceret end de 1.6 milliarder år gamle protosteroider, men ikke så avanceret som moderne steroider.

"Det var en meget smart måde at håndtere den manglende registrering af molekylære fossiler," sagde David Gold, en geobiolog ved University of California, Davis, som ikke var involveret i undersøgelsen. Deres opdagelse udfyldte straks et hul på 800 millioner år i historien om, hvordan det moderne liv blev til.

En tabt verden

De molekylære fund, sat sammen med genetiske og fossile data, afslører det klareste billede endnu af tidlig eukaryot dynamik fra omkring 1 milliard år siden i den mystiske midt-proterozoikum-æra, sagde eksperter. Baseret på Brocks og Nettersheims beviser, levede stamme- og kronegruppeeukaryoter sandsynligvis sammen i hundreder af millioner af år og konkurrerede sandsynligvis med hinanden i en periode, som geologer kalder den kedelige milliard for dens langsomme biologiske udvikling.

Fraværet af de mere moderne steroider i denne tid tyder på, at kronegruppen ikke straks tog fat. Snarere startede de membranbundne organismer i det små, da de fandt nicher i det gamle økosystem, sagde Gold. "Det tager lang tid for [eukaryoter] at blive økologisk dominerende," sagde han.

I første omgang kan stamgruppen have haft en fordel. Iltniveauet i atmosfæren var betydeligt lavere, end det er i dag. Fordi bygning af protosteroler kræver mindre ilt og energi end moderne steroler kræver, var stamgruppeeukaryoter sandsynligvis mere succesrige og rigelige.

Deres indflydelse faldt, da verden ramte en kritisk overgang kendt som den tonske periode. For mellem 1 milliard og 720 millioner år siden steg ilt, næringsstoffer og andre cellulære råstoffer i havene. Fossiler af moderne eukaryoter, som alger og svampe, begynder at dukke op i klippehistorien, og moderne steroider begynder at overstige protosteroider i fossiliserede biomarkører - beviser, der tyder på, at kronegruppeeukaryoter var begyndt at trives, stige i antal og diversificere.

Hvorfor ville steroler blive mere komplicerede over tid? Forfatterne foreslog, at de mere komplekse steroler gav deres ejere en evolutionær fordel - måske relateret til dynamikken i væsnernes cellemembraner. Uanset årsagen var sterolskiftet evolutionært signifikant. Sammensætningen af ​​moderne steroler gav sandsynligvis kronegruppe-eukaryoter et løft over stammegruppen. Til sidst, "denne tabte verden af ​​gamle eukaryoter blev erstattet af de moderne eukaryoter," sagde Brocks.

En bakteriel rynke

Forskernes evolutionære sterolhistorie er overbevisende, men den er ikke bundsolid.

"Jeg ville ikke blive overrasket", hvis deres fortolkning er korrekt, sagde Gold. Der er dog en anden mulighed. Selvom forskere har en tendens til at forbinde steroler med eukaryoter, kan nogle bakterier også lave dem. Kunne de molekylære fossiler i undersøgelsen være blevet efterladt af bakterier i stedet for?

Gordon kærlighed, en geokemiker ved University of California, Riverside, mener, at bakteriescenariet giver mere mening. "Disse protosteroider dukker op i klipper i alle aldre," sagde han. "De forsvinder ikke bare, hvilket betyder, at noget andet end stammeeukaryoter er i stand til at lave dem." Han argumenterede for, at bakterier, som dominerede havet på det tidspunkt, nemt kunne have produceret protosteroider.

Den mulighed kan forfatterne ikke udelukke. Faktisk har de mistanke om, at nogle af deres fossile molekyler er lavet af bakterier. Men muligheden for, at deres enorme samling af fossiliserede protosteroider, der strækker sig i hundreder af millioner af år, udelukkende er lavet af bakterier, virker usandsynlig, sagde Brocks.

"Hvis man ser på økologien af ​​disse bakterier i dag, og deres overflod, er der bare ingen grund til at tro, at de kunne blive så rigelige, at de kunne have produceret alle disse molekyler," sagde han. I den moderne verden producerer bakterier kun protosteroler i nichemiljøer såsom hydrotermiske kilder eller methanudsivninger.

Cohen, Williams College palæontolog, er enig med Brocks. Fortolkningen af, at disse molekyler blev lavet af eukaryoter "er i overensstemmelse med alle andre beviser," sagde hun - fra fossiloptegnelsen til molekylære uranalyser. "Jeg er ikke så bekymret" over den mulighed, sagde hun.

Begge fortolkninger giver flere spørgsmål end svar. "Begge historier ville være helt vildt mærkelige," sagde Brocks. De er "forskellige syn på vores verden," tilføjede han, og det ville være rart at vide, hvilken der er sand.

I mangel af en tidsmaskine søger forskerne efter flere beviser for at forbedre deres sikkerhed på den ene eller den anden måde. Men der er kun så mange måder at rekonstruere eller opfatte oldtidens liv på - og selv videnskabsmænds bedste gæt kan aldrig helt fylde hullet. "Det meste liv efterlod ingen spor på Jorden," sagde Nettersheim. "Den rekord, vi ser, er begrænset. ... I det meste af Jordens historie kunne livet have set meget anderledes ud."

Quanta gennemfører en række undersøgelser for bedre at kunne betjene vores publikum. Tag vores biologi læserundersøgelse og du vil være med til at vinde gratis Quanta varer.