Biologen zijn al een tijdje verward door fossielen in gesteente van 3,8 miljard jaar oud, omdat die totaal niet lijken op moderne cellen. Maar nu lijkt het erop dat ze een oude voorloper van een levensvorm kunnen zijn die niet in staat was om zijn vorm te bepalen.
De oudste gesteenten op aarde bevatten mysterieuze fossielen van cellen die in niets lijken op wat er vandaag de dag leeft. Biologen vragen zich daarom af hoe deze structuren zijn geëvolueerd. Experimenten hebben nu aangetoond dat deze fossielen van primitieve cellen zouden kunnen zijn die niet in staat waren om hun vorm volledig te beheersen. Dat maakt ze een mogelijke voorloper van de moderne cellen die we vandaag de dag zien. Biochemici publiceerden hun resultaten op de voorpublicatiewebsite bioRxiv.
Bizarre vormen
Sedimentgesteenten die tot 3,8 miljard jaar geleden werden gevormd – niet lang na de aarde zelf – blijken gefossiliseerde cellen te bevatten die sporen zouden kunnen zijn van zeer vroeg leven. Deze microfossielen, voor het eerst opgegraven in 1987, zijn gevonden op meerdere locaties over de hele wereld. Maar ze zijn niet wat biologen hadden verwacht.
Zullen we ooit zelf een optimaal microbioom kunnen ontwerpen?
Je microbioom optimaliseren is zo eenvoudig nog niet.
Onderzoekers nemen vaak aan dat de eerste levende cellen nog eenvoudiger waren dan de meest simpele cellen die vandaag de dag leven, zoals bacteriën. Moderne bacteriën zijn piepklein – slechts 1 of 2 micrometer breed – en hebben geen interne structuren. Maar de fossiele cellen die in oude gesteenten zijn gevonden, zijn veel groter. Deze fossielen zijn namelijk ongeveer 60 tot 70 micrometer in doorsnee en lijken interne structuren te hebben. Dat zegt biochemicus Dheeraj Kanaparthi van het Max Planck-instituut voor Biochemie in Duitsland. ‘Deze fossielen zien er te complex uit. Ze zijn ook te groot’, zegt hij.
De vondst levert hevige discussies op over hoe deze fossielen zijn ontstaan en of ze wel echt de overblijfselen van levende cellen zijn. Kanaparthi is nu op een mogelijk antwoord gestuit toen hij bacteriën bestudeerde die groeiden rond zoetwaterbronnen op de bodem van de zeer zoute Dode Zee. Sommige van deze bacteriën hadden bizarre vormen en hij realiseerde zich dat ze een type cel zonder celwand waren, zogeheten L-vormen. Hun naam verwijst naar het Lister-instituut in Londen waar ze in de jaren 1930 werden ontdekt.
Vrije waterballonnetjes
Normaal gesproken bepaalt de stijve celwand van bacteriën hun vorm, alsof je een waterballon in een kleine doos plaatst. Al kunnen stressvolle omstandigheden deze wand wegnemen. In de meeste situaties zwellen zulke ‘naakte’ bacteriën op en barsten ze, omdat ze te veel water opnemen. Maar L-vormen kunnen in zoute omstandigheden overleven en soms zelfs groeien en zich vermenigvuldigen.
Kanaparthi en zijn collega’s hebben nu aangetoond dat wanneer L-vormen in hoge zoutgehaltes worden geplaatst, zoals die mogelijk bestonden in de kustgebieden waar de oude fossielen werden gevormd, ze structuren krijgen die sterk lijken op sommige van de raadselachtige microfossielen.
Afhankelijk van welke zouten in welke hoeveelheden aanwezig zijn, worden de cellen erg groot en vormen zich veel nieuwe cellen in de L-vormen. Dat zorgt voor de illusie van interne structuren zoals in complexe cellen. De nieuw gevormde cellen komen vrij wanneer de oudercel uit elkaar barst. De L-vormen lijken zo sterk op microfossielen die zijn gevonden in de 3,4 miljard jaar oude gesteenten van de Strelley Pool-formatie in West-Australië.
Onder andere omstandigheden groeien de L-vormen uit tot lange slierten die zich opsplitsen in afzonderlijke cellen, wat lijkt op de microfossielen die gevonden zijn in de 3 miljard jaar oude Cleaverville formatie, ook in Australië. ‘We dachten dat deze cellen gewoon zouden uitgroeien tot grote bellen en dan in 1000 stukjes uit elkaar zouden vallen’, zegt Kanaparthi. ‘Maar eigenlijk reproduceren ze zich op een heel gedefinieerde manier.’
Lekkende L-vormen
Het zijn dus niet de genen, maar de omstandigheden waaraan de L-vormen worden blootgesteld, die bij afwezigheid van een celwand de vorm van deze bacteriën en hoe ze zich voortplanten bepaald. ‘Ze zijn overgeleverd aan de genade van de omgeving’, zegt Kanaparthi.
Hun voortplanting is nogal inefficiënt, omdat veel van de inhoud van de oudercel tijdens het proces weglekt. Maar deze lekkage zou de mysterieuze koolstofafzettingen kunnen verklaren die buiten sommige microfossielen zijn gevonden, zegt Kanaparthi. ‘We waren in staat om niet alleen de vorm van de cellen te reproduceren, maar ook alle bijbehorende organische koolstofstructuren.’
Het team onderzocht ook hoe L-vormen bewaard en gefossiliseerd kunnen worden. Ze toonden bijvoorbeeld aan dat de overblijfselen van L-vormen microscopische structuren kunnen genereren die lijken op de structuren die gevonden zijn in de 3,4 miljard jaar oude Buck Reef rotsen in Zuid-Afrika.
Op basis van deze bevindingen stelt het team voor dat primitieve cellen ook geen celwand hadden en niet de volledige controle hadden over hun vorm en voortplanting. Mogelijk kregen ze dit vermogen pas toen de celwanden zo’n 2,5 miljard jaar geleden evolueerden.
Voorzichtigheid geboden
‘De onderzoekers hebben zeer uitgebreid werk verricht en voorbeelden gevonden van vormen die opvallende gelijkenissen vertonen met een breed scala aan voorgestelde microfossielen’, zegt celbioloog Jeffery Errington van de Universiteit van Sydney, Australië, die in 2013 voor het eerst suggereerde dat L-vormen een afspiegeling zouden kunnen zijn van hoe primitieve cellen eruit zagen.
‘De meeste wetenschappers zullen voorzichtig omgaan met deze hypothese omdat 3,5 miljard jaar een erg lange tijd is voor een fossiel om bewaard te blijven’, zegt Errington. ‘Niettemin bieden de resultaten zeker ondersteuning voor het idee dat primitieve L-vorm-achtige cellen de planeet bewoonden kort nadat de aarde voldoende was afgekoeld om chemie op basis van koolstof te ondersteunen.’
‘Het is een uitdaging om te bepalen of de onderzochte omstandigheden echt die van de vroege aarde weerspiegelen’, zegt microbioloog Dennis Claessen van de Universiteit Leiden in Nederland. ‘Desalniettemin ben ik het ermee eens dat deze cellen kunnen weergeven hoe vroege levensvormen zich vermenigvuldigden en dat ze de ontdekte vroege microfossielen kunnen verklaren.’
