- Deel een: hoe maak je een kooi -
- Deel twee: een splitsing in de gelederen van wetenschappers -
- Deel drie: op zoek naar de eerste replicator -
- Deel vijf: hoe maak je een cel? -
- Deel zes: The Great Unification -
In hoofdstuk twee leerden we hoe geleerden zich opsplitsten in drie stromingen, reflecterend op de oorsprong van het leven. De ene groep was ervan overtuigd dat het leven begon met een RNA-molecuul, maar kon niet laten zien hoe RNA of soortgelijke moleculen zich spontaan konden vormen op de vroege aarde en vervolgens kopieën van zichzelf konden maken. Hun inspanningen waren aanvankelijk bemoedigend, maar uiteindelijk bleef alleen teleurstelling over. Andere onderzoekers van de oorsprong van het leven die verschillende paden hebben gevolgd, hebben echter enkele resultaten opgeleverd.
De RNA-wereldtheorie is gebaseerd op een eenvoudig idee: het belangrijkste dat een levend organisme kan doen, is zichzelf voortplanten. Veel biologen zijn het hiermee eens. Van bacteriën tot blauwe vinvissen, alle levende wezens streven ernaar nakomelingen te krijgen.
Veel onderzoekers van de oorsprong van het leven beschouwen reproductie echter niet als fundamenteel. Voordat een organisme zich kan voortplanten, zeggen ze, moet het zelfvoorzienend worden. Hij moet zichzelf in leven houden. U kunt immers geen kinderen krijgen als u eerst overlijdt.
We houden onszelf in leven door voedsel te consumeren; groene planten doen dit door energie uit zonlicht te halen. Op het eerste gezicht is de persoon die een sappige biefstuk eet heel anders dan een lommerrijke eik, maar als je ernaar kijkt, hebben ze allebei energie nodig.
Dit proces wordt metabolisme genoemd. Eerst moet je energie krijgen; laten we zeggen van energierijke chemicaliën zoals suiker. Dan moet je deze energie gebruiken om iets nuttigs te bouwen, zoals cellen.
Dit proces van energiegebruik is zo belangrijk dat veel onderzoekers het beschouwen als de eerste waarmee het leven begon.
Vulkanisch water is heet en rijk aan mineralen
Promotie video:
Hoe zouden deze metabole organismen eruit zien? Een van de meest interessante aannames werd eind jaren tachtig gedaan door Gunther Wachtershauser. Hij was geen fulltime wetenschapper, maar eerder een octrooigemachtigde met weinig kennis van scheikunde.
Wachtershauser suggereerde dat de eerste organismen "radicaal anders waren dan alles wat we wisten". Ze zijn niet gemaakt van cellen. Ze hadden geen enzymen, DNA of RNA. Nee, in plaats daarvan stelde Wachtershauser zich een stroom warm water voor die uit een vulkaan stroomde. Dit water is rijk aan vulkanische gassen zoals ammoniak en bevat sporen van mineralen uit het hart van de vulkaan.
Waar water door de rotsen stroomde, begonnen chemische reacties plaats te vinden. Met name metalen uit water hielpen eenvoudige organische verbindingen samen te smelten tot grotere. Het keerpunt was het ontstaan van de eerste metabolische cyclus. Het is een proces waarbij een chemische stof wordt omgezet in een aantal andere chemicaliën totdat het origineel uiteindelijk opnieuw wordt gemaakt. Tijdens het proces bouwt het hele systeem energie op die kan worden gebruikt om de cyclus opnieuw te starten - en voor andere dingen.
Al het andere waaruit een modern organisme bestaat - DNA, cellen, hersenen - verscheen later, bovenop deze chemische cycli. Deze metabolische cycli lijken helemaal niet op het leven. Wachtershauser noemde zijn uitvinding 'voorlopers van organismen' en schreef dat 'ze nauwelijks levend kunnen worden genoemd'.
Maar metabolische cycli zoals die beschreven door Wachtershauser vormen de kern van al het leven. Je cellen zijn in wezen microscopisch kleine chemische fabrieken, die constant de ene stof in de andere destilleren. Metabole cycli kunnen geen leven worden genoemd, maar ze zijn fundamenteel voor het leven.
In de jaren tachtig en negentig werkte Wachtershauser aan de details van zijn theorie. Hij schetste welke mineralen het meest geschikt zijn en welke chemische cycli er kunnen plaatsvinden. Zijn ideeën begonnen aanhangers te trekken.
Maar dit alles was puur theoretisch. Wachtershauser had een echte ontdekking nodig om zijn ideeën te ondersteunen. Gelukkig was het al tien jaar eerder gedaan.
Bronnen in de Stille Oceaan
In 1977 stortte een team onder leiding van Jack Corliss van de Oregon State University 2,5 kilometer de East Pacific in. Ze bestudeerden de warmwaterbronnen van de Galapagos op plaatsen waar hoge bergkammen uit de zeebodem rezen. Deze ruggen waren vulkanisch actief.
Corliss ontdekte dat deze ruggen letterlijk bezaaid waren met warmwaterbronnen. Heet, chemicaliënrijk water stijgt onder de zeebodem op en stroomt door gaten in de rotsen.
Ongelooflijk genoeg waren deze hydrothermale ventilatieopeningen dichtbevolkt met vreemde dieren. Er waren enorme mosselen, mosselen en ringwormen. Het water was ook sterk verzadigd met bacteriën. Al deze organismen leefden op de energie van hydrothermale ventilatieopeningen.
De ontdekking van deze bronnen gaf Corliss een naam. En het zette me aan het denken. In 1981 suggereerde hij dat dergelijke ventilatieopeningen vier miljard jaar geleden op aarde bestonden en dat ze de plaats van oorsprong van leven werden. Hij heeft het leeuwendeel van zijn carrière besteed aan het bestuderen van deze kwestie.
Hydrothermale ventilatieopeningen hebben een vreemd leven
Corliss suggereerde dat hydrothermale ventilatieopeningen cocktails van chemicaliën kunnen maken. Elke bron, zei hij, was een soort spray van oerbouillon.
Terwijl het hete water door de rotsen stroomde, zorgden hitte en druk ervoor dat eenvoudige organische verbindingen samensmolten tot meer complexe verbindingen, zoals aminozuren, nucleotiden en suikers. Dichter bij de grens met de oceaan, waar het water niet zo heet was, begonnen ze zich in ketens te verbinden - om koolhydraten, eiwitten en nucleotiden zoals DNA te vormen. Toen het water de oceaan naderde en nog meer afkoelde, verzamelden deze moleculen zich tot eenvoudige cellen.
Het was interessant, de theorie trok de aandacht van mensen. Maar Stanley Miller, wiens experiment we in het eerste deel bespraken, geloofde het niet. In 1988 schreef hij dat de diepe ventilatieopeningen te heet waren.
Hoewel intense hitte chemicaliën zoals aminozuren kan produceren, toonden Millers experimenten aan dat het ze ook kan vernietigen. Basische verbindingen zoals suikers "zouden een paar seconden kunnen overleven, niet meer". Bovendien is het onwaarschijnlijk dat deze eenvoudige moleculen zich in ketens binden, omdat het omringende water ze onmiddellijk uit elkaar zou breken.
In dit stadium voegde geoloog Mike Russell zich bij de strijd. Hij geloofde dat de theorie van hydrothermale ventilatieopeningen behoorlijk correct zou kunnen zijn. Bovendien leek het hem dat deze bronnen het ideale huis zouden zijn voor de voorlopers van het Wachtershauser-organisme. Deze inspiratie bracht hem ertoe een van de meest algemeen aanvaarde theorieën over de oorsprong van het leven te creëren.
Geoloog Michael Russell
Russells carrière had veel interessante dingen - hij maakte aspirine op zoek naar waardevolle mineralen - en bij een opmerkelijk incident in de jaren zestig coördineerde hij de reactie op een mogelijke vulkaanuitbarsting, ondanks een gebrek aan voorbereiding. Maar hij was meer geïnteresseerd in hoe het aardoppervlak in de loop van de eonen veranderde. Dit geologische perspectief gaf aanleiding tot zijn ideeën over het ontstaan van leven.
In de jaren tachtig vond hij fossiel bewijs van een minder turbulent type hydrothermale ader, waar de temperatuur niet hoger was dan 150 graden Celsius. Deze milde temperaturen, zei hij, zouden de levensmoleculen langer kunnen laten leven dan Miller dacht.
Bovendien bevatten de fossiele overblijfselen van deze "koele" ventilatieopeningen iets vreemds: het mineraal pyriet, bestaande uit ijzer en zwavel, had zich gevormd in buizen met een diameter van 1 mm. Tijdens zijn werk in het laboratorium ontdekte Russell dat pyriet ook bolvormige druppeltjes kon vormen. En hij suggereerde dat de eerste complexe organische moleculen zich hadden kunnen vormen in deze eenvoudige pyrietstructuren.
IJzer pyriet
Het was rond deze tijd dat Wachtershauser zijn ideeën begon te publiceren, die waren gebaseerd op de stroom van heet, chemisch verrijkt water dat door mineralen stroomde. Hij suggereerde zelfs dat het om pyriet ging.
Russell voegde twee plus twee toe. Hij suggereerde dat hydrothermale openingen diep in de zee, koud genoeg om pyrietstructuren te vormen, voorlopers van Wachtershauser-organismen herbergen. Als Russell gelijk had, begon het leven op de bodem van de zee - en verscheen het metabolisme voor het eerst.
Russell legde het allemaal samen in een artikel dat in 1993 werd gepubliceerd, 40 jaar na het klassieke experiment van Miller. Het genereerde niet dezelfde media-buzz, maar het was aantoonbaar belangrijker. Russell heeft twee schijnbaar afzonderlijke ideeën gecombineerd - de Wachtershauser-metabolische cycli en de Corliss-hydrothermale ventilatieopeningen - tot iets echt overtuigends.
Russell bood zelfs een verklaring aan hoe de eerste organismen aan hun energie kwamen. Dat wil zeggen, hij begreep hoe hun metabolisme zou kunnen werken. Zijn idee was gebaseerd op het werk van een van de vergeten genieën van de moderne wetenschap.
Peter Mitchell, Nobelprijswinnaar
In de jaren zestig werd biochemicus Peter Mitchell ziek en werd hij gedwongen met pensioen te gaan aan de Universiteit van Edinburgh. In plaats daarvan zette hij een privélaboratorium op op een afgelegen landgoed in Cornwall. Afgezonderd van de wetenschappelijke gemeenschap financierde hij zijn werk met een kudde melkkoeien. Veel biochemici, waaronder Leslie Orgel, wiens werk over RNA we in deel twee bespraken, vonden Mitchells ideeën volkomen belachelijk.
Een paar decennia later wachtte Mitchell op een absolute overwinning: de Nobelprijs voor scheikunde in 1978. Hij werd niet beroemd, maar zijn ideeën staan tegenwoordig in elk biologieboek. Mitchell besteedde zijn carrière aan het uitzoeken wat organismen doen met de energie die ze uit voedsel halen. In feite vroeg hij zich af hoe we er allemaal in slagen om elke seconde in leven te blijven.
Hij wist dat alle cellen hun energie opslaan in één molecuul: adenosinetrifosfaat (ATP). Aan adenosine zit een ketting van drie fosfaten vast. Het toevoegen van een derde fosfaat vereist veel energie, die vervolgens wordt opgesloten in ATP.
Als een cel energie nodig heeft, bijvoorbeeld als een spier samentrekt, wordt een derde fosfaat afgebroken tot ATP. Dit zet ATP om in adenosidifosfaat (ADP) en geeft opgeslagen energie vrij. Mitchell wilde weten hoe een cel in het algemeen ATP maakt. Hoe slaat het genoeg energie op in ADP om het derde fosfaat te binden?
Mitchell wist dat het enzym dat ATP maakt in het membraan zat. Daarom ging ik ervan uit dat de cel geladen deeltjes (protonen) door het membraan pompt, dus veel protonen zitten aan de ene kant, maar niet aan de andere.
De protonen proberen vervolgens terug te lekken door het membraan om het aantal protonen aan elke kant in evenwicht te houden - maar de enige plaats waar ze doorheen kunnen, is het enzym. De stroom van stromende protonen voorzag het enzym dus van de energie die nodig was om ATP aan te maken.
Mitchell presenteerde zijn idee voor het eerst in 1961. Hij bracht de volgende 15 jaar door met het verdedigen van haar van alle kanten, totdat het bewijs onweerlegbaar was. We weten nu dat het Mitchell-proces wordt gebruikt door elk levend wezen op aarde. Op dit moment stroomt het in je cellen. Net als DNA ligt het ten grondslag aan het leven dat we kennen.
Russell leende van Mitchell het idee van de protongradiënt: er zijn veel protonen aan de ene kant van het membraan en weinig aan de andere. Alle cellen hebben een protongradiënt nodig om energie op te slaan.
Moderne cellen creëren gradiënten door protonen door membranen te pompen, maar dit vereist een complex moleculair mechanisme dat eenvoudigweg niet vanzelf zou kunnen ontstaan. Dus Russell nam nog een logische stap: het leven moest ergens ontstaan met een natuurlijke protongradiënt.
Bijvoorbeeld ergens in de buurt van hydrothermale ventilatieopeningen. Maar het moet een speciaal soort bron zijn. Toen de aarde jong was, waren de zeeën zuur, en er zijn veel protonen in zuur water. Om een protongradiënt te creëren, moet het bronwater weinig protonen bevatten: het moet alkalisch zijn.
Corliss 'bronnen pasten niet. Ze waren niet alleen te heet, maar ook zuur. Maar in 2000 ontdekte Deborah Kelly van de Universiteit van Washington de eerste alkalische bronnen.
Verloren stad
Kelly moest hard werken om wetenschapper te worden. Haar vader stierf terwijl ze de middelbare school afmaakte en ze werd gedwongen te werken om op de universiteit te blijven. Maar ze slaagde erin en koos onderwatervulkanen en brandende hete hydrothermale bronnen als onderwerp van haar interesse. Dit echtpaar bracht haar naar het midden van de Atlantische Oceaan. Op dit punt barstte de aardkorst en rees een bergrug uit de zeebodem.
Op deze bergkam ontdekte Kelly een veld met hydrothermale ventilatieopeningen, die ze 'The Lost City' noemde. Ze leken niet op die van Corliss. Het water stroomde eruit met een temperatuur van 40-75 graden Celsius en was licht alkalisch. De carbonaatmineralen uit dit water klonterden samen tot steile witte "rookpluimen" die als orgelpijpen uit de zeebodem opstegen. Ze zien er griezelig en spookachtig uit, maar dat zijn ze niet: ze herbergen veel micro-organismen.
Deze alkalische ventilatieopeningen passen perfect bij Russells ideeën. Hij was er vast van overtuigd dat het leven verscheen in zulke "verloren steden". Maar er was een probleem. Als geoloog wist hij niet veel van biologische cellen om zijn theorie overtuigend te presenteren.
Een rookkolom uit de 'zwarte rookkamer'
Dus Russell werkte samen met bioloog William Martin. In 2003 presenteerden ze een verbeterde versie van Russells eerdere ideeën. En dit is op dit moment waarschijnlijk de beste theorie over het ontstaan van leven.
Dankzij Kelly wisten ze nu dat de rotsen van de alkalische bronnen poreus waren: ze waren bezaaid met kleine gaatjes gevuld met water. Deze kleine zakjes, zo suggereerden ze, fungeerden als 'cellen'. Elke zak bevatte basischemicaliën, waaronder pyriet. Gecombineerd met de natuurlijke proton-gradiënt uit de bronnen, waren ze de perfecte plek om het metabolisme te starten.
Nadat het leven had geleerd de energie van bronwater te benutten, zeggen Russell en Martin, begon het moleculen zoals RNA te creëren. Uiteindelijk creëerde ze een membraan voor zichzelf en werd ze een echte cel, die uit het poreuze gesteente in open water ontsnapte.
Zo'n plot wordt momenteel beschouwd als een van de leidende hypothesen over de oorsprong van het leven.
Cellen vluchten uit hydrothermale ventilatieopeningen
In juli 2016 kreeg hij steun toen Martin een studie publiceerde waarin enkele details van de "laatste universele gemeenschappelijke voorouder" (LUCA) werden gereconstrueerd. Het is een organisme dat miljarden jaren geleden leefde en waaruit al het bestaande leven is ontstaan.
Het is onwaarschijnlijk dat we ooit direct gefossiliseerd bewijs van het bestaan van dit organisme zullen vinden, maar niettemin kunnen we goed onderbouwde gissingen maken over hoe het eruit zag en wat het deed tijdens het bestuderen van micro-organismen van onze tijd. Dit is wat Martin deed.
Hij onderzocht het DNA van 1930 moderne micro-organismen en identificeerde 355 genen die bijna iedereen had. Dit is een overtuigend bewijs van de overdracht van deze 355 genen, generaties en generaties, van een gemeenschappelijke voorouder - rond de tijd dat de laatste universele gemeenschappelijke voorouder leefde.
Deze 355 genen zetten sommige aan om de protongradiënt te gebruiken, maar niet om deze te genereren, zoals Russell en Martin voorspelden. Bovendien lijkt LUCA te zijn aangepast aan de aanwezigheid van chemicaliën zoals methaan, wat suggereert dat het in een vulkanisch actieve, ventilatie-achtige omgeving woonde.
Voorstanders van de "RNA-wereld" -hypothese wijzen op twee problemen met deze theorie. Een daarvan kan worden opgelost; de andere kan fataal zijn.
Hydrothermale bronnen
Het eerste probleem is dat er geen experimenteel bewijs is voor de processen die zijn beschreven door Russell en Martin. Ze hebben een stapsgewijze geschiedenis, maar geen van deze stappen is waargenomen in het laboratorium.
"Mensen die geloven dat alles begon met reproductie, vinden voortdurend nieuwe experimentele gegevens", zegt Armen Mulkidzhanyan. "Mensen die voor metabolisme staan, doen dat niet."
Maar dat zou kunnen veranderen, dankzij Martin's collega Nick Lane van University College London. Hij bouwde een ‘Origin of Life Reactor’ die de omstandigheden in een alkalische bron simuleert. Hij hoopt metabole cycli te zien, en misschien zelfs moleculen zoals RNA. Maar het is te vroeg.
Het tweede probleem is de locatie van bronnen in de diepzee. Zoals Miller in 1988 opmerkte, kunnen moleculen met een lange keten, zoals RNA en eiwitten, niet in water worden gevormd zonder hulpenzymen.
Voor veel wetenschappers is dit een fataal argument. "Als je goed bent in scheikunde, word je niet omgekocht door het idee van diepzee-bronnen, omdat je weet dat de chemie van al deze moleculen onverenigbaar is met water", zegt Mulkidzhanian.
Toch blijven Russell en zijn bondgenoten optimistisch.
Pas in het laatste decennium kwam een derde benadering naar voren, ondersteund door een reeks ongebruikelijke experimenten. Het belooft iets dat noch de RNA-wereld, noch de hydrothermale ventilatieopeningen hebben kunnen bereiken: een manier om een hele cel helemaal opnieuw te maken. Hierover meer in het volgende deel.
ILYA KHEL
- Deel een: hoe maak je een kooi -
- Deel twee: een splitsing in de gelederen van wetenschappers -
- Deel drie: op zoek naar de eerste replicator -
- Deel vijf: hoe maak je een cel? -
- Deel zes: The Great Unification -
