Wat is abiogenese?
Wat is abiogenese?
Auteur: Captain Proton
http://gathering.tweakers.net/forum/list_messages/584580
Inleiding
Abiogenese is een theorie die een verklaring geeft voor het spontane ontstaan van het eerste leven uit simpele anorganische moleculen. Hoewel dit een vooralsnog zeer speculatief onderwerp is en het daarom moeilijk is een goede samenvatting te geven, zal ik proberen een overzicht te geven van de belangrijkste theorieën omtrent abiogenese.
Allereerst is het belangrijk te beseffen dat de aarde zoals die nu is, een systeem is dat door leven in stand gehouden wordt. Zo is bijvoorbeeld een atmosfeer zoals die van de aarde, waarin ongeveer 20% zuurstof is, niet stabiel. De reden waarom er zoveel zuurstof in de atmosfeer is, is dat bacteriën en planten veel zuurstof produceren tijdens de fotosynthese.
De zuurstof die vrijkomt reageert weer met ijzer en andere metalen in de bodem, maar ook met zo ongeveer elke organische verbinding die in de atmosfeer voorkomt. Hierbij worden die verbindingen afgebroken.
Miller-experiment
In de huidige atmosfeer kunnen dus geen complexe organische moleculen ontstaan. Die reageren onmiddellijk door met zuurstof en worden daardoor afgebroken. Op de jonge aarde was er echter nog nauwelijks zuurstof aanwezig in de atmosfeer. Wel waren er andere gassen aanwezig, zoals stikstofgas methaan, waterstofgas en koolstofmonoxyde en koolstofdioxide. Ook was er misschien cyanidegas.
In 1964 Heeft de Engelse wetenschapper Stanley Miller als eerste een inmiddels klassiek experiment uitgevoerd waarbij hij in een atmosfeer waarin deze stoffen voorkwamen, bliksemontladingen plaats liet vinden. Door deze ontladingen leverde hij energie voor een heel scala aan chemische reacties, waarbij onder andere aminozuren, de bouwstenen van eiwitten, ontstonden. Andere onderzoekers hebben Millers experiment met succes herhaald, hebben soortgelijke resultaten behaald met andere gasmengsels, en zijn er bovendien in geslaagd purinen en pyrimidinen (bouwstenen van DNA en RNA), koolhydraten (eveneens onmisbaar voor DNA en RNA) en vetzuren te produceren. Verder is het in het laboratorium gelukt om aminozuren in een dergelijk experiment te laten polymeriseren tot korte peptiden, waarmee feitelijk de eerste eiwitten ontstonden.
Volgens de abiogenesetheorie vonden op de jonge aarde dit soort processen plaats bij
bliksemontladingen in de atmosfeer, en onder invloed van UV-straling (Er was toen nog geen ozonlaag, want ozon wordt gevormd uit zuurstof). Op deze manier zijn de bouwstenen voor het leven ontstaan. Deze zijn vervolgens vanuit de atmosfeer in de oceaan terecht gekomen. En daar vond de volgende stap plaats.
Van autokatalyse naar zelfreplicerende molekulen
In de oceaan zijn dus aminozuren terecht gekomen en er hebben zich daar ook korte eiwitten gevormd (aangetoond is dat aanwezigheid van klei deze polymerisatie kan katalyseren), en korte nucleinezuren (DNA, RNA en aanverwante stoffen).
Deze werden overigens net zo snel weer afgebroken als ze gevormd werden, want eiwitten en nucleinezuren zijn niet erg stabiel. Maar nu is van zowel nucleïnezuren als van eiwitten aangetoond dat deze autokatalytisch kunnen zijn: Dat wil zeggen, dat ze ervoor kunnen zorgen dat ze zichzelf kunnen kopiëren.
Hiervoor zijn korte ketens vaak al voldoende. Als deze ketens erin slagen zichzelf sneller te kopiëren dan ze uit elkaar vallen, zullen ze niet verdwijnen, maar zullen ze juist steeds meer voorkomen. Dit kan natuurlijk niet oneindig lang doorgaan, op den duur zullen de grondstoffen opraken. Het molecuul dat zichzelf het meest efficiënt kan repliceren, zal het meeste kopieën vormen, en op deze manier ontstaat er een soort natuurlijke selectie op zelfreplicerende moleculen. In dit verband mag het Tierra-
experiment niet ongenoemd blijven, dit is een computersimulatie waarin deze evolutie van
zelfreplicerende moleculen is gesimuleerd, met verrassende resultaten: Dit experiment toont aan dat binnen zeer korte tijd verschillende "soorten" ontstaan, waaronder parasitaire soorten en immuniteit bij de gastheren.
Ontstaan van celmembranen uit zelfreplicerende molekulen
We hebben nu dus zelfreplicerende moleculen. Vanaf hier is het nog heel ver naar een echte cel, en de rest is vooral speculatie. Toch zijn er hier een aantal theorieën. Zoals bijvoorbeeld die over het ontstaan van celmembranen.
In de oersoep komen lipiden voor, zowel vetzuren als glycerol (de bouwstenen van lipiden) worden in de atmosfeer gevormd. Deze lipiden zullen in water vanzelf membranen vormen, dit is een gevolg van hun chemische eigenschappen. Deze membranen zijn echter niet erg stabiel en er vallen regelmatig gaten in. Als nu een replicator in zo'n membraan terecht komt, zit hij daar beschermd tegen de
buitenwereld. Grondstoffen voor replicatie komen nog regelmatig het membraan binnen door de gaten die daarin vallen, maar het replicerende molecuul blijft langer bestaan en kan dus meer kopieën maken. Dit is dus een voordeel.
Ook kunnen replicators (zowel eiwitten als nucleinezuren) andere functies erbij krijgen, bijvoorbeeld een om grondstoffen in elkaar om te zetten. Veel aminozuren lijken sterk op elkaar, en een zelfreplicerend molecuul kan door mutaties het vemogen krijgen het ene aminozuur in het andere om te zetten. Hierdoor is het minder afhankelijk van welke aminozuren er in de omgeving aanwezig zijn, en kan het meer kopieën maken. Op dezelfde manier kan de zelfreplicerende keten er andere functies bijkrijgen, bijvoorbeeld eentje om vetten te maken uit vetzuren en glycerol, of om koolhydraten in elkaar om te zetten. Of om koolhydraten in aminozuren om te zetten, enzovoorts.
Conclusie
We hebben nu dus al een zelfreplicerend molecuul dat enigzins eigen bouwstoffen. Vast staat in ieder geval vasr dat een dergelijk zelfreplicerend systeem al voldoet aan diverse eisen die in de gangbare definities van leven aan dat leven gesteld worden, zoals de mogelijkheid tot zelfreplicatie en de aanwezigheid van een metabolisme. Een paar honderd miljoen jaar " moleculaire " evolutie heeft volgens de theorie van de abiogenese deze zelfreplicators de laatste stappen naar "echt" leven laten nemen.