Abiogenese

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie

Ga naar: navigatie, zoeken
Dit artikel beschrijft uitsluitend de wetenschappelijke modellen voor abiogenese.
Voor een overzicht van visies op het ontstaan van leven, zie Oorsprong van het leven.

Abiogenese is het (hypothetische) ontstaan van leven uit niet-levende materie. 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 19e 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. Abiogenese is de materialistische verklaring voor de oorsprong van het leven: het eerste leven is ooit ontstaan als gevolg van chemische en fysische processen. De evolutietheorie sluit aan op abiogenese, en geeft een verklaring hoe de verschillende soorten zijn ontstaan uit de eerste levensvormen.

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.

Inhoud

[bewerk] Chemische kenmerken van leven

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:

  • 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 om zijn genetische code door te geven aan zijn nakomelingen. In dit molecuul, wat een polymeer is van het DesoxyriboseNucleïnezuur(=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 bepalen 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 levende cel te vormen.

[bewerk] Organische moleculen

Het beroemde Miller-Urey-experiment toonde in 1953 aan dat organische moleculen 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. Alle eiwitten bestaan uit linksdraaiende aminozuren.

Wetenschappers zijn er 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 enkel primitieve aminozuren opgeleverd.

Inmiddels is bekend dat organische moleculen helemaal 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.

Veel organische moleculen die essentieel zijn voor het leven ontstaan door polymerisatie (aan elkaar rijgen) van een groot aantal enkelvoudige (gelijksoortige) organische moleculen. Eiwitten ontstaan door polymerisatie van aminozuren, zetmeel is een polymeer van suiker. Ook DNA en RNA zijn polymeren.

[bewerk] Zelfreplicatie

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 ontstonden. 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 kopiëerden sneller of met minder fouten dan anderen 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 omzich heen hebben gevormd om het directe milieu te handhaven of om andere replicatoren buiten te sluiten. Dit zou je kunnen zien als vroege celmembranen.

[bewerk] Zelfreplicerend RNA

RNA lijkt veel op DNA, en kan ook informatie bevatten zoals DNA dat doet. Er zijn virussen die RNA gebruiken als drager van genetisch 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 gekende 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 drie-dimensionale structuur opvouwen en vertoont enzymatisch functies.
  • Nucleosiden, die de basisbouwstenen zijn van RNA, helpen sommige enzymen beter te functioneren.

Manfred Eigen kon in vitro zelf reproducerende RNA strengen maken, die hij quasi-species noemde. Hierop konden ook selectie processen 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.

[bewerk] Kleitheorie

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.

[bewerk] Protocellen

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.

[bewerk] Extremofielen en Black smokers

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.

[bewerk] Stand van zaken

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 zichzelf zouden moeten organiseren in complexere, zichzelf in stand houdende en reproducerende eenheden is nog onduidelijk. Wel zijn er zichzelf kopiërende structuren gevonden 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. De hypothesen met betrekking tot deelstappen die (kunnen) hebben geleid tot het ontstaan van het leven, kunnen echter vaak wel experimenteel worden getoetst [1]. Alternatieve theorieën en opvattingen over het ontstaan van leven, zoals de panspermia hyptothese of metafysische ideeën over het ontstaan van leven (creationisme) zijn echter nog moeilijker te toetsen.

Een stelling die door veel creationisten wordt aangehangen is dat abiogenese onmogelijk is, waarbij vooral gewezen wordt op de onderlinge afhankelijkheid van de verschillende essentiële onderdelen van een cel (irreducibele complexiteit). Tot nu toe is echter nooit aangetoond dat stapsgewijze evolutie van leven uit niet-leven onmogelijk is. Zo blijkt zelf-replicatie 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.

[bewerk] Zie ook

[bewerk] Externe links

 
Persoonlijke instellingen