Van het ontstaan van de eerste levensmoleculen tot de eerste eiwitten en echte levensvormen: de geboorte van het leven op aarde geeft stilaan haar geheimen prijs, weliswaar mondjesmaat.
In een lyrisch moment durven astronomen weleens zinnen te laten vallen als: ‘De planeten in ons zonnestelsel passen mooi als legoblokjes in een geheel.’ Een onderliggende gedachte is dan dat het op de aarde ‘ideaal’ was voor de creatie van leven – toch in de betekenis die wij aan leven geven.
Het is uiteraard andersom: hier kon ‘leven’ ontstaan omdat de omstandigheden ideaal waren voor het ontstaan van dit soort leven. Er zijn ontelbaar veel levensmogelijkheden in het heelal, dus de kans was sowieso groot dat het er ooit van zou komen. Dat wij net hier ontstonden, is het gevolg van een eindeloze reeks toevalstreffers. Het is een ontnuchterende gedachte, waar je niet te veel over mag nadenken of je gaat duizelen.
Het betekent natuurlijk niet dat we geen greep kunnen krijgen op hoe het aardse leven precies ontstond. De basis van ‘ons’ leven is een kettingreactie van DNA, via RNA naar eiwitten die zich plooien in specifieke driedimensionale structuren en zo ‘functies’ krijgen. De genetische informatie over het leven ligt opgeslagen in DNA, in de vorm van een ellenlange reeks van vier scheikundige stoffen (basen geheten) wier volgorde de aminozuursamenstelling van eiwitten bepaalt. Een triplet van drie opeenvolgende basen codeert voor één aminozuur. We beschikken in totaal over twintig verschillende aminozuren.
De oudste fossielen van dieren zijn op 575 miljoen jaar oud gedateerd. De moderne mens ontstond 200.000 jaar geleden.
Het overschrijven van DNA in eiwitten gebeurt via het tussenstation van RNA: een sterk aan DNA verwante molecule die in drie types voorkomt, die samen de aminozuren waarover het DNA de informatie bevat aaneenrijgen tot eiwitten. Zonder RNA is DNA niet in staat leven te vormen.
Dubbele functie
Sinds enige tijd gaan wetenschappers ervan uit dat de allereerste levensmolecule die de stap zette van scheikunde naar biologie RNA was, en niet DNA. Anders dan DNA heeft RNA een dubbele capaciteit: het kan, net als DNA, genetische informatie opslaan en repliceren, maar tegelijk kan het, anders dan DNA, fungeren als katalysator voor chemische reacties, zoals enzymen. Die dubbele functie zou RNA geschikt gemaakt hebben voor een upgrade tot eerste levensmolecule.
Wetenschappers proberen al lang in hun laboratoria de omstandigheden na te bootsen waarin de eerste RNA-moleculen op de aarde ontstaan zouden zijn. Een recent verslag in Nature Chemistry bracht een doorbraak met de ontdekking van heel specifieke omstandigheden waarin een eenvoudige RNA-molecule zich kan vermenigvuldigen, een cruciale stap in de levensvorming.
Intrigerend was dat een van de sleutels tot succes het toevoegen van triplets van RNA-basen aan het systeem was – triplets zijn dus duidelijk een kernaspect van de levenscocktail. Voorts profiteerde de reactie van een afwisseling tussen vriezen en dooien in een alkalisch zoetwatersysteem, wat zou kunnen betekenen dat de eerste complexe levensmoleculen ontstonden in vijvers met zoute invloeden in koude regionen.
Het proces zou tussen 4,5 en 3,7 miljard jaar geleden begonnen zijn, dus niet lang na het ontstaan van de aarde zelf. Het moet in ieder geval gebeurd zijn voor de eerste levensvormen opdoken – de alleroudste gevonden fossiele organismen zijn gedateerd op 3,5 miljard jaar oud. Het leven heeft dus niet lang gewacht om op de aarde de kop op te steken.
Een mirakel
In Nature verscheen onlangs ook een analyse van de vraag over hoe de eerste RNA-moleculen de eerste eiwitten vormden. Want de machinerie van DNA via drie RNA-types naar eiwit bestond nog niet. Het is bijna ondenkbaar dat die machinerie kon ontstaan zonder dat er eiwitten waren om het ontwikkelingsproces in goede banen te leiden. Hoe meer je erover nadenkt, hoe verbazingwekkender de complexiteit van het ontstaansproces wordt. Al bij al lijkt het bijna een mirakel dat het kon gebeuren en dat er, na héél lang experimenteren, iets als mensen opdook.
Een doorbraak was dat aminozuren chemisch zo gemodificeerd raakten dat ze gemakkelijker aan RNA-moleculen konden binden en dus ook gemakkelijker aan elkaar konden worden geregen tot eiwitten. Vandaag gebeurt dat activatieproces constant en met een vrij hoge snelheid, maar destijds moest het in gang worden gezwengeld. Zodra het proces ingeburgerd was, ging het wel vooruit.
Door een eenvoudige taakverdeling tussen cellen werd meercelligheid ook multifunctioneel.
Een sleutelrol bij de oorspronkelijke activatie, zo bleek uit het recente onderzoek, zou zijn weggelegd voor een energierijke stof die we vandaag een vitamine noemen: pantetheïne. De toevoeging van de stof aan een mengsel van aminozuren maakt dat de laatste zich gemakkelijker aan RNA-moleculen binden om ketens, en dus eiwitten, te vormen. Als er ook waterstofsulfide en andere stoffen die algemeen waren op de vroege aarde werden toegevoegd, ging het nog beter.
In de experimenten worden de aminozuren voorlopig willekeurig aan elkaar gehangen, zonder onderliggende genetisch bepaalde eiwitstructuur. Maar de tests worden toch als een belangrijke stap beschouwd in de ontrafeling van hoe het leven ontstond. Soms lijkt het er zelfs al op dat de ultieme bedoeling van de proeven de creatie van artificieel nieuw leven is.
Chemie en geologie
Om het nog wat ingewikkelder te maken verscheen in Proceedings of the National Academy of Sciences een studie die aantoonde dat alleen zogenaamde alfa-aminozuren geschikt bleken voor het maken van eiwitten, en niet de bèta- of gammaversies ervan – het verschil tussen de drie vormen is subtiel, maar scheikundig relevant. Alleen alfa-aminozuren waren in staat om misschien wel de allereerste reguliere eiwitten op de aarde te maken: zogenaamde depsipeptides. Andere opties leken gedoemd om snel weer te verdwijnen.
Depsipeptides werden blijkbaar gemakkelijk gevormd in de omstandigheden op de jonge aarde, maar ze zijn niet stabiel op lange termijn. Er moesten dus bijsturingen komen om de eerste levenssoep leefbaar te maken. Finaal moeten uit de eindeloze reeks pogingen de eerste bacteriën ontstaan zijn, als eerste levensvormen.
De sprong van één- naar meercellig leven moet tussen 1,7 en 2 miljard jaar geleden zijn gemaakt.
Overigens was niet alleen chemie cruciaal voor de creatie van leven. Ook de geologie moest meewerken. Recente studies in Science Advances en Earth and Planetary Science Letters wezen erop dat variaties in magnetisme en zuurstofgehalte een cruciale rol spelen bij het ontstaan van leven. Essentieel daarbij zouden tektonische verschuivingen in de aardkorst geweest zijn.
Zo wordt er een scenario met grote gevolgen beschreven, volgend op het uit elkaar vallen van het – volgens sommigen nog altijd hypothetische – supercontinent Nuna (of Columbia in een oudere terminologie). Nuna ontstond meer dan 2 miljard jaar geleden en splitste vanaf 1,5 miljard jaar geleden op in kleinere continenten. Voor wie vertrouwd is met de wereldkaarten van vandaag, ziet Nuna er vreemd uit: de oostkust van het huidige India raakte bijvoorbeeld de westkust van Noord-Amerika, en het zuiden van Australië schuurde tegen West-Canada aan.
Vulkaanerupties
Het punt dat de onderzoekers in het scenario maken, is dat er door de uiteendrijving van aardplaten meer zuurstofrijke oceanen ontstonden met een grote opslagcapaciteit voor CO2 afkomstig van vulkaanerupties, waardoor de omstandigheden gunstiger werden voor leven. Daarnaast kwamen er meer dan 50.000 extra kilometers aan ondiepe kustzones bij, die ideaal zouden blijken voor levensexperimenten.
In zo’n biotoop zouden de eerste eukaryoten ontstaan zijn: de eerste cellenwezens met een celkern en een celmembraan die het vertrekpunt vormden voor later complex leven. Voordien bestond het leven op aarde zo’n 2 miljard jaar lang uitsluitend uit micro-organismen zonder kern in de cel en met een eenvoudiger celwand. Bacteriën domineerden, met op kop cyanobacteriën (ook blauwalgen geheten), omdat ze in staat waren tot fotosynthese: het puren van energie uit een combinatie van CO2 en water, getriggerd door zonlicht – zuurstof is een ‘restproduct’ van die reactie.
Eerder dit jaar verscheen in Nature een analyse over welke microben het meest waarschijnlijk de voorouders van de eukaryoten waren. De studie presenteerde een tijdschaal om de ontwikkelingen te kaderen: 3,7 miljard jaar geleden zou de voorloper van alle leven op aarde ontstaan zijn, 2,5 miljard jaar geleden zouden de eerste bruikbare zuurstofconcentraties opgedoken zijn om dat leven extra kansen te geven, en 1,9 miljard jaar geleden zouden de eerste eukaryoten het levenslicht hebben gezien – de oudste fossiele vondst van een eukaryoot zou die leeftijd hebben.
Thuisbasis van goden
De voorloper van de eukaryoten zou uit een specifieke groep microben gekomen zijn, die archaea gedoopt werd, en specifieker ‘Asgardarchaea’, naar de thuisbasis van de goden uit de noordse mythologie. Een sleutelgebeurtenis in dat proces was een vorm van symbiose: een kleine bacterie nestelde zich in een groter archaeon en verzorgde er de energievoorziening – vandaag noemen we die bacteriën mitochondriën voor dierlijke cellen en bladgroenkorrels voor plantaardige. Vanaf het begin werd complex leven dus mogelijk door een samenwerking van verschillende organismen. Wij zijn nu als soort trouwens ook niet levensvatbaar zonder de inzet van een massa microben in onze darmen.
Een sleutelproces in het ontstaan van complex leven was een symbiose tussen een kleine bacterie en een groter archaeon.
In een andere analyse somde Nature vijf concrete kandidaten uit de archaea op, die nu nog leven en kans maken om meer inzicht te verschaffen in hoe de sprong van één- naar meercellig leven destijds verliep – een sprong die tussen 1,7 en 2 miljard jaar geleden moet zijn gemaakt. Er zijn aanwijzingen dat er een veertigtal evolutionaire experimenten gebeurden met de overstap van één- naar meercellig leven, maar slechts één ervan zou aanleiding gegeven hebben tot de lijn naar dieren.
De grote gemene deler tussen de vijf onderzochte eukaryotensoorten is een enorme flexibiliteit in hun reacties op veranderingen in hun leefomgeving, inbegrepen de capaciteit om snel over te schakelen van een ééncellig amoebe-achtig bestaan naar kolonievorming met steeds meer cellen. De creativiteit van deze wezentjes lijkt eindeloos – een wetenschapper had het in deze context over ‘exuberant veel natuurlijke experimenten’. Het ontwikkelingsproces van enkele van deze soorten vertoont trouwens gelijkenissen met de vroege ontwikkeling van embryo’s. In een latere fase zou er dan een eenvoudige taakverdeling tussen cellen in zo’n kolonie opgedoken zijn. Zo werd meercelligheid stilaan ook multifunctioneel.
Sneeuwbalaarde
Voor de finale stap naar écht complex leven was het, volgens een analyse in Science, wachten tot na de laatste grote ‘sneeuwbalaarde’-gebeurtenis in de aardse geschiedenis, tussen 651 en 635 miljoen jaar geleden. De aarde was toen zo goed als één grote ijsbal, maar diep onder het bevroren oceaanoppervlak overleefden bacteriën in bijna zuurstofloze omstandigheden. Bij de grootschalige ontdooiing zou er zo veel organisch materiaal in de oceaan zijn vrijgekomen dat er een boost kwam in het succes van fotosynthetiserende wiertjes, die vrij snel de cyanobacteriën inhaalden als voornaamste zuurstofproducenten – de eerste meercellige wiertjes zouden tussen 1,5 en 1 miljard jaar geleden opgedoken zijn.
De wiertjes legden de basis voor een voedselketen waarvan de eerste dieren zouden profiteren. Dat gebeurde pas veel later. De oudste fossielen van dieren zijn op 575 miljoen jaar gedateerd. Pas 600 miljoen jaar geleden zou het zuurstofgehalte in de aardatmosfeer hoog genoeg geworden zijn om ingewikkelder levensvormen kansen te geven. Zodra dierlijk leven was opgedoken, ging het relatief snel en kwam er wat wij vandaag ‘biodiversiteit’ noemen.
Om af te sluiten een relativerende noot: de moderne mens ontstond 200.000 jaar geleden, mensachtigen in de breedste betekenis van de term zijn 3 miljoen jaar oud. Wij zijn dus prille nieuwkomers in het lange levensverhaal.
Alles welbeschouwd mogen we van veel geluk spreken dat we er zijn.
