In den beginne
IN DEN BEGINNE
Piet Borst 09-09-2006
Bron: NRC-handelsblad. 9-9-2006
Inleiding
In den beginne was de aarde woest en ledig, maar lang duurde dat niet. Zo'n 4 miljard jaar geleden, toen de aarde voldoende was afgekoeld om zeeën te vormen, ontstonden de eerste levende organismen. Voor biologen is dat de ultieme puzzel: Hoe ontstaat leven uit levenloos materiaal? Sinds Pasteur gelooft niemand meer in spontane generatie van levende organismen, maar eens moet het allemaal toch zijn begonnen. Hoe ging dat in zijn werk?
Die vraag is onderstreept door de intelligent design discussie. Dat door mutatie en selectie uit bacteriën in een paar miljard jaar mensen zijn ontstaan, is inmiddels niet zo'n strijdpunt meer.
Complexe structuur
Maar het begin, dat blijft mysterieus. Ook een primitieve bacterie is al duizelingwekkend complex. Hoe kan uit simpele bouwstenen zo'n complex organisme ontstaan? Is daar een plausibel chemisch scenario voor op te stellen, of heeft iemand daar een handje bij moeten helpen?
Wie denkt dat je uit simpele moleculen geen complexe structuur kunt maken, heeft nooit bellen geblazen. In een zeepoplossing zitten vetzuurmoleculen, die de neiging hebben om aan elkaar te plakken. Als je lucht door zo'n oplossing blaast vormen zich zeepbellen, waarin miljarden zeepmoleculen een laag vormen die precies twee moleculen dik is en die binnen en buiten scheidt. Die laag lijkt sterk op de membranen van bacteriën en van onze cellen. Een 3-jarige bellenblazer (of de wind) kan zo al ingewikkelde structuren scheppen, die nodig zijn om levende cellen te maken.
Een tikje tendentieus is dit voorbeeld wel. Toen de aarde woest en ledig was, lagen er geen stukken zeep klaar. Waar kwamen die bouwstenen voor leven dan vandaan?
Miller-Urey Experiment
Een eerste antwoord op die vraag kwam van Miller en Urey in 1953. Zij simuleerden de omstandigheden van een primitieve aarde door water in contact te brengen met een simpel gasmengsel en daar elektrische ontladingen (bliksems) door te leiden. Daarbij ontstonden allerlei bouwstenen van macromoleculen die in levende organismen worden gevonden, aminozuren, suikers, nucleïnezuurbasen. Het werk van Miller sloeg in als een bom: de Amerikaanse pers zag de nieuw gevormde bacteriën al uit de reageerbuizen kruipen.
Het enthousiasme voor Millers proeven is inmiddels bekoeld. In Millers tijd dacht men nog dat de primitieve aarde ruim voorzien was van de reactieve gassen die hij in zijn proeven gebruikte: methaan (kookgas), waterstof en ammoniak. Meer recente gegevens wijzen op een atmosfeer van stikstof en kooldioxide, nogal inerte gassen. Een ander probleem is dat het aardoppervlak 4 miljard jaar geleden niet zo'n gastvrije plek was voor pril leven. Er was nog onvoldoende dampkring om de genadeloze zonnestralen goed te filteren; het regende meteorieten op aarde; en dat gebliksem maakte ook veel kapot. Vandaar dat onderzoekers een aantal andere scenarios hebben ontwikkeld voor het ontstaan van levensbouwstenen. Ik beperk me hier tot één van de populairste, die gebaseerd is op nieuwe kennis van de zeebodem.
Dacht men vroeger dat de diepzeebodem een dooie boel was, inmiddels weten we beter. Op 1 km diepte wemelt het van de bacteriën en van dieren die zich daar direct of indirect mee voeden. Die bacteriën moeten het zonder zonlicht doen, maar door vulkanische activiteit borrelt er gas uit de bodem op. Daaronder is het reactieve gas waterstofsulfide (H2S, met rotte eieren-geur) dat met het ook ruim aanwezige ijzersulfide waterstofgas levert. Waterstof kan reageren met allerlei aanwezige simpele stoffen, zoals CO2 (kooldioxide). Daarbij worden levensbouwstenen gevormd. De combinatie van hoge druk (1 km water = 100 atmosfeer), mineralen die chemische reacties katalyseren, lokaal hoge temperaturen en reactieve gassen, maakt de zeebodem een goede plek voor chemische synthese zonder dat de gevormde moleculen meteen door zonlicht of bliksem worden vernietigd.
IJzer-zwavel complexen
Met bouwstenen heb je nog geen gebouw, met levensbouwstenen nog geen leven. Voor die stap naar leven zijn allerlei speculatieve scenarios opgesteld. Een uitgewerkt model is de ijzer-zwavel wereld van de Duitse chemicus Günter Wächterhäuser. Uitgaand van de chemische reacties op de diepzeebodem postuleert hij de vorming van uitdijende platte koeken van steeds complexere moleculen, die zich over de rotsachtige bodem uitbreiden. Er breken stukken van die koek af, die zich elders hechten: vermenigvuldiging. Deze chemische laag wordt wel eens aangeduid met de wijdse term het platte leven, maar dat gaat wat ver. Leven vereist een vorm van erfelijke informatie. Waar kwam die vandaan?
Ontstaan van RNA
De meeste onderzoekers denken nu dat primitieve erfelijke informatie geleverd moet zijn door RNA (ribonucleïnezuren) of moleculen die daar op lijken. RNA is betrokken bij de informatie overdracht in onze cellen en veel virussen hebben RNA als genetisch materiaal. Wat RNA aantrekkelijk maakt als primitief genetisch materiaal is het vermogen van sommige RNA moleculen om simpele chemische reacties te katalyseren, net als eiwitten. In navolging van katalytische eiwitten, enzymen, noemt men zulke katalytische ribonucleïnezuren (RNAs) ribozymen. Het mooie van ribozymen is dat ze ook RNA moleculen kunnen knippen en plakken.
De meester in dit gebied is Jack Szostak. Ik herinner mij nog hoe ik Jack ontmoette in een postersessie bij een wetenschappelijk symposium in een Amerikaans skigebied. Jack was nog heel jong, alternatief, baardig, een broekenmannetje, maar zijn poster liet inventieve proeven zien, die hij onder een spervuur van kritische vragen briljant verdedigde. Toen al was duidelijk dat dit wonderkind het ver zou brengen in de wetenschap en dat hij zich zou storten op een werkelijk lastig probleem. Dat werd de constructie van een simpele cel, Synthesizing Life, zoals hij het noemt in een artikel in Nature. Zover is Szostak nog niet, maar hij komt wel dichter bij.
In de afgelopen vijftien jaar heeft Szostak in zijn lab laten zien dat het mogelijk is om RNA moleculen te maken, die in staat zijn om andere RNA moleculen te kopiëren. Niet erg precies, maar wel in grote hoeveelheden. Die RNA moleculen kunnen worden opgenomen door simpele vetblaasjes en die blaasjes kunnen concurreren met andere blaasjes bij het vergaren van bouwstenen voor grotere blazen met meer RNA. Zo ziet Szostak een begin van concurrentie en daarmee van Darwinistische evolutie.
Dit zijn maar een paar voorbeelden die illustreren dat onderzoek naar de oorsprong van het leven op aarde geen activiteit is van fantasierijke studeerkamergeleerden, maar een bruisende experimentele wetenschap, ook in Nederland trouwens (Leiden, Nijmegen). De Radboud Universiteit Nijmegen biedt zelfs een practicum Chemische Evolutie aan, waarin (katholieke) studenten zelf bouwstenen voor RNA kunnen maken onder primitieve aarde omstandigheden.
Wie meer wil weten over onderzoek naar het ontstaan van het leven, leze het boek Gen.e.sis van R.H. Hazen (Joseph Henry Press, 2005). Hazen is mineraloog, iemand die verstand heeft van ijzererts en zand, en hij doet al jaren proeven over het ontstaan van levensbouwstenen. Zijn boek is begrijpelijk voor geïnteresseerde leken en hij geeft niet alleen de theorieën en controversen overzichtelijk weer, maar hij laat de lezer ook in de keuken kijken: Wie zijn de topkoks en hoe doen ze hun proeven? Wat mij ook aansprak, was dat Hazen de kritiek op zijn interpretaties heeft opgenomen aan het eind van zijn boek. De kanttekeningen van experts, die hij het manuscript had opgestuurd, zijn daar letterlijk terug te vinden. Daardoor krijg je een goede indruk van de meningsverschillen in dit prille onderzoeksgebied. Want pril is het.
Tot slot
We weten nog niet veel. Voor een aantal cruciale problemen zijn er zelfs nog geen goede werkhypothesen. Maar die komen, misschien niet volgende maand, maar dan volgend jaar of over 10 jaar. Er is geen biologisch probleem dat biologen niet op gaan lossen als ze tijd van leven hebben (en geld voor proeven). Zelfs een harde noot als de oorsprong van het leven wordt uiteindelijk gekraakt.