Milliarden Jahre altes Lipid weist auf lange Geschichte komplexer Zellen hin – Ars Technica

Alle Lebewesen, die wir um uns herum sehen können – Pflanzen, Tiere und Pilze – sind Eukaryoten, die aus komplexen Zellen bestehen. Ihre Zellen haben viele innere Strukturen, die von Membranen umgeben sind, die Dinge wie die Energieproduktion vom genetischen Material usw. trennen. Sogar einzellige Organismen auf diesem Zweig des Lebensbaums verfügen oft über membranbedeckte Strukturen, die sich zur Nahrungsaufnahme bewegen und neu anordnen.

Ein Teil der Elastizität dieser Membran ist auf Steroide zurückzuführen. In mehrzelligen Eukaryoten erfüllen Sterole verschiedene Funktionen; Sie dienen unter anderem wie Östrogen und Testosteron als Signalmoleküle. Aber alle Eukaryoten führen verschiedene Dotierungen in ihre Membranen ein, die ihre Fließfähigkeit erhöhen und ihre Krümmung verändern. Daher könnte die Entwicklung des Steroidstoffwechsels entscheidend für die Ermöglichung eines komplexen Lebens sein.

Nun haben Forscher den Ursprung eukaryontischer Steroide auf fast eine Milliarde Jahre zurückverfolgt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass viele Zweige des eukaryotischen Stammbaums einst frühe Versionen von Steroiden herstellten. Aber unsere Branche hat die Fähigkeit entwickelt, feinere Details zu produzieren – was uns möglicherweise dabei geholfen hat, unsere Verwandten im Wettbewerb zu übertreffen.

Verwirrter Zeitplan

In gewisser Weise geht es bei der neuen Arbeit darum, eine Idee zu testen, die ein Biochemiker vor Jahrzehnten vorgeschlagen hat Konrad Bloch. Bloch erhielt den Nobelpreis für seine Entdeckung der biochemischen Wege, die es Zellen ermöglichen, Steroide aus einfacheren Vorfahren zu produzieren. 1994 schlug Bloch vor, dass die chemischen Zwischenprodukte auf den von ihm identifizierten Wegen irgendwann in unserer Evolution die Endprodukte seien. Die Zellen würden diese weniger komplexen Steroide herstellen, die für ihr Überleben eine entscheidende Rolle gespielt haben; Im Laufe der Zeit hat unsere Branche jedoch Enzyme entwickelt, die es auf vorteilhafte Weise weiter verändern.

Dies hatte die Fähigkeit, durch eine Vielzahl von Beweisstücken, die nicht ganz zusammenpassten, einen Sinn zu ergeben. Wir haben 1,6 Milliarden Jahre alte Mikrofossilien gefunden, die offenbar komplexe Zellen mit Oberflächenprozessen aufweisen, die typischerweise auf Eukaryoten beschränkt sind. Dies passt gut zu den DNA-Beweisen, die darauf hindeuten, dass alle heutigen Eukaryoten auf einen gemeinsamen Vorfahren zurückgeführt werden können, der vor mindestens 1,2 Milliarden Jahren, möglicherweise bereits vor 1,8 Milliarden Jahren, existierte.

Wir können aber auch in alten Gesteinen nach Dotierungen suchen, denn die Moleküle sind bemerkenswert stabil. Aber die Steroide in den heutigen Eukaryoten tauchten erst vor etwa einer Milliarde Jahren auf – viel später als die Eukaryoten selbst. Diese Lücke könnte genau erklärt werden, wenn frühere Eukaryoten Blochs biochemische Zwischenprodukte verwendeten.

Hier hat Bloch, obwohl er Recht hatte, etwas Großes falsch gemacht. Es wurde vermutet, dass Zwischenprodukte chemisch instabil wären und daher nicht lange genug in Sedimenten überleben würden, als dass wir sie finden könnten. Aus dieser Sicht hatte die Suche keinen Sinn.

langfristig

Ein internationales Forscherteam kam zu dem Schluss, dass es sich lohnen könnte, Blochs Annahme über die Haltbarkeit dieser Moleküle zu testen. Also stellten die Forscher eine Gruppe von Molekülen zusammen, setzten sie Erhitzung und beschleunigten Alterungsbedingungen aus und untersuchten, was passierte. Während sie zwei Atome auf der Seite der zyklischen Strukturen verloren, überlebte der größte Teil des Moleküls. Noch wichtiger ist, dass keine anderen anabolen Steroide bekanntermaßen die gleichen Moleküle produzieren, wenn sie abgebaut werden, sodass diese alten Zwischenprodukte als Tracer der Steroidproduktion dienen können.

Mit diesen Informationen erhielten die Forscher Öl- und Teerproben aus Sedimenten, die auf verschiedene Zeitpunkte in der Erdvergangenheit datiert wurden. Und selbst das älteste Exemplar, 1,6 Milliarden Jahre alt, enthielt bereits jede Menge Reste von Steroid-Zwischenprodukten. Forscher haben Dutzende Verwandte intermediärer Steroidverbindungen isoliert, aber keines der Moleküle gefunden, die man erwarten würde, wenn es moderne Steroide gäbe.

Es scheint auch, dass Eukaryoten einst allgegenwärtig waren. „Diese Sterole wurden in relativ tiefen und flachen Wasserumgebungen, mikrobiellen Matten und pelagischen Lebensräumen, Schiefern und Karbonaten sowie in Meeres- und möglicherweise Seeteichen nachgewiesen“, schreiben die Forscher.

Auch hier tauchen die ersten Anzeichen moderner Steroide erst vor weniger als einer Milliarde Jahren auf, was darauf hindeutet, dass Eukaryoten – unsere Vorfahren und andere Zweige des Evolutionsbaums – fast eine Milliarde Jahre lang florierten und dabei Moleküle verwendeten, die heute nur noch chemische Zwischenprodukte sind. Auch verschiedene Klassen modernen Dopings tauchen langsam in den geologischen Aufzeichnungen auf, was darauf hindeutet, dass es keinen Innovationsschub gibt.

Extremes Überleben

Die Forscher schlagen eine interessante Idee vor, die den Ursprung moderner Eukaryoten in den geologischen Aufzeichnungen verortet. Es scheint, dass Eukaryoten während einer geologischen Zeitperiode namens „langweilige Milliarde„, die sich vor etwa 1,8 bis 0,8 Milliarden Jahren erstreckte. In dieser Zeit passierte, wie der Name schon sagt, nicht viel. Die Geologie hat die meiste Zeit dieser Zeit beobachtet, wie sich die Kontinentalplatten der Erde zu einem Superkontinent zusammenschlossen und so zu einem scheinbar stabilen Klima beitrugen welche das Leben zu haben scheint Sie reagierten auf die relative Stagnation mit der Bildung ebenso stabiler Ökosysteme, die über einen Großteil dieser Zeit hinweg bestehen blieben.

Während sich die Vorfahren aller modernen Eukaryoten während der langweiligen Milliardenperiode entwickelt hätten, bedeutete das Fehlen ökologischer Störungen wahrscheinlich, dass es ihnen schwerfiel, eine unbesetzte ökologische Nische zu finden. Angesichts dieser Herausforderung vermuten die Forscher, dass die Evolution moderner Amphibien ihnen die nötige Ausdauer verliehen haben könnte, um in extremeren Umgebungen zu leben, beispielsweise an Orten, an denen kalte oder hohe Temperaturen vorherrschen, oder an Orten wie Wattenmeer, die regelmäßig austrocknen. Das würde bedeuten, dass moderne Steroide hergestellt wurden, allerdings nur in Mengen, die eine Entdeckung unwahrscheinlich machen.

Die langweilige Milliarde endete mit einem Anstieg der tektonischen Aktivität und globalen Vereisungen, die das bakterielle Äquivalent eines Massensterbens hätten auslösen können. In der turbulenten Umgebung, die darauf folgte, könnte die Fähigkeit moderner Aktivatoren, den extremen Umweltbedingungen standzuhalten, unseren Vorfahren einen Vorteil verschafft haben und es ihnen ermöglicht haben, alle anderen Zweige des eukaryotischen Baums zum Aussterben zu bringen.

Natur, 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-06170-w (über DOIs).