Tidlige celler overraskende komplekse

Bakterier er den mest talrige gruppe af levende, cellebaserede organismer. En teske med almindelig havejord kan indeholde op til en milliard bakterier. Forskere undervurderede i mange år bakteriers kompleksitet. “For det meste blev bakterier set som primitive ‘poser med enzymer’ indtil 1990’erne, hvor kompleksiteten af bakteriers subcellulære strukturer og deres regulation af celledelingen endelig begyndte at vise sig,” som biologerne Petra Anne Levin og Esther R. Angert bemærker (Levin & Angert 2015).

I en nylig artikel i det velansete naturvidenskabelige tidsskrift Science søger en række forskere at etablere et stamtræ for alle bakterier og på den baggrund afdække, hvordan den sidste fælles stamform for alle bakterier så ud (Coleman et al., 2021).

Den første bakterie er ikke nødvendigvis identisk med den sidste fælles stamform til alle nulevende bakterier; tidligere stamformer kan have eksistereret (figur 1). Spørgsmålet er imidlertid, hvor mange sådanne stamformer, der adskiller den første bakterie fra den sidste fælles stamform.

Den bakterielle sidste fælles stamform er blevet estimeret til at have levet for ca. 4 mia. år siden (Battistuzi et al. 2004; Battistuzi & Hedges 2009; Marin et al. 2017), og de ældste geologiske tegn på liv er over 3,8 mia. år gamle (Mojzsis et al. 1996; Manning et al. 2006). Med de forbehold, der er forbundet med sådanne tidsestimater, kan vi med nogen sikkerhed placere den bakterielle sidste fælles stamform tæt på livets oprindelse.

Man kan af gode grunde ikke rejse tilbage i tiden og med egne øjne observere denne stamform. Men hvis man ved, hvilke gener de forskellige bakterier har, og hvordan de er beslægtede med hinanden, kan man følge, hvordan generne er blevet nedarvet langs grenene på livets træ og således rekonstruere stamformen ved roden af træet.

I deres artikel i Science når Coleman et al. (2021) frem til, at den sidste fælles stamform til alle bakterier var mere kompleks end hidtil antaget. Dens egenskaber omfatter:

• Kompleks flagel
  Den bakterielle flagel består af en svingtråd drevet af en roterende motor, der gør bakterien i stand til at bevæge sig gennem flydende medier. Nogle bakterier har en flagel, andre har den ikke.
  
  Ifølge undersøgelsen var den bakterielle sidste fælles stamform i besiddelse af en kompleks flagel, der var produktet af mindst 34 gener. Bakterier uden en flagel må derfor have mistet den efterfølgende gennem reduktiv evolution.
  
• To cellemembraner
  Bakterier kan have enten én eller to cellemembraner. To membraner er mere komplekse end én membran, og det er blevet foreslået, at bakterier med to membraner har udviklet sig fra bakterier med én membran (Lake 2009).
  
  Men ifølge analysen fra Coleman et al. forholder det sig lige omvendt: Den bakterielle sidste fælles stamform havde to cellemembraner, og alle celler med kun én membran har udviklet sig derfra gennem reduktiv evolution.
  
• Ikke en nanobakterie
  Den såkaldte Candidate Phyla Radiation (CPR) er en gruppe af ekstremt små bakterier, også kaldet nanobakterier. Tidligere analyser pegede på, at de udsprang tæt på roden i bakteriernes familietræ, og det ville have været naturligt at se dem som evolutionære forløbere til mere komplekse bakterier (Hug et al. 2016).
  
  Dette understøttes dog ikke af denne nylige undersøgelse. I rekonstruktionen af det bakterielle stamtræ er CPR-gruppen en kvist på den større sidegren, der betegnes Terrabacteria. “Dette understøtter, at CPR opstod ved reduktiv genomisk evolution fra fritlevende forfædre,” som Coleman et al. skriver.

Den bakterielle sidste fælles stamform vurderes desuden at have været i besiddelse af det antivirale CRISPR-Cas-system, en ATP syntase, det bakterielle type II sekretionssystem og komponenter fra flere metaboliske netværk, inklusiv glykolysen, citronsyrecyklussen og pentosfosfatvejen (figur 2).

Det er værd at understrege, at analysen fra Coleman et al. er baseret på en ny metode til fylogenetisk rekonstruktion, og at efterfølgende kritik vil kunne rokke ved deres konklusioner. Men hvis deres analyse er korrekt, er det relevant for alle med en interesse i et designbaseret perspektiv på livets oprindelse og udvikling.

Oprindelig simplicitet og oprindelig kompleksitet

Ifølge den gængs accepterede opfattelse af livets opståen og udvikling opstod livet spontant som et resultat af naturlige, ikke-intelligente processer på Jorden. De allerførste levende systemer var meget simple, og bestod måske blot af et enkelt, selvreproducerende molekyle. Over tid udvikledes disse simple systemer og blev gradvist mere og mere komplekse, til de blev til de organismer, vi observerer i dag.

Centralt i denne opfattelse er antagelsen om oprindelig simplicitet. De allerførste livsformer må nødvendigvis have været ekstremt simple, da det ellers ville være alt for besværligt at forklare, hvordan de opstod spontant. Det følger heraf, at alle organismer, der besidder en given struktur, ultimativt må nedstamme fra en organisme, der ikke besad den givne struktur. Bakterier med flageller må nedstamme fra bakterier uden flageller, komplekse bakterier må nedstamme fra simple bakterier og så videre.

Anlægger man derimod et designbaseret perspektiv, er det mere nærliggende at have en antagelse om oprindelig kompleksitet.Hvis de første livsformer på Jorden bestod af en population af intelligent designede celler, er der ikke nogen grund til at antage, at de simpleste bakterier repræsenterer et evolutionært forløberstadie. Reduktiv evolution passer glimrende ind i et designbaseret perspektiv.

Tilstedeværelsen af komplekse celler tæt på livets oprindelse er ikke overraskende fra et designbaseret perspektiv. Tværtimod må det forventes, at kommende rekonstruktioner af de tidligste celler forstærker billedet af oprindelig kompleksitet.

Referencer

• Battistuzzi F.U., Feijao A., Hedges S.B., 2004, “A genomic timescale of prokaryote evolution: insights into the origin of methanogenesis, phototrophy, and the colonization of land”, BMC Evolutionary Biology 4:44. https://doi.org/10.1186/1471-2148-4-44
• Battistuzzi F.U., Hedges S.B., 2009, “A major clade of prokaryotes with ancient adaptations to life on land”, Molecular Biology and Evolution 26(2):335-43. https://doi.org/10.1093/molbev/msn247
• Coleman G.A., Davín A.A., Mahendrarajah T.A., Szánthó L.L., Spang A., Hugenholtz P., Szöllősi G.J., Williams T.A., 2021, “A rooted phylogeny resolves early bacterial evolution”, Science 372(6542):eabe0511. https://doi.org/10.1126/science.abe0511
• Hug L., Baker B., Anantharaman K. et al., 2016, “A new view of the tree of life”. Nature Microbiology 1:16048. https://doi.org/10.1038/nmicrobiol.2016.48
• Lake J., 2009, “Evidence for an early prokaryotic endosymbiosis”, Nature 460:967-71. https://doi.org/10.1038/nature08183
• Levin P.A., Angert E.R., 2015, “Small but Mighty: Cell Size and Bacteria”, Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 7(7):a019216. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a019216
• Manning C.E, Mojzsis S.J, Mark Harrison T., 2006, “Geology, Age and Origin of Supracrustal Rocks at Akilia, West Greenland”, American Journal of Science 306(5):303-66. https://doi.org/10.2475/05.2006.02
• Marin J., Battistuzzi F.U., Brown A.C., Hedges S.B., 2017, “The Timetree of Prokaryotes: New Insights into Their Evolution and Speciation”, Molecular Biology and Evolution 34(2):437-46. https://doi.org/10.1093/molbev/msw245
• Mojzsis S., Arrhenius G., McKeegan K. et al., 1996, “Evidence for life on Earth before 3,800 million years ago”, Nature 384:55-9. https://doi.org/10.1038/384055a0