Roos had in de Trouw van 7 juli 2023 een artikel gelezen over een onderwerp waarvan zij zeker wist dat ik daarin was geïnteresseerd, namelijk over de aanzet voor het begin van het leven op aarde, een onderwerp waar ik me de laatste 50 jaar behoorlijk mee bezig heb gehouden. Net als alle gedoe rond de KID kan ik me er echter niet meer echt druk over maken, maar goed, aangezien we geen toegang hadden tot genoemd artikel vanwege het ontbreken van een abonnement op deze krant gingen we vandaag naar de bibliotheek. Nu bleek dat de zaterdagkrant niet bezorgd was, maar Roos ging er achteraan en met behulp van iemand van de administratie had ze het artikel kunnen kopiëren en had ze het mij ook toegezonden per e-mail. Leuk artikel van een wetenschapsjournalist die op grond van het onderzoek aan dit onderwerp tot nu toe net als ik had geconcludeerd dat het nog steeds ontbrak aan, wat hij noemt, "de vonk", de werkelijke aanzet. En daar heb ik met al mijn nadenken een hypothese voor gevonden die ik jaren geleden eindelijk heb opgeschreven en die ik graag aan deze journalist bekend wil maken. Ik zal hem mailen.
Hier het artikel
Darwin verklaarde hoe leven op aarde zich ontwikkelt. Toch blijft de échte vonk ongrijpbaar
De bouwstenen zijn wel bekend, en hoe die kunnen ontstaan weten we ook. Maar hoe je daarvan een levend wezen knutselt? Dat blijft een van de grootste open vragen in de wetenschap.
Maarten Muns7 juli 2023
In 1953, precies 70 jaar geleden, deed de jonge Amerikaanse wetenschapper Stanley Miller, pas 23 jaar oud, samen met Nobelprijswinnaar Harold Urey een experiment dat wereldberoemd zou worden. Hun lab-opstelling bestond uit een fles met verwarmd water (een oceaan) en een buis die de damp van het water naar een fles vol gassen leidde (de atmosfeer).
Daar condenseerde de damp en ging het reacties aan met de gassen. Tenslotte een buis die het water weer terug laat stromen naar de eerste fles (regen). De bedoeling? Het imiteren van de omstandigheden zoals die op de aarde heersten toen er voor het eerst leven ontstond, grofweg 3,8 miljard jaar geleden.
Op het zeventigste jubileum van het Miller-Urey experiment, waarbij het lukte aminozuren te maken, staan we in een driedelige serie stil bij de grote ‘levensvragen’: Wat is het? Hoe ontstaat het? Welke omstandigheden heeft het nodig? De andere afleveringen zijn te vinden op trouw.nl/wetenschap .
Millers ‘atmosfeer’ bestond uit methaan, ammoniak en waterstof. Daar kwam dus waterdamp uit de gesimuleerde oceaan bij en als klap op de vuurpijl joegen de wetenschappers er elektrische ontladingen doorheen: bliksem! Al na een dag werd het water in Millers oceaan roze van kleur, en na een week zelfs donkerrood.
Toen Miller de inhoud van zijn fles analyseerde vond hij precies waarop hij hoopte. Aminozuren, drie soorten om precies te zijn. Aminozuren zijn de bouwstenen van eiwitten, en die zijn weer essentieel voor al het leven zoals wij dat kennen. En ze ontstonden op een relatief eenvoudige manier.
Van dood naar levend
Negentiende-eeuwse wetenschappers, onder wie Charles Darwin, waren gefascineerd door de vraag hoe er ooit iets levends kon ontstaan uit niet-levende materie. Darwin’s evolutietheorie verklaarde al hoe soorten zich ontwikkelen en aanpassen. Maar op de vraag hoe leven zelf ooit begonnen was, had Darwin niets te zeggen.
In een brief aan een vriend, de botanicus Joseph Dalton Hooker, speculeerde Darwin over een ‘klein, warm meertje’, waar allerlei chemische stoffen onder invloed van zonlicht en bliksem jarenlang met elkaar reageren. Dan zou er vanzelf wel iets ontstaan wat leek op een eiwit of andere organische bouwstenen van leven.
De eerste serieuze wetenschappelijke theorie kwam van de Russische biochemicus Alexander Oparin in 1924. Oparin theoretiseerde dat onder specifieke omstandigheden op de jonge aarde organische moleculen, stabiele ketens van (onder andere) koolstofatomen, konden ontstaan. Deze vormen op hun beurt de basis van de aminozuren – die Miller later in zijn flessen vond.
De Britse wetenschapper John Haldane kwam in 1929 tot een vergelijkbare theorie. Hij noemde de mix van chemische ingrediënten op de jonge aarde een ‘oersoep’. Het was precies dit oersoep-idee dat Miller en Urey in 1953 wilden testen. En dus met succes. Toen wetenschappers na de dood van Miller in 2007 zijn opgedroogde labflessen met moderne technieken opnieuw onderzochten vonden ze nog eens 20 soorten aminozuren.
De stukjes zijn er, maar hoe leg je de puzzel?
Terug naar nu. Van aminozuren tot de nucleotiden die ons DNA bouwen en de lipiden waaruit celmembranen bestaan: Wetenschappers begrijpen inmiddels best veel over hoe de losse bouwstenen van leven ontstaan kunnen zijn. “Maar chemische bouwstenen zelf zijn verre van levend”, zegt Wilhelm Huck, hoogleraar fysische- en organische chemie aan de Radboud Universiteit. “Ze moeten allemaal bij elkaar komen en gaan samenwerken. Daar ergens zit de échte vonk van het leven. Maar we hebben nog altijd geen idee wat de ‘missing link’ is tussen niet-leven en wel-leven.”
Dat bouwstenen zelf niet zo bijzonder zijn, daar is Inge Loes ten Kate, astrobioloog aan de Universiteit Utrecht en hoogleraar aan de Uva, het mee eens. Maar inmiddels weten we dat de atmosfeer van de jonge aarde waarschijnlijk niet uit de gassen bestond die Miller gebruikte.
“Miller ging uit van een reducerende atmosfeer, zonder vrije zuurstof. Maar de atmosfeer van de jonge aarde was wat chemici oxiderend noemen, en bevatte geen methaan en ammoniak maar water, kooldioxide en zwaveldioxide”, legt Ten Kate uit. “Dan krijg je hele andere omstandigheden en wordt het veel moeilijker om aminozuren te maken. Wellicht was de atmosfeer van de jonge aarde helemaal niet gastvrij voor het ontstaan van aminozuren. Maar misschien veranderde dat ineens door een toevalstreffer. Een flinke meteorietinslag bijvoorbeeld had de omstandigheden tijdelijk kunnen veranderen, zodat het tijdelijk meer leek op het mengsel dat Miller gebruikte. Als dat een paar duizend jaar zo bleef, hadden aminozuren wel de kans om te ontstaan.”
Net als een espressoapparaat
“Wat ook kan,” gaat Ten Kate verder, “is dat leven onder water ontstond. Dan doet de atmosfeer er niet zo toe. Vooral hydrothermale bronnen zijn dan interessant. Het zijn plekken waar oceaanwater in de bodem lekt en daaronder opwarmt. Als de druk toeneemt lossen er allerlei mineralen uit de omgeving in op, net als bij een espressoapparaat dat je periodiek van kalk moet ontdoen.
Uiteindelijk spuit het water weer omhoog. Door al die mineralen is de zuurtegraad van dat water veranderd ten opzichte van het oceaanwater. Het verschil in zuurte is een potentiële energiebron. De mineralen slaan neer op de oceaanbodem waardoor een soort schoorsteentjes ontstaan van mineraalrijk maar ook heel poreus gesteente. In die poriën kunnen, veilig afgesloten van de grote oceaan, allerlei chemische reacties ontstaan. Er is veel onderzoek gaande of je onder dergelijke omstandigheden ook aminozuren kunt maken.”
Ten Kate wil graag meer te weten komen over wanneer er überhaupt land ontstond op onze planeet. Want kort nadat de aarde gevormd werd en afkoelde, werd de hele planeet bedekt door één grote oceaan. Een waterwereld dus. “Het oudst bekende continent is 3,7 miljard jaar oud. Maar toen bestond leven hoogstwaarschijnlijk al.” zegt ze. “Als leven ouder is dan land, dan moet het in het water zijn ontstaan, mogelijk dus rond een hydrothermale bron. Als we beter begrijpen hoe en vooral wanneer land is gevormd, kunnen we misschien een aantal scenario’s gaan wegstrepen.”
Dat de atmosfeer zoals Miller die simuleerde waarschijnlijk niet leek op die op de vroege aarde, maakt voor chemicus Wilhelm Huck niet eens zo veel uit. “Millers experiment toonde vooral hoe makkelijk bouwstenen zoals aminozuren kunnen ontstaan. Dat kan overal gebeuren en op allerlei manieren. “We zijn sindsdien misschien wel verder van een oplossing weggedreven, juist omdat we nu zien hoeveel verschillende mogelijkheden er zijn om aan ingrediënten voor leven te komen.”
Zowel de kip als het ei
Volgens de meest elementaire definitie, die onder andere de Nasa hanteert, is ‘leven’ een chemisch systeem dat zichzelf in stand houdt en kan evolueren volgens Darwiniaanse principes. Al is dat laatste volgens Huck misschien niet eens strikt noodzakelijk. “Alleen al dat ‘zichzelf in stand houden’ is al uiterst ingewikkeld”, zegt hij.
‘Zichzelf’ betekent dat iets begrensd moet zijn, dat er een duidelijke scheiding is tussen het levende systeem en de buitenwereld. Dat kan een celmembraan zijn maar misschien ook de piepkleine poriën in gesteenten. Iets dat zichzelf ‘in stand houdt’ moet eten, energie kunnen omzetten om zijn eigen bouwstoffen te maken. Daarvoor heb je eiwitten nodig, katalysatoren die chemische reacties versnellen en selectief maken.
Want zonder dat krijg je een soep met van alles en nog wat, daarmee kom je niet verder. Levende systemen zoals we ze kennen maken allemaal eiwitten op basis van een recept. Dat recept zit opgeslagen in het DNA of RNA. Maar dat is een complex molecuul en hoe maak je zoiets zonder eiwitten? Dat wordt dus al snel een heel ingewikkeld kip-of-ei-verhaal.”
Er moet dus heel veel bij elkaar komen en dat kan niet in één keer pats-boem gebeuren. Er was dus een proces van pre-darwiniaanse, ‘chemische’ evolutie, waarbij moleculaire systemen zich constant aanpasten aan een veranderende omgeving. Want juist veranderingen zorgen voor ontwikkeling, zegt Huck. “Bij het tempo van die veranderingen moet je niet denken aan miljoenen jaren, zoals bij de evolutie van soorten. Denk eerder aan veranderingen die zich in een paar dagen voltrokken, zoals dag-nacht cycli en weerpatronen.”
Om deze reden is Huck geen groot fan van de theorie over hydrothermale bronnen. “Bij die bronnen is het juist veel te stabiel en kan je weinig concrete chemie doen.” Ik denk toch eerder aan poeltjes aan de oppervlakte, die periodiek opdrogen, weer volregenen en waar het weer en vulkanisme invloed hebben. “Daar kan complexe chemie voorkomen en is het denkbaar dat er langzaam iets ontstaat dat méér is dan alleen een verzameling losse moleculen.”
De stap naar een ‘eigen’ systeem
Hoe zag dat ‘iets’ er uit? De Amerikaanse biofysicus Alexander Rich kwam in 1962 voor het eerst met het idee van een ‘RNA-wereld’, als allereerste opstapje naar leven. Wetenschappers werken nog steeds aan deze hypothese en hij wint aan overtuigingskracht. RNA bestaat, net als DNA, de drager van onze genetische informatie, uit een lange keten van organische moleculen, de nucleotiden. In die keten zit informatie verstopt, onder meer over hoe eiwitten gemaakt moeten worden.
De aantrekkingskracht van het idee is dat RNA informatie kan dragen, maar óók chemische reacties kan katalyseren. Dat doet RNA niet met eiwitten maar met een speciaal stukje RNA, het ribozym. Dat heeft eiwit-achtige eigenschappen waardoor RNA zichzelf kan reproduceren. Althans, dat lukte in het lab. Of zoiets ook echt in de natuur kan blijft vooralsnog onduidelijk.
Met alleen zelfreplicerend RNA zijn we nog niet bij een levend organisme. Daarvoor moeten we volgens Huck de link vinden tussen RNA en eiwitten, die ketens van aminozuren. Want eiwitten zijn onmisbaar om iets te maken dat op een cel lijkt. Hier gooit Huck er een nieuwe term in: het ribosoom.
“Het ribosoom is een groot, opgevouwen stuk RNA dat ketens van aminozuren aan elkaar kan rijgen en dus eiwitten kan maken. Dit doet het ribosoom nog altijd, diep in onze cellen. We boeken steeds meer vooruitgang bij het begrijpen hoe het ribosoom de link maakt tussen RNA en eiwitten, die allebei essentieel zijn voor leven.”
“De volgende stap is dat een systeem zijn eigen omgeving gaat aanpassen. Bijvoorbeeld door eiwitten te gebruiken om reacties te katalyseren die een membraan maken, zodat het zichzelf kan afschermen van de omgeving. Zo komen er uiteindelijk steeds meer processen en reacties bij elkaar en begint er langzaam iets te ontstaan dat op leven gaat lijken. In deze processen zit de vonk, of misschien beter, de vonkjes van het leven. Die zit niet in losse bouwstenen.”
Beter begrip van wat we nog niet weten
Moleculen die de mogelijkheid kregen om nuttige aminozuurketens te maken en informatie konden opslaan. Die ook nog eens niet gelijk wegspoelden in de eindeloze oceaan, maar in een veilige, afgesloten ruimte lang genoeg bij elkaar bleven om zich te ontwikkelen. Zo moet het ongeveer gegaan zijn. Maar de echte hamvraag blijft natuurlijk: ‘hoe dan?’
“We zijn er echt nog lang niet,” zegt Ten Kate. “De aarde van 3,8 miljard jaar geleden is niet zomaar na te maken in een reageerbuisje.” Maar we beginnen wél steeds beter te begrijpen wat we allemaal nog niet weten, en dat is ook belangrijk. Hopelijk vinden we ooit een manier om in een lab de stap van niet-leven naar leven te maken. Dat zou al heel bijzonder zijn. En kunnen we met enige zekerheid zeggen dat zoiets óók kon onder de omstandigheden op jonge aarde. Dichterbij een sluitend antwoord gaan we misschien wel nooit komen.”
Geen opmerkingen:
Een reactie posten