Informatie

Hoe vaak kwam het aardse leven uit de oceaan?


Evolutie wordt in de populaire cultuur vaak ten onrechte als lineair afgeschilderd. Een belangrijk kenmerk van deze afbeelding in de populaire cultuur, maar zelfs in de wetenschappelijke popularisering, is dat een of ander in de oceaan levend dier zijn schubben en vinnen verliest en het land op kruipt.

Dit is natuurlijk alleen te zien een voorouderlijke afstamming voor een specifieke soorten (Homo sapiens). Mijn vraag is: Waar anders is het leven uit het water naar het land geëvolueerd?

Intuïtief lijkt dit een enorme sprong om te maken (aanpassen aan een fundamenteel vreemde omgeving), maar het moet toch meerdere keren zijn gebeurd (afzonderlijk in ieder geval voor planten, insecten en akkoorden, aangezien hun meest recente gemeenschappelijke voorouder de zeewoning is). Sterker nog, hoe meer ik erover nadenk, hoe meer voorbeelden ik tegenkom.


Ik betwijfel of we het precieze aantal weten, of zelfs maar in de buurt ervan. Maar er zijn verschillende goed onderbouwde theoretische kolonisaties die u misschien interesseren en die u kunnen helpen een beeld op te bouwen van hoe gewoon het was voor het leven om over te gaan naar land. We kunnen ook bekende feiten gebruiken over wanneer verschillende evolutionaire lijnen uiteenliepen, samen met kennis over de eerdere kolonisaties van land, om enkele gebeurtenissen voor onszelf uit te werken. Ik heb het hier gedaan voor brede taxonomische clades op verschillende schalen - als je geïnteresseerd bent, zou je hetzelfde opnieuw kunnen doen voor lagere sub-clades.

Zoals u terecht opmerkt, moet er ten minste één kolonisatiegebeurtenis zijn geweest voor elke op het land aanwezige afstamming die vóór de kolonisatie van het land afweek van andere op het land aanwezige afstammingslijnen. Met behulp van het bewijs en de redenering die ik hieronder geef, hebben op zijn minst de volgende 9 onafhankelijke kolonisaties plaatsgevonden:

  • bacteriën
  • cyanobacteriën
  • archaea
  • protisten
  • schimmels
  • algen
  • planten
  • nematoden
  • geleedpotigen
  • gewervelde dieren

Bacteriële en archaïsche kolonisatie
Het eerste bewijs van leven op het land lijkt afkomstig te zijn van 2.6 (Watanabe et al., 2000) tot 3.1 (Battistuzzi et al., 2004) miljard jaar geleden. Aangezien moleculair bewijs erop wijst dat bacteriën en archaea tussen 3,2 en 3,8 miljard jaar geleden uiteenliepen (Feng et al., 1997 - een klassiek artikel), en aangezien zowel bacteriën als archaea op het land worden aangetroffen (bijv. Taketani & Tsai, 2010), moeten ze onafhankelijk land hebben gekoloniseerd. Ik zou suggereren dat er ook veel verschillende bacteriële kolonisaties zouden zijn geweest. Eén daarvan is in ieder geval zeker: cyanobacteriën moeten onafhankelijk van andere vormen gekoloniseerd hebben, aangezien ze zich ontwikkelden na de eerste bacteriële kolonisatie (Tomitani et al., 2006), en nu op het land worden aangetroffen, b.v. in korstmossen.

Protistan, schimmel-, algen-, planten- en dierenkolonisatie
Protisten zijn een polyfyletische groep van eenvoudige eukaryoten, en aangezien schimmelafwijkingen van hen (Wang et al., 1999 - een andere klassieker) dateert van vóór de opkomst van schimmels uit de oceaan (Taylor & Osborn, 1996), moeten ze afzonderlijk zijn ontstaan. Omdat planten en schimmels uiteenliepen terwijl schimmels nog in de oceaan waren (Wang et al., 1999), moeten planten zich afzonderlijk hebben gekoloniseerd. In feite is op verschillende manieren expliciet ontdekt (bijv. moleculaire klokmethoden, Heckman et al., 2001) dat planten de oceaan afzonderlijk moeten hebben verlaten voor schimmels, maar waarschijnlijk op hen vertrouwden om dit te kunnen doen (Brundrett, 2002 - zie opmerking onderaan over dit papier). Vervolgens, eenvoudige dieren… Geleedpotigen koloniseerden het land onafhankelijk (Pisani et al, 2004), en aangezien nematoden vóór geleedpotigen uiteenliepen (Wang et al., 1999), moeten ook zij onafhankelijk land hebben gevonden. Toen, aan het eind sjokkend, kwamen de tetrapoden (Long & Gordon, 2004).

Opmerking over het Brundrett-papier: het heeft MEER DAN 300 REFERENTIES! Die vent hoopte vast op een soort prijs.

Referenties

  • Battistuzzi FU, Feijao A, Hedges SB. 2004. Een genomische tijdschaal van prokaryote evolutie: inzichten in de oorsprong van methanogenese, fototrofie en de kolonisatie van land. BMC Evol Biol 4: 44.
  • Brundrett MC. 2002. Co-evolutie van wortels en mycorrhiza's van landplanten. Nieuwe fytoloog 154: 275-304.
  • Feng DF, Cho G, Doolittle RF. 1997. Bepaling van divergentietijden met een eiwitklok: update en herevaluatie. Proceedings van de National Academy of Sciences 94: 13028 -13033.
  • Heckman DS, Geiser DM, Eidell BR, Stauffer RL, Kardos NL, Hedges SB. 2001. Moleculair bewijs voor de vroege kolonisatie van land door schimmels en planten. Wetenschap 293: 1129 -1133.
  • Lange JA, Gordon MS. 2004. De grootste stap in de geschiedenis van gewervelde dieren: een paleobiologisch overzicht van de overgang tussen vissen en tetrapoden. Fysiologische en biochemische zoölogie 77: 700-719.
  • Pisani D, Poling LL, Lyons-Weiler M, Hedges SB. 2004. De kolonisatie van land door dieren: moleculaire fylogenie en divergentietijden bij geleedpotigen. BMC Biol 2: 1.
  • Taketani RG, Tsai SM. 2010. De invloed van verschillende landgebruiken op de structuur van archaeale gemeenschappen in anthrosols in het Amazonegebied op basis van 16S-rRNA- en amoA-genen. Microb Ecol 59: 734-743.
  • Taylor TN, Osborn JM. 1996. Het belang van schimmels bij het vormgeven van het paleoe-ecosysteem. Herziening van Palaeobotany en Palynology 90: 249-262.
  • Wang DY, Kumar S, Hedges SB. 1999. Schattingen van divergentietijd voor de vroege geschiedenis van dierlijke phyla en de oorsprong van planten, dieren en schimmels. Proc Biol Sci 266: 163-171.
  • Watanabe Y, Martini JEJ, Ohmoto H. 2000. Geochemisch bewijs voor terrestrische ecosystemen 2,6 miljard jaar geleden. Natuur 408: 574-578.

Richards antwoord is fantastisch, en ik zal niet zo grondig zijn. Maar hier zijn nog enkele andere voorbeelden:

  • Schildpadden (die van zee naar land naar zee naar land deden!)
  • Gastropoda (slakken en slakken)
  • Tardigrada (waterberen)
  • Onychophora (fluwelen wormen)
  • Planaria (platwormen)
  • Annelida (annelide wormen)

Samen met Richard's voorbeelden bevat dat alle voorbeelden van landdieren die op wikipedia worden gegeven.


Hoe is het meercellige leven geëvolueerd?

Wetenschappers ontdekken manieren waarop afzonderlijke cellen eigenschappen kunnen hebben ontwikkeld die hen in groepsgedrag hebben verankerd, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor meercellig leven. Deze ontdekkingen zouden licht kunnen werpen op hoe complex buitenaards leven zou kunnen evolueren op buitenaardse werelden.

Onderzoekers hebben deze bevindingen gedetailleerd beschreven in het 24 oktober 2016 nummer van het tijdschrift Wetenschap.

De eerste bekende eencellige organismen verschenen ongeveer 3,5 miljard jaar geleden op aarde, ongeveer een miljard jaar nadat de aarde was gevormd. Meer complexe levensvormen duurden langer om te evolueren, waarbij de eerste meercellige dieren pas ongeveer 600 miljoen jaar geleden verschenen.

De evolutie van meercellig leven uit eenvoudiger, eencellige microben was een cruciaal moment in de geschiedenis van de biologie op aarde en heeft de ecologie van de planeet drastisch hervormd. Een mysterie over meercellige organismen is echter waarom cellen niet terugkeerden naar eencellig leven.

"Eencelligheid is duidelijk succesvol - eencellige organismen zijn veel overvloediger dan meercellige organismen en bestaan ​​​​al minstens 2 miljard jaar extra", zegt hoofdonderzoeksauteur Eric Libby, een wiskundig bioloog aan het Santa Fe Institute in New Mexico. "Dus wat is het voordeel om meercellig te zijn en zo te blijven?"

Het antwoord op deze vraag is meestal samenwerking, aangezien cellen meer baat hebben bij samenwerking dan bij alleen wonen. In scenario's van samenwerking zijn er echter voortdurend verleidelijke mogelijkheden "voor cellen om hun taken te ontlopen - dat wil zeggen vals spelen", zei Libby.

"Beschouw als voorbeeld een mierenkolonie waar alleen de koningin eieren legt en de werksters, die zich niet kunnen voortplanten, zich moeten opofferen voor de kolonie," zei Libby. “Wat weerhoudt de mierenwerker ervan de kolonie te verlaten en een nieuwe kolonie te vormen? Het is duidelijk dat de mierenwerker zich niet kan voortplanten, dus kan hij geen eigen kolonie stichten. Maar als het een mutatie zou krijgen die het mogelijk maakte om dat te doen, dan zou dit een echt probleem zijn voor de kolonie. Dit soort strijd komt veel voor in de evolutie van meercelligheid, omdat de eerste meercellige organismen slechts een mutatie verwijderd waren van strikt eencellig te zijn.”

Experimenten hebben aangetoond dat een groep microben die nuttige moleculen afscheidt waarvan alle leden van de groep kunnen profiteren, sneller kan groeien dan groepen die dat niet doen. Maar binnen die groep groeien freeloaders die geen middelen of energie verbruiken om deze moleculen uit te scheiden het snelst van allemaal. Een ander voorbeeld van cellen die groeien op een manier die andere leden van hun groep schaadt, zijn kankercellen, die een potentieel probleem vormen voor alle meercellige organismen.

Inderdaad, veel primitieve meercellige organismen hebben waarschijnlijk zowel eencellige als meercellige toestanden ervaren, wat kansen biedt om af te zien van een groepslevensstijl. Bijvoorbeeld de bacterie Pseudomonas fluorescens evolueert snel om meercellige matten op oppervlakken te genereren om betere toegang tot zuurstof te krijgen. Echter, zodra een mat is gevormd, hebben eencellige cheats een prikkel om de lijm die verantwoordelijk is voor de matvorming niet te produceren, wat uiteindelijk leidt tot de vernietiging van de mat.

Om het mysterie op te lossen van hoe meercellig leven voortduurde, suggereren wetenschappers wat zij 'ratelmechanismen' noemen. Ratels zijn apparaten die beweging in slechts één richting mogelijk maken. Naar analogie zijn ratelende mechanismen eigenschappen die voordelen bieden in een groepscontext, maar schadelijk zijn voor eenlingen, waardoor uiteindelijk een terugkeer naar een eencellige staat wordt voorkomen, zei Libby en co-auteur William Ratcliff van het Georgia Institute of Technology in Atlanta.

Over het algemeen geldt dat hoe meer een eigenschap cellen in een groep onderling afhankelijk maakt, hoe meer het als een ratel dient. Groepen cellen kunnen bijvoorbeeld arbeid verdelen, zodat sommige cellen één vitaal molecuul laten groeien terwijl andere cellen een andere essentiële verbinding laten groeien, zodat deze cellen het beter samen doen dan apart, een idee dat wordt ondersteund door recente experimenten met bacteriën.

Ratcheting kan ook de symbiose verklaren tussen oude microben die leidden tot symbionten die in cellen leefden, zoals de mitochondriën en chloroplasten die respectievelijk hun gastheren helpen gebruik te maken van zuurstof en zonlicht. De eencellige organismen die bekend staan ​​​​als Paramecia doen het slecht wanneer ze experimenteel zijn afgeleid van fotosynthetische symbionten, en op hun beurt verliezen symbionten typisch genen die nodig zijn voor het leven buiten hun gastheren.

Deze ratelende mechanismen kunnen leiden tot schijnbaar onzinnige resultaten. Bijvoorbeeld, apoptose, of geprogrammeerde celdood, is een proces waarbij een cel in wezen zelfmoord ondergaat. Experimenten tonen echter aan dat hogere percentages apoptose daadwerkelijk voordelen kunnen hebben. In grote clusters van gistcellen gedragen apoptotische cellen zich als zwakke schakels waarvan de dood ervoor zorgt dat kleine klompjes gistcellen loskomen en zich elders verspreiden waar ze mogelijk meer ruimte en voedingsstoffen hebben om te groeien.

"Dit voordeel werkt niet voor afzonderlijke cellen, wat betekende dat elke cel die de groep verliet een nadeel zou ondervinden", zei Libby. “Dit werk laat zien dat een cel die in een groep leeft een fundamenteel andere omgeving kan ervaren dan een cel die alleen leeft. De omgeving kan zo verschillend zijn dat eigenschappen die rampzalig zijn voor een solitair organisme, zoals verhoogde sterftecijfers, gunstig kunnen worden voor cellen in een groep.”

Als het gaat om wat deze bevindingen betekenen in de zoektocht naar buitenaards leven, zei Libby dat dit onderzoek suggereert dat buitenaards gedrag vreemd kan lijken totdat men beter begrijpt dat een organisme lid kan zijn van een groep.

"Organismen in gemeenschappen kunnen gedrag aannemen dat bizar of contra-intuïtief zou lijken zonder de juiste aandacht voor hun gemeenschappelijke context," zei Libby. "Het is in wezen een herinnering dat een puzzelstukje een puzzel is totdat je weet hoe het in een grotere context past."

Libby en zijn collega's zijn van plan andere ratelmechanismen te identificeren.

"We hebben ook enkele experimenten in de maak om de stabiliteit te berekenen die wordt geboden door enkele mogelijke ratelende eigenschappen," zei Libby.

Meld u aan voor het laatste nieuws, evenementen en kansen van het NASA Astrobiology Program.


Een geschiedenis van astrobiologie

Niet lang nadat NASA in 1958 werd opgericht, begon het bureau een brede inspanning om te leren zoeken naar de aanwezigheid - zowel oud als actueel - van leven buiten de aarde. Deelnemen aan de menselijke en robotische ruimteprogramma's van het bureau met een uitloper van de biologie is niet altijd een gemakkelijke of geaccepteerde combinatie geweest, vooral omdat er nooit ergens anders echte monsters van leven zijn gevonden. Maar inmiddels zijn de twee programma's zo met elkaar verweven geraakt, zo onderling afhankelijk, dat de een zonder de ander diep beschadigd zou zijn.

Een deel van die aanvankelijke koppeling kwam voort uit een toevallige timing, het naast elkaar plaatsen van twee historische vorderingen. Eerst kwamen verrassende ontdekkingen en vervolgtheorieën over hoe het leven zichzelf organiseert en hoe het op aarde zou kunnen zijn begonnen. Dat werd kort daarna gevolgd door onze eerste successen in de ruimtevaart en de impliciete belofte dat er nog veel meer zou komen.

Dus het vermogen van de natie om de ruimte in te reiken kwam op een moment dat mensen open stonden, zelfs gretig, om meer te leren over de dynamiek en oorsprong van het leven op aarde... en mogelijk daarbuiten.

Het verband tussen ruimteverkenning en astrobiologie (toen exobiologie genoemd) werd benadrukt en vroeg gelegitimeerd door de moleculair bioloog die exobioloog werd, Joshua Lederberg. Zelfs voordat NASA formeel werd opgericht, zocht hij contact met collega's over de mogelijkheden om leven buiten de aarde te vinden. Hij won de Nobelprijs (op 33-jarige leeftijd, voor ontdekkingen over de genetica van bacteriën) in hetzelfde jaar dat NASA werd opgericht.

In 1960 schreef hij in het tijdschrift Wetenschap dat: "Exobiologie is niet fantastischer dan de realisatie van ruimtereizen zelf, en we hebben een zware verantwoordelijkheid om de implicaties ervan voor de wetenschap en voor het welzijn van de mens te onderzoeken met onze beste wetenschappelijke inzichten en kennis."

Terwijl de jaren zestig binnen NASA voornamelijk werden gedefinieerd door de inspanningen om mensen op de maan te landen, steunde het bureau in die periode ook een krachtige inspanning om zich voor te bereiden op een missie naar Mars. Het kerndoel: zoeken naar handtekeningen van leven buiten de aarde.

Die inspanning vereiste substantieel onderzoek naar en onvermijdelijk debat over de aard van het 'leven' dat de Viking landers zouden zoeken. Bovendien werden degenen in de biologische velden behoorlijk bezorgd over welk microbieel leven de Viking landers van de aarde naar Mars zouden kunnen brengen, en verder projecteren op buitenaards leven dat op een dag naar onze planeet zou kunnen terugkeren.

Dus hoewel jagen op het huidige of vorige leven op Mars een zeer populair idee was, opende het een doos van Pandora met extreem moeilijke vragen over de nog steeds mysterieuze aard en oorsprong van het leven. Desalniettemin bereikte de mogelijkheid om daadwerkelijk buitenaards leven te vinden een koortsachtige opwinding tijdens de Viking landing in 1976. Velen voorspelden dat er leven op Mars zou worden gevonden – waaronder Carl Sagan, die ernaar uitkeek om via Viking, zichtbare, misschien drijvende wezens.

Maar die voorspellingen maakten plaats voor de eerste beelden van een somber en kaal marslandschap, en vervolgens voor negatieve maar ook verwarrende wetenschappelijke conclusies over de vraag of er tekenen van leven, of zelfs van organische verbindingen, waren gedetecteerd.

De ervaring was zo ontnuchterend dat de studie van Mars abrupt op de achtergrond kwam, en het zou tientallen jaren duren voordat de belangstelling herstelde. En terwijl orbiters, landers en rovers in de jaren negentig en 2000 terugkeerden naar Mars, duurde het tot de landing van Curiosity in 2012 dat een andere astrobiologische (maar geen levensdetectie) missie begon. Gelukkig was er in de tussenliggende jaren veel geleerd.

Er werden bijvoorbeeld voorheen onbekende microbiële gemeenschappen op aarde ontdekt die overleven - zelfs gedijen - in wat voorheen als dode, onbewoonbare omgevingen werden beschouwd. De eerste grote "extremofiele" ontdekking werd gedaan in de duisternis van de diepe oceaan voor de Galapagos-eilanden, naast de hydrothermale ventilatieopeningen die op de zeebodem liggen. Niet alleen werden microben en later kokerwormen gevonden die in het totale donker leefden, maar ze leefden ook in water dat gloeiend heet werd door de ventilatieopeningen.

Die ontdekking uit 1977 leidde onderzoekers naar extreme omgevingen over de hele wereld, waar ze microben aantroffen die leefden in bittere kou, in zeer zuur en zout water, in de rots van goudmijnen die kilometers onder de grond waren gegraven, in de atmosfeer hoog boven de grond en in omgevingen met hoge niveaus van radioactiviteit.

Deze explosie van vaak door NASA gesponsord onderzoek vertelde wetenschappers veel over het leven op aarde, maar het suggereerde ook heel duidelijk dat leven buiten de aarde kan bestaan ​​in omstandigheden die lang als onoverleefbaar werden beschouwd - zoals de bevroren oceanen van Jupiters maan Europa.

Onderzoekers hebben ook alle chemicaliën gevonden die nodig zijn voor leven in de ruimte, en veel van de belangrijkste bouwstenen in meteorieten en zelfs kometen. Aminozuren werden bijvoorbeeld gevonden in monsters van de komeet Wild 2 nadat NASA's Stardust-ruimtevaartuig in 2004 door de stoffige coma van de komeet was gepasseerd, en nucleotiden zijn ontdekt door NASA-wetenschappers in meteorieten. Deze resultaten op het gebied van "astrochemie" hebben wetenschappers verteld dat de ingrediënten waarvan wordt aangenomen dat ze nodig zijn voor leven, eigenlijk overal op planeten, manen en asteroïden vallen.

Hoe die en andere organische verbindingen zich zouden kunnen organiseren in zelfreplicerende vormen, en uiteindelijk organismen, was een van de meest uitdagende gebieden in de astrobiologie. Door zowel in de genetische infrastructuur van het leven te graven als te proberen het in het laboratorium te recreëren, hebben wetenschappers het mysterie van de oorsprong van het leven teruggedrongen tot een vroege RNA-wereld en zelfs een pre-RNA-wereld. Maar het proces waardoor niet-levende stoffen de eigenschappen van het leven overnamen, blijft ongrijpbaar.

Onderzoek op aarde is essentieel geweest voor de astrobiologie en heeft ons begrip van de aarde en wat er op andere werelden mogelijk zou kunnen zijn, aanzienlijk veranderd. Maar NASA en Europese robotmissies en ruimtetelescopen waren meestal de motoren die het veld aandrijven.

Geleid door de mantra "volg het water", hebben NASA-missies in ons zonnestelsel een verrassende verscheidenheid aan astrobiologische doelen ontdekt. Eerst kwam Jupiters maan Europa, met een oceaan onder zijn ijskorst. Lopend onderzoek suggereert dat het water zout is, een pekel met schijnbare parallellen met onze oceanen. En recentelijk zijn mogelijk pluimen van dat water gedetecteerd die uit de maan lekten - in sommige opzichten vergelijkbaar met die uit de Saturnusmaan Enceladus spatten.

Het waterverhaal op Mars is bijzonder veelbelovend geweest, met de identificatie van diepe rivierkanalen, valleisystemen, alluviale ventilatoren en, meer recentelijk, meren en suggesties voor een ooit zo grote noordelijke oceaan. De dwergplaneet Ceres en Jupiters maan Ganymedes lijken nu ook binnenoceanen te bevatten, en de mogelijkheden om meer waterwerelden te vinden lijken eindeloos.

Dat komt omdat de afgelopen twintig jaar een revolutie heeft plaatsgevonden in ons begrip van exoplaneten - lichamen die om verre zonnen draaien. Wetenschappers vermoeden al lang dat andere sterren zonnestelsels produceren, maar het duurde tot 1995 voordat de eerste werd ontdekt. Sindsdien zijn er nog duizenden geïdentificeerd, vooral door NASA's Kepler Space Telescope, maar ook door grondobservaties.

Naarmate het geschatte aantal exoplaneten is uitgegroeid tot vele miljarden, is de mogelijkheid dat sommige levende organismen herbergen, aannemelijker geworden en onderwerp van uitgebreid onderzoek. Wetenschappers hebben vastgesteld dat sommige planeten rotsachtig en "aardachtig" zijn en rond hun zon draaien binnen een "bewoonbare zone" - op een afstand waar water tenminste een deel van de tijd vloeibaar kan blijven op het oppervlak van de planeet . Er is veel meer nodig dan een rotsachtig oppervlak en af ​​en toe vloeibaar water om een ​​planeet echt bewoonbaar te maken, maar het is een belangrijk begin.

Achteraf kunnen we zien dat een breed scala aan vorderingen in de astrobiologie het toneel vormden voor wat meteen het grootste nieuws van allemaal werd: de mogelijke detectie van tekenen van het oude leven op Mars.

Krantenkoppen in 1996 vertelden over een NASA-onderzoeksteam, geleid door David McKay, dat zes indicatoren van vorig leven had gevonden in een meteoriet van Mars. De beroemde ALH84001-meteoriet, ontdekt in de Allan Hills-regio van Antarctica in 1984, werd gepresenteerd als bevattende duidelijke tekenen dat er ooit microbieel leven op Mars heeft bestaan. Er waren zelfs afbeeldingen van wat werd geïnterpreteerd als de fossiele overblijfselen van een bacterieachtige levensvorm.

zoals bij de Viking resultaten waren echter velen in de Mars- en astrobiologische gemeenschappen niet overtuigd. Terwijl de auteurs van zowel de Viking resultaten en de resultaten van de Mars-meteoriet blijven bij hun werk, de wetenschappelijke consensus heeft ze grotendeels verworpen en concludeerde dat de bevindingen konden worden verklaard zonder de aanwezigheid van biologie.

Desalniettemin gaven de Mars-meteoriet en de opwinding eromheen een vliegende start voor NASA's hernieuwde zoektocht naar leven buiten de aarde. Het NASA Astrobiology Institute werd opgericht twee jaar nadat het Mars-meteorietpapier werd uitgebracht, met Nobelprijswinnaar Baruch Blumberg als directeur, en de organisatie financiert sindsdien uitgebreid onderzoek.

Een deel van het werk omvat het bestuderen van omgevingen op aarde om potentieel vergelijkbare buiten de aarde beter te begrijpen (de zogenaamde "analoge omgevingen"). Ander werk gaat over technologische ontwikkeling voor gebruik op andere planeten en manen, terwijl ander onderzoek de oorsprong en vroege ontwikkeling van leven op onze planeet onderzoekt.


Evolutie: uit de zee

Op donderdag 26 juli werd SciLogs.com gelanceerd, een nieuw Engelstalig wetenschapsblognetwerk. SciLogs.com, de gloednieuwe thuisbasis voor bloggers van Nature Network, maakt deel uit van de internationale verzameling blogs van SciLogs die al bestaat in het Duits, Spaans en Nederlands. Om deze toevoeging aan de wetenschappelijke blogfamilie van NPG te vieren, publiceren sommige van de NPG-blogs berichten over 'Begin'.

Deelnemen aan dit netwerkoverschrijdende blogfestival zijn de Soapbox Science-blog van nature.com, de Student Voices-blog van Scitable en bloggers van SciLogs.com, SciLogs.de, Scitable en Scientific American's Blog Network. Ga met ons mee terwijl we de verschillende interpretaties van het begin onderzoeken - van wetenschappelijke voorbeelden zoals stamcellen tot ervaringen voor het eerst, zoals het publiceren van je eerste paper. Je kunt de gesprekken op sociale media ook volgen en eraan bijdragen door de hashtag #BeginScights te gebruiken. – Bora

In het begin was de aarde vormeloos, en leegte en duisternis lag op het oppervlak van de diepte, toen een gigantische wolk van gas en stof instortte om ons zonnestelsel te vormen. De planeten werden gesmeed terwijl de nevel ronddraaide, in beweging werd gebracht door een nabije supernova, en in het centrum, de snelste samendrukking van deeltjes die ontstoken werden om onze zon te worden. Ongeveer 4,5 miljard jaar geleden begon een gesmolten aarde af te koelen. Gewelddadige botsingen met kometen en asteroïden brachten de vloeistof van het leven - water - en de wolken en oceanen begonnen vorm te krijgen. Pas een miljard jaar later werd het eerste leven voortgebracht, dat de atmosfeer met zuurstof vulde.

In de komende paar miljard jaar versmolten eencellige organismen en werden meercellige lichaamsplannen die werden gediversifieerd en uitgestraald, en explodeerden in een reeks ongewervelde dieren. Toch was al deze overvloed en dit leven beperkt tot de zeeën, en een uitgestrekt en overvloedig land bleef ongebruikt. Ongeveer 530 miljoen jaar geleden zijn er aanwijzingen dat duizendpootachtige dieren de wereld boven water begonnen te verkennen. Ergens ongeveer 430 miljoen jaar geleden koloniseerden planten en koloniseerden de kale aarde, waardoor een land ontstond dat rijk was aan voedsel en hulpbronnen, terwijl vissen evolueerden van voorouderlijke gewervelde dieren in de zee. Het duurde nog 30 miljoen jaar voordat die prehistorische vissen uit het water kropen en begonnen aan de evolutionaire lijn waar we nu bovenop zitten. Om het leven zoals we het kennen te begrijpen, moeten we terugkijken naar waar we vandaan kwamen en begrijpen hoe onze voorouders een gloednieuwe wereld boven de golven trotseerden.

Het was een kleine stap voor vissen, maar een grote sprong voor dieren. Maar als we kijken naar moderne vissoorten, is het niet zo moeilijk om je de langzame aanpassing aan het leven uit de zee voor te stellen. Laatst was ik mijn huisdierenschorpioenvis Stumpy aan het voeren, en hij verraste me met deze langzame, opzettelijke kruip naar zijn eten:

Een aantal vissen vertoont eigenschappen die niet lijken op die van de eerste tetrapoden: de vierpotige gewervelde dieren die voor het eerst het leven op het land trotseerden, directe afstammelingen van oude vissen. Veel familieleden van Stumpy, waaronder de poon, staan ​​bekend om hun "loop"-gedrag. Evenzo hebben mudskippers zich anatomisch en gedragsmatig aangepast om op het land te overleven. Ze kunnen niet alleen hun vinnen gebruiken om van plaats naar plaats te springen, ze kunnen ook door hun huid ademen zoals amfibieën doen, waardoor ze kunnen overleven wanneer ze hun ondiepe poelen verlaten. Lopende meervallen hebben hun ademhalingssysteem zo veranderd dat ze dagen buiten het water kunnen overleven. Maar dit zijn allemaal slechts glimpen van hoe de eerste tetrapoden begonnen, aangezien geen van deze dieren zich volledig heeft aangepast aan het leven op het land. Om te begrijpen hoe tetrapoden zo'n prestatie hebben geleverd, moeten we eerst de barrières begrijpen die lagen tussen hun leven onder de zee en het land daarboven dat hen wachtte.

Leven in de lucht in plaats van in het water brengt moeilijkheden met zich mee. Locomotie is één probleem, hoewel, zoals de evolutie in een aantal geslachten heeft aangetoond, niet zo'n groot probleem is als je zou denken. Maar hoewel modderspringers en meervallen gemakkelijk lijken te lopen, kan hetzelfde niet worden gezegd van onze voorouders. Enkele van de vroegste tetrapoden, zoals Ichtyostega waren behoorlijk omslachtig op het land en brachten waarschijnlijk het grootste deel van hun tijd door in het comfort van het water. Deze eerste tetrapoden kwamen uit een oude geslachten van vissen, de Sarcopterygii of Lobe-Finned Fish genaamd, waarvan er vandaag nog maar een paar over zijn. Zoals de naam al aangeeft, hebben deze dieren vlezige, peddelachtige vinnen in plaats van de dunne roggen van de meeste moderne vissoorten. Deze lobbenvinnen, bedekt met vlees, waren rijp om zich aan te passen aan ledematen.

Maar deze vroege tetrapoden moesten meer ontwikkelen dan een nieuwe manier van lopen - hun hele skelet moest veranderen om meer gewicht te dragen, omdat water de massa ondersteunt op een manier die lucht gewoon niet doet. Elke wervel moest sterker worden voor ondersteuning. Ribben en wervels veranderden van vorm en evolueerden voor extra ondersteuning en om het gewicht beter te verdelen. Schedels losgekoppeld en nekken evolueerden om een ​​betere mobiliteit van het hoofd mogelijk te maken en de schokken van het lopen te absorberen. Botten gingen verloren en verschoven, waardoor de ledematen werden gestroomlijnd en het vijfcijferige patroon ontstond dat nog steeds wordt weerspiegeld in onze eigen handen en voeten. Gewrichten scharnierend voor beweging, en naar voren gedraaid om vierbenig kruipen mogelijk te maken. Over het algemeen duurde het ongeveer 30 miljoen jaar om een ​​lichaamsplan te ontwikkelen dat geschikt was om op het land te lopen.

Tegelijkertijd stonden deze omslachtige landbewoners in spe voor een ander obstakel: de lucht zelf. Met kieuwen die bedreven waren in het opnemen van zuurstof uit water, waren vroege tetrapoden slecht uitgerust om lucht in te ademen. Hoewel velen denken dat vroege tetrapoden hun kieuwen in longen veranderden, is dit eigenlijk niet waar - in plaats daarvan was het het spijsverteringsstelsel van de vis dat zich aanpaste om longen te vormen. De eerste tetrapoden die het water verlaten, ademen door lucht in te slikken en zuurstof in hun darmen op te nemen. Na verloop van tijd vormde zich een speciale zak, waardoor een betere gasuitwisseling mogelijk was. Bij veel vissen bestaat een vergelijkbare structuur - een zwemblaas genaamd - waarmee ze het drijfvermogen in het water kunnen aanpassen, en daarom hebben velen de hypothese geopperd dat tetrapod-longen gecoöpteerde zwemblazen zijn. In feite is onduidelijk wanneer precies tetrapoden longen ontwikkelden. Hoewel de enige overlevende familieleden van vroege tetrapoden - de longvissen - ook longen hebben (als hun naam dat niet verraadt), lijken veel fossiele tetrapoden ze niet te hebben, wat suggereert dat longvissen onafhankelijk hun vermogen om lucht te ademen hebben ontwikkeld. Wat we wel weten is dat het pas ongeveer 360 miljoen jaar geleden was dat tetrapoden echt ademden zoals hun moderne nakomelingen.

Het andere probleem met lucht is dat het de neiging heeft om dingen droog te maken. Je hebt misschien de statistiek gehoord dat ons lichaam voor 98% uit water bestaat, maar als goed ontwikkelde landorganismen hebben we hoogontwikkelde structuren die ervoor zorgen dat al dat water niet zomaar verdampt. De vroege tetrapoden moesten deze zelf ontwikkelen. In het begin, zoals de amfibieën die eruit zouden voortkomen, bleven veel tetrapoden waarschijnlijk in vochtige habitats plakken om waterverlies te voorkomen. Maar uiteindelijk moesten dieren, om droge gebieden en woestijnen te veroveren, een andere manier vinden om te voorkomen dat ze uitdrogen. Het is waarschijnlijk dat veel van de vroege tetrapoden begonnen te experimenteren met manieren om hun huid waterdicht te maken. Nog belangrijker was de kwestie van de droge eieren. Amfibieën lossen het droogteprobleem op door hun eieren in water te leggen, maar de tetrapoden die land veroverden, hadden die luxe niet.

De oplossing voor de droge aard van het land was om eieren in een aantal membraanlagen te omhullen, in wat nu bekend staat als een amniote-ei. Zelfs onze eigen kinderen weerspiegelen dit, aangezien menselijke baby's nog steeds groeien in een vruchtzak die de foetus omringt, ook al leggen we geen eieren meer. Deze cruciale aanpassing stelde dieren in staat de banden met waterige habitats te verbreken en onderscheidt de belangrijkste lijn van tetrapoden, waaronder reptielen, vogels en zoogdieren, van amfibieën.

Door deze cruciale aanpassingen aan tetrapodskeletten en anatomie konden ze de wereld boven de golven veroveren. Zonder hun evolutionaire vindingrijkheid zou een diverse reeks dieren, inclusief alle zoogdieren, niet zijn waar ze nu zijn. Toch begrijpen we nauwelijks de ecologische instellingen die deze vroege dieren uit de zee hebben verdreven. Biedt het droge land een eindeloze overvloed aan voedsel die niet mag ontbreken? Misschien, maar er zijn aanwijzingen dat onze voorouders de droge wereld al heel vroeg trotseerden, zelfs vóór de meeste terrestrische planten of insecten, dus het is mogelijk dat de aarde onvruchtbaar was. Ontsnapten ze aan concurrentie en predatie in de diepte? Of was land om een ​​nog onbekende reden belangrijk? We zullen het misschien nooit weten. Maar als we nadenken over ons begin, moeten we de gedurfde dieren die de diverse evolutionaire afstamming waar we deel van uitmaken begonnen, de eer geven. Hoewel we misschien nooit zullen begrijpen waarom ze het water hebben verlaten, zijn we dankbaar dat ze dat deden.

Andere berichten in de Evolution-serie:

Foto: Een model van Tiktaalik rosea, een van de vroegste voorouders van de tetrapoden. Foto met dank aan Tyler Keillor.


Hoe vaak is het aardse leven uit de oceaan opgedoken? - Biologie

Levende dingen (zelfs oude organismen zoals bacteriën) zijn enorm complex. Al deze complexiteit kwam echter niet volledig uit de oersoep. In plaats daarvan is het leven vrijwel zeker ontstaan ​​in een reeks kleine stappen, die elk voortbouwen op de complexiteit die eerder is geëvolueerd:

    Er werden eenvoudige organische moleculen gevormd.
    Eenvoudige organische moleculen, vergelijkbaar met het onderstaande nucleotide, zijn de bouwstenen van het leven en moeten betrokken zijn geweest bij het ontstaan ​​ervan. Experimenten suggereren dat organische moleculen zouden kunnen zijn gesynthetiseerd in de atmosfeer van de vroege aarde en naar de oceanen regenden. RNA- en DNA-moleculen — het genetische materiaal voor al het leven — zijn slechts lange ketens van eenvoudige nucleotiden.

Veel biologen veronderstellen dat deze stap leidde tot een "RNA-wereld" waarin RNA veel werk deed, genetische informatie opsloeg, zichzelf kopieerde en elementaire metabolische functies uitvoerde. Tegenwoordig worden deze taken uitgevoerd door veel verschillende soorten moleculen (meestal DNA, RNA en eiwitten), maar in de RNA-wereld deed RNA het allemaal.

Zelfreplicatie opende de deur voor natuurlijke selectie. Once a self-replicating molecule formed, some variants of these early replicators would have done a better job of copying themselves than others, producing more "offspring." These super-replicators would have become more common — that is, until one of them was accidentally built in a way that allowed it to be a super-super-replicator — and then, Dat variant would take over. Through this process of continuous natural selection, small changes in replicating molecules eventually accumulated until a stable, efficient replicating system evolved.


Inhoud

The term terrestrial is typically applied for species that live primarily on the ground, in contrast to arboreal species, which live primarily in trees.

There are other less common terms that apply to specific groups of terrestrial animals:

  • Saxicolous creatures are rock dwelling. Saxicolous is derived from the Latin word "saxum," meaning a rock.
  • Arenicolous creatures live in the sand.
  • Troglofauna predominantly live in caves.

Terrestrial invasion is one of the most important events in the history of life. [1] [2] [3] Terrestrial lineages evolved in several animal phyla, among which vertebrates, arthropods, and mollusks are representatives of more successful groups of terrestrial animals.

Terrestrial animals do not form a unified clade rather, they share only the fact that they live on land. The transition from an aquatic to terrestrial life has evolved independently and successfully many times by various groups of animals. [3] Most terrestrial lineages originated under a mild or tropical climate during the Paleozoic and Mesozoic, whereas few animals became fully terrestrial during the Cenozoic.

When excluding internal parasites, free living species in terrestrial environments are represented by the following eleven phyla:

    (hairy-backs) live in transient terrestrial water and go dormant during desiccation (wheel animals) live in transient terrestrial water and go dormant during desiccation (roundworms) by going dormant during desiccation (water bears) live in transient terrestrial water and go dormant during desiccation (land planarians) require moist habitats and have restricted range (ribbon worms in Monostilifera) require moist habitats and have restricted range (velvet worms) require moist habitats and have restricted range, the only solely terrestrial phylum (Clitellates) require moist habitats, highly diverse and derived from their marine relatives (fully terrestrial members: Insects, Arachnids, Myriapods, Woodlice, Sandhoppers, and Terrestrial crabs, semi-terrestrial members include Water Fleas, Copepods, and Seed Shrimp) (Gastropods: land snails and slugs) (Tetrapods)

Roundworms, gastrotrichs, tardigrades, rotifers and some smaller species of arthropods and annelids are microscopic animals that require a film of water to live in, and are therefore considered semi-terrestrial. [4] Flatworms, ribbon worms, velvet worms and annelids all depend on more or less moist habitats. The three remaining phyla, arthropods, mollusks, and chordates, all contain species that have adapted totally to dry terrestrial environments, and which have no aquatic phase in their life cycles.

Difficulties Edit

Labeling an animal species "terrestrial" or "aquatic" is often obscure and becomes a matter of judgment. Many animals considered terrestrial have a life-cycle that is partly dependent on being in water. Penguins, seals, and walruses sleep on land and feed in the ocean, yet they are all considered terrestrial. Many insects, e.g. mosquitos, and all terrestrial crabs, as well as other clades, have an aquatic life cycle stage: their eggs need to be laid in and to hatch in water after hatching, there is an early aquatic form, either a nymph or larva.

There are crab species that are completely aquatic, crab species that are amphibious, and crab species that are terrestrial. Fiddler crabs are called "semi-terrestrial" since they make burrows in the muddy substrate, to which they retreat during high tides. When the tide is out, fiddler crabs search the beach for food. The same is true in the mollusca. Many hundreds of gastropod genera and species live in intermediate situations, such as for example, Truncatella. Some gastropods with gills live on land, and others with a lung live in the water.

As well as the purely terrestrial and the purely aquatic animals, there are many borderline species. There are no universally accepted criteria for deciding how to label these species, thus some assignments are disputed.

Fossil evidence has shown that sea creatures, likely related to arthropods, first began to make forays on to land around 530 million years ago. There is little reason to believe, however, that animals first began living reliably on land around this same time period. A more likely hypothesis is that these early arthropods' motivation for venturing on to dry land was to mate (as modern horseshoe crabs do) or lay eggs out of the reach of predators. [5] As time went on, evidence suggests that by approximately 375 million years ago [3] the bony fish best adapted to life in shallow coastal/swampy waters (such as Tiktaalik roseae), were much more viable as amphibians than were their arthropod predecessors. Thanks to relatively strong, muscular limbs (which were likely weight-bearing, thus making them a preferable alternative to traditional fins in extremely shallow water), [6] and lungs which existed in conjunction with gills, Tiktaalik and animals like it were able to establish a strong foothold on land by the end of the Devonian period. As such, they are likely the most recent common ancestor of all modern tetrapods.

Gastropod mollusks are one of the most successful animals that have diversified in the fully terrestrial habitat. [7] They have evolved terrestrial taxa in more than nine lineages. [7] They are commonly referred to as land snails and slugs.

Terrestrial invasion of gastropod mollusks has occurred in Neritopsina, Cyclophoroidea, Littorinoidea, Rissooidea, Ellobioidea, Onchidioidea, Veronicelloidea, Succineoidea, and Stylommatophora, and in particular, each of Neritopsina, Rissooidea and Ellobioidea has likely achieved land invasion more than once. [7]

Most terrestrialization events have occurred during the Paleozoic or Mesozoic. [7] Gastropods are especially unique due to several fully terrestrial and epifaunal lineages that evolved during the Cenozoic. [7] Some members of rissooidean families Truncatellidae, Assimineidae, and Pomatiopsidae are considered to have colonized to land during the Cenozoic. [7] Most truncatellid and assimineid snails amphibiously live in intertidal and supratidal zones from brackish water to pelagic areas. [7] Terrestrial lineages likely evolved from such ancestors. [7] The rissooidean gastropod family Pomatiopsidae is one of the few groups that have evolved fully terrestrial taxa during the late Cenozoic in the Japanese Archipelago only. [7] Shifts from aquatic to terrestrial life occurred at least twice within two Japanese endemic lineages in Japanese Pomatiopsidae and it started in the Late Miocene. [7]

About one-third of gastropod species are terrestrial. [8] In terrestrial habitats they are subjected to daily and seasonal variation in temperature and water availability. [8] Their success in colonizing different habitats is due to physiological, behavioral, and morphological adaptations to water availability, as well as ionic and thermal balance. [8] They are adapted to most of the habitats on Earth. [8] The shell of a snail is constructed of calcium carbonate, but even in acidic soils one can find various species of shell-less slugs. [8] Land-snails, such as Xerocrassa seetzeni and Sphincterochila boissieri, also live in deserts, where they must contend with heat and aridity. [8] Terrestrial gastropods are primarily herbivores and only a few groups are carnivorous. [9] Carnivorous gastropods usually feed on other gastropod species or on weak individuals of the same species some feed on insect larvae or earthworms. [9]

Terrestrial arthropods come from many distinct lineages: both sister Panarthropod phyla Velvet Worms and Water Bears have some degree of terrestrialization, with Velvet Worms being solely terrestrial. Among Euarthropods Myriapods, Arachnids, and Insects all independently adapted to terrestrial life and diversified in very ancient times. More recently three groups of Crustaceans have also independently adapted to terrestrial life: Woodlice Sandhoppers and Terrestrial Crabs, according to the Pancrustacea hypothesis insects are crustaceans, but of a very distant group from either of those groups

Additionally many microscopic crustacean groups like copepods and amphipods (of which Sandhoppers are members) and Seed Shrimp are known to go dormant when dry and live in transient bodies of water

Semi-terrestrial animals are macroscopic animals that rely on very moist environments to thrive, they may be considered a transitional point between true terrestrial animals and aquatic animals. Among vertebrates Amphibians have this characteristic relying on a moist environment and breathing through their moist skin.

Many other animal groups solely have terrestrial animals that live like this: Land Planarians, Land Ribbon Worms, Nematodes, and Land Annelids breathe like this.

Land Annelids are primarily of the group Clitellata and demonstrate many unique terrestrial adaptations especially in their methods of reproduction, they tend towards being simpler than their marine relatives, laking many of the complex appendages polychaetes have.

Velvet worms are prone to desiccation not due to breathing through their skin but due to their spiracles being inefficient at protecting from desiccation, like Clitellates they demonstrate extensive terrestrial adaptations and differences from their marine relatives including live birth. During the Carboniferous the marine relatives of Velvet Worms went extinct, making them the only solely terrestrial phylum.

Many animals live in terrestrial environments by thriving in transient often microscopic bodies of water and moisture, these include Rotifers and Gastrotrichs which lay resilient eggs capable of surviving years in dry environments, and some of which can go dormant themselves. Nematodes are usually microscopic with this lifestyle. Water Bears although only having lifespans of a few months, famously can enter suspended animation during dry or hostile conditions and survive for decades, this allows them to be ubiquitous in terrestrial environments despite needing water to grow and reproduce. Many microscopic crustacean groups like copepods and amphipods (of which Sandhoppers are members) and Seed Shrimp are known to go dormant when dry and live in transient bodies of water too [4]

    (2002). Gaining ground: the origin and evolution of tetrapods. Indiana University Press, 369 pp., ISBN978-0-253-34054-2.
  • Cloudsley-Thompson J. L. (1988). Evolution and adaptation of terrestrial arthropods. Springer, 141 pp., 978-3-540-18188-0.
  • Dejours P. et al. (1987). Comparative physiology: life in water and on land. Liviana Editrice, Italy, 556 pp., 978-0-387-96515-4.
  • Gordon M. S. & Olson E. C. (1995). Invasions of the land: the transitions of organisms from aquatic to terrestrial life. Columbia University Press, 312 pp., 978-0-231-06876-5.
  • Little C. (1983). The colonisation of land: Origins and adaptations of terrestrial animals. Cambridge University Press, Cambridge. 290 pp., 978-0-521-25218-8.
  • Little C. (1990). The terrestrial invasion. An ecophysiological approach to the origin of land animals. Cambridge University Press, Cambridge. 304 pp. 978-0-521-33669-7.
  • Zimmer, Carl (1999). At the Water's Edge : Fish with Fingers, Whales with Legs, and How Life Came Ashore but Then Went Back to Sea. New York: Touchstone. ISBN0684856239 .

This article incorporates CC-BY-2.0 text from the reference [7] and CC-BY-2.5 text from the reference [8] and CC-BY-3.0 text from the reference [9]


Disciplinary divide

Looking closer, the divide between those who support a terrestrial and those supporting an oceanic origin is split between disciplines. Synthetic chemists generally favour a continental origin and geologists and biologist mostly deep-sea hydrothermal vents. Chemists argue it&rsquos impossible to do the chemistry in hydrothermal vents, while biologists argue that the terrestrial chemistry proposed just isn&rsquot like anything seen in biochemistry and doesn&rsquot narrow the gap between geochemistry and biochemistry.

So is there a way to unite the disciplines? &lsquoAt the moment there is not much common ground between these ideas,&rsquo Lane says. Deamer agrees. &lsquoAt this point, all we can say is that everyone has the right to do a plausibility judgement on the basis of their ideas but then they also must do experimental and observational tests.&rsquo

The smaller problems will be solvable &ndash that&rsquos what gets me out of bed in the morning

What is needed is that killer piece of evidence or experiment that could join the dots together and explain how and where life began from a prebiotic world. &lsquoIt would really be a big breakthrough if we can find a ribozyme among all of these trillions of random polymers that we are making,&rsquo suggests Deamer. Ribozymes are RNA catalysts that are part of the cell&rsquos protein-synthesis machinery, but are candidates for the first self-replicating molecules.

Further evidence to support the origins of life in deep sea hydrothermal vents centres on showing a plausible set of metabolic steps leading to complex molecules. At JPL, they are looking at how amino acid behave in their chemical gardens, according to Barge. &lsquoWe are working on making an amino acid, and then seeing whether [amino acids] get stuck in the chimneys and whether you can concentrate them and maybe make some peptides.&rsquo

&lsquoThere are problems and difficulties,&rsquo Lane acknowledges. &lsquoCan we really make carbon dioxide react with hydrogen to make more complex molecules like amino acids and nucleotides? I&rsquom fairly confident we can do that, but I am aware we have not demonstrated that yet.&rsquo Other difficult questions include whether lipid membranes can be stabilised in seawater with its high calcium and magnesium ion concentrations. But says Lane the big problem of the thermodynamic driving force is solved by hydrothermal vents. &lsquoWhich gives me confidence that the smaller problems will be solvable in that context too, even if they look difficult now &ndash that&rsquos what gets me out of bed in the morning.&rsquo

Of course there is one other possibility &ndash that life did not start on earth at all. Panspermia &ndash the theory that life was seeded from space, seems eccentric, but not everybody counts it out. &lsquoAn argument can be made that life actually began on Mars,&rsquo according to Deamer, because it was first to cool down to a temperatures that could support life.

Whether this is the case or not, life elsewhere is certainly feasible. Jupiter&rsquos moon Europa and Saturn&rsquos moon Enceladus are candidates because they both have oceans beneath icy shells. In the next five years, Nasa is planning to send a spaceprobe to both these moons to look for signs of life. Understanding our own origin story could help us work out where to look.

Referenties

1 M J Russell, R M Daniel and A J Hall, Terra Nova, 1993, 5, 343 (DOI: 10.1111/j.1365-3121.1993.tb00267.x)

2 W Martin and M J Russell, Philos. Trans. R. Soc. B: Biol. Sci., 2003, 358, 59 (DOI: 10.1098/rstb.2002.1183)

3 L M Barge et al, Ange. Chem. Int. Ed. Engl., 2015, 54, 8184 (DOI: 10.1002/anie.201501663)

4 B Herschy et al, J. Mol. Evol., 2014, 79, 213 (DOI: 10.1007/s00239-014-9658-4)

5 F Klein et al, Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS, 2015, 112, 12036 (DOI: 10.1073/pnas.1504674112)

6 L Da Silva, M C Maurel and D Deamer, J. Mol. Evol., 2015, 80, 86 (DOI: 10.1007/s00239-014-9661-9)

7 M W Powner, B Gerland and J D Sutherland, Natuur, 2009, 459, 239 (DOI: 10.1038/nature08013)

8 B H Patel et al, nat. Chem., 2015, 7, 301 (DOI: 10.1038/nchem.2202)

This article is reproduced with permission from Chemistry World. The article was first published on April 16, 2017.


Crocodile Eyes

MacIver had an intriguing hypothesis, but he needed evidence. He teamed up with Schmitz, who had expertise in interpreting the eye sockets of four-legged “tetrapod” fossils (of which Tiktaalik was one), and the two scientists pondered how best to test MacIver’s idea.

MacIver and Schmitz first made a careful review of the fossil record to track changes in the size of eye sockets, which would indicate corresponding changes in eyes, since they are proportional to socket size. The pair collected 59 early tetrapod skulls spanning the water-to-land transition period that were sufficiently intact to allow them to measure both the eye orbit and the length of the skull. Then they fed those data into a computer model to simulate how eye socket size changed over many generations, so as to gain a sense of the evolutionary genetic drift of that trait.

They found that there was indeed a marked increase in eye size — a tripling, in fact — during the transitional period. The average eye socket size before transition was 13 millimeters, compared to 36 millimeters after. Furthermore, in those creatures that went from water to land and back to the water — like the Mexican cave fish Astyanax mexicanus — the mean orbit size shrank back to 14 millimeters, nearly the same as it had been before.

There was just one problem with these results. Originally, MacIver had assumed that the increase occurred after animals became fully terrestrial, since the evolutionary benefits of being able to see farther on land would have led to the increase in eye socket size. But the shift occurred before the water-to-land transition was complete, even before creatures developed rudimentary digits on their fishlike appendages. So how could being on land have driven the gradual increase in eye socket size.

Early tetrapods probably hunted like crocodiles, waiting with eyes out of the water.

In that case, “it looks like hunting like a crocodile was the gateway drug to terrestriality,” MacIver said. “Just as data comes before action, coming up on land was likely about how the huge gain in visual performance from poking eyes above the water to see an unexploited source of prey gradually selected for limbs.”

This insight is consistent with the work of Jennifer Clack, a paleontologist at the University of Cambridge, on a fossil known as Pederpes finneyae, which had the oldest known foot for walking on land, yet was not a truly terrestrial creature. While early tetrapods were primarily aquatic, and later tetrapods were clearly terrestrial, paleontologists believe this creature likely spent time in water and on land.

After determining how much eye sizes increased, MacIver set out to calculate how much farther the animals could see with bigger eyes. He adapted an existing ecological model that takes into account not just the anatomy of the eye, but other factors such as the surrounding environment. In water, a larger eye only increases the visual range from just over six meters to nearly seven meters. But increase the eye size in air, and the improvement in range goes from 200 meters to 600 meters.

MacIver and Schmitz ran the same simulation under many different conditions: daylight, a moonless night, starlight, clear water and murky water. “It doesn’t matter,” MacIver said. “In all cases, the increment [in air] is huge. Even if they were hunting in broad daylight in the water and only came out on moonless nights, it’s still advantageous for them, vision-wise.”

Using quantitative tools to help explain patterns in the fossil record is something of a novel approach to the problem, but a growing number of paleontologists and evolutionary biologists, like Schmitz, are embracing these methods.

“So much of paleontology is looking at fossils and then making up narratives on how the fossils might have fit into a particular environment,” said John Long, a paleobiologist at Flinders University in Australia who studies how fish evolved into tetrapods. “This paper has very good hard experimental data, testing vision in different environments. And that data does fit the patterns that we see in these fish.”

Schmitz identified two key developments in the quantitative approach over the past decade. First, more scientists have been adapting methods from modern comparative biology to fossil record analysis, studying how animals are related to each other. Second, there is a lot of interest in modeling the biomechanics of ancient creatures in a way that is actually testable — to determine how fast dinosaurs could run, for instance. Such a model-based approach to interpreting fossils can be applied not only to biomechanics but to sensory function — in this case, it explained how coming out of the water affected the vision of the early tetrapods.

A model of Tiktaalik roseae, a 375-million-year-old transitional fossil that had a neck — unheard of for a fish — and both lungs and gills.

“Both approaches bring something unique, so they should go hand in hand,” Schmitz said. “If I had done the [eye socket size] analysis just by itself, I would be lacking what it could actually mean. Eyes do get bigger, but why?” Sensory modeling can answer this kind of question in a quantitative, rather than qualitative, way.

Schmitz plans to examine other water-to-land transitions in the fossil record — not just that of the early tetrapods — to see if he can find a corresponding increase in eye size. “If you look at other transitions between water and land, and land back to water, you see similar patterns that would potentially corroborate this hypothesis,” he said. For example, the fossil record for marine reptiles, which rely heavily on vision, should also show evidence for an increase in eye socket size as they moved from water to land.


From Fins to Limbs and Water to Land: Evolution of Terrestrial Movement in Early Tetrapods

The aerial scene depicts two Late Devonian early tetrapods — Ichthyostega and Acanthostega — coming out of the water to move on land. Footprints trail behind the animals to show a sense of movement. Credit: Davide Bonadonna

The water-to-land transition is one of the most important and inspiring major transitions in vertebrate evolution. And the question of how and when tetrapods transitioned from water to land has long been a source of wonder and scientific debate.

Early ideas posited that drying-up-pools of water stranded fish on land and that being out of water provided the selective pressure to evolve more limb-like appendages to walk back to water. In the 1990s newly discovered specimens suggested that the first tetrapods retained many aquatic features, like gills and a tail fin, and that limbs may have evolved in the water before tetrapods adapted to life on land. There is, however, still uncertainty about when the water-to-land transition took place and how terrestrial early tetrapods really were.

A paper published today (November 25, 2020) in Natuur addresses these questions using high-resolution fossil data and shows that although these early tetrapods were still tied to water and had aquatic features, they also had adaptations that indicate some ability to move on land. Although, they may not have been very good at doing it, at least by today’s standards.

Lead author Blake Dickson, PhD 󈧘 in the Department of Organismic and Evolutionary Biology at Harvard University, and senior author Stephanie Pierce, Thomas D. Cabot Associate Professor in the Department of Organismic and Evolutionary Biology and curator of vertebrate paleontology in the Museum of Comparative Zoology at Harvard University, examined 40 three-dimensional models of fossil humeri (upper arm bone) from extinct animals that bridge the water-to-land transition.

Three major stages of humerus shape evolution: from the blocky humerus of aquatic fish, to the L-shape humerus of transitional tetrapods, and the twisted humerus of terrestrial tetrapods. Columns (left to right) = aquatic fish, transitional tetrapod, and terrestrial tetrapod. Rows = Top: extinct animal silhouettes Middle: 3D humerus fossils Bottom: landmarks used to quantified shape. Credit: Courtesy of Blake Dickson

“Because the fossil record of the transition to land in tetrapods is so poor we went to a source of fossils that could better represent the entirety of the transition all the way from being a completely aquatic fish to a fully terrestrial tetrapod,” said Dickson.

Two thirds of the fossils came from the historical collections housed at Harvard’s Museum of Comparative Zoology, which are sourced from all over the world. To fill in the missing gaps, Pierce reached out to colleagues with key specimens from Canada, Scotland, and Australia. Of importance to the study were new fossils recently discovered by co-authors Dr. Tim Smithson and Professor Jennifer Clack, University of Cambridge, UK, as part of the TW:eed project, an initiative designed to understand the early evolution of land-going tetrapods.

The researchers chose the humerus bone because it is not only abundant and well preserved in the fossil record, but it is also present in all sarcopterygians — a group of animals which includes coelacanth fish, lungfish, and all tetrapods, including all of their fossil representatives. “We expected the humerus would carry a strong functional signal as the animals transitioned from being a fully functional fish to being fully terrestrial tetrapods, and that we could use that to predict when tetrapods started to move on land,” said Pierce. “We found that terrestrial ability appears to coincide with the origin of limbs, which is really exciting.”

The evolutionary pathway and shape change from an aquatic fish humerus to a terrestrial tetrapod humerus. Credit: Courtesy of Blake Dickson

The humerus anchors the front leg onto the body, hosts many muscles, and must resist a lot of stress during limb-based motion. Because of this, it holds a great deal of critical functional information related to an animal’s movement and ecology. Researchers have suggested that evolutionary changes in the shape of the humerus bone, from short and squat in fish to more elongate and featured in tetrapods, had important functional implications related to the transition to land locomotion. This idea has rarely been investigated from a quantitative perspective — that is, until now.

When Dickson was a second-year graduate student, he became fascinated with applying the theory of quantitative trait modeling to understanding functional evolution, a technique pioneered in a 2016 study led by a team of paleontologists and co-authored by Pierce. Central to quantitative trait modeling is paleontologist George Gaylord Simpson’s 1944 concept of the adaptive landscape, a rugged three-dimensional surface with peaks and valleys, like a mountain range. On this landscape, increasing height represents better functional performance and adaptive fitness, and over time it is expected that natural selection will drive populations uphill towards an adaptive peak.

Dickson and Pierce thought they could use this approach to model the tetrapod transition from water to land. They hypothesized that as the humerus changed shape, the adaptive landscape would change too. For instance, fish would have an adaptive peak where functional performance was maximized for swimming and terrestrial tetrapods would have an adaptive peak where functional performance was maximized for walking on land. “We could then use these landscapes to see if the humerus shape of earlier tetrapods was better adapted for performing in water or on land” said Pierce.

“We started to think about what functional traits would be important to glean from the humerus,” said Dickson. “Which wasn’t an easy task as fish fins are very different from tetrapod limbs.” In the end, they narrowed their focus on six traits that could be reliably measured on all of the fossils including simple measurements like the relative length of the bone as a proxy for stride length and more sophisticated analyses that simulated mechanical stress under different weight bearing scenarios to estimate humerus strength.

“If you have an equal representation of all the functional traits you can map out how the performance changes as you go from one adaptive peak to another,” Dickson explained. Using computational optimization the team was able to reveal the exact combination of functional traits that maximized performance for aquatic fish, terrestrial tetrapods, and the earliest tetrapods. Their results showed that the earliest tetrapods had a unique combination of functional traits, but did not conform to their own adaptive peak.

“What we found was that the humeri of the earliest tetrapods clustered at the base of the terrestrial landscape,” said Pierce. “indicating increasing performance for moving on land. But these animals had only evolved a limited set of functional traits for effective terrestrial walking.”

The researchers suggest that the ability to move on land may have been limited due to selection on other traits, like feeding in water, that tied early tetrapods to their ancestral aquatic habitat. Once tetrapods broke free of this constraint, the humerus was free to evolve morphologies and functions that enhanced limb-based locomotion and the eventual invasion of terrestrial ecosystems

“Our study provides the first quantitative, high-resolution insight into the evolution of terrestrial locomotion across the water-land transition,” said Dickson. “It also provides a prediction of when and how [the transition] happened and what functions were important in the transition, at least in the humerus.”

“Moving forward, we are interested in extending our research to other parts of the tetrapod skeleton,” Pierce said. “For instance, it has been suggested that the forelimbs became terrestrially capable before the hindlimbs and our novel methodology can be used to help test that hypothesis.”

Dickson recently started as a Postdoctoral Researcher in the Animal Locomotion lab at Duke University, but continues to collaborate with Pierce and her lab members on further studies involving the use of these methods on other parts of the skeleton and fossil record.

Reference: “Functional Adaptive Landscapes Predict Terrestrial Capacity at the Origin of Limbs” by Blake V. Dickson, Jennifer A. Clack, Timothy R. Smithson and Stephanie E. Pierce, 25 November 2020. Natuur.
DOI: 10.1038/s41586-020-2974-5


How life may have first emerged on Earth: Foldable proteins in a high-salt environment

A structural biologist at the Florida State University College of Medicine has made discoveries that could lead scientists a step closer to understanding how life first emerged on Earth billions of years ago.

Professor Michael Blaber and his team produced data supporting the idea that 10 amino acids believed to exist on Earth around 4 billion years ago were capable of forming foldable proteins in a high-salt (halophile) environment. Such proteins would have been capable of providing metabolic activity for the first living organisms to emerge on the planet between 3.5 and 3.9 billion years ago.

The results of Blaber's three-year study, which was built around investigative techniques that took more than 17 years to develop, are published in the journal Proceedings van de National Academy of Sciences.

The first living organisms would have been microscopic, cell-like organizations capable of replicating and adapting to environmental conditions -- a humble beginning to life on Earth.

"The current paradigm on the emergence of life is that RNA came first and in a high-temperature environment," Blaber said. "The data we are generating are much more in favor of a protein-first view in a halophile environment."

The widely accepted view among scientists is that RNA, found in all living cells, would have likely represented the first molecules of life, hypothesizing an "RNA-first" view of the origin of living systems from non-living molecules. Blaber's results indicate that the set of amino acids produced by simple chemical processes contains the requisite information to produce complex folded proteins, which supports an opposing "protein-first" view.

Another prevailing view holds that a high-temperature (thermophile) environment, such as deep-ocean thermal vents, may have been the breeding ground for the origin of life. "The halophile, or salt-loving, environment has typically been considered one that life adapted into, not started in," Blaber said. "Our study of the prebiotic amino acids and protein design and folding suggests the opposite."

Without the ability to fold, proteins would not be able to form the precise structures essential for functions that sustain life as we know it. Folding allows proteins to take on a globular shape through which they can interact with other proteins, perform specific chemical reactions, and adapt to enable organisms to exploit a given environment.

"There are numerous niches that life can evolve into," Blaber said. "For example, extremophiles are organisms that exist in high temperatures, high acidity, extreme cold, extreme pressure and extreme salt and so on. For life to exist in such environments it is essential that proteins are able to adapt in those conditions. In other words, they have to be able to fold."

Comet and meteorite fragments, like those that recently struck in the Urals region of Russia, have provided evidence regarding the arrival of amino acids on Earth. Such fragments predate Earth and would have been responsible for delivering a set of 10 prebiotic (before life) amino acids, whose origins are in the formation of our solar system.

Today the human body uses 20 common amino acids to make all its proteins. Ten of those emerged through biosynthetic pathways -- the way living systems evolve. Ten -- the prebiotic set -- can be made by chemical reactions without requiring any living system or biosynthetic pathway.

Scientific evidence exists to support many elements in theories of abiogenesis (the emergence of life), including the time frame (around 3.5 to 3.9 billion years ago) and the conditions on Earth and in its atmosphere at that time. Earth would have been made up of volcanic land masses (the beginning of the formation of continents), salty oceans and fresh-water ponds, along with a hot (around 80 degrees Celsius) and steamy atmosphere comprising carbon dioxide and nitrogen. Oxygen would have come later as a by-product of green plant life and bacteria that emerged.

Using a technique called top-down symmetric deconstruction, Blaber's lab has been able to identify small peptide building blocks capable of spontaneous assembly into specific and complex protein architectures. His recent work explored whether such building blocks can be composed of only the 10 prebiotic amino acids and still fold.

His team has achieved foldability in proteins down to 12 amino acids -- about 80 percent of the way to proving his hypothesis.

If Blaber's theory holds, scientists may refocus where they look for evidence in the quest to understand where, and how, life began.

"Rather than a curious niche that life evolved into, the halophile environment now may take center stage as the likely location for key aspects of abiogenesis," he said.

"Likewise, the role of the formation of proteins takes on additional importance in the earliest steps in the beginnings of life on Earth."


Bekijk de video: INILAH MANUSIA SEBELUM NABI ADAM yang Menghuni Bumi tapi Karena Berbuat Rusak Akhirnya Dimusnahkan (December 2021).