De oersoep

Darwin beweerde al dat het leven in een ‘kleine warme vijver’ ontstaan was. Dus vulden de onderzoekers kolven met vuil water en lieten er licht op schijnen. Dat licht vervulde de functie van het eerste zonlicht. Ze verwarmden het mengsel in de kolven en wachtten af tot er stoffen gevormd zouden worden. Dat lukte natuurlijk op deze manier niet erg. De gedachte achter de ‘oersoeptheorie’ is dat oerzee door verdamping indikte en er een soort ‘soep’ ontstond waar stoffen gemakkelijk met elkaar reageerden. In 1952 stelden Miller en Uray een mengsel van methaan, waterstofgas en ammoniak en water bloot aan elektrische ontladingen. Deze elektrische ontladingen moesten het ‘oerweer’ voorstellen, want in de eerste tijd na het ontstaan van de aarde was er veel donder en bliksem. In het mengsel zaten na verloop van tijd verscheidene aminozuren. Een mogelijk bewijs van de ‘oersoeptheorie’. Maar het gasmengsel dat Miller en co gebruikten was waarschijnlijk niet te vergelijken met de oeratmosfeer. De oeratmosfeer bevatte geen zuurstof en dus ook geen ozon (ozon is ook een zuurstofverbinding). Daardoor kon de ‘oeratmosfeer’ niet zoals de atmosfeer nu UV-licht van de zon tegen houden. Door UV-licht valt ammoniak onmiddellijk uit elkaar; er was in de oeratmosfeer hoogstwaarschijnlijk heel weinig ammoniak. Het is niet zeker of er waterstofgas in de oeratmosfeer was, want de huidige atmosfeer bevat dit gas niet of niet meer. De zwaartekracht kan dit lichte gas niet vasthouden. Was het er dan wel vier miljard jaar geleden toen de aarde ontstond? Toch waren er in de proef van Miller organische stoffen, aminozuren, uit anorganische stoffen ontstaan. In de volgende jaren werden drie van de vijf bouwstenen van het DNA en RNA, in zulke ‘oersoepachtige’ mengsels gebrouwen. Miller is nog steeds actief op dit gebied en heeft een paar jaar geleden de twee andere bouwstenen geproduceerd. Voor fabricage van de laatste bouwsteen, uracil, was ureum nodig. Deze stof, ook organisch, was wel aanwezig in de oersoep maar in veel te kleine concentraties. Om uracil te krijgen moest Miller ureum aan zijn mengsel toevoegen. Om een toenemende concentratie van ureum in de oersoep te verklaren werd de ‘lagunehypothese’ opgesteld. In lagunes verdampt veel water waardoor de concentratie van stoffen toeneemt.

De RNA-wereld

DNA bestaat uit ketens die opgebouwd zijn uit vier soorten nucleotiden, elke soort nucleotide bezit een andere stikstofhoudende base: Adenine, Cytosine, Guanine of Thymine (zie figuur 1). Deze vier verschillende nucleotiden worden ook wel kortweg A, C, G en T genoemd. De combinaties van deze vier nucleotiden vormen de genetische code. DNA is de enige stof die zichzelf kan kopieren. Een nucleotide met een A trekt een nucleotide met een T aan en omgekeerd; een nucleotide met een C trekt een nucleotide met een G aan en omgekeerd. Zo kan een enkele keten DNA door het aantrekken van ‘complementaire nucleotides een nieuwe streng DNA vormen. DNA wordt op dezelfde manier gebruikt om RNA te vormen. Bij dit proces worden de nucleotides ook aan elkaar gekoppeld in een volgorde die bepaald wordt door de volgorde in het DNA. Tegenover de C komt in het RNA een G en omgekeerd, tegenover een T in het DNA komt in RNA een A, maar tegenover een A in het DNA komt een U. Daarin verschilt het DNA onder andere van het RNA. Daarom was de vorming van uracil in de oersoep van Miller zo’n belangrijke vondst. De RNA-ketens worden in de eiwitfabriekjes van de cel, de ribosomen, ‘afgelezen’ en ‘vertaald’ in een volgorde waarin de aminozuren aan elkaar gekoppeld worden tot een eiwit. Bij elke combinatie van drie nucleotiden in het RNA hoort een bepaald aminozuur. De levende wezens zijn vooral afhankelijk van deze drie typen stoffen: DNA, RNA en eiwitten. Deze drie soorten stoffen zijn natuurlijk niet alle drie tegelijk ontstaan. De voorloper van deze drie stoffen moet zowel DNA-achtige als eiwitachtige eigenschappen hebben gehad. Waarschijnlijk komt de stof RNA daarvoor in aanmerking. Misschien kon ‘oer-RNA’ zowel ander RNA splitsen of aan elkaar plakken, dus als enzym werken. Zulk RNA moet dan wel minstens vijftig nucleotiden lang zijn. En lange ketens van RNA zijn erg instabiel en werken dus maar erg kort. Behalve als het RNA aangetrokken wordt door een bepaalde kleisoort, het montmorrilioniet. Dan blijven zelfs ketens van meer dan vijftig nucleotiden bestaan. Het aan elkaar koppelen van nucleotiden kost energie. Deze energie is in de levende cel afkomstig van weer een ingewikkeld molecule, het ATP. In de oersoep is ATP niet aanwezig. Waar komt de energie voor het maken van RNA-ketens dan vandaan? Een oplossing is: een ijzerrijke oersoep met een zwavelhoudende kleibodem. Bij deze omstandigheden slaat pyriet, FeS₂, neer. De kristallen van pyriet zijn polair en trekken RNA aan. RNA trekt op zijn beurt weer ijzerionen aan. De ijzerionen reageren met zwavel en dit proces levert energie op. Met deze energie kan de RNA-keten groeien.

Vulkanen in de diepzee

Het is totaal onbekend of voor het ontstaan van levende wezens een aangename temperatuur, zacht licht en lucht nodig waren. Het eerste leven is misschien wel ontstaan onder voor onze begrippen zeer ongunstige omstandigheden. Daarom gaan de gedachten steeds meer naar plekken waar extreme omstandigheden heersen: de diepzee, vulkanen, rotsen en de kosmische ruimte. De laatste tijd zijn daar allerlei bouwstenen van het leven ontdekt. De aarde is ongeveer vier en eenhalf miljard jaar oud en de oudste fossielen zijn naar schatting drie en een half miljard jaar oud. Er zijn zelfs onderzoekers die beweren nog oudere fossielen te hebben gezien. Dan is er al zo’n vier miljard jaar leven op aarde. En in die tijd was de aarde nog pas een half miljard jaar en het zonnestelsel ‘levensgevaarlijk’; een wolk van gas en stof. Hierin moest een handjevol planeten een spervuur van meteorieten doorstaan. Er waren vloedgolven en puinregens in plaats van droogvallende lagunes. Alleen in de diepzee was er rust en regelmaat. Al twintig jaar geleden is het idee geopperd dat superhete geisers in de diepzee de bronnen van het leven zijn. Deze geisers spugen grote hoeveelheden koolstof, zuurstof, zwavel en waterstof uit. Op deze plekken hebben meteorieten geen invloed. Het is er wel heel heet, rond de honderd graden. Dat lijkt te heet voor het ontstaan van leven, maar rond deze hete geisers krioelt het van organismen. De levende wezens op die plaats zijn aangepast aan deze extreme temperaturen. De eerste levensvormen voelden zich misschien daar ook wel thuis, want ze waren hittebestendig, hyperthermofiel. In 1998 is bovendien ook nog aangetoond, dat een met zwavel doortrokken kleilaag rond een hete bron als katalysator werkt. Deze katalysator versnelt de omzetting van stikstof in ammoniak. En ammoniak is het ingrediënt in de oersoep van Miller, dat waarschijnlijk niet uit de atmosfeer kwam. Door deze onderzoeksresultaten zijn diepzeeën een stuk interessanter dan ‘ondiepe lagunes’. Misschien zijn de lagunes wel verrijkt met ammoniak uit de diepzee en speelden zowel hete bronnen als lagunes een rol bij het ontstaan van leven.

De kosmos

In de eerste honderden miljoenen jaren zijn water en eenvoudige koolstofverbindingen uit de kosmos neergedaald op aarde. In 1969 kwam in Australië een stuk komeet neer. De meteoriet bevatte geen leven, maar wel aminozuren. De vondst kwam goed overeen met de uitkomsten van proeven in Californië. Hierbij maakt de onderzoeker onder kosmische omstandigheden ingewikkelde organische moleculen. Hij maakt in stalen dozen ‘interstellaire’ stofwolken: uiterst ijle mengsels van methaan, ammoniak, koolstofmono-oxide en water. Deze mengsels bestraalt hij met UV-licht en koelt ze af tot twee honderdvijftig graden onder nul. Metalen plaatjes in de koelkastjes maken net als de kleideeltjes rond hete bronnen reacties mogelijk. Bij de combinatie van UV-licht en ijzige koude ontstaan koolstofketens, aminozuren en polycyclische aromaten. Deze stoffen zijn ingrediënten voor een interessante oersoep. Bovendien ontstonden in een vervolgonderzoek dubbelgelaagde bolletjes, net zo groot als cellen. En die bolletjes lijken de ontbrekende schakel bij het ontstaan van leven! Al die organische bouwsteentjes functioneren natuurlijk pas optimaal als ze met elkaar kunnen reageren in een ‘oercel’, zoiets als deze bolletjes. Dezelfde bolletjes waren ontdekt na een meteoriet-inslag. De bolletjes overleven de meteoriet-inslag en zijn niet van aardse oorsprong.

Combinatie van theorieën

Darwins warme vijvertje, maar ook de hete diepzeebronnen en de interstellaire stofwolken verklaren het ontstaan van leven. Misschien is een combinatie van deze drie wel bepalend geweest voor het ontstaan van leven: de levenloze bolletjes, waarin de biochemische processen net iets gemakkelijker verliepen dan in open water. Het eerste leven maakte misschien wel dankbaar gebruik van wat er uit de kosmos neerkwam op aarde of opwelde uit de diepzee. De definitie van een organische stof is: gemaakt door organismen. Volgens deze combinatie van theorieën zijn de eerste complexe organische moleculen niet door organismen gemaakt maar gebruikt.

Dit artikel is eerder verschenen in nummer 2 uit de jaargang 1999 van het blad Archimedes.