| NIEUWTJES EN discussies
over het ontstaan van het leven duiken regelmatig op in
de wetenschappelijke tijdschriften. Onlangs bijvoorbeeld
het bericht dat er in de buurt van heetwater-bronnen kleine
eiwitfragmentjes lijken te kunnen ontstaan. En de meningen
verschillen over de kwestie of het eerste micro organisme
een gewone bacterie is geweest of een zogenoemde extremofiel
die leefde bij zwavelrijke heetwater-bronnen of in zoutpannen.
In juli zien de experts elkaar op een internationaal
congres in San Diego. Onder hen is prof. dr. Alan Schwartz
van de Katholieke Universiteit Nijmegen, verbonden aan
de vakgroep microbiologie en evolutiebiologie. 'Alle
nieuwe feiten ten spijt, het ontstaan van het leven
blijft een moeilijk onderwerp met veel problemen', zegt
hij.
Zeker is wel dat het ongelooflijk snel moet zijn gegaan.
Omdat alle huidige organismen op dezelfde biochemische
leest zijn geschoeid en hetzelfde erfelijk materiaal
hebben, moet er een enkele populatie oercellen geweest
zijn waar alle huidige soorten van afstammen. Op grond
van de overeenkomsten en verschillen in de erfelijke
code berekenden onderzoekers dat die populatie bijna
vier miljard jaar geleden leefde.
De aarde was toen 'pas' een half miljard jaar oud.
Uit die tijd is geen enkel gesteente en geen enkele
afzetting bewaard gebleven. Van die allereerste organismen
zal dan ook nooit het minste spoortje worden gevonden.
Een sediment van iets jongere datum is er wel: de 3,8
miljard jaar oude Isuaformatie in Groenland. En die
is door het leven getekend, al zitten er geen herkenbare
restanten van organismen in. Het sediment bevat koolstofatomen
in de twee bestaande varianten, de isotopen koolstof-12
en -13. Het lichte koolstof-12, dat organismen bij voorkeur
via hun stofwisseling inbouwen, is sterk vertegenwoordigd.
De oudste echte resten van levende organismen zijn
nog een stukje jonger: van 3,5 miljard jaar geleden
zijn er microfossielen gevonden in Australië. Het zijn
overblijfselen van eencelligen die vermoedelijk leken
op de huidige cyanobacteriën.
De oudste sporen van leven zijn dus afkomstig van eenvoudige,
maar niettemin volwaardige organismen. Daarmee onttrekt
het ontstaan van de oercellen uit levenloze bouwstenen
zich volkomen aan het gezichtsveld. In feite weten we
alleen maar wat die bouwstenen zijn, aldus Schwartz.
De vroegste aardbewoners moeten, net als de huidige
planten, dieren, schimmels en micro-organismen die van
hen afstammen, goeddeels hebben bestaan uit eiwitten,
enerzijds de bouwstenen van de cellen, anderzijds de
uitvoerders van allerlei processen als stofwisseling
en celdeling. De instructies voor de bouw van de eiwitten
lagen vast in DNA of het chemisch daaraan verwante RNA.
De bouwstenen van eiwitten zijn twintig verschillende
aminozuren. DNA en RNA zijn lange ketens van een suiker
(ribose), fosfaat en vier verschillende ringvormige
basen, waarvan twee purines en twee pyrimidines. Op
fosfaat na zijn dat allemaal verbindingen met koolstof,
een veelzijdig chemisch element.
|
Stromatoliet, fossiele kolonie cyanobacterien, oudste
deel ruim drie miljard jaar oud.
De koolstofhoudende bouwstenen kunnen
gemakkelijk op de jonge aarde voorhanden zijn. ‘Daarover
bestaan twee ideeën waarvoor ook experimentele aanwijzingen
zijn', zegt Schwartz.
Het eerste idee stoelt op de klassieke
proeven van Miller en Urey in de jaren vijftig. Ze veronderstelden
dat de oeratmosfeer bestond uit methaan. ammoniak en
waterstofgas. Ze maakten zo'n gasmengsel na en wekten
daarin een elektrische ontlading op. In deze atmosfeer
op lab-schaal ontstonden allerlei aminozuren. Dat betekende
indertijd een doorbraak: voor het eerst was er enig
zicht op de zogenoemde prebiotische evolutie.
Schwartz: 'Andere onderzoekers maakten op soortgelijke
manier purines en pyrimidines. In nog weer andere experimenten
ontstond een mengsel met suikers, waaronder ribose.'
Maar onduidelijk is inmiddels of de oeratmosfeer inderdaad
de samenstelling had waarvan Miller en Urey waren uit
gegaan. Het zal eerder een mengsel van kooldioxide en
stikstofgas geweest zijn, stellen veel onderzoekers.
En dan is de vorming van aminozuren en suikers uitgesloten.
Maar Schwartz schrijft het idee van Urey en Miller
niet helemaal af: 'Het is redelijk te veronderstellen
dat de jonge atmosfeer lage concentraties methaan, ammoniak
en waterstofgas bevatte. En een beetje kan al voldoende
zijn voor de vorming van koolstofhoudende verbindingen.'
De andere gedachte is dat de bouwstenen via meteorieten
uit de ruimte kwamen. Prof. dr. Harry Priem, hoogleraar
planetaire geologie in Utrecht en conservator van het
Artis Geologisch Museum in Amsterdam, zegt: 'Het hele
heelal barst van de koolstofverbindingen. Interstellaire
stofwolken zitten er vol mee, evenals kometen en meteorieten.'
Het gaat dan om aminozuren, purines en pyrimidines.
Suikers ontbreken, waarschijnlijk doordat zij snel uiteen
vallen.
Misschien kloppen beide gedachten. Dan is het enige
probleem nog dat hier en daar alle bouwstenen tegelijk
aanwezig geweest moeten zijn.
Echt moeilijk wordt het verhaal pas als die losse bouwstenen
zich tot cellen gaan groeperen. Dat is ongetwijfeld
in etappes gegaan, maar wat gebeurde er eerst? Bij de
vorming van de lange DNA- en RNA-ketens is de hulp van
eiwitten nodig.
En eiwitten op hun beurt verschijnen niet bij toeval;
ze moeten door andere eiwitten gemaakt worden naar een
recept dat in het DNA of RNA staat. Moleculaire rolpatronen
blijken echter niet onwrikbaar. RNA-moleculen kunnen
enkele eiwitfuncties uitoefenen en onder bepaalde omstandigheden
kan een stukje RNA zichzelf verlengen of kopiëren.
|
Fossiele bacteriën,
naar schatting 850 miljoen jaar oud, uit Bitter Springs,
Australië.
Daarom bestaat nu het idee dat er eerst een wereld
is geweest van blote RNA-ketens die zichzelf maakten
en vermenigvuldigden. De voornaamste vraag is dan hoe
de eerste stukjes RNA uit hun bouwstenen (fosfaat, ribose
en basen) zijn ontstaan.
Maar ook deze kleinere vraag is vooralsnog onoplosbaar.
Een verbinding tussen ribose en basen komt chemisch
moeizaam tot stand. En de benodigde fosfaat zat vast
in onoplosbare mineralen, vermoedt Schwartz, die zelf
op dit gebied werkzaam is: 'Maar daar hebben we misschien
een oplossing voor. We denken dat fosfaat onder vulkanische
omstandigheden is omgezet in het veel oplosbaarder fosfiet
en in die vorm beschikbaar kwam.'
Het grootste probleem is dat de RNA vanaf het begin
puntgaaf geweest moet zijn. Het heeft een ruggegraat
van beurtelings ribose en fosfaat. Aan elke ribose hangt
een base, een purine (adenine of guanine) of een pyrimidine
(uracil of cytosine). De basen neigen tot paarvorming,
waarbij adenine altijd uracil opzoekt en guanine tot
cytosine wordt aangetrokken.
Zo kan zich op een streng RNA een complementaire partnerstreng
vormen. Haal je die van elkaar, dan vormt zich op elke
streng opnieuw een complementaire streng. De erfelijke
informatie, die in de opeenvolging van basen besloten
is, wordt daardoor keer op keer ongewijzigd doorgegeven.
'Zit er een afwijking in de ruggegraat, dan kan een
streng geen complementaire streng maken en is overdracht
van informatie uitgesloten', legt Schwartz uit. 'De
vraag is hoe een perfecte streng indertijd kan zijn
ontstaan. Want de bouwstenen zaten in een mengsel met
talloze verschillende koolstofverbindingen. Er waren
onder meer grote hoeveelheden andere suikers die zich
ook aan fosfaat en aan de basen bonden. De vorming van
een zuivere RNA keten moet meteen zijn vastgelopen.'
Het leven kan nooit op aarde in een half miljard jaar
zijn ontstaan, concluderen sommige onderzoekers dan
ook. 'De algemene opvatting is dat er op veel plaatsen
in het heelal leven is ontstaan; bouwstenen zijn er
immers overal', zegt Priem. 'Dan is het heel goed denkbaar
dat de oercellen ooit met een meteoriet op de aarde
zijn beland. Daarmee is de vraag hoe het leven is ontstaan
niet beantwoord. Maar het hoeft dan tenminste niet in
zo'n korte tijd gebeurd te zijn.'
Schwartz hoort tot de vele onderzoekers die daar geen
oplossing in zien: 'De spontane vorming van RNA uit
een complex mengsel verbindingen is uitgesloten, ook
al zou de tijd onbeperkt zijn.
Er moet op de een of andere manier orde in de chaos
zijn aangebracht.
'Een idee is dat kleimineralen daar een rol bij gespeeld
hebben. Enkele verbindingen uit het mengsel zouden daaraan
zijn gebonden en de klei zou koppelingen tussen die
verbindingen tot stand hebben gebracht.'
Het wachten is op iemand die dat trucje in het lab
kan vertonen.
|
