Eukaryoten zijn meerdere keren ontstaan

Foto: GAIA, het prachtige kunstwerk van de Britse installatiekunstenaar Luke Jerram, laat zien dat de aarde een waterplaneet is. De oceaan, is zeer waarschijnlijk de wieg van het leven op aarde. Gedurende haar miljardenjaren lange geschiedenis produceerde ze maar liefst 86% van de zuurstof die wij nu inademen. © Jan Stel

Het ‘Oceaandecennium', zoals het UN Decade of Ocean Science for Sustainable Development (2021-2030), ook wel wordt genoemd, heeft als doel de kennis te verkrijgen die we nodig hebben voor een gezonde oceaan. Dat is immers de oceaan die wij willen. Het is belangrijk dat iedereen weet waarom die oceaan zo belangrijk voor ons is. Ocean literacy, waarvan Sea First een pionier is, speelt dan ook een belangrijke rol in dit VN-programma. Er zijn zeven basisprincipes die iedereen moet weten. Want hoe kun je nu iets beschermen als je geen idee hebt waarom dat belangrijk is? Dat moet je op school leren: Educate to protect, het motto van Sea First.

Toch is er een kennisoverdrachtprobleem, omdat meer dan 70% van het oceaanonderzoek door rijke landen op het noordelijk halfrond wordt gedaan. Zij hebben daar de kennis en de infrastructuur voor. Zij en hun industrieën, zoals de farmacie en de diepzeemijnbouwers, hebben de technische en financiële middelen om de ocean te exploiteren. Dat ontbreekt grotendeels op het zuidelijke halfrond. Daarom is ‘capacity building’ en een eerlijke verdeling van de winsten bij de eventuele exploitatie van die rijkdommen belangrijk. Volgens het Oxfam rapport Takers not Makers dat de vorige maand werd gepubliceerd, stroomt er nog steeds $30 miljoen per uur van het mondiale zuiden naar het noorden. Ook hierover begint de bewustwording op school. Alweer, Educate to protect.

 

De oceaan is de bron van het leven

Eén van die zeven basisprincipes is dat de oceaan de bron van het leven is. Hoe weten we dat? Hoe is dat gebeurd? Sporen van het allereerste, rond 4 miljard jaar oude leven op aarde zijn er nauwelijks. Fossielen, versteende resten van dieren of planten of afdrukken ervan in gesteenten, worden zelden gevonden. De afzettingen van de miljarden jaren oude oceaanbodems zijn verdwenen. Slechts hier en daar vinden we nog gesteenten uit die tijd terug aan het aardoppervlak. Pas zo’n 600 miljoen jaar geleden ontstonden er organismen die we terugvinden als duidelijke fossielen.

Met geochemisch, biogeochemisch en DNA-onderzoek kunnen we een tipje van de sluier oplichten. Dat onderzoek leidt tot verassende en fascinerende resultaten. Eén ervan is de conclusie dat de oceaan 86% van de zuurstof op aarde heeft geleverd. De resterend 14% komt sinds ongeveer 400 miljoen jaar van het leven op het land. Wat het ontstaan van het leven op aarde betreft, zijn er verschillende ideeën over hoe dat kan zijn gebeurd. Die hypothesen komen er op neer dat het leven buitenaards door meteorieten of kometen is aangevoerd in de vorm van o.a. aminozuren, of dat het op de aarde zelf is ontstaan door een combinatie van factoren, waar ik een voorstander van ben.

Uit DNA-onderzoek dat in juli 2024 werd gepubliceerd, blijkt dat LUCA, de Last Universal Common Ancestor’, circa 4,2 miljard jaar geleden leefde. LUCA is geen ‘Adam en Eva’ figuur. Het is een groep van microben, waaruit het leven op aarde, zoals wij dat nu kennen, zich heeft ontwikkeld. Zeer waarschijnlijk waren er toen ook andere anaërobe organismen, die geen relatie hebben met de stamboom van het leven en uiteindelijk was daar de mens. Vermoedelijk zijn die andere anaërobe organismen allemaal uitgestorven. LUCA leidde tot de ontwikkeling van de bacteriën en de archaea. Gezamenlijk worden deze twee taxonomische domeinen, prokaryoten genoemd. Dat zijn piepkleine organismen, die uit één cel zonder kern bestaan. Zij waren gedurende de eerste 2 miljard jaar van de geschiedenis van de aarde, die we tegenwoordig ‘deep time’ noemen, heer en meester in de anoxische oceanische ruimte (oceaan zonder zuurstof).

 

Zuurstof verschijnt op het toneel

Fossielen ‘vertellen’ hoe O₂-afval een cruciale voorwaarde werd om te leven. © Chen et al., 2022

Fascinerend is dat het Galaconcert van een levende planeet, is terug te vinden in de manier waarop het leven op aarde zich ontwikkelde. In het bovenstaande overzicht is te zien dat er koppelingen zijn tussen de processen in de geosfeer, zoals de vorming van supercontinenten door de platen-tektoniek en de verandering van de samenstelling van de continenten in de loop van de tijd (a), in de biosfeer, met de ontwikkeling van het leven dat zuurstof produceert en nodig heeft (b) en in de ontwikkeling van de oceaan en de atmosfeer (c). Het eerste leven ontstond door een combinatie van factoren, onder anoxische omstandigheden in de oceaan en was er een zuurstofloze atmosfeer.

Geochemisch onderzoek aan zuurstofmoleculen in 4 miljard jaar oude zirkoonkristallen uit de Jack Hills in West-Australië, toont aan dat de hydrologische kringloop toen al actief was. Door die kringloop komen er voedingsstoffen vanaf de continenten in de oceaan. Deze stoffen zijn cruciaal geweest voor de ontwikkeling van het leven en op aarde. Dat leven heeft zich vervolgens in tenminste twee grote stappen, GOE en NOE – zie de afbeelding- , in de oceaan ontwikkeld. Die stappen worden zuurstofcrises genoemd, omdat er ‘ineens’ veel zuurstof werd geproduceerd in een anaërobe oceaan. Uiteindelijk leidden deze crises tot een atmosfeer die nu voor 78% uit N₂, voor 21% uit O₂ en voor ongeveer 0,04% uit CO₂, bestaat. Ons CO₂-afval zorgt nu voor onze eigen klimaatcrisis, met een eigen, veel te snelle dynamiek.

Voor de eerste grote zuurstofcrisis, GOE, was ijzer als een opgelost ion volop in het water aanwezig in de toen anoxische oceaan. Cyanobacteriën speelden de hoofdrol in deze zuurstoftransitie. Ze leefden in grote aantallen in de kustzeeën. Deze blauwalgen vonden zo’n 2,7 miljard jaar geleden de fotosynthese uit. Hierbij wordt zonne-energie gebruikt om water en CO₂ om te zetten in glucose (suiker) en O₂. Gedurende een paar honderd miljoen jaar loosden deze cyanobacteriën O₂-afval in de oceaan.

In het begin verbond het O₂-afval zich met het opgeloste ijzer en vormde onoplosbaar ijzeroxide ofwel roest, dat donkergekleurde sedimenten vormt. Wanneer er echter meer opgelost ijzer in het water was dan zuurstof, ontstonden er rode sedimentlagen. Deze afwisseling van donkere en rode lagen wordt de Banded Iron Formations, BIF's, genoemd. Ze zijn bijna allemaal tussen 2,8 en 1,8 miljard jaar geleden afgezet/gevormd.

De regelmatige afwisseling van die donkere en rode sedimentlagen van de BIF’s, is het gevolg van de Milankovitch-cycli. Dat zijn regelmatige veranderingen in het klimaat op aarde door de aantrekkingskracht van de verschillende hemellichamen in ons zonnestelsel. De kortste ervan is de precessie of het heen en weer wiebelen van de draaiende aardas. Zo’n 2,5 miljard jaar geleden had die ‘wiebel’ een ritme van 11.000 jaar. Tegenwoordig is dat ritme 21.000 jaar.

Op den duur raakte de voorraad opgelost ijzer uitgepunt en kwam het O2-afval ook in de anoxische atmosfeer terecht. Die bestond toen vooral uit methaan, een zeer krachtig broeikasgas, en CO₂. Dat zijn de zogenaamde ‘O₂ whiffs’ (zie figuur 2). Daar zorgde het vrijgekomen zuurstof ervoor dat de concentratie van het methaangas sterk afnam en werd vervangen door minder krachtige broeistofgassen, zoals waterdamp en CO₂. Hierdoor daalde de temperatuur op aarde, met als gevolg het ontstaan van de eerste ijstijd in de geschiedenis van de aarde. Dat was de Huronische ijstijd die ongeveer 2,3 miljard jaar geleden begon en 300 miljoen jaar duurde. Het was een mondiale ijstijd, waardoor de hele planeet grotendeels met ijs bedekte was en er als een sneeuwbal uitzag.

De zich steeds verder evoluerende cyanobacteriën zorgden door hun fotosynthese ‘uitvinding’ voor één van de belangrijkste kantelpunten in de geschiedenis van de planeet. De O₂-vervuiling van de oceaan en de atmosfeer leidde er toen toe dat de chemie ervan blijvend veranderde en de hoeveelheid zuurstof erin bleef toenemen. Het eerste resultaat was GOE, waarin ook een massa-uitsterving plaatsvond van de talloze anaerobe ééncelligen, die niet bestand waren tegen zuurstof. Tegelijkertijd maakte de opkomst van een aërobe stofwisseling, de evolutie van meercellige organismen, waaronder de mens, mede mogelijk.

 

Eucaryotische revolutie

De eukaryoten vormen het derde domein van het leven. Het is een grote groep van diverse organismen, met cellen met een celkern en een relatief complexe bouw. Alle planten, dieren, schimmels en ééncellige protisten, zoals amoeben, diatomeeën en foraminiferen behoren hiertoe. Eukaryoten zijn een minderheid binnen alle organismen op aarde. Maar vanwege hun grotere omvang is hun gezamenlijke biomassa veel groter dan die van de prokaryoten. LECA, de ‘last eukaryotic common ancestor’ is ongeveer 2 miljard jaar oud, terwijl FECA, de ‘first eukaryotic common ancestor, ongeveer 200 miljoen jaar ouder is.

Het allereerste complexe leven is 2,1 miljard jaar oud en al snel weer uitgestorven. Rechts een reconstructie van dat leven en links de ruim één centimeter grote fossielen ervan. © Professor A. El Albani, University of Poitiers, France.

Algemeen wordt aangenomen dat eukaryoten, vanaf 1,7-1,6 miljard jaar geleden, duidelijk aanwezig zijn in het geologische archief. Dat is bijna één miljard jaar voordat dieren, zoals sponzen, vanaf 635 miljoen jaar geleden verschijnen, na de mondiale ijstijden van de Sneeuwbal-aarde en de tweede zuurstofcrisis, NOE. Toch zijn er duidelijke signalen dat meercellig organismen zich al veel eerder hebben ontwikkeld. Fossielen uit het Bekken van Franceville in Gabon, die circa 2,1 miljard jaar oud zijn, tonen dit aan.

De sedimenten van deze unieke ‘tijdscapsule’, werden ruwweg 2,2-1,6 miljard jaar geleden gevormd in een afgesloten zee. Ze openen voor ons een venster naar het raadselachtige leven met tot 17 centimeter grote macrofossielen, vlak na GOE. Toen nam het O₂-gehalte in de oceaan en de atmosfeer fors toe van 1-10% van het huidige gehalte.

Het ecosysteem waarin deze eerste poging plaats vond om meercellig leven te ontwikkelen, was het gevolg van het samenvallen van een aantal bijzondere omstandigheden. Dat is in de ontwikkeling van het leven op aarde overigens vaak het geval. De ondiepe voedselrijke binnenzee met een oppervlakte van 25,000 km², ontstond door de botsing van twee continenten. Die botsing veroorzaakte, zowel onder water als op het land, ook veel vulkanische activiteiten. Door verwering op het land en het vulkanisme, kwamen er veel voedingstoffen in het zeewater terecht. Eén ervan was fosfor dat essentieel is voor het huidige leven op aarde.

Het gevolg was dat die plaatselijke, voedselrijke binnenzee een 'laboratorium' werd, waarin de eerste evolutie van meercellige, complexe organismen mogelijk was. Gezien de omvang van de fossielen was er voldoende energie om een toename in lichaamsgrootte en een complexer gedrag, mogelijk te maken. Maar toen de gunstige omstandigheden met een continue toevoer van voedingsstoffen stopte, luidde dat de ondergang in van dit nieuwe ecosysteem met zijn fascinerende levensvormen.

De ontwikkeling van het leven in ‘deep time’ was een kwestie van uitproberen en aanpassen aan veranderende omstandigheden. De natuur neemt daar zijn tijd voor. Pas 635 miljoen jaar geleden begon het leven, zoals we dat nu nog kennen, zich te ontwikkelen in de oceaan. Dat gebeurde nadat er weer een sneeuwbal-aarde periode was geweest en een tweede, maar minder omvangrijke zuurstofcrisis (NOE) had plaatsgevonden. De beroemde Ediacarische biota (635-538 miljoen jaar gelden), was vermoedelijk weer een mislukte poging tot meercellig leven. Het omvat de oudst bekende meercellige dieren (Metazoa), die geen skelet bezaten, maar toch vaak opvallend goed als fossiel bewaard zijn. Een andere mogelijkheid is dat ze de bron was voor de Cambrische explosie. Dat was een periode die 541 miljoen jaar geleden begon en ruimt 10 miljoen jaar duurde. Door veranderingen in de oceaan, zoals een hoger zuurstofgehalte en een toename van de calciumconcentratie, verschenen er toen plotseling heel veel nieuwe soorten organismen met een hard skelet, dat als fossiel bewaard is gebleven.

De eerste landplanten van circa 475 miljoen jaar geleden waren kleine mossen zonder wortels en vaatbundels. Pas 100 miljoen jaar later, ontstaan de eerste planten, zoals varens met echte vaatbundelsystemen, grote bladeren en wortels. De toenemende fotosynthese van de landplanten die enorme wouden vormden, veroorzaakten de derde zuurstofcrisis POE, waarbij er tientallen miljoenen jarenlang 32% meer zuurstof in de atmosfeer zat, dan nu. Vervolgens ontwikkelden zich, 363 miljoen jaar geleden, de landdieren. Daarna volgden de zo tot de verbeelding sprekende dinosaurussen, vogels en zoogdieren. Slechts zeven miljoen jaar geleden ontstaan de eerste mensen, waarvan Homo sapiens, de zelf benoemde ‘verstandige mens’, de laatste soort is.

De conclusie is dat alle huidige dieren en planten afstammen van organismen die in lang vervlogen tijden in de oceaan leefden. Al die tijd leverde het oceaanwater, zuurstof en voedingsstoffen, die een voorwaarde zijn voor het huidige leven op aarde. In dit ‘deep time’ perspectief is 86% van de zuurstof die dieren en dus ook mensen, inademen, in het verleden in de oceaan gevormd. Dat betekent dat we oceaan-zuurstof inademen in 6 van de 7 keer dat we ademen. Wanneer we dit op de korte, menselijk tijdschaal van decennia bekijken, dan leveren de planten in de oceaan en op het land elk de helft van de zuurstof die wij en alle andere dieren nu inademen. Dan kun je dus zeggen dat elke tweede keer dat landbewoners inademen, de zuurstof van de oceaan afkomstig is. Onze snelle klimaatcrisis is uniek in de geschiedenis van de planeet.

Tree of life

 

 

The tree of life contains three major branches—bacteria, archaea, and eukaryotes. Proposed locations for LUCA and LECA are shown. LUCA, last universal common ancestor; LECA, last eukaryotic common ancestor. Adapted from Spang et al. (2022).

 

Tekst: Jan Stel, 13-3-2025 Voormalig voorzitter Sea First

Prof.em. Ocean Space and Human Activity, University Maastricht, the Netherlands.