- Deel twee: een splitsing in de gelederen van wetenschappers -
- Deel drie: op zoek naar de eerste replicator -
- Deel vier: de energie van protonen -
- Deel vijf: dus hoe creëer je een cel? -
- Deel zes: The Great Unification -
Tegenwoordig heeft het leven elke vierkante centimeter van de aarde veroverd, maar toen de planeet voor het eerst werd gevormd, was het een dode steen. Hoe en wanneer vond de historische transitie plaats? Hoe is het leven begonnen? Een serieuzere, grotere en ingewikkelder vraag is nauwelijks te bedenken. Gedurende het grootste deel van de menselijke geschiedenis twijfelde niemand eraan dat dit de zaak van de goden was. Elke andere verklaring was ondenkbaar.
Niet meer. In de afgelopen eeuw hebben veel wetenschappers geprobeerd uit te zoeken waar het eerste leven zou kunnen beginnen. Ze probeerden zelfs het moment van creatie in hun laboratoria na te bootsen: creëer een compleet nieuw leven vanaf nul. Tot nu toe is het niemand gelukt, maar we hebben een lange weg afgelegd. Tegenwoordig zijn veel wetenschappers die de oorsprong van het leven bestuderen ervan overtuigd dat ze op de goede weg zijn - en ze hebben experimenten die hun vertrouwen hierin ondersteunen.
Dit is het verhaal van onze inspanningen om onze ware oorsprong te achterhalen. Het is een verhaal van obsessie, strijd en briljante creativiteit dat heeft geleid tot enkele van de grootste ontdekkingen in de moderne wetenschap. Het verlangen om de oorsprong van het leven te begrijpen, stuurde mannen en vrouwen naar de meest afgelegen uithoeken van onze planeet. Sommige geleerden werden beschouwd als duivels in het vlees, terwijl anderen bleven werken onder de duim van meedogenloze totalitaire regeringen.
Dit is het verhaal van de geboorte van leven op aarde.
In feite leefden dinosauriërs nog niet zo lang geleden.
Het leven is oud. Dinosaurussen - de beroemdste uitgestorven wezens - verschenen 250 miljoen jaar geleden. Maar het leven begon veel, veel eerder.
Het oudst bekende fossielenbestand is ongeveer 3,5 miljard jaar oud, 14 keer zo lang als de oudste dinosauriërs. Maar het fossielenbestand kan ons nog verder brengen. Alleen al in augustus 2016 ontdekten wetenschappers bijvoorbeeld versteende microben die 3,7 miljard jaar oud zijn.
Promotie video:
Deze golvende patronen kunnen 3,7 miljard jaar oud zijn
De aarde zelf is niet veel ouder, ze is 4,5 miljard jaar oud.
Als we aannemen dat het leven op aarde is ontstaan - wat redelijk lijkt, gezien het feit dat we het nog nergens anders hebben gevonden - dan moet dit zijn gebeurd in de miljard jaar die zijn verstreken tussen de vorming van de aarde en het verschijnen van de oudst bekende fossielen.
Door het aantal keren dat het leven is ontstaan te beperken, kunnen we weloverwogen gissingen maken over hoe het is gebeurd.
De levensboom: de meeste bacteriën en archaea
Sinds de 19e eeuw weten biologen dat alle levende wezens bestaan uit "cellen": kleine zakjes levende materie die in alle soorten en maten voorkomen. Cellen werden voor het eerst ontdekt in de 17e eeuw, dankzij de uitvinding van de eerste microscopen, maar het duurde meer dan honderd jaar om te beseffen dat ze de basis waren van al het leven.
Je ziet er zeker niet uit als een meerval of tyrannosaurus, maar een microscoop laat zien dat je uit nagenoeg dezelfde cellen bestaat. Zoals planten en paddenstoelen. Maar tot nu toe bestaat de meest talrijke vorm van leven uit micro-organismen, bestaande uit één cel. Bacteriën zijn de meest bekende groep en zijn overal op aarde te vinden.
In april 2016 presenteerden wetenschappers een bijgewerkte versie van de "boom des levens": in zekere zin de stamboom van elke levende soort. Bijna alle takken zijn bacteriën. Bovendien suggereert de vorm van deze takken dat bacteriën de gemeenschappelijke voorouder van al het leven waren. Met andere woorden, elk levend wezen - ook jij - kwam van bacteriën.
Het blijkt dat we het probleem van de oorsprong van het leven nauwkeuriger kunnen definiëren. Met alleen materialen en omstandigheden die 3,5 miljard jaar geleden op aarde waren, moeten we een cel maken.
Hoe moeilijk zal het zijn?
Hele levende cel
Eerste experimenten
Gedurende het grootste deel van de geschiedenis vond niemand het nodig om te vragen hoe het leven tot stand kwam, aangezien het antwoord voor de hand lag. Tot de jaren 1800 geloofden de meeste mensen in 'vitalisme'. Dit is een intuïtief idee dat levende wezens zijn begiftigd met een speciale, magische eigenschap die ze onderscheidt van levenloze objecten.
Vitalisme wordt vaak in verband gebracht met religieuze overtuigingen. De Bijbel zegt dat God de "levensadem" gebruikte om de eerste mensen nieuw leven in te blazen, en de onsterfelijke ziel is een vorm van vitalisme.
Er is maar één probleem. Vitalisme is complete onzin.
Aan het begin van de 19e eeuw hadden wetenschappers verschillende stoffen ontdekt die uniek leken voor het leven. Een van die verbindingen was ureum, dat in de urine werd aangetroffen en in 1799 werd uitgescheiden. Alleen dit past nog in het concept van vitalisme. Alleen levende wezens waren in staat om deze chemicaliën te produceren, dus waren ze blijkbaar geladen met levensenergie en dat maakte ze speciaal.
Maar in 1828 vond de Duitse chemicus Friedrich Wöhler een manier om ureum te maken van een gewone chemische stof, ammoniumcyanaat, dat geen duidelijk verband had met levende wezens. Anderen volgden dit voorbeeld en het werd al snel duidelijk dat de chemicaliën van het leven gemaakt konden worden van eenvoudigere chemicaliën die niets met leven te maken hadden.
Friedrich Wöhler, Duitse chemicus
Dit was het einde van het vitalisme als wetenschappelijk concept. Maar mensen vonden het moeilijk om afstand te doen van dit idee. Voor veel mensen leek het erop dat zeggen dat er niets 'speciaals' was aan de chemicaliën van het leven, hetzelfde was als het wegnemen van de magie uit het leven, het mechanisch of zielloos maken. En het was natuurlijk in strijd met de Bijbel.
Zelfs geleerden hebben geprobeerd het vitalisme te redden. Al in 1913 promootte de Engelse biochemicus Benjamin Moore vurig de theorie van "biotische energie", die hetzelfde vitalisme was, maar met een andere naam. Dit idee had een sterke emotionele ondertoon.
Maar zelfs vandaag de dag duikt dit idee hier en daar soms op. Er zijn bijvoorbeeld veel sciencefictionverhalen waarin de "energie van het leven" kan worden vergroot of weggezogen. Denk aan de "regeneratie-energie" die door de Time Lords wordt gebruikt in Doctor Who. Het lijkt ongebruikelijk, maar dit is een heel, heel oud idee.
Na 1828 hadden wetenschappers echter goede redenen om een 'goddeloze' verklaring te zoeken voor de eerste verschijning van leven. Maar dat deden ze niet. Het lijkt erop dat dit onderwerp moet worden onderzocht, maar in feite wordt het mysterie van de oorsprong van het leven al decennia lang genegeerd. Misschien waren ze nog te veel gehecht aan vitalisme om de volgende stap te zetten.
Charles Darwin toonde aan dat al het leven afstamt van één gemeenschappelijke voorouder
In plaats daarvan was de enorme sprong voorwaarts in de biologie in de 19e eeuw de evolutietheorie ontwikkeld door Charles Darwin en anderen.
Darwins theorie, uiteengezet in The Origin of Species in 1859, legde uit hoe al deze diversiteit van het leven voortkwam uit een enkele gemeenschappelijke voorouder. Elke individuele soort is niet langer door God geschapen, maar stamt af van een oud organisme dat miljoenen jaren geleden leefde: de laatste universele gemeenschappelijke voorouder.
Dit idee bleek buitengewoon controversieel te zijn, opnieuw omdat het niet in de Bijbel paste. Darwin en zijn ideeën werden aangevallen door gedeeltelijk verontwaardigde christenen.
De evolutietheorie zei niets over hoe het allereerste organisme verscheen.
Darwin geloofde dat het leven verscheen in een 'warme kleine vijver'
Darwin wist dat dit een diepgaande vraag was, maar - misschien uit angst voor nieuwe aanvallen van de kerk - durfde hij het pas in 1871 te bespreken. De vrolijke toon van de brief laat zien dat hij de diepe betekenis van deze vraag kende:
"Maar als (en oh, wat een grote" als ") zouden we ons een kleine warme vijver kunnen voorstellen met allerlei soorten ammoniak en fosforzout - met licht, warmte, elektriciteit - waarin een eiwitverbinding chemisch zou worden gevormd, klaar om nog meer door te gaan complexe veranderingen …"
Met andere woorden, wat als er eens een kleine hoeveelheid water was gevuld met eenvoudige organische verbindingen en badend in zonlicht? Sommige van deze verbindingen kunnen worden gecombineerd om een semi-levende substantie te vormen, zoals een eiwit, dat kan beginnen te evolueren en complexer kan worden.
Dit idee was oppervlakkig. Maar ze vormde de basis voor de eerste hypothese van het ontstaan van leven.
Vreemd genoeg verscheen deze hypothese in de USSR.
Alexander Oparin woonde en werkte in de USSR
In de tijd van Stalin stond alles onder controle van de staat. Zelfs de ideeën van mensen, biologen, die niets te maken hebben met de communistische politiek. Opmerkelijk genoeg verbood Stalin wetenschappers eigenlijk om conventionele genetica te bestuderen. In plaats daarvan promootte hij de ideeën van de boer Trofim Lysenko, die naar zijn mening meer in overeenstemming waren met de communistische ideologie. Wetenschappers die in de genetica werkten, werden gedwongen om Lysenko's ideeën publiekelijk te steunen om niet in de kampen terecht te komen.
Het was in zo'n repressieve omgeving dat Alexander Oparin zijn onderzoek deed op het gebied van biochemie. Hij kon werken omdat hij een toegewijd communist was: hij steunde de ideeën van Lysenko en ontving zelfs de Orde van Lenin, de hoogste onderscheiding uit het Sovjettijdperk.
In 1924 publiceerde Oparin zijn werk The Origin of Life. Daarin schetste hij zijn visie op de oorsprong van het leven, die opvallend veel leek op Darwins kleine warme vijver.
De oceanen zijn gevormd nadat de aarde was afgekoeld
Oparin probeerde zich voor te stellen hoe de aarde er na de vorming uitzag. Het oppervlak was gloeiend heet toen stenen uit de ruimte vielen. Een mengelmoes van semi-geëxpandeerde rotsen met een enorm scala aan chemicaliën, waaronder die op basis van koolstof.
Uiteindelijk koelde de aarde voldoende af om de waterdamp te laten condenseren tot vloeibaar water en begon de eerste regen te vallen. Het vulde de oceanen van de aarde, die heet waren en rijk aan koolstofhoudende chemicaliën. Wat je nodig hebt voor het leven.
Aanvankelijk werkten verschillende chemicaliën met elkaar in wisselwerking om veel nieuwe verbindingen te vormen, waarvan sommige complex waren. Oparin suggereerde dat de moleculen die essentieel zijn voor leven, suikers en aminozuren, gevormd zouden kunnen zijn in de wateren van de aarde.
Toen begonnen sommige chemicaliën microscopisch kleine structuren te vormen. Veel organische stoffen lossen niet op in water: zo vormen oliën een laagje bovenop water. Maar wanneer sommige van deze stoffen in contact komen met water, vormen ze bolvormige "coacervate" ballen, die wel 0,01 centimeter breed kunnen zijn.
Als je coacervaten door een microscoop bekijkt, gedragen ze zich erg mobiel, net als levende cellen. Ze groeien en veranderen van vorm, soms verdeeld in twee delen. Ze kunnen ook chemicaliën uit het omringende water oppikken, zodat ze kunnen eindigen met levensechte chemicaliën. Oparin suggereerde dat coacervaten de voorouders waren van moderne cellen.
Vijf jaar later, in 1929, stelde de Engelse bioloog John Burdon Sanderson Haldane onafhankelijk zeer vergelijkbare ideeën voor in een kort artikel gepubliceerd in het Rationalist Annual.
Tegen die tijd had Haldane al veel bijgedragen aan de evolutietheorie, door Darwins ideeën te integreren in de zich ontwikkelende wetenschap van de genetica.
Engelse geneticus J. Haldane
Net als Oparin beschreef Haldane hoe organisch materiaal zich in het water kon ophopen "totdat de oceanen de consistentie van hete, verdunde soep bereikten". Dit zou de weg vrijmaken voor de "eerste levende of semi-levende wezens" die zich vormden en in een dunne oliefilm terechtkwamen.
Het is veelbetekenend dat van alle biologen in de wereld alleen Oparin en Haldane hiertoe kwamen. Het idee dat levende organismen kunnen worden gevormd door eenvoudige chemische reacties, zonder God of zelfs maar "levenskracht", was radicaal. Net als Darwins evolutietheorie ervoor, was het ook een klap in het gezicht van het christendom.
Maar het paste perfect in het kader van de USSR. Het Sovjetregime was officieel atheïstisch en zijn leiders steunden graag elke materialistische verklaring voor diepgaande verschijnselen zoals het leven. Haldane was ook een atheïst en ook een communist.
"In die tijd hing de aanvaarding of afwijzing van een idee vooral af van het individu: of hij religieus was, of hij linkse of communistische ideeën steunde", zegt expert Armen Mulkidzhanian van de Universiteit van Osnabrück in Duitsland. “In de Sovjet-Unie werden ze met vreugde ontvangen, omdat ze God niet nodig hadden. In de westerse wereld, als je kijkt naar de mensen die in deze richting dachten, waren het allemaal linksen, communisten enzovoort. '
Het idee dat leven werd gevormd in een oerbouillon van organisch materiaal, werd de hypothese van Oparin-Haldane. Ze was netjes en overtuigend, maar er was één probleem. Ze werd niet ondersteund door enig experimenteel bewijs. En zo ging het bijna een kwart eeuw door.
Harold Urey
Tegen de tijd dat Harold Urey geïnteresseerd raakte in de oorsprong van het leven, had hij de Nobelprijs voor scheikunde in 1934 al gewonnen en hielp hij bij het bouwen van de atoombom. Tijdens de Tweede Wereldoorlog werkte Yuri aan het Manhattan-project en verzamelde hij het onstabiele uranium-235 dat nodig was voor de kern van de bom. Na de oorlog vocht hij om de nucleaire technologie onder civiele controle te houden.
Hij raakte ook geïnteresseerd in de chemie van de ruimte, in het bijzonder wat er gebeurde tijdens de vorming van het zonnestelsel. Hij hield op een dag een lezing en merkte op dat er waarschijnlijk geen zuurstof in de atmosfeer van de aarde was toen deze zich voor het eerst vormde. Dit was de perfecte aanvulling op de primaire bouillon van Oparin en Haldane: kwetsbare chemicaliën konden worden vernietigd door contact met zuurstof.
Een promovendus genaamd Stanley Miller zat in het publiek en benaderde Yuuri met de vraag: kan dit idee worden getest? Yuuri was sceptisch, maar Miller drong alleen aan. Dus in 1952 begon Miller met het beroemdste experiment over de oorsprong van het leven.
Miller-Urey-experiment
De instellingen waren eenvoudig. Miller verbond een reeks glazen kolven en vuurde vier chemicaliën af die mogelijk op de vroege aarde aanwezig waren: kokend water, waterstofgas, ammoniak en methaan. Vervolgens onderwierp hij de gassen aan herhaalde elektrische schokken om de blikseminslagen te simuleren die in die dagen op aarde gebruikelijk waren.
Miller ontdekte dat "het water in de injectieflacons na de eerste dag aanzienlijk rozer werd, en tegen het einde van de week was de oplossing rood en troebel". Blijkbaar is er een mengsel van chemicaliën ontstaan.
Na analyse van het mengsel ontdekte Miller dat het twee aminozuren bevat: glycine en alanine. Aminozuren worden vaak de bouwstenen van het leven genoemd. Ze worden gebruikt om eiwitten te vormen die de meeste biochemische processen in ons lichaam regelen. Miller heeft vanaf de basis twee essentiële componenten van het leven opgebouwd.
De resultaten werden in 1953 gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Science. Yuri deed iets heel ongewoons voor senior wetenschappers door zijn naam van zijn baan te schrappen en Miller alle eer te geven. Desondanks wordt de studie vaak het Miller-Urey-experiment genoemd.
Stanley Miller in het laboratorium
"De kracht van Miller-Urey is dat je veel biologische moleculen alleen uit de atmosfeer kunt maken", zegt John Sutherland van het Molecular Biology Laboratory in Cambridge, VK.
De details bleken niet te kloppen, aangezien latere studies aantoonden dat de atmosfeer van de vroege aarde een ander mengsel van gassen was. Maar dat verandert niets aan het feit. Het experiment was een succes, prikkelde de verbeelding van het publiek en explodeerde in citaten.
Na het experiment van Miller gingen andere wetenschappers op zoek naar manieren om vanuit het niets eenvoudige biologische moleculen te maken. De oplossing voor het mysterie van de oorsprong van het leven leek op het punt te verschijnen.
Maar toen bleek dat het leven moeilijker was dan iemand dacht. Levende cellen waren niet alleen zakken met chemicaliën: het waren minuscule kleine machines. Plots bleek het bouwen van een cel vanaf het begin veel moeilijker dan wetenschappers dachten.
ILYA KHEL
- Deel twee: een splitsing in de gelederen van wetenschappers -
- Deel drie: op zoek naar de eerste replicator -
- Deel vier: de energie van protonen -
- Deel vijf: dus hoe creëer je een cel? -
- Deel zes: The Great Unification -
