William Blake heeft misschien een wereld in een zandkorrel gezien, maar voor wetenschappers van het MIT bevat de kleinste van alle fotosynthetische bacteriën aanwijzingen voor de evolutie van hele ecosystemen, en misschien zelfs de hele biosfeer.

De sleutel is een kleine bacterie genaamd Prochlorococcus, dat is de meest voorkomende fotosynthetische levensvorm in de oceanen. Nieuw onderzoek toont aan dat het metabolisme van dit kleine wezen is geëvolueerd op een manier die mogelijk heeft bijgedragen aan de opkomst van andere organismen, om een ​​complexer marien ecosysteem te vormen. De evolutie ervan kan zelfs hebben bijgedragen tot wereldwijde veranderingen die de ontwikkeling van de meer complexe organismen op aarde mogelijk hebben gemaakt.

Het onderzoek suggereert ook dat de co-evolutie van Prochlorococcus en zijn onderling afhankelijke co-organismen kan worden gezien als een microkosmos van de metabolische processen die plaatsvinden in de cellen van veel complexere organismen.

De nieuwe analyse wordt deze week gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences , in een paper van postdoc Rogier Braakman, Professor Michael volgt, en instituutsprofessor Sallie (Penny) Chisholm, die deel uitmaakte van het team dat dit kleine organisme en zijn buitenmaatse invloed ontdekte.

"We hebben al deze verschillende stammen die zijn geïsoleerd uit alle oceanen van de wereld, die verschillende genomen en verschillende genetische capaciteit hebben, maar volgens traditionele maatstaven zijn ze allemaal één soort, " legt Chisholm uit. "Dus er is een buitengewone genetische diversiteit binnen deze enkele soort die het mogelijk maakt om zulke uitgestrekte delen van de oceanen van de aarde te domineren."

Omdat Prochlorococcus zowel zo overvloedig als zo goed bestudeerd is, Braakman zegt dat het een ideaal onderwerp was om erachter te komen "binnen al deze diversiteit, hoe veranderen de metabole netwerken? Wat drijft dat, en wat zijn daarvan de gevolgen?"

Ze vonden een grote hoeveelheid variatie in het "metabolische netwerk van de bacterie, " wat verwijst naar de manieren waarop materialen en energie het organisme in en uit gaan, langs zijn fylogenie. Het feit dat zulke significante veranderingen hebben plaatsgevonden in de loop van de Prochlorococcus-evolutie "vertelt je iets heel dramatisch, " hij zegt, omdat deze metabolische processen zo fundamenteel zijn voor het voortbestaan ​​van het organisme dat "het is als de motor van het systeem. Dus stel je voor dat je probeert de motor van je auto te veranderen terwijl je aan het rijden bent. Het is niet gemakkelijk gedaan, dus als er iets verandert, het vertelt je iets belangrijks."

De variaties vormen een soort gelaagde structuur, met meer voorouderlijke varianten die dieper in de waterkolom leven en meer recente varianten die dichtbij het oppervlak leven. Het team ontdekte dat toen Prochlorococcus begon te leven in de bovenste lagen van de oceaan, waar licht overvloedig is, maar voedsel relatief schaars is, het ontwikkelde een steeds hoger metabolisme. Het nam meer zonne-energie op en gebruikte dat om een ​​sterkere opname van schaarse voedingsstoffen uit het water mogelijk te maken - in feite, een krachtigere stofzuiger creëren, maar daarbij ook meer afval produceren, zegt Braakman.

Naarmate nieuwere varianten voedingsstoffen in de oppervlaktelagen opzuigden, meer voorouderlijke soorten moesten naar grotere diepten verhuizen waar de nutriëntenniveaus hoger bleven, uiteindelijk resulterend in de gelaagde structuur die we vandaag zien.

De koolstofverbindingen waaruit het afval van Prochlorococcus bestaat, leverden op hun beurt voedingsstoffen die de evolutie van een ander soort bacteriën aanstuurden, bekend als SAR11, wiens eigen afvalproducten nuttig waren voor Prochlorococcus, waardoor een coöperatief systeem werd gevormd dat beide organismen ten goede kwam. Het wederzijds recyclen van afval versterkt de collectieve maximalisatie van de stofwisseling. "Het lijkt erop dat het systeem in feite evolueert om de totale doorvoer" van energie te maximaliseren, niet alleen die van individuele organismen, zegt Braakman.

"Omdat ze hun vermogen om voedingsstoffen op te nemen optimaliseren, cellen produceren meer organische koolstof en bevorderen uiteindelijk meer mutualisme, ', vult Volgt aan.

Dat onderling afhankelijke, samenwerkingsrelatie lijkt sterk op de relatie tussen mitochondriën en chloroplasten, de twee soorten subeenheden die de energie leveren in de cellen van alle vormen van plantenleven, zegt Braakman. Chloroplasten verzamelen energie uit zonlicht en gebruiken het om chemische verbindingen te vormen die energie overbrengen naar mitochondriën, die op hun beurt koolstof en energie kunnen vrijgeven en terugdragen naar chloroplasten en de rest van de cel - via routes die erg lijken op die van Prochlorococcus en SAR11.

Andere kenmerken van de twee systemen lijken ook erg op elkaar, inclusief hun fotosynthetische pigmenten en hoe ze omgaan met de ontgifting van waterstofperoxide. Dit suggereert dat parallelle evolutionaire processen hetzelfde resultaat produceerden in zeer verschillende omgevingen. "Plantencellen zien er echt uit als microscopisch kleine microbiële ecosystemen in de oceaan, " hij legt uit.

Mede door die parallellen, Braakman zegt dat deze dynamiek mogelijk de evolutie van de biosfeer meer in het algemeen zou kunnen beschrijven. Hij suggereert dat de wiskundige beschrijvingen van de evolutie van Prochlorococcus, die hij en Follows samen ontwikkelden, voortkomen uit basisprincipes van kinetiek en thermodynamica en zo ook enig inzicht kunnen verschaffen in andere systemen. "Het zou een universeel soort dynamiek kunnen zijn, " hij zegt.

"Dit raamwerk kan ons ook helpen de interacties van het leven te modelleren, zonlicht, en oceaanchemie op oceaanschaal, ' zegt Volgt.

De metabolische evolutie van Prochlorococcus kan nog een ander belangrijk effect hebben gehad:door een complexe geochemische cyclus waarbij de koolstofverbindingen betrokken zijn die de microbe heeft geproduceerd en hun interacties met ijzer, de bacteriën hebben mogelijk bijgedragen aan een aanzienlijke stijging van zuurstof in de atmosfeer van de aarde ongeveer een half miljard jaar geleden, van zeer lage niveaus tot bijna moderne niveaus. Aangenomen wordt dat deze grote toename van zuurstof een snelle explosie van nieuwe soorten heeft veroorzaakt, ook bekend als de Cambrische explosie, die de geboorte van de meeste belangrijke dierlijke phyla zag.

Wat deze analyse suggereert, hij zegt, "is wat lijkt op een richtinggevend evolutionair proces, die gestaag naar een richting marcheert waar het de energiestroom door het systeem verhoogt. Een van de gevolgen daarvan is dat er toen zuurstof in de atmosfeer terechtkwam, en de complexiteit van het ecosysteem nam toe."

Veel evolutietheorie legt de nadruk op concurrentie, Braakman zegt, waar "er beperkte middelen zijn en we er allemaal voor vechten. Maar wat deze evolutionaire dynamiek zegt, is dat het een manier is om de middelen voor het hele systeem te vergroten, dus iedereen is beter af. Het verhoogt de totale systeembronnen."

Dit werk, Chisholm zegt, laat zien dat "je echt moet nadenken over evolutie op al deze schalen, om het te begrijpen. Het gaat niet alleen om een ​​stel egoïstische genen die rondspringen. Als je het leven in al zijn dimensies wilt begrijpen, je moet naar de genen kijken, maar ook helemaal tot aan de ecosystemen. Het heeft allemaal geen zin als je het niet op al die schalen bekijkt."

De "innovatieve integratie van fylogenie, fysiologie, en genomica opent nieuwe wegen voor onderzoek naar de evolutie van fytoplankton, terwijl het nieuwe denken stimuleert over de lange termijn co-evolutie van aarde en leven, " zegt Andrew Knoll, hoogleraar natuurlijke historie aan de Harvard University, die niet bij dit onderzoek betrokken was.