Wetenschappers vinden in Japanse warmwaterbronnen aanwijzingen over hoe het leven begon vóór de huidige atmosfeer
Meer dan 2,3 miljard jaar geleden was de aarde een vijandige plek. Er waren geen dieren, planten of zuurstof in de lucht. De oceanen waren donker, warm en rijk aan ijzer. In die omgeving begon het leven zich net te organiseren. De eerste microben leerden te overleven met de weinige beschikbare middelen. Vóór de komst van zuurstof was ijzer de belangrijkste energiebron. Die fase veranderde voorgoed met de zogenaamde Grote Oxidatiegebeurtenis, toen de eerste cyanobacteriën zuurstof begonnen vrij te geven aan de omgeving. Maar hoe organismen vóór die transformatie leefden, blijft een mysterie dat de wetenschap fascineert.
Om dat verleden te onderzoeken, bestudeerde een groep onderzoekers onder leiding van wetenschapper Fatima Li-Hau van het Tokyo Institute of Science vijf thermale bronnen in Japan. Deze bronnen, gelegen in Akita, Aomori en Tokio, hebben een eigenschap die in de huidige wereld zeer zeldzaam is: ze bevatten ferrosijzer (Fe²⁺), hetzelfde type ijzer dat vroeger in de oceanen van de planeet overheerste. Onder normale omstandigheden oxideert dit ijzer snel bij contact met zuurstof, maar in dit water blijft het stabiel omdat er bijna geen zuurstof aanwezig is.
Wetenschappers ontdekten dat deze bronnen een natuurlijk laboratorium zijn dat de omstandigheden van de oorspronkelijke aarde nabootst. Daar heeft het water een bijna neutrale pH-waarde, een laag zoutgehalte en veel opgelost ijzer, waardoor kan worden waargenomen hoe microben die uit het verleden lijken te komen, op elkaar inwerken. Elke bron heeft echter zijn eigen chemische samenstelling en zijn eigen gemeenschap van micro-organismen, alsof elke bron een andere versie van het ontstaan van het leven vertelt.
Microben die ijzer ademen
In vier van de vijf onderzochte bronnen waren de meest voorkomende microben bacteriën die micro-aerofiele ijzeroxidanten worden genoemd. Dit zijn organismen die in zuurstofarme omgevingen leven en hun energie halen uit de omzetting van ferrosijzer in ferri-ijzer. Het zijn bacteriën die ijzer ‘ademen’ in plaats van zuurstof. Deze bevinding suggereert dat, voordat de zuurstofproducerende fotosynthese zich verspreidde, dit type metabolisme een van de belangrijkste levensvormen op aarde was.
Cyanobacteriën, die verantwoordelijk zijn voor het vrijkomen van zuurstof in de atmosfeer, waren ook aanwezig, maar in mindere mate. Volgens de onderzoekers kunnen zij een essentiële rol hebben gespeeld: zij produceerden kleine hoeveelheden zuurstof waardoor de ijzerbacteriën konden gedijen zonder dat de omgeving giftig werd voor zuurstofgevoelige levensvormen. Zo zouden beide groepen naast elkaar hebben bestaan en een ecosysteem van samenwerking en evenwicht hebben gevormd.
In een van de bronnen, Kowakubi genaamd, vonden de onderzoekers iets nog verrassender: er waren vooral bacteriën van de familie Hydrogenophilaceae aanwezig, die waterstof als energiebron kunnen gebruiken.
Dit suggereert dat waterstof, net als ijzer, een essentiële brandstof was voor het vroege leven. De resultaten tonen aan dat de metabolische diversiteit groter was dan tot nu toe werd aangenomen voor die periode.
De chemie van het oude leven
De studie maakte gebruik van metagenomische analyses, een techniek waarmee het DNA van alle bacteriën in een milieumonster kan worden onderzocht. Hiermee reconstrueerden de wetenschappers meer dan 200 microbiële genomen van hoge kwaliteit en konden ze vaststellen welke functies deze gemeenschappen vervulden.
De microben in de bronnen repliceren belangrijke metabolische processen van de eerste ecosystemen op aarde. Daaronder vallen koolstofbinding, stikstofbinding en ijzeroxidatie.
Er werden ook genen geïdentificeerd die verband houden met de reductie van nitraten tot ammonium en denitrificatie, wat erop wijst dat de stikstofcyclus in deze omgevingen actief was. Op sommige locaties vonden de onderzoekers bewijs van volledige nitrificatie, een proces waarbij ammonium wordt omgezet in nitraat. Deze bevindingen suggereren dat biogeochemische cycli, zoals die van koolstof, stikstof en ijzer, al lang vóór het verschijnen van dieren of planten op een geïntegreerde manier functioneerden.
Een opmerkelijk detail was de detectie van genen die verband houden met zwavel, ondanks het feit dat het water zeer weinig zwavelhoudende verbindingen bevatte. De auteurs interpreteren dit als een mogelijk teken van een “verborgen zwavelcyclus”, waarbij microben dit element in minimale hoeveelheden maar op efficiënte wijze recyclen, waardoor het chemische evenwicht van het systeem in stand wordt gehouden. Dit mechanisme, dat nog niet goed wordt begrepen, zou primitieve organismen kunnen hebben geholpen om onder extreme omstandigheden te overleven.
Reconstructie van de aarde gezien vanuit de ruimte ongeveer 2 miljard jaar geleden, tijdens het Orosirian, toen de roodachtige oceanen de hoge concentratie van geoxideerd ijzer weerspiegelden na de toename van zuurstof in de atmosfeer. Bron: NASA.
Ecosystemen die vooruitliepen op zuurstof
De onderzoekers constateerden dat, ondanks de verschillen tussen de bronnen, ze allemaal een vergelijkbare organisatie hadden: gemeenschappen waar ijzeroxiderende bacteriën, micro-organismen die beperkt zuurstof gebruikten en volledig anaërobe microben naast elkaar bestonden. Het was een ecosysteem in evenwicht tussen leven met en zonder zuurstof. Dit soort organisatie zou de overgang kunnen weerspiegelen die de aarde doormaakte op de grens tussen het Archaïcum en het Proterozoïcum, toen de atmosfeer langzaam rijker aan zuurstof begon te worden.
In die context vormden microben die afhankelijk waren van ijzer en waterstof een vroege vorm van energieproductie. Om hen heen gaven cyanobacteriën kleine hoeveelheden zuurstof vrij, die zich langzaam in de omgeving ophoopten.
Na verloop van tijd veranderde deze co-existentie de chemie van de planeet, waardoor adembare lucht en de evolutie van complex leven mogelijk werden. De Japanse bronnen laten zien dat deze verandering niet abrupt was, maar een langzaam proces, ondersteund door diverse ecosystemen.
Volgens Li-Hau helpen deze resultaten te begrijpen hoe de eerste organismen een zuurstofloze planeet hebben veranderd in de wereld die we vandaag kennen. De bacteriën die in de huidige bronnen leven, zijn afstammelingen of equivalenten van de bacteriën die miljarden jaren geleden de eerste stappen zetten naar wereldwijde zuurstofvoorziening. In zekere zin draagt elke bel die uit dat water opstijgt de sporen van de oudste geschiedenis van het leven.
Lessen voor leven buiten de aarde
Het onderzoek werpt niet alleen licht op ons verleden, maar biedt ook aanwijzingen over waar leven op andere planeten te vinden zou kunnen zijn. Werelden als Mars of de ijzige manen van Jupiter en Saturnus zouden ijzerrijke en zuurstofarme omgevingen kunnen herbergen, vergelijkbaar met de onderzochte bronnen. Als we begrijpen hoe leven in deze omgevingen gedijt, kunnen we ons beter voorstellen hoe het buiten de aarde zou kunnen bestaan. De bacteriën die in de bronnen in Japan overleven, zijn in wezen een levend voorbeeld van hoe biologie zich kan aanpassen aan extreme omstandigheden.
Dit soort studies, uitgevoerd in het kader van het Earth-Life Science Institute (ELSI) in Tokio, tonen de waarde aan van het combineren van disciplines als geologie, biologie en scheikunde om vragen over onze oorsprong te beantwoorden. De onderzoekers zoeken niet naar fossielen, maar naar tekenen van microbiële activiteit in het heden die een weerspiegeling zijn van wat er miljarden jaren geleden gebeurde. Het is een manier om de geschiedenis van het leven te reconstrueren zonder het verleden te hoeven opgraven.
