Je leest:

De oorsprong van het leven

De oorsprong van het leven

Auteur: | 1 januari 2002

Waar komen al de verschillende soorten op aarde vandaan? We weten allemaal dat nieuwe soorten kunnen ontstaan uit andere, zoals de moderne mens is ontstaan uit bepaalde mensapen. Het kan niet zo zijn dat er altijd al levende wezens op aarde geweest zijn; het leven zelf moet namelijk ook een keer ‘geboren’ zijn. In dit stuk worden twee dingen besproken die een belangrijke stap betekenden voor de ontwikkeling van het leven: de oorsprong van zelf-replicatie en het ontstaan van celmembranen.

Waar komen al de verschillende soorten op aarde vandaan? We weten allemaal dat nieuwe soorten kunnen ontstaan uit andere, zoals de moderne mens is ontstaan uit bepaalde mensapen. Het kan niet zo zijn dat er altijd al levende wezens op aarde geweest zijn; het leven zelf moet namelijk ook een keer ‘geboren’ zijn. De cellen van organismen zijn zó complex dat het moeilijk is voor te stellen dat zij ontstaan zijn uit dode materie. Helaas is het niet mogelijk om terug in de tijd te kijken om te ontdekken hoe en wanneer dit is gebeurd. Het is echter wel mogelijk om aan te geven op welke manier het had kunnen gebeuren en hoe groot de kansen van deze mogelijkheden waren. In dit stuk worden twee dingen besproken die een belangrijke stap betekenden voor de ontwikkeling van het leven: de oorsprong van zelf-replicatie en het ontstaan van celmembranen.

Eerste experimenten

De aarde was een relatief gunstige plek voor het leven om te ontstaan. In tegenstelling tot andere planeten of de maan bevatte de aarde redelijke hoeveelheden waterstof, zuurstof, koolstof, fosfor, stikstof, zwavel en calcium. Deze elementen zijn nodig om complexere organische moleculen te vormen die de basis zijn voor het leven. Bovendien waren er grote zeeën waarin deze elementen door elkaar heen zweefden, zodat chemische reacties plaats konden vinden waarbij (bijvoorbeeld) waterstof en koolstof aan elkaar konden worden gebonden. Bovendien was de temperatuur op aarde niet extreem laag of zodanig hoog dat deze reacties niet konden gebeuren of dat grotere moleculen direct weer uit elkaar zouden vallen.

Eén van de eersten die zich serieus ging bezighouden met de vraag hoe complexere moleculen konden ontstaan uit een mengseltje van verschillende elementen was Stanley Miller. Hij deed in 1953 proeven met een opstelling waarin hij de omgeving van de primitieve aarde nabootste. Hij begon met een samenstelling van de gassen methaan, ammoniak en waterstof die circuleerden in een glazen buizenstelsel dat voor een gedeelte gevuld was met water. Het stromende gassenmengsel werd blootgesteld aan elektrische ontladingen die de energie leverden voor eventuele chemische reacties. Nadat de opstelling een week had gestaan, werd de samenstelling van het water geanalyseerd en het bleek dat er zich allerlei moleculen hadden gevormd die een week daarvoor nog niet aanwezig waren. Zo hadden zich bepaalde suikers, aminozuren en ureum gevormd: moleculen die noodzakelijk zijn voor het functioneren van organismen. Hoewel deze ontstane verbindingen nog steeds erg simpel zijn, werd het na Millers experimenten duidelijk dat essentiële verbindingen vanzelf waren ontstaan op onze primitieve aarde: een omgeving die ook wel de ‘oersoep’ wordt genoemd.

DNA en RNA: waar het allemaal mee begon

De kern van organismen is hun DNA. Het DNA bevat de nodige informatie over een individu en is in staat om de vorming van broodnodige moleculen voor de cel in gang te zetten (en te stoppen). Vanwege de centrale rol van het DNA wordt er gedacht dat het leven in eerste instantie bestond uit een eenvoudig molecuul dat lijkt op DNA en dat de mogelijkheid heeft om een kopie van zichzelf te maken. DNA en aanverwante moleculen (zoals RNA) bestaan uit een lange draad van afwisselend een suiker (S) en een fosfaatgroep (p): pSpSpS etc. Aan elke suiker zit een zogenaamde Base en de opeenvolgende combinatie van deze basen vormt de genetische code van een organisme (zie figuur 1). Zoals uit de vorige alinea is gebleken, zijn deze afzonderlijke drie componenten min of meer spontaan gevormd uit de op aarde aanwezige elementen.

figuur 1: schematische weergave van een DNA-molecuul (links) en de driedimensionale structuur hiervan.

Een groot probleem nu (in ieder geval voor wetenschappers) vormt de vorming van DNA moleculen die zichzelf zouden kunnen kopiëren. Het DNA van de nu-levende organismen vermenigvuldigt zichzelf met behulp van bepaalde enzymen: deze speciale eiwitten worden daarvoor door het DNA zelf aangemaakt. Eiwitten bestaan uit een keten van aaneengeregen aminozuren, welke ook opdoken in Millers experiment. Het blijkt nu dat er RNA moleculen zijn die de eigenschappen hebben van enzymen: zij worden dan ook ribozymen genoemd (RNA is een type biomolecuul dat lijkt op DNA, maar dat enkel een iets andere suiker als component heeft). Van alle mogelijke RNA-moleculen zijn er echter maar een paar die kunnen werken als enzym en daarvan zijn er slechts enkelen die zó als enzym werken dat ze zichzelf zouden kunnen namaken. Ribozymen lijken misschien een goede kandidaat voor het ontstaan van levende organismen (in ieder geval van moleculen die zichzelf kunnen reproduceren), maar de kans dat ze zijn ontstaan is wel erg klein omdat van alle mogelijke RNA-moleculen slechts een heel klein aantal als ribozym functioneren.

Een aannemelijk alternatief voor dit probleem is dat er wellicht een RNA-molecuul ontstond dat een bepaald eiwit (enzym) aanmaakte dat op zijn beurt de reproductie van dat RNA-molecuul bevorderde. Zodoende bestond het eerste zichzelf-namakende molecuul uit twee delen: een RNA-molecuul en een eiwit. De eerste van de twee maakt de tweede en de tweede zorgt ervoor dat de eerste zichzelf kan kopiëren. Wat misschien nog waarschijnlijker is, is dat er een hele verzameling van verschillende RNA’s en eiwitten ontstonden die in een groot netwerk de formatie van elkaar aanstuurden (zie figuur 2). RNA-molecuul 1 maakt dan eiwit 1 dat vervolgens RNA-molecuul 2 hielp zich te vermenigvuldigen. RNA 2 maakt eiwit 2, dat RNA nummer 3 helpt met zijn reproductie, enzovoorts. Uiteindelijk is er dan een eiwit dat RNA 1 helpt met zijn replicatie en de cirkel is rond: er is dan een grote cirkel van biomoleculen die samen in staat zijn zich samen te vermenigvuldigen. Strikt genomen hoeft dit niet per se een cirkel te zijn, maar kan het best zijn dat sommige eiwitten meerdere (of geen enkele) RNA helpen, of dat een RNA-molecuul twee verschillende eiwitten maakt. In dit geval zou het dus een ingewikkeld netwerk zijn in plaats van een mooie cirkel.

figuur 2: een netwerk van elkaar aansturende eiwitten en RNA-moleculen

Membranen

Het is nu goed voor te stellen dat er op aarde iets is ontstaan dat in staat was zichzelf na te maken (alleen of in een netwerk). Cellen van huidige organismen zijn echter veel ingewikkelder dan één enkel RNA-molecuul (met een begeleidend eiwit). Essentieel voor een cel is bijvoorbeeld zijn omhulsel: het celmembraan. Het celmembraan bepaalt wat het interne en wat het externe milieu van een cel is. Het bepaalt dus in zekere zin wat tot de cel behoort en wat niet. Doordat membranen de cel van de buitenwereld scheiden, bepalen zij in grote mate hoe cellen functioneren door bepaalde stoffen toe te laten tot de cel of juist door sommige stoffen uit de cel te laten ontsnappen.

Een membraan bestaat uit een dubbele laag van fosfolipiden. Deze moleculen bestaan uit twee gedeelten: een hydrofiel (waterminnend) en een hydrofoob (waterafstotend) deel. Zoals de naam al zegt, heeft het hydrofobe gedeelte de neiging om water af te stoten, terwijl het hydrofiele gedeelte dit niet heeft. Wat nu gebeurt als je twee van zulke fosfolipiden in water hebt, is dat ze zo gaan liggen dat ze met het hydrofobe gedeelte tegen elkaar aan gaan zitten. Er zit dan tussen de beide gedeeltes van de fosfolipiden geen water. Als er meerdere fosfolipiden in het water elkaar tegenkomen, zullen ze zich zo gaan groeperen dat er een bol ontstaat. Alle fosfolipiden zijn dan met het hydrofobe gedeelte naar elkaar toe gericht: zo’n bolvormige structuur heet een micel (zie figuur 3).

figuur 3: één fosfolipide (links) en een micel met maar één laag lipiden (midden) en een micel met twee lagen lipiden (rechts).

In een cel bestaat het membraan echter niet uit micellen maar uit een grote, min-of-meer bolvormige laag van een dubbele rij fosfolipiden. Uit experimenten is gebleken dat er in water ook micellen met een dubbele laag gevormd kunnen worden. Wil een laag lipiden (enkel of dubbel) echt gebruikt kunnen worden als celmembraan, moet hij echter wel groot genoeg zijn om allerlei onderdelen van een cel te kunnen huisvesten. Omdat zulke grotere vormen niet spontaan kunnen ontstaan, is de vraag of er op de primitieve aarde misschien een plek bestond waar toch grotere membranen gevormd konden worden.

Het blijkt echter dat onder sommige omstandigheden zich inderdaad grotere bollen kunnen vormen: namelijk als micellen gevormd worden aan het oppervlak van een kleilaag. In klei zitten deeltjes die een klein beetje een ongelijke verdeling van elektrische lading hebben. Hierdoor hebben lipiden de neiging om zich aan het klei-oppervlak te hechten. Je moet je voorstellen dat een laag van lipiden de neiging zou kunnen hebben om een beetje op te bollen zodat er een halve bol van fosfolipiden op het klei-oppervlak ontstaat: een zogenaamde semicel (zie figuur 4). In deze halve bol zit natuurlijk veel meer ruimte dan in een micel van een dubbele laag lipiden.

figuur 4: drie stadia van het ontstaan van een semicel op een kleilaag.

Er zit echter nog een voordeel aan zo’n semicel. Naast lipiden hechten zich ook wel andere stoffen aan kleilagen: verbindingen die in de oersoep aanwezig waren en die kunnen dienen als voedingsstoffen die de semicel kunnen helpen bij zijn groei. Het ligt namelijk niet in de aard van celmembranen om allerlei verbindingen te laten passeren, zelfs als deze nodig zijn voor het goed functioneren van een cel. In nu-levende cellen zijn er voor het transport van (voedings)stoffen door een membraan gespecialiseerde eiwitten aanwezig, die niet meteen al in de eerste cellen bestaan kunnen hebben.

Conclusie

Hoewel nog lang niet alles omtrent de oorsprong van het leven duidelijk is, vallen sommige stukjes van de puzzel langzaamaan in elkaar. Aan de besproken kwesties zitten echter nog een hele hoop onduidelijkheden: je kunt je bijvoorbeeld afvragen of het wel zo waarschijnlijk is dat een stuk DNA ook echt binnen in een semicel is terechtgekomen. Daarnaast is er nog veel te doen over de aard van de genetische code (die in elk organisme hetzelfde is), het ontstaan van chromosomen en het ontstaan van cellen die verschillende componenten bevatten: genoeg te doen dus voor de komende generatie evolutiebiologen!

Dit artikel is een publicatie van Nederlands Instituut voor Biologie (NIBI).
© Nederlands Instituut voor Biologie (NIBI), sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 januari 2002

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.