Deze les gaat over de Archaea. Wat Archaea zijn, hoe ze zijn ontstaan en welke rol ze hebben gespeeld bij het ontstaan van de planten, schimmels en dieren.

Archaea zijn net als de bacteriën prokaryoten. Prokaryoten zijn organismen zonder celkern. Organismen met een celkern heten eukaryoten. De naam komt uit het Grieks; eu betekent ‘echt’ en karyon ‘noot’ of ‘kern’. Planten, dieren en schimmels zijn eukaryoten en hebben dus een echte kern met daarin het erfelijke materiaal opgeslagen. Volgens de huidige evolutietheorie is het leven op aarde begonnen met prokaryoten. Uit deze prokaryoten zijn vervolgens de eukaryoten ontstaan.

Een Biologielessen podcast over de endosymbiosetheorie op Spotify is hieronder te beluisteren.

Globaal gezien bestaat al het leven op aarde uit drie grote groepen of domeinen. Er is het domein der bacteriën, het domein van de archaea, en het domein van de eukaryoten.

Als je de bovenstaande illustratie bekijkt valt je op dat er een verrassend nauwe verwantschap is tussen de archaea en de eukaryoten. Ze hebben een gemeenschappelijke voorouder die zich vroeg in de evolutie aftakte van de bacteriën en die zich later splitste in de moderne archaea en de eukaryoten. Vooral in hun informatieverwerkende processen hebben de archaea en de eukaryoten veel gemeenschappelijk. Beide verpakken hun erfelijk materiaal in opmerkelijk gelijke eiwitten (histonen), repliceren hun genen en bouwen eiwitten met gelijke machinerie. In al deze eigenschappen verschillen de archaea in detail met de bacteriën. Gezien vanuit de informatieverwerkende processen hebben de archaea iets van een missing link, die gedeeltelijk de kloof tussen de bacteriën en eukaryoten dicht. In essentie zijn archaea verwant aan de bacteriën, maar hebben ze enkele verrassende eukaryotische trekjes in zich.

In het onderstaande overzicht staat beknopt de belangrijkste verschillen of overeenkomsten tussen de organismen van de drie domeinen weergegeven.

Ontstaan van primitieve eukaryoten

Volgens Darwin evolueert het leven door langzame ophoping van verschillen in de loop der tijd, zodat verschillende afstammingslijnen vanuit hun gemeenschappelijke voorouder divergeren. Van elkaar vervreemden. Als de vervreemding lang genoeg duurt ontstaan er uit één gemeenschappelijke voorouder twee nieuwe soorten. Deze soorten zijn onderling niet meer kruisbaar en leveren nooit meer vruchtbare nakomelingen op. De nieuw ontstane soorten worden dan nieuwe takken aan de tree of life. Des te langer de tak, des te langer is het geleden is dat een soort is ontstaan uit een (gemeenschappelijke)voorouder.

Het resultaat van een vertakkende boom is de beste manier is om de evolutie weer te geven van de meeste eukaryotische organismen die we kennen. Maar het is de vraag of de boom ook de beste manier is om de evolutie van de prokaryoten zoals de bacteriën en de archaea weer te geven. Er zijn twee processen die de Darwinistische vertakkende boom in de war gooien: genoverdracht en genoomfusie tussen twee verschillende soorten organismen. Door genoomfusies wordt de Darwinistische boom op zijn kop gezet. In plaats van divergentie ontstaat er convergentie. Soorten vervreemden niet van elkaar, maar soorten “smelten samen” zodat er uit twee soorten één nieuwe soort ontstaat.

Volgens de meest recente theorieën is de (primitieve) eukaryoot ontstaan uit een éénmalige beslissende ontmoeting tussen twee prokaryoten. De primitieve eukaryoot, de voorouder van alle hedendaagse planten, dieren, schimmels en protisten, is waarschijnlijk ontstaan uit een beslissende ontmoeting tussen een bacterie en een archaea, en dus niet uit een primitieve fagocyt zonder mitochondriën. De twee prokaryoten gingen in een symbiotische relatie als één organisme verder met leven.

 

Als deze relatie er eenmaal is evolueert op een Darwinistische manier de gehele cel, inclusief de opgenomen bacteriën, als een eenheid. Terwijl ze elkaar nog steeds diensten verlenen, eroderen overtollige erfelijke eigenschappen in de loop van de tijd helemaal weg totdat de opgenomen bacteriën nog weinig meer dan een paar klusjes voor de cel uitvoeren. Opgenomen bacteriën veranderde in mitochondriën. Deze vereniging zorgt ervoor dat de primitieve eukaryotische cel kon beschikken over zeer veel energie, verkregen van de tot slavernij gedwongen geïncorporeerde bacteriën. Het was de grote hoeveelheid beschikbare energie die ervoor zorgde dat de primitieve eukaryoot zijn bacteriële leven vaarwel kon zeggen en de weg richting fagocytose kon inslaan. De weg naar een caleidoscopische variatie aan eukaryoten is in gang gezet.

De evolutie van de moderne eukayoot is een verhaal van overwonnen tegenvallers en van geluk. De stappen die de primitieve eukaryoot in de evolutie heeft moeten maken zijn in de afbeelding hierboven te zien en worden hieronder min of meer globaal besproken. Lees het boek Levenswerk van Nick Lane  indien je interesse in meer details over de wonderbaarlijke opkomst van de eukaryoten.

Onstaan fagocytose

Nadat de primitieve eukaryoot de tot slavernij veroordeelde opgenomen bacteriën had omgetoverd tot ATP producerende knechten kwam de weg tot fagocytose open te liggen. Fagocyten moeten groot genoeg zijn om andere organismen te kunnen opeten en voor fogocytose hebben ze veel energie nodig om te bewegen, van vorm te veranderen en hun prooi op te slokken. De geknechte ATP producerende bacteriële slaven leverde hun gastheer de energie voor een leven als fagocyte

Infecties met springende genen.
Het belangrijkste kenmerk van de eukaryotische cel is natuurlijk de celkern. Ook het ontstaan van een celkern is ook het resultaat van een evolutionaire aanpassingen van de eukaryotische cel op tegenslagen. Infectie met springende genen (jumping genes) is een gebeurtenis in de evolutie van de eukaryoot die waarschijnlijk heeft geleden tot het ontstaan van de celkern. Springende genen zijn zelfzuchtige stukjes DNA die zich inbouwen in het DNA van de gastheercel waar ze parasiteren.

Om van een gen of stuk DNA een eiwit te maken moet de cel van het betreffende gen eerst een goedkope kopie maken. Zo´n goedkope kopie van een gen heet m-RNA. Het m-RNA bevat de genetische code waarmee de ribosomen het benodigde eiwit kunnen fabriceren. De productie van m-RNA heet transcriptie. Elke keer dat de met springende genen geïnfecteerde cel m-RNA maakt van een gen dan wordt het springende gen ook meegekopieerd. Het mee gekopieerde springende gen in het m-RNA knipt zichzelf uit het m-RNA, bouwt zichzelf weer om tot een mooi stukje DNA en plakt zichzelf weer op een willekeurige plek in het gastheer DNA. Elke keer als de cel een geïnfecteerd gen omzet in m-RNA, dan herhaalt dit proces van knippen, ombouwen tot DNA en willekeurig incorporeren in het gast DNA zich. Dit heeft tot gevolg dat na verloop van tijd het gastheer DNA volledig is geïnfecteerd met springende genen. Omdat deze springende genen zich ook inbouwen midden in genen veroorzaken deze springende genen de typerende eukaryotische “genen in stukjes”.

Maar wat hebben deze springende genen nu te maken met het ontstaan van de celkern? De theorie over deze vraag is als volgt. Door de springende genen zijn de erfelijke eigenschappen stukjes geknipt. Elke keer als een cel een eiwit wil produceren en de cel maakt door transcriptie een streng m-RNA, dan is de erfelijke informatie voor dat betreffende eiwit vervuild met springende genen.

Het resultaat is dan altijd een niet werkend eiwit. De cel moest een manier verzinnen om eerst rustig deze springende genen uit het m-RNA te verwijderen voordat de ribosomen ,op basis van het vervuilde m-RNA, er eiwitten van gingen maken. De uitdaging waar de cel voor stond was tweeledig: hoe verkrijg ik tijd om de springende genen eruit te knippen en hoe voorkom ik dat de ribosomen eiwitten gaan maken op basis van vervuild m-RNA.

De evolutie van de celkern was het antwoord op beide uitdagingen. Door de celkern ontstond er een scheiding tussen de productie van het m-RNA en de eiwitsynthese. Productie van m-RNA vindt plaats in de celkern. Eiwitsynthese in het cytoplasma van de cel. In de celkern kon de cel eerst rustig de springende genen uit het m-RNA verwijderen, zonder dat de ribosomen er al eiwitten van aan het maken zijn.

Het vrij van springende genen gemaakte m-RNA kon vervolgens de celkern uit gestuurd worden richting het cytoplasma, waar de ribosomen er eiwitten op kunnen gaan produceren. De vroege eukaryotische cel heeft de infectie van de springende genen het hoofd geboden met de introductie van de celkern. Het ontstaan van de celkern zorgde voor de noodzakelijke fysieke scheiding in plaats en tijd tussen de productie van m-RNA en de productie van de eiwitten.

Een podcast over met een leuke theorie over het ontstaan van de celkern in hieronder te beluisteren.,