In een openluchtmagazijn in het tropische Darwin, Australië, staan tientallen bakken met cilindrische rotskernen, decennia geleden honderden meters onder het oppervlak geboord door mijnbouwbedrijven. Die bedrijven zochten vooral naar mineralen, niet naar de geheimen van het bestaan, dus het is ze vergeven dat ze de microscopische fossielen van oeroude organismen niet opmerkten in de moddersteen – sedimentair gesteente gevormd uit verharde zeebodemmodder – van een binnenzee die meer dan 1,5 miljard jaar geleden een groot deel van Noord-Australië bedekte.

Zoals een nieuwe studie in Nature aantoont, zijn die verwaarloosde kernen centraal in een al lang bestaande puzzel over de grootste evolutionaire sprong in de geschiedenis van de aarde: het ontstaan van eukaryoten.

Al het leven op aarde valt in een van twee categorieën, fundamenteel verschillend op cellulair niveau. Prokaryoten – bacteriën en archaea – hebben een eenvoudige cellulaire organisatie en zijn meestal eencellig. Eukaryoten, waartoe alle dieren, planten, algen en schimmels behoren, hebben veel ingewikkelder cellen met een kern en gespecialiseerde structuren genaamd organellen die specifieke taken uitvoeren. De eukaryotische revolutie transformeerde de planeet, leidde tot de opkomst van dieren en, uiteindelijk, tot ons. Op basis van observaties van de genen van levende organismen is het nu algemeen aanvaard dat de laatste gemeenschappelijke voorouder van alle levende eukaryoten het resultaat was van de symbiotische vereniging van ten minste twee prokaryotische microben: een archaeon en een bacterie.

Het eerste bewijs voor eukaryotisch leven komt in de vorm van fossielen van eencellige organismen die een niveau van cellulaire complexiteit vertonen dat niet bij prokaryoten wordt gezien, maar gebruikelijk is bij eukaryoten. Eukaryotenfossielen zijn over de hele wereld te vinden in gesteenten die ten minste 1,5 miljard jaar oud zijn. De fossielen van het Northern Territory, waarvan de oudste teruggaan tot 1,75 miljard jaar geleden, zijn de oudste momenteel bekende eukaryotenfossielen ter wereld.

Maar de oude wereld waarin vroege eukaryoten evolueerden blijft gehuld in mysterie, en veel fundamentele aspecten van hun aard zijn onbekend.

Veel soorten bacteriën kunnen leven en groeien zonder zuurstof. Maar bijna alle eukaryoten die vandaag leven gebruiken zuurstof om te overleven, omdat aerobe ademhaling – het afbreken van voedsel met behulp van zuurstof – de enorme hoeveelheden energie levert die complex leven vereist. Toch is het idee dat zuurstof altijd gunstig is geweest voor alle eukaryoten de afgelopen jaren onder vuur komen te liggen, na verrassende ontdekkingen van raadselachtige eukaryoten die zonder zuurstof kunnen gedijen. Er is ook toenemend bewijs uit het geologische archief dat toen eukaryoten zich voor het eerst ontwikkelden, zuurstof waarschijnlijk veel schaarser was, wat betekent dat zuurstofvrije mariene habitats de norm zouden zijn geweest. Gezamenlijk hebben deze observaties de veronderstelling in twijfel getrokken dat eukaryoten sinds hun ontstaan afhankelijk zijn geweest van zuurstof.

Genetische studies van levende microben die behoren tot groepen die worden beschouwd als het dichtst bij de voorouders van de eerste eukaryoot, kunnen belangrijke inzichten bieden in de afkomst van eukaryoten. Maar alleen het fossielenarchief kan ons vertellen over lang uitgestorven lineages, en alleen geologie kan een venster bieden op het soort wereld waarin deze organismen leefden.

Voor de nieuwe studie verpulverden onderzoekers monsters van de moddersteenkernen die in Darwin waren opgeslagen, en losten ze vervolgens op. Ze identificeerden meer dan 12.000 fossielen door het achtergebleven organische residu onder een microscoop te analyseren. Ze bestudeerden ook de modderstenen waarin de fossielen bewaard waren gebleven om beter te begrijpen hoe de omgeving eruitzag toen de sedimenten werden afgezet, wat inzicht biedt in de habitats waarin deze eukaryoten leefden. En door de chemie van deze modderstenen te analyseren, konden ze bepalen of er zuurstof aanwezig was in het oude zeewater.

De resultaten tonen aan dat eukaryotenfossielen werden gevonden in omgevingen variërend van kustmoddervlakten tot de open zee, maar alleen in monsters die in zuurstofrijke settings waren afgezet. Monsters uit zuurstofvrije omgevingen bevatten alleen eenvoudige, prokaryotische vormen. Dit suggereert dat zelfs de oudste bekende eukaryoten die leefden