Je leest:

Zoektocht naar bouwstenen van leven

Zoektocht naar bouwstenen van leven

Auteurs: en | 6 april 2009

Het ontstaan van leven is moeilijk te begrijpen. De scheikundigen Miller en Urey maakten in 1953 een oersoep, waarin zij na een week aminozuren (bouwstenen van leven) vonden. Nu weten we dat de luchtlaag rond de jonge aarde op een aantal punten niet helemaal te vergelijken is met deze oersoep. Sommige wetenschappers denken daarom dat het leven op aarde elders in het heelal is ontstaan. In 2010 gaat het Miller-Urey experiment de ruimte in om deze theorie te testen.

Het ontstaan van leven is moeilijk te begrijpen, er is immers geen mens bij aanwezig geweest. De wetenschap geeft ons wel aanwijzingen, bijvoorbeeld over de vorming van aminozuren (bouwstenen van leven). Science Center NEMO herhaalt de komende jaren de beroemde proef van scheikundigen Miller en Urey en in 2010 gaat dit experiment ook de ruimte in. Op die manier hopen wetenschappers nog meer over het ontstaan van leven te weten te komen.

Waar komt het leven op aarde vandaan? Met die vraag worstelde de jonge onderzoeker Stanley Miller in 1953, toen hij afstudeerde in het laboratorium van scheikundige en Nobelprijswinnaar Harold Urey. Samen bedachten de twee een eenvoudige, maar baanbrekende manier om hierachter te komen: door de omstandigheden van de jonge aarde nauwkeurig na te maken, hoopten ze dat er vanzelf iets zou gebeuren. Miller en Urey gingen er vanuit dat het leven op aarde opgebouwd moet zijn uit de levenloze materie die er toen al was. Dat idee noemen we chemische evolutie.

Stanley Miller in zijn lab. Afbeelding: University of California, San Diego

Vonk

De opstelling die Miller en Urey bedachten, zit eigenlijk heel eenvoudig in elkaar. In een afgesloten glazen bol bevindt zich een mengsel van methaan (CH4), waterstof (H2), ammoniak (NH3) en water (H2O). Dit mengsel komt volgens de twee scheikundigen grotendeels overeen met de samenstelling van de luchtlaag (atmosfeer) rond de jonge aarde. Twee elektroden zorgen ervoor dat met regelmaat een elektrische vonk, vergelijkbaar met bliksem bij een onweersbui, door het reactiemengsel heen gaat. Op die manier bleken aminozuren helemaal vanzelf te ontstaan. Nou ja, vanzelf…

Om vanuit de vier stoffen uit de vroege atmosfeer tot nieuwe moleculen te komen, zijn scheikundige reacties nodig. Maar die verlopen bijna nooit vanzelf. Om compleet nieuwe stoffen te kunnen krijgen, is in het begin vaak energie nodig – óók als er bij de reactie zelf energie vrijkomt. Op de jonge aarde bliksemde het veel, precies het soort zetje dat nodig is om stoffen uit het reactiemengsel met elkaar te laten reageren.

Schematische weergave van de opstelling van het Miller-Urey experiment. Klik op de afbeelding voor een grotere versie

Door de glazen bol met het reactiemengsel te verwarmen, versnelden Miller en Urey de reacties die er in optraden. Ze lieten het experiment een week lang onaangeroerd en maakten daarna de bol open. Tot hun vreugde ontdekten ze dat daarin een enorme hoeveelheid nieuwe stoffen zat. Hiertussen vonden Miller en Urey minstens vijf verschillende aminozuren. Toen wetenschappers in 1998 een overgebleven buisje van dit experiment met nieuwe metingen nauwkeuriger bekeken, bleken er zelfs tweeëntwintig verschillende aminozuren te zijn ontstaan!

Volgende stap

Miller en Urey waren zo blij dat ze aminozuren vonden, omdat dit de ´bouwstenen van leven´ zijn. Je hebt aminozuren namelijk nodig om grotere onderdelen, zoals eiwitten, te bouwen. Een eiwit ontstaat altijd door een aaneenschakeling van een aantal aminozuren. Zo’n aaneenschakeling kan alleen gemaakt worden als er niet teveel zuurstof (O2) in de omgeving aanwezig is. Zuurstofdeeltjes kunnen de verbinding tussen losse aminozuren steeds opnieuw verbreken. In de atmosfeer van de jonge aarde en in het Miller-Urey experiment was dan ook weinig zuurstof aanwezig.

Het eerste echte leven De eerste levensvormen (die 3,8 miljard jaar geleden ontstonden) konden heel goed zonder zuurstof. Sterker nog: het was in hoge concentraties zelfs giftig voor ze. Het gaat om blauwalgen die uitsluitend leefden van zonlicht en stikstofverbindingen en zuurstof produceerden als afvalproduct. In eerste instantie werd zuurstof opgenomen in rotsen, zeeën en oceanen, maar kwam uiteindelijk ook in de atmosfeer terecht. Dit gaf leven, dat voor de ademhaling afhankelijk is van zuurstof, de kans om zich te ontwikkelen. Het nieuwe leven verdrong blauwalgen voorgoed naar plekken met weinig zuurstof. Tijdens een hete zomer kan in stilstaand water zuurstoftekort ontstaan en dan zie je blauwalgen nog weleens opduiken. Blauwalgen bestaan natuurlijk niet alleen uit een serie aan elkaar gekoppelde aminozuren. Het zijn complete cellen. Om zulk leven te maken, moeten moleculen zichzelf kunnen kopiëren. Dat kopiëren geeft uiteindelijk ook de mogelijkheid tot voortplanting en erfelijkheid. De moleculen pakken zich samen in iets wat lijkt op een waterdruppeltje. Dit druppeltje schermt de moleculen af van hun omgeving, waardoor een primitieve cel ontstaat. Het belangrijkste kenmerk van zo’n cel is dat het een min of meer zelfstandige eenheid is met z’n eigen interne huishouding (stofwisseling), die anders is dan de stofwisseling van zijn omgeving.

Miljard jaar

Helaas weten we nu dat de atmosfeer van de jonge aarde op een aantal punten niet helemaal te vergelijken is met het Miller-Urey experiment. Onze planeet ontstond ongeveer 4,5 miljard jaar geleden. Er was toen veel vulkanische activiteit en tegenwoordig weten we dat bij vulkaanuitbarstingen met name koolstofmonoöxide (CO), koolstofdioxide (CO2), stikstof (N2) en waterdamp (H2O) vrijkomen. Wetenschappers denken dan ook dat dit de stoffen zijn die in de atmosfeer van de jonge aarde aanwezig waren. Het experimentele mengsel dat Miller en Urey samenstelden, reageert sterker dan de hierboven beschreven atmosfeer van de jonge aarde. Herhaling van het experiment met koolstofmonoöxide (CO), koolstofdioxide (CO2), stikstof (N2) en waterdamp (H2O) levert nauwelijks aminozuren op. Eigenlijk is dat ook niet zo vreemd, want de jonge aarde heeft bijna een miljard jaar de tijd gehad om leven te maken in plaats van een week.

Kraamkamers in het heelal

Andere wetenschappers denken dat het eerste leven misschien niet op de aarde zelf ontstond, maar ergens anders in het heelal. Sterrenkundigen hebben namelijk de afgelopen jaren een flink aantal van dezelfde stoffen als uit het Miller-Urey experiment gevonden, maar dan in de ruimte. Vaak gebeurde dit in een gaswolk waarin nieuwe sterren gevormd worden (een wolk interstellaire materie). In deze ‘kraamkamers’ van het heelal gebeuren een heleboel dingen waar we eigenlijk maar weinig vanaf weten. Hoewel het duidelijk is dat er in deze wolken ingewikkelde moleculen gevormd worden, is de oorzaak daarvan nog een groot raadsel. De dichtheid van de gaswolk is namelijk zo laag dat het bijna nooit voorkomt dat twee deeltjes dicht genoeg bij elkaar in de buurt komen om met elkaar te reageren.

Dit is Messier 82, een voorbeeld van een gaswolk waarin nieuwe sterren gevormd worden. Afbeelding: Hubble/NASA

De oplossing van dit raadsel is misschien te vinden in zeldzame stofdeeltjes die door de gaswolk zweven. De piepkleine stofdeeltjes zijn brokjes silicium of koolstof en vormen allemaal bij elkaar ongeveer één procent van de gaswolk. Het stof helpt waarschijnlijk bij de vorming van moleculen: deeltjes kunnen namelijk aan de stofjes blijven plakken, waardoor de kans dat ze met elkaar reageren veel groter wordt. Om erachter te komen hoe dat precies gaat en of dat kan verklaren dat er ingewikkelde moleculen tevoorschijn komen, moet nog flink wat onderzoek worden verricht.

Ruimte experiment

In 2010 gaat het Miller-Urey experiment daarom ook de ruimte in. Daar zal een wolk interstellaire materie worden nagemaakt. In deze kunstmatige gaswolk zitten siliciumbrokjes die erg lijken op de stofjes die in werkelijkheid in de ruimte voorkomen. De onderzoekers zullen de gaswolk flink laten afkoelen om de extreem koude omstandigheden in de ruimte na te bootsen. Omdat processen in de ruimte meestal vele duizenden jaren duren, kiezen de ontwikkelaars van het ruimte-experiment ervoor om vonken door de gaswolk heen te schieten. Zo komt de reactie sneller op gang en zijn de resultaten beter zichtbaar. Doordat er in de ruimte geen zwaartekracht is, verwachten wetenschappers dat chemische reacties daar een beetje anders verlopen dan hier op aarde. Ook het resultaat van dit experiment wordt dus spannend!

Vanaf 23 april 2009 is de tentoonstelling ‘Zoeken naar leven’ in NEMO open voor publiek. Kijk op de website van Science Center NEMO voor meer informatie en openingstijden.

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 06 april 2009

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.