Fund i Aarhus Bugt kan løse gåden om vores ur-oprindelse
Alt liv på Jorden startede fra en enkelt stambakterie. Først for to milliarder år siden udvikledes de højere celler, som dyr og planter består af. Nu har forskere fundet det hidtil bedste bud på vores nærmeste nulevende slægtning blandt mikroberne og kan dermed begynde at forstå, hvem vi er udviklet fra.
eukaryoter bakterier arkebakterier Asgård-arkebakterier forfader fælles forfædre

Dybt under det blikstille vand i Aarhus Bugt har forskere fundet en del af nøglen til at forstå, hvordan liv på Jorden er opstået. (Foto: Nils Jepsen/Wikimedia Commons)

To meter nede i de mørke sedimenter på bunden af Aarhusbugten har forskere fundet en afgørende brik i gåden om vores dybeste historie: Oprindelsen af højerestående liv.

Historien kort

Forskere har fundet fire grene af en helt ny gruppe arke-bakterier, kaldet Asgård-arkebakterier.

Bakterierne er de nærmeste nulevende slægtninge til alle højerestånde celler (eukaryoter), også os mennesker.

Ingen har endnu set cellerne, men forskerne håber snart at se dem.

Ved at studere dem og deres genomer vil forskerne kunne sige en hel del om vores egen ur-oprindelse.

Højerestående liv så dagens lys for to milliarder år siden, hvor en stambakterie smeltede sammen med en anden til en ny celle, som kunne vokse sig større og mere avanceret.

Vi er efterkommere af denne celle, og forskerne betragter oprindelsen af cellen som en af de vigtigste begivenheder i livets historie. Hvordan cellen udviklede sig er samtidig et af de største mysterier i biologien.

I Aarhusbugten og seks andre steder i verden er det nu lykkedes at identificere de nærmeste nulevende slægtninge til denne 'forfader-celle': En gruppe mikroorganismer, som kaldes Asgård arkebakterier.

Dermed står det klart, at alle højere organismer begyndte som sådan en lille stambakterie.

»Det her vil komme som et chok for mange mennesker: Hvis vores opdagelse virkelig er rigtig, betyder det helt stringent, at vi og alle højere organismer er arkebakterier. Vi burde omklassificeres som arkebakterier,« siger Thijs Ettema fra Ettema Lab ved Uppsala Universitet i Sverige, som står bag studiet.

Resultatet giver et klarere billede

Med 'alle' mener Thijs Ettema ikke bare os mennesker, men stort set alt det, vi i dagligdagen forbinder med liv. Fra de ydmyge gærsvampe, der brygger vores øl, til træer og blomster, insekter, padder, krybdyr, fuglene i luften, fiskene i havet, alle vores firbenede venner og mange flere.

Prokaryoter og eukaryoter

Alt liv på Jorden er overordnet set opdelt i to grupper: prokaryoter og eukaryoter.

1: Prokaryoter, der betyder 'før kerne' og omfatter alle encellede organismer uden en cellekerne.

Deres cellemaskiner inkl. arvematerialet svømmer frit rundt i cellens indre. Prokaryoter omfatter både bakterier og arkebakterier, som overfladisk ligner hinanden, men grundlæggende er forskellige.

2: Eukaryoter, der betyder 'ægte kerne' og omfatter celler med en cellekerne, der er opbygget ligesom cellemembranen.

Arvematerialet opbevares i cellekernen, og eukaryoter er karakteriseret ved at have opdelt deres indre i rum med forskellige funktioner. Eukaryoter er både encellede og flercellede organismer.

»Ettemas tidligere fund var noget kontroversielt, men nu styrker de deres sag med flere eksempler. Hvad, der nu står klart, er, at arkebakterier og eukaryoter (højerestående celler, red.) har en fælles evolutionær oprindelse,« siger professor emeritus Roger Garrett, grundlægger af Danish Archea Center (DARC) ved Københavns Universitet, som ikke selv har deltaget i studiet.

Lektor Kasper Urup Kjeldsen fra Center for Geomikrobiologi ved Aarhus Universitet har til gengæld deltaget i studiet. Han har blandt andet indsamlet prøver i Aarhus Bugt. Også han ser studiets resultater som banebrydende.

»Nu kan vi begynde at forstå livets træ bedre og danne os et lidt klarere billede af vores oprindelige forfader,« siger han.

Studiet er netop offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Nature.

Opstod eukaryoterne ikke som en selvstændig linje?

Livet på Jorden begyndte for mindst 3,8 milliarder år siden, og ingen ved, hvordan det startede eller hvorfor. Man ved dog, at alt levende på Jorden stammer fra én og samme oprindelige celle.

Man har tidligere ment, at denne celle splittede op i tre overordnede domæner – to simple, små livsformer, kaldet bakterier og arkebakterier, og én højerestående og kompleks, kaldet eukaryoter.

Men de sidste årtier er der begyndt at tegne sig et billede af, at eukaryoter ikke opstod som en selvstændig linje fra den fælles forfader, men derimod som en sammensmeltning af to celler fra henholdsvis arkebakterierne og bakterierne.

Løst fortalt er der måske sket det, at en glubsk rovbakterie for ca. to milliarder år siden fik sit bytte galt i halsen. I stedet for at blive spist og fordøjet endte byttet med at leve videre i en symbiose med rovbakterien.

Et andet scenarie er, at de to mikrober måske har udviklet en livsstil, hvor de blev mere og mere afhængige af hinanden, for så til sidst at indgå i en fuldstændig symbiose.

Det ser vi i dag som alle højerestående cellers energifabrikker, mitokondrierne, og det var en skelsættende begivenhed, som gjorde det muligt for cellerne at vokse sig større og mere komplekse – for i sidste ende at blive flercellede, store, tænkende væsner som os mennesker. 

Mitokondrie-siden af historien er ret godt forstået, og det lille kræ, som 'sad fast i halsen', menes at være en forfader til en gruppe nulevende bakterier, kaldet alfaproteobakterier.

Men hvem var så 'rovbakterien'?

eukaryoter bakterier arkebakterier Asgård-arkebakterier forfader fælles forfædre

Meget forsimplet ser forskerne livets træ således. Fra alt livs fælles forfader, Last Universal Common Ancestor, forgrener de første celler (prokaryoter) sig i to domæner; arkebakterier (blå) og bakterier (røde). For ca. to milliarder år siden opstod komplekse celler, da en forfader til Asgård-arkebakterierne smeltede sammen med en forfader til alfaproteobakterierne. (Illustration: Fra studiet)

Fandt første spor på bunden af Atlanterhavet

Ved Den Midtatlantiske Ryg på bunden af Atlanterhavet mellem Grønland og Norge fandt Thijs Ettema og hans kolleger i 2015 det første spor af 'rovbakterien'.

Det kom fra sedimenter nær et hydrotermisk væld, kaldet Loke's slot, der ligger mere end to km under havoverfladen.

Forskerholdet kortlagde en ny mikrobes arvemateriale, som afslørede adskillige eukaryote signaturgener - blandt andet flere gener, som er centrale for signalveje, proteinnedbrydning og proteintransport.

eukaryoter bakterier arkebakterier Asgård-arkebakterier forfader fælles forfædre

Den Midtatlantiske Ryg, hvor Asgård-arkebakterierne i første omgang blev fundet, er en undersøisk bjergkæde, der går tværs gennem Island. (Illustration: Wikimedia Commons)

Deres analyse viste, at der var tale om en arkebakterie, som var den hidtil tættest beslægtede med eukaryoterne blandt alle kendte bakterier og arkebakerier.

Forskerne døbte dens slægt Lokiarchaeota.

»Det var både en henvisning til lokaliteten Lokes Slot, men også en subtil henvisning til guden Loke, som i den nordiske mytologi er en figur, man ikke rigtigt kan stole på. Det er også meget beskrivende for den her videnskabelige disciplin med at prøve at finde oprindelsen af eukaryote celler,« siger Thijs Ettema.

Det var dog kun tale om et enkelt genom, og mange mente, at man måske var lige hurtige nok at udpege den som vores nærmeste slægtning til en urgammel fælles forfader.

En helt ny gruppe af arkebakterier

Nu udvider forskerne så billedet med en række nye medlemmer, som de samler i en ny gruppe, de også har navngivet med inspiration fra den nordiske mytologi; Asgård-arkebakterierne.

Med hjælp fra samarbejdspartnere har de kortlagt DNA fra sedimenter syv forskellige steder på Jorden med meget forskellige biologiske og kemiske leveforhold. Alle steder har de fundet slægtninge til Lokiarchaeota.

Hvor er DNA'et fundet?

De syv steder, hvor forskerne har fundet DNA fra Asgård arkebakterierne, er Lokes Slot i Atlanterhavet, Aarhus Bugt, Taketomi Island i Japan, Radiata Pool i New Zealand og tre steder i USA; Yellowstone National Park, White Oak Rivers flodmunding og i en kilde nær Coloradofloden.

»Det, man må forstå med de her arkebakterier, er, at der ikke er nogen, som har set dem. Det kan være, de er filamenter, de kan være små runde kugler, eller de kan være stave. Det ved vi ikke noget om, for vi har kun set DNA'sekvenserne,« siger Kasper Urup Kjeldsen fra Aarhus Universitet.

DNA-kortlægning har revolutioneret forskningen

Forskere har traditionelt studeret den mikrobielle verden ved at gro bakterier i laboratorier, men i dag studerer man mikroorganismer ved at kortlægge deres arvemateriale.

De sidste 25 år har studier afsløret, at forskerne hidtil er gået glip 99 eller endda 99,9 procent af alle mikroorganismer, fordi man ikke er i stand til at gro dem.

Ligesom teleskopet revolutionerede astronomien, har DNA-kortlægning revolutioneret mikrobiologien og gjort det muligt at se helt op mod 50 procent af alle mikroorganismer, hvilken er en betydelig forbedring, selvom der stadig skønnes at være en kæmpe bid af livets mangfoldighed, vi ikke kan se.

Kort fortalt er det, Thijs Ettema, Kasper Urup Kjeldsen og deres kolleger gør, simpelthen at tage en prøve fra miljøet, eksempelvis sedimenter fra bunden af Aarhus Bugt og kortlægge alt DNA i det miljø.

Der kan være hundreder eller tusinder af forskellige mikrober, hvis arvemateriale alt sammen hakkes i små bidder og blandes i en stor grød. Hver bid kortlægges, og med kraftige computere og smarte algoritmer pusles så meget af puslespillet som muligt sammen igen.

Der er en række forskellige statistiske udfordringer ved denne metode, men det korte af det lange er, at forskerne nu har kortlagt over 644 milliarder DNA-bogstaver og derfra er lykkedes med at samle genomer, der er beslægtede med den oprindelige Lokiarchaeota.

I alt identificerer de fire linjer, som i Asgård-temaet opkaldes efter de nordiske guder: Lokiarchaeota, Thorarchaeota, Odinarchaeota og Heimdallarchaeota.

Er Asgård-arkebakterierne forfader til alt liv?

Når forskerne sammenligner arvematerialet fra mange forskellige repræsentanter af liv på Jorden, kan de tegne livets stamtræ og se, hvordan Asgård-gruppen falder ind som en af fem-seks store grupper af arkebakterier.

Det, der er særligt spændende er dog, at alle eukaryoter springer ud som en linje under Asgård-gruppen. Fra blåhval til gærcelle til menneske er vi altså dybest set Asgård-arkebakterier, som begyndte en ny udvikling for omkring to milliarder år siden.

»Jeg vil sige, at vi er Asgård-arkebakterier med en mitokondrie-booster,« siger Thijs Ettema.

Roger Garrett, der ikke har været en del af studet, er dog ikke fuldstændig overbevist.

»Det er klart, at vi har en fælles evolutionær historie med arkebakterierne, men det er mindre klart, om eukaryoterne som sådan opstod fra de her Asgård-arkebakterier, eller om de måske bare deler en fælles forfader,« siger han.

Endnu er stamtræet for grovkornet til at sige, hvilken af de fire Asgård-arkebakterier, der eventuelt er vores nærmeste slægtning. Og det er også klart, at det ufattelige tidsspænd, hvor både kloden og livet er forandret enormt, ikke ligefrem gør det let at tegne et knivskarpt billede af udviklingshistorien.

Forskerne håber dog at kunne få et klarere billede ved at finde flere medlemmer af Asgård-familien i fremtiden.

Asgård-arkebakterierne var forberedte på at udvikle sig

Arkebakterier og bakterier

Selvom arkebakterier og bakterier ikke er til at skelne i mikroskopet, er de grundlæggende forskellige.

Deres indhold af gener, biokemi og cellefysiologi er basalt forskellige, så forskerne kan sige, at de må være delt op i hver deres udviklingslinje meget tidligt i livets historie.

En af de grundlæggende forskelle er strukturen af cellemembranen, som hos arke-bakterier består af isopren-enheder, mens den hos bakterier er opbygget af fedtsyrer. Det samme er eukaryoters cellemembraner, og det er et af de centrale kritikpunkter imod idéen om, at eukaryoter dybest set er arkebakterier tilsat en alfaproteobakterie.

Thijs Ettema medgiver, at der mangler en god forklaring, men en mulighed kan f.eks. være, at alfaproteobakterien ikke kun gav eukaryoterne mitokondrier men også en bedre måde at bygge cellemembraner.

Allerede nu røber generne i Asgård-arkebakterierne dog spændende ting om vores potentielle urgamle forfader.

De bekræfter fundet fra 2015 af eukaryote signatur-gener, og de afslører proteiner i eukaryote cellers indre 'skelet' og membrantransport.

For eksempel har Thorarchaeota fra Aarhus Bugt en slags 'kappe'-proteiner, som er vigtige for at danne små membranpakker, der kan transporteres rundt mellem forskellige indre afdelinger i højerestående celler. Den slags transport mellem indre rumopdelinger har man ikke før set hos arkebakterier eller bakterier.

Præcis hvad Asgård-arkebakterierne bruger generne til, ved man ikke, og det behøver ikke nødvendigvis være en funktion, vi kender.

»Det betyder, at nogle af de grundlæggende byggesten er på plads for at udvikle kompleksitet allerede i Asgård-arkebakterierne. Man kan sige, at de var forberedt på at udvikle kompleksitet,« siger Thijs Ettema, som mener, at den bedste måde at blive klogere vil være at finde og studere selve Asgård-arkebakterierne.

»Det er noget, alle brænder for – vi og andre arbejder på at finde baketerierne og se dem i mikroskopet,« siger Thijs Ettema.

Svarene findes i Aarhus Bugt

Mens de første eksemplarer af arkebakterierne blev fundet i ekstremt utilgængelige miljøer, viser det nye studie, at de findes ganske tæt på.

»Aarhus Bugt har den fordel, at den er nem at komme til, så vi kan sejle ud på en eftermiddag og tage de her prøver,« siger Kasper Urup Kjeldsen.

Det er stadig som at finde en nål i en høstak, fordi man regner med, at cellerne dels er meget små og dels er meget få.

Alligevel er det nu formentlig bare et spørgsmål om tid, inden forskerne kan vise os vores nærmeste nulevende slægtning inden for bakterierne, og direkte adspurgt om de har set dem, er svaret lidt kryptisk.

»Der er i hvert fald ikke nogen, som har publiceret dem endnu,« siger Kasper Kjeldsen.