Abiogenese

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Zie het artikel Voor een overzicht van andere visies op het ontstaan van leven, zie Oorsprong van het leven.

Abiogenese is het (hypothetische) ontstaan van leven uit niet-levende materie.

Omschrijving[bewerken]

Abiogenese is de materialistische verklaring voor de oorsprong van het leven, dus zonder bovennatuurlijke of metafysische inbreng: het eerste leven is ooit ontstaan als gevolg van de tegenwoordig ook voorkomende chemische en fysische processen. De term moet niet verward worden met spontane generatie zoals men dat in de oudheid meende waar te nemen ("muizen ontstaan in graan", "maden ontstaan in rottend vlees" etc). Vanaf de 17e eeuw is een belangrijk principe in de biologie dat leven alleen ontstaat uit ander leven: Omne vivum ex ovo (al het leven komt uit een ei). De klassieke opvatting van spontane generatie is volgens moderne inzichten een onmogelijkheid. Maden verschijnen in rottend vlees omdat vliegen daar hun eieren hebben gelegd, muizen duiken op in graanschuren, omdat ze van elders komen, en zich in een dergelijk voedselparadijs snel voortplanten.

De vraag is echter hoe het eerste leven ooit begonnen is, het leven waar al het andere leven uit is voortgekomen. Er bestaan verschillende modellen van abiogenese, maar geen ervan is erg gedetailleerd en empirische ondersteuning is schaars. Alle modellen gaan uit van processen die zich over een tijdspanne van honderden miljoenen jaren hebben voltrokken.

Chemische kenmerken van leven[bewerken]

Om een chemische verklaring van het ontstaan van leven te kunnen geven, is het belangrijk om een chemische beschrijving van leven te hebben. De belangrijkste kenmerken van het leven op aarde zijn:

  • Water; zonder water is geen leven mogelijk.
  • De basis wordt gevormd door eiwitten en andere organische moleculen. Eiwitten bestaan uit ketens van aminozuren. Met eiwitten kunnen complexe moleculaire structuren worden gebouwd.
  • Leven moet zich kunnen voortplanten (zelfreplicatie). Daarbij gebruikt het leven DNA of RNA om zijn genetische code door te geven aan zijn nakomelingen. In dit molecuul, wat een polymeer is van het DesoxyriboNucleïnezuur(=Acid)-molecuul, staan alle codes voor de eiwitten die het individu gedurende zijn leven nodig heeft. De specifieke combinatie van eiwitcodes(=genen) in het DNA bepaalt uiteindelijk de karakteristieken van het individu.
  • De cel is de kleinste levende eenheid. Een meercellige levensvorm is opgebouwd uit verschillende cellen, die echter alle dezelfde genetische instructies bevatten.

Alle genoemde kenmerken zijn essentieel voor het leven zoals wij dat kennen. De modellen voor abiogenese moeten niet alleen het ontstaan van deze kenmerken afzonderlijk verklaren, maar ook hoe deze bij elkaar hebben kunnen komen om de eerste cel te vormen.

Organische moleculen[bewerken]

Stanley Miller

Charles Darwin besefte al dat er een groot probleem openstond bij zijn evolutietheorie: de herkomst van de voorouder van alle organismen. In een brief aan zijn collega J. Hooker uit 1871 speculeerde hij er wel over.[1] Maar naar de stand van de wetenschap toentertijd was dit probleem nog niet op te lossen.

De eerste die een verantwoorde hypothese voorstelde voor het chemische ontstaan van de eerste 'levensmoleculen' waren Aleksandr Oparin en John Haldane in de jaren '20 van de vorige eeuw. Beiden gingen ervan uit dat de chemische condities in het begin van de aardse geschiedenis gunstig waren voor de vorming van complexe moleculen. Eerst volgde volgens hen de vorming van eiwitten en daarna, met eiwitten als bouwstenen, nog complexere moleculen. Oparin stelde ook een proces voor om die prebiotische elementen samen te brengen in een soort protocellen: 'coacervaten'. Het beroemde Miller-Urey-experiment was een eerste experimentele toetsing van deze voorgaande theoretische beschouwingen en toonde in 1953 aan dat organische moleculen inderdaad (kunnen) ontstaan in een levenloze omgeving. In het experiment werd door Stanley Miller en Harold Urey de vermoedelijke toestand van de vroege Aarde nagebootst in een laboratorium. In een mengsel van waterdamp, methaan, ammoniak en waterstofgas werden elektrische ontladingen opgewekt. Na een week bleek dat er een aanzienlijke hoeveelheid organische moleculen was ontstaan, inclusief aminozuren (de bouwstenen van eiwitten). Van de aanwezige koolstof bevond zich 10-15% in organische moleculen. Twee procent van de koolstof was gebonden (als twee verschillende aminozuren). De ene helft van de geproduceerde aminozuren was linksdraaiend, de andere helft rechtsdraaiend.

Wetenschappers zijn er echter vandaag de dag zeker van dat de vroege atmosfeer van de aarde niet lijkt op het experiment van Miller en Urey en meer leek op een veel minder reactieve mix van stikstof en koolstofdioxide. Herhaling van de experimenten met deze gassen heeft tot nu toe eveneens enkel primitieve aminozuren opgeleverd, wat de vraag opwerpt wat nu eigenlijk de waarde was van het Miller-Urey-experiment.[2]

Inmiddels is bekend dat organische moleculen niet zeldzaam zijn buiten de Aarde. Kometen zijn bedekt met een teerachtige substantie, rijk aan organische moleculen. Inslaande kometen kunnen een voldoende hoeveelheid organische moleculen op aarde hebben gebracht. Ook zijn er PAK's (polycyclische aromatische koolwaterstoffen) ontdekt in een nevel in de ruimte. Helaas verplaatst dit alleen het ontstaan van leven naar een andere plek en lost het het vraagstuk niet op.

Links en rechtsdraaiende aminozuren[bewerken]

Veel organische moleculen die essentieel zijn voor het leven ontstaan door polymerisatie (aan elkaar rijgen) van een groot aantal enkelvoudige (gelijksoortige) organische moleculen. Alle eiwitten in aards leven ontstaan door polymerisatie van aminozuren, zetmeel is een polymeer van suiker. Ook DNA en RNA zijn polymeren. Een probleem is, dat bijna alle aminozuren die in leven gebruikt worden linksdraaiend zijn, terwijl in zowel meteorieten als bij experimenten als het Miller-Urey-experiment links- en rechtsdraaiende moleculen in ongeveer gelijke verhouding voorkomen. Bij reacties waarin uit aminozuren ingewikkelder moleculen ontstaan, is echter geen mechanisme bekend waarmee de linksdraaiende moleculen bevoordeeld zouden worden.[3] De vraag is dus waarom in leven linksdraaiende aminozuren de overgrote meerderheid vormen van de bouwstenen voor eiwitten.

Zelfreplicatie[bewerken]

Het interessante van zelfreplicerende moleculen is dat ze de mogelijkheid van "natuurlijke selectie" bieden, zoals dat ook in de evolutietheorie wordt toegepast. Op dezelfde wijze als er een evolutie van soorten plaatsvindt, is het denkbaar dat er een chemische evolutie heeft plaatsgevonden. Het probleem daarbij is dat het zelfreplicerende DNA beschermd wordt door de celmembraan en gebruik maakt van een veelheid van andere organische moleculen. Zonder bescherming van de cel en zonder de eiwitten in de cel, kan DNA zich niet repliceren.

Richard Dawkins wierp in 1967 al een interessante theorie op die beschrijft dat in de vroege oersoep een aantal reproducerende deeltjes ontstond. Deze zogenaamde replicatoren deden niets anders dan hun eigen structuur kopiëren. In de soep ontstonden meerdere van deze replicatoren die met elkaar wedijverden om de grondstoffen. (Hierbij moet wedijveren niet al te letterlijk worden genomen.) Sommige replicatoren kopieerden sneller of met minder fouten dan andere en werden succesvoller. Deze kopiërende entiteiten kun je nog niet levend noemen. In de natuur zijn nog steeds kopiërende vormen te vinden zoals onder andere kristallen. Sommige replicatoren zullen wellicht een membraan om zich heen hebben gevormd om het directe milieu te handhaven of om andere replicatoren buiten te sluiten. Dit zou je kunnen zien als vroege celmembranen.

Zelfreplicerend RNA[bewerken]

1rightarrow blue.svg Zie RNA-wereld voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

RNA lijkt veel op DNA, en kan ook informatie bevatten zoals DNA dat doet. Er zijn virussen die RNA gebruiken als drager van genetische eigenschappen (zie retrovirus). Daarnaast heeft RNA ook katalytische eigenschappen, waardoor het de aanmaak van RNA kan bevorderen. Er zijn RNA-moleculen die onder specifieke omstandigheden autokatalytisch zijn, oftewel ze kunnen zichzelf repliceren.

Als opslagmedium voor informatie is RNA echter minder geschikt dan DNA. RNA is minder stabiel. Anderzijds is RNA wel opgebouwd rond een standaard pentose, ribose, en is DNA opgebouwd rond desoxyribose. De biosynthese hiervan vraagt een speciale reductie.

Argumenten om RNA als de eerste drager van genetische informatie te bestempelen zijn:

  • RNA polymerisatie en replicatie kan op basis van nucleotiden in vitro plaatsgrijpen.
  • RNA staat centraal in alle bekende organismen en is ook van groot belang bij de synthese van eiwitten.
  • RNA is een meer complexe molecule dan het DNA. RNA kan zich net zoals enzymen in een driedimensionale structuur opvouwen en vertoont enzymatische functies.
  • Nucleosiden, die de basisbouwstenen zijn van RNA, helpen sommige enzymen beter te functioneren.

Manfred Eigen kon in vitro zelfreproducerende RNA-strengen maken, die hij quasi-species noemde. Hierop konden ook selectieprocessen worden toegepast. Een probleem is echter het aantal nucleosiden waaruit de RNA-strengen zijn opgebouwd. Hoe langer de keten, hoe zwaarder de foutenlast bij het overschrijven van de keten. Hij probeerde dit op te vangen door het beschrijven van hyper-cycles.

Kleitheorie[bewerken]

Een niet algemeen geaccepteerde theorie is de "kleitheorie" die door Graham Cairns-Smith werd geopperd in 1985. De theorie behelst in het kort dat kleideeltjes door hun vorm en de eigenschappen van hun oppervlak verschillende mogelijkheden hebben om hun omgeving te beïnvloeden. Sommige kleideeltjes zullen als sediment de kans vergroten dat vergelijkbare kleideeltjes ook daar sedimenteren. Gezamenlijk is hun invloed op de omgeving groter. Klei heeft ook katalytische eigenschappen, en als die katalytische eigenschappen leiden tot vorming van organische moleculen op het oppervlak die de oorspronkelijke eigenschappen versterken, is er een soort van zelfreplicerend systeem ontstaan. De volgende stap is dan dat de zelfreplicatie zich losmaakt van de kleideeltjes, leidend tot een zelfreplicerend systeem van organische moleculen.

Protocellen[bewerken]

Cellen zijn afgescheiden van hun omgeving door een celmembraan, bestaande uit fosfolipiden. Het is mogelijk gebleken om celachtige structuren te laten ontstaan uit organisch materiaal uit meteorieten.

Extremofielen en Black smokers[bewerken]

De betrekkelijk recente ontdekking van de black smokers, heetwaterbronnen op de bodem van de oceanen, en de in de omgeving daarvan levende extremofielen, die alle tot het eencellige domein der Archaea behoren, heeft een aantrekkelijke nieuwe theorie voor de abiogenese opgeleverd. Er zijn namelijk veel argumenten die ervoor pleiten dat de black smokers optimale kansen bieden voor een chemische evolutie die in het ontstaan van levende wezens heeft kunnen resulteren. Mogelijk is dan vanuit deze heetwaterbronnen het eerste primitieve leven verspreid door de oceanen.

Stand van zaken[bewerken]

De huidige kennis biedt hooguit hypothesen over hoe abiogenese plaats heeft kunnen vinden. Men kan wel al aminozuren en andere organische moleculen laten ontstaan door louter natuurlijke processen zoals Miller en Urey deden. Hoe deze zich zouden moeten organiseren in complexere, zich in stand houdende en reproducerende eenheden is nog steeds onduidelijk. Wel zijn er voorbeelden in de nietlevende natuur zoals zichzelf kopiërende structuren bijvoorbeeld bij kristallen.

Een probleem met het toetsen van hypothesen over het ontstaan van leven is dat er nauwelijks fossiel bewijsmateriaal voorhanden is. Het gaat immers om structuren van de grootte van een cel of (veel) kleiner met een geologische geschiedenis van ongeveer 3,5 miljard jaar. Verreweg het meeste fossiele bewijsmateriaal is in die lange tijd allang weggeërodeerd. De hypothesen met betrekking tot deelstappen die (kunnen) hebben geleid tot het ontstaan van het leven, kunnen echter vaak wel experimenteel worden getoetst [4]. Ook worden computersimulaties die mogelijke scenario's voor het ontstaan van het leven doorrekenen steeds geavanceerder en realistischer wat dan bruikbare uitkomsten kan opleveren als nieuw uitgangspunt voor verder onderzoek. Onderzoekers hopen ook dat men in de toekomst leven of sporen hiervan vindt op andere planeten in ons zonnestelsel (zie ook astrobiologie) die men dan zou kunnen vergelijken met aards leven. Met de gegevens van zo'n vergelijkend onderzoek zou men dan een heel eind verder zijn naar een goede theorie voor abiogenese en onder welke omstandigheden die kan plaatsvinden.

Kritiek[bewerken]

Alternatieve theorieën en opvattingen over het ontstaan van leven, zoals de panspermia hypothese of metafysische ideeën over het ontstaan van leven (creationisme) worden door tegenstanders van de 'aardse' evolutietheorie nog steeds voorgesteld maar zijn nog moeilijker te toetsen dan de gangbare theorie.

Een stelling die door veel creationisten wordt aangehangen is dat abiogenese in principe onmogelijk is, waarbij vooral gewezen wordt op de onderlinge afhankelijkheid van de verschillende essentiële onderdelen van een cel (onherleidbare complexiteit). Ook wordt dikwijls beweerd dat de informatie gecodeerd in het genoom onmogelijk vanzelf kan zijn ontstaan. Vaak wordt de genetische informatie die in DNA gecodeerd is vergeleken met softwareprogramma's die in computers worden gebruikt en waarvoor een programmeur nodig is die deze informatie ontwerpt. Tot nu toe is echter nooit aangetoond dat stapsgewijze evolutie van leven uit niet-leven fundamenteel onmogelijk is. Zo blijkt zelfreplicatie van RNA (althans in theorie) mogelijk te zijn, hetgeen een oplossing is voor het probleem dat in alle hedendaagse levensvormen genetisch materiaal nodig is om proteïnen te maken, terwijl proteïnen nodig zijn voor de reproductie van het genetisch materiaal. Ook is niet onomstotelijk bewezen dat willekeurige mutaties in het genoom geen bruikbare nieuwe informatie kan opleveren door middel van de druk van natuurlijke selectie die schadelijke informatie uitschakelt terwijl nuttige informatie zich kan vermenigvuldigen.

Zie ook[bewerken]

Bronnen en verwijzingen

Voetnoten

  1. "But If, and oh! what a big if!" we could conceive in some warm little pond, with all sorts of ammonia and phosphoric salts, light, heat, electricity present, that a protein compound was chemically formed, ready to undergo still more complex changes.
  2. Zie Lunine (1999), p 155 voor een bespreking van het ontstaan van aminozuren en het Miller-Urey-experiment
  3. Lunine (1999), p 155-156
  4. Evolution 101: From Soup to Cells - the Origin of Life

Literatuur

Externe links