Przez lata w podręcznikach powtarzano, że złożone życie na Ziemi mogło rozwinąć się dopiero wtedy, gdy atmosfera była już pełna tlenu. Najpierw pojawiły się proste mikroby, potem fotosynteza, a dopiero na końcu – w bogatym w tlen świecie – wyłoniły się bardziej skomplikowane organizmy. Nowe badania opublikowane w „Nature” wywracają tę historię do góry nogami.
Międzynarodowy zespół naukowców z Wielkiej Brytanii, Holandii i Japonii wykazał, że proces powstawania złożonych komórek mógł rozpocząć się niemal miliard lat wcześniej, niż do tej pory sądzono. Co więcej – zaczął się w czasach, gdy w oceanach panowała całkowita beztlenowość. To odkrycie burzy podstawowe założenie, że tlen był warunkiem koniecznym do pojawienia się życia bardziej rozwiniętego niż bakterie.
Aby zrozumieć skalę tej zmiany, trzeba cofnąć się na sam początek. Ziemia powstała około 4,5 miliarda lat temu, a życie – w najprostszej postaci – pojawiło się już w pierwszych 500 milionach lat. Te najwcześniejsze organizmy należały do dwóch grup: bakterii i archeonów. Obie są mikroskopijne, nie mają jądra komórkowego ani wyszukanych struktur. Razem określa się je mianem prokariotów i przez setki milionów lat były jedynymi mieszkańcami planety.
Dopiero później pojawiły się eukarionty – komórki o wiele bardziej złożone, posiadające jądro z DNA, sieć wewnętrznych „korytarzy” transportowych, a także mitochondria, czyli małe „elektrownie” produkujące energię. Do tej grupy należą wszystko, co znamy jako organizmy wielokomórkowe: od glonów i grzybów po rośliny i zwierzęta. Problem w tym, że droga od prostych prokariotów do eukariontów pozostawała jedną z największych zagadek w biologii. Brakuje form pośrednich, skały z tamtych czasów rzadko zachowują ślady życia, a wcześniejsze szacunki różniły się nawet o miliard lat.
Naukowcy postanowili podejść do problemu inaczej, wykorzystując tzw. molekularne zegary. To metoda, która pozwala oszacować, kiedy różne gatunki miały wspólnego przodka, analizując tempo zmian w ich DNA. Tym razem badacze zebrali dane z setek gatunków, zestawili je z dostępnymi skamieniałościami i zbudowali ogromne drzewo genealogiczne życia, którego gałęzie opisano w czasie absolutnym.
Następnie przeanalizowali ponad sto rodzin genów odpowiedzialnych za elementy kluczowe dla złożonego życia – m.in. transport wewnątrz komórki, tworzenie błon czy działanie białek, które współpracują ze sobą w skomplikowanych sieciach. Dzięki temu udało się odtworzyć nie tylko moment, w którym pojawiły się poszczególne innowacje ewolucyjne, lecz także kolejność ich powstawania.
Największym zaskoczeniem było to, że pierwsze złożone struktury komórkowe – w tym jądro – mogły powstać około 2,9 miliarda lat temu, a więc znacznie wcześniej, niż dotąd wierzono. Oznacza to, że komórka przodka eukariontów zaczęła się komplikować w czasach, gdy na Ziemi prawie nie było tlenu. To dopiero później, znacznie później, komórki te „przejęły” mitochondria – prawdopodobnie w wyniku symbiozy z bakteriami, które potrafiły wykorzystywać tlen do produkcji energii.
Badacze zauważyli, że pojawienie się mitochondriów zbiega się w czasie z pierwszym wyraźnym wzrostem ilości tlenu w atmosferze. To sugeruje, że tlen odegrał ważną rolę, ale nie jako zapalnik całego procesu, lecz jako przyspieszacz jednej z jego faz. Innymi słowy: złożoność zaczęła się rozwijać „po cichu”, w warunkach beztlenowych, a dopiero później tlen umożliwił dalszą ekspansję i różnicowanie się eukariontów.
Ponieważ dotychczasowe teorie nie pasowały do nowych danych, zespół zaproponował świeży scenariusz nazwany CALM – od angielskiego „Complex Archaeon, Late Mitochondrion”. Według tej koncepcji złożona komórka zaczęła wyłaniać się z pewnego typu archeona, a mitochondria pojawiły się dopiero na późnym etapie, gdy środowisko zaczęło się zmieniać.
Odkrycie ma znaczenie nie tylko dla biologii, ale też dla geologii i historii Ziemi. Łączy ewolucję życia z przemianami chemicznymi naszej planety, pokazując, że życie nie czekało biernie na wzrost poziomu tlenu. Wręcz przeciwnie – już wcześniej szykowało się na erę bardziej wymagających form.
To również przypomnienie, jak wiele wciąż nie wiemy o najwcześniejszych rozdziałach historii życia. Skoro złożoność mogła narodzić się tam, gdzie najmniej się tego spodziewaliśmy, być może podobne procesy mogły zajść również na innych planetach, nawet w środowiskach, które nie przypominają dzisiejszej Ziemi.
