Is de oorsprong van het leven te danken aan ‘onmogelijke’ chemie?

Experimenten wijzen erop dat op de vroege aarde bepaalde stofwisselingsprocessen spontaan op gang kwamen – en dat wetenschappers de term ‘leven’ moeten herformuleren.

Door Michael Marshall
Gepubliceerd 6 apr. 2022 11:46 CEST
Actieve vulkanische uitlaten op de zeebodem, zoals deze circa dertig meter hoge schoorsteen in het hydrothermale ...

Actieve vulkanische uitlaten op de zeebodem, zoals deze circa dertig meter hoge schoorsteen in het hydrothermale veld ‘Lost City’ in de Atlantische Oceaan, produceren in een hoog tempo eenvoudige organische moleculen die een sleutelrol gespeeld kunnen hebben in het ontstaan van het leven op aarde.

Foto door D. KELLEY & M. ELEND, UNIV. WASHINGTON INST. FOR EXPLORATION/URI-IAO/NOAA/THE LOST CITY SCIENCE TEAM

Markus Ralser was nooit van plan geweest om onderzoek te doen naar de oorsprong van het leven op aarde. In zijn onderzoek richtte hij zich vooral op de manier waarop cellen zich voeden en op de vraag hoe deze processen verstoord kunnen raken in organismen die onder stress staan of ziek zijn. Maar ongeveer tien jaar geleden deden Ralser en zijn team door puur toeval een verbluffende ontdekking.

Zijn groep onderzoekers, destijds verbonden aan de University of Cambridge, bestudeerde een proces genaamd glycolyse, waarbij suiker met behulp van enzymen via een lange reeks chemische reacties wordt afgebroken en zo de energie levert die cellen nodig hebben. Toen de onderzoekers met behulp van zeer gevoelige meetmethoden deze reactiepaden volgden, ontdekten ze tot hun stomme verbazing dat sommige chemische reacties ‘spontaan leken op te treden,’ zegt Ralser, die inmiddels aan het Francis Crick Institute in Londen werkt. Tijdens controle-experimenten waarin een aantal moleculen ontbraken die volgens wetenschappers nodig zijn voor deze reacties, vond een deel van de glycolyse toch plaats.

‘Dat kan simpelweg niet waar zijn,’ luidde het verblufte commentaar van de wetenschappers die Ralser informeerden over de resultaten.

Vermoed wordt dat meren die rijk zijn aan koolwaterstofverbindingen en fosfor, zoals Mono Lake in Californië, op de vroege aarde veel voorkwamen en mogelijk een gunstige omgeving voor het ontstaan van het leven vormden.

Foto door Robert Harding Picture Library, Nat Geo Image Collection

In de kern van elke levende cel bevindt zich een soort chemisch motortje. Dat geldt voor alle cellen, van zenuwcellen in de hersenen tot eencellige bacteriën. Deze chemische motortjes drijven de stofwisseling aan die ervoor zorgt dat een energiebron (bijvoorbeeld voedingsstoffen) wordt omgezet in bruikbare moleculen en bouwstenen voor de cel. Voor dit soort stofwisselingsprocessen, waaronder ook de glycolyse, is een grote hoeveelheid vernuftige machinerie op microscopisch niveau nodig. Maar Ralsers team ontdekte dat een van deze motortjes geheel zelfstandig kon opereren, zonder enkele van de complexe enzymen die volgens de wetenschap voor dit soort processen zijn vereist.

Sinds deze toevallige ontmoeting verkeert de wereld van wetenschappers die onderzoek doet naar de oorsprong van het leven in een staat van opwinding. Immers, als deze processen zich in een reageerbuis kunnen voordoen, kunnen ze ook miljarden jaren geleden hebben plaatsgevonden, in een vulkanische schoorsteen in de diepzee, in een heetwaterbron op land of op een andere plek met veel chemische activiteit en organische verbindingen. En het is zelfs mogelijk dat deze stofwisselingsreacties aan het begin stonden van een reeks processen die tot het ontstaan van het leven op aarde hebben geleid.

Sommige teams proberen deze chemische motortjes nu zelf te bouwen. Naast de glycolyse hebben wetenschappers inmiddels onderdelen van andere fundamentele processen in cellen weten te reproduceren, waaronder de zogenaamde ‘omgekeerde citroenzuurcyclus’ of ‘omgekeerde Krebs-cyclus’, die vermoedelijk voor het eerst in zeer vroege cellen is ontstaan.

In dit spannende nieuwe onderzoeksgebied proberen wetenschappers de stappen te reproduceren die tot de vorming van het allereerste levende organisme hebben geleid. En daarbij moeten ze zich opnieuw bezighouden met een aloud vraagstuk: hoe vullen we het begrip ‘leven’ eigenlijk in?

Raadselachtige oorsprong

De vraag hoe het leven op aarde begon, behoort tot de grootste, nog niet opgeloste mysteries van de wetenschap. We weten dat het leven al vroeg in de geschiedenis van onze planeet ontstond, want er zijn gefossiliseerde micro-organismen gevonden in gesteentelagen die drieënhalf miljard geleden werden afgezet – amper één miljard jaar na de vorming van de aarde zelf. Maar hoe en waar die allereerste levensvormen ontstonden, blijft onduidelijk.

Een van de grootste problemen is dat levende organismen uitermate complexe wezens zijn. Zelfs de eenvoudigste eencellige bacterie bevat honderden genen en is opgebouwd uit duizenden verschillende moleculen. Al deze bouwsteentjes werken samen in een uiterst vernuftig mechanisme, dat ervoor zorgt dat de cel voedingsstoffen opneemt, afvalstoffen uitscheidt, schade repareert, genen kopieert en andere processen doorloopt.

Deze complexiteit werd onlangs nog eens benadrukt in een onderzoek dat in 2021 verscheen. Daarin werd gekeken naar het DNA van 1089 verschillende bacteriën, de eenvoudigste levensvormen op aarde. De onderzoekers onder leiding van bio-ingenieur Joana C. Xavier, die destijds werkte aan de Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, Duitsland, en nu aan de University College London is verbonden, onderzochten eiwitfamilies die bij talloze verschillende soorten bacteriën voorkomen en om die reden waarschijnlijk zeer oud zijn. Mogelijk zijn deze eiwitfamilies voor het eerst ontstaan in de laatste gemeenschappelijke voorouder van alle bacteriën, die ruim drie miljard jaar geleden moet hebben geleefd. De wetenschappers vonden 146 van deze oeroude eiwitfamilies, waaruit blijkt dat zelfs de allereerste bacteriën al een uiterst complexe stofwisseling hadden en dus het resultaat waren van een lange evolutie.

In vrijwel alle hypotheses over het ontstaan van het leven op aarde wordt geprobeerd om die complexiteit te omzeilen: de bedenkers ervan stellen zich iets veel eenvoudigers voor – een soort proto-leven – dat geheel spontaan en dus plotseling moet zijn ontstaan. Het probleem is dat we niet goed weten hoe we dit proto-leven moeten definiëren. Welke delen van de levende cellen die we vandaag de dag kennen, zijn het eerst ontstaan?

Op dit gebied zijn talloze ideeën voorgesteld, bijvoorbeeld over een molecuul dat zichzelf net als een RNA-streng kan kopiëren. Of een vettige ‘zeepbel’ of ‘klodder’ die als voorloper van de celwand kan hebben gediend. Maar een steeds grotere groep wetenschappers denkt inmiddels dat de vroegste levensvormen allereerst een soort metabolisch motortje gehad moeten hebben, nog voordat ze genen of celwanden ontwikkelden.

De allereerste stofwisseling

Leven is per definitie een actief proces. Zelfs in ogenschijnlijk statische organismen, zoals bomen, speelt zich op microscopisch niveau een enorme hoeveelheid activiteit af.

Xavier vergelijkt een levende cel met een kopje met een gat in de bodem en een kraantje aan de bovenkant waaruit water in het kopje stroomt. Als er net zoveel water in het kopje stroomt als er weer uitloopt, dan blijft het watervolume in het kopje statisch, maar er is wel ‘sprake van voortdurende verandering,’ zegt ze.

Zo ook neemt elk levend wezen voortdurend voedingsstoffen op en gebruikt deze om zijn lichaam op te bouwen en te repareren. Bij mensen betekent dat dat ze voedsel moeten eten en hun spijsverteringsstelsel moeten gebruiken om dat voedsel op te breken in de talloze chemische verbindingen die het lichaam nodig heeft.

Andere organismen halen hun energie uit zonlicht of uit chemicaliën als methaan, maar daarbij wordt hetzelfde principe gevolgd. Met behulp van duizenden verschillende chemische reacties worden voortdurend bestanddelen omgezet in andere, bruikbaarder bestanddelen en worden stoffen vervoerd naar de plekken waar ze nodig zijn. Al deze processen tezamen vormen de stofwisseling of het metabolisme van een organisme, en als die stofwisseling tot stilstand komt, sterft dat organisme.

De chemie achter de stofwisseling is een zó fundamenteel onderdeel van het leven dat onderzoekers denken dat het een centrale rol moet hebben gespeeld in de allereerste levende cellen. Toen dit metabolische motortje eenmaal was gestart, zo denken ze, kan het de talloze andere chemicaliën hebben gemaakt die levensvormen nodig hebben. Volgens Joseph Moran van de Université de Strasbourg in Frankrijk moeten cellen zichzelf tijdens deze evolutie geleidelijk aan steeds beter hebben georganiseerd.

Maar alle hypotheses waarin de evolutie van de stofwisseling het eerst komt, stuiten op een en hetzelfde probleem: net als het leven zelf is ook de stofwisseling een buitengewoon complex proces. In haar onderzoek naar de laatst levende gemeenschappelijke voorouder van alle bacteriën schat Xavier dat de genen van dit oer-organisme al 243 verschillende chemicaliën kon produceren en ook chemische verbindingen in andere bestanddelen kon omzetten.

Zelfs afzonderlijke reactiepaden van een stofwisseling zijn uiterst ingewikkeld. Neem de eerdergenoemde citroenzuurcyclus of Krebs-cyclus, een van de processen waarmee cellen hun energie uit voedingsstoffen halen. Zoals de naam al zegt, begint deze reactieketen met citroenzuur, de verbinding die citrusvruchten hun zure smaak geeft. Dit zuur wordt omgezet in cis-aconietzuur en vervolgens in nog eens zeven andere chemicaliën voordat er in de laatste stap opnieuw citroenzuur wordt aangemaakt en de cyclus rond is. Onderweg wordt een hele reeks biochemische bestanddelen geproduceerd en door de rest van de cel verspreidt.

Het is moeilijk voor te stellen hoe zo’n vernuftig proces uit zichzelf op gang kan zijn gekomen. Nog ingewikkelder wordt het als je beseft dat elke stap wordt gecontroleerd door een enzym, een molecuul dat de benodigde reacties aanjaagt. Ook voor een proces als de citroenzuurcyclus zijn talloze enzymen nodig, maar enzymen zijn zeer complexe moleculen die alleen in stofwisselingsprocessen met behulp van genen worden gefabriceerd.

Dus stuiten wetenschappers hier op een biochemische ‘kip-of-het-ei’-kwestie: wat kwam het eerst, het chemische motortje om een levende cel te bouwen of de cellulaire mechanismen die nodig zijn om dat motortje te bouwen?

Startmotoren van het leven

Nadat Ralser en zijn team hun aanvankelijke ontdekking in de jaren 2010-2019 hadden gedaan, besloten ze nader onderzoek te doen naar stofwisselingsreacties die zichzelf in stand kunnen houden. Ze kozen twaalf verschillende bestanddelen die in de glycolyse een rol spelen en losten die apart van elkaar op in puur water. Vervolgens verhitten ze de oplossingen vijf uur lang tot 70°C, waarmee ze de omstandigheden nabootsten die in de directe nabijheid van een onderzeese vulkaan heersen. Gedurende dat experiment kwamen zeventien verschillende chemische reacties op gang, die hetzij onderdeel waren van het reactiepad van de glycolyse, hetzij van een ander, verwant reactiepad.

Ralser nam daarop contact op met Alexandra Turchyn, geochemicus aan de University of Cambridge. Turchyn gaf hem een lijst van chemische bestanddelen die vermoedelijk waren opgelost in de oer-oceaan op aarde, waaronder metalen als ijzer en natrium. Het team voegde deze verbindingen toe aan zijn eigen oplossingen om te zien of de eerder gevonden reacties daardoor sneller zouden verlopen.

‘We hadden één winnaar, en dat was ijzer,’ zegt Ralser. In 2014 hadden de onderzoekers inmiddels 28 werkende reacties gevonden, waaronder één volledige stofwisselingscyclus. Het team bouwde daarna voort op eerder behaalde resultaten en kon in 2017 aantonen dat ze een eigen versie van de citroenzuurcyclus konden maken, maar dan aangedreven door sulfaat. Ook konden ze van eenvoudiger bestanddelen suikers maken, in een proces dat gluconeogenese wordt genoemd – hoewel dat laatste alleen in ijs lukte.

Het idee dat stofwisselingscyclussen ook zonder enzymen kunnen werken, werd vervolgens opgepikt door Moran van de Université de Strasbourg, die samenwerkte met zijn voormalige studente Kamila Muchowska. Zij hebben soortgelijke doorbraken behaald, maar dan met andere processen, zoals het acetyl-CoA-reactiepad, waarmee cellen kooldioxide omzetten in acetyl-CoA, een van de belangrijkste organische moleculen in stofwisselingsprocessen.

Maar van de vele mechanismen die in levensvormen een cruciale rol spelen, keren wetenschappers telkens weer terug naar de omgekeerde citroenzuurcyclus. Dit proces, waarbij de normale citroenzuurcyclus zich feitelijk in omgekeerde volgorde afspeelt, wordt door sommige bacteriën gebruikt om met behulp van kooldioxide en water complexe koolstofverbindingen te produceren. En er zijn aanwijzingen dat dit proces extreem oud is.

Evenals Ralser gebruikten ook Moran en Muchowska metalen als ijzer voor het versnellen van biochemische reacties in het laboratorium. In 2017 slaagden ze erin zes van de elf reacties van de omgekeerde citroenzuurcyclus op gang te brengen, en twee jaar later lukte ze het ook de resterende onderdelen te reproduceren. 

‘We zijn er nooit in geslaagd om de gehele cyclus te creëren,’ zegt Moran. Maar ze komen in de buurt.

Niet helemaal biologisch

Ondanks alle opwinding zijn wetenschappers verdeeld over de vraag of volledige celcyclussen zich daadwerkelijk zouden kunnen afspelen zonder de hulp van enzymen als katalysatoren. Voor Ramanarayanan Krishnamurthy van het Scripps Research Institute in La Jolla, Californië, is het niet genoeg om alleen maar onderdelen van een cyclus te reproduceren.

‘Het is alsof je een glazen karaf kapot gooit en dan zegt: kijk, deze stukjes zijn afkomstig van de karaf en dus kan ik deze weer in elkaar zetten,’ zegt hij.

Krishnamurthy en zijn collega’s kiezen voor een andere benadering. ‘We plaatsen onszelf buiten de biologie,’ zegt hij, omdat hij denkt dat de mechanismen die zich vandaag de dag in cellen afspelen, ons niet kunnen vertellen wat er miljarden jaren geleden is gebeurd. ‘Ik laat me uitsluitend leiden door de chemie.’

In 2018 vond Krishnamurthy’s team een nieuw metabolisch motortje dat bestaat uit twee cyclussen die zich zonder enzymen afspelen. ‘We omzeilen enkele van de minst stabiele moleculen en enkele van de moeilijkste stappen die de biologie alleen zo fraai kan uitvoeren omdat ze wordt geholpen door uiterst vernuftige enzymen die zich in de loop van de evolutie hebben ontwikkeld,’ zegt Krishnamurthy. Het resulterende proces zou een oeroude voorloper van de Krebs-cyclus kunnen zijn.

Onlangs nog heeft zijn team geëxperimenteerd met het toevoegen van cyanide, een organische verbinding die vermoedelijk in grote hoeveelheden op de oer-aarde aanwezig was. Uit eerder onderzoek is gebleken dat cyanide veel chemische bestanddelen kan voortbrengen die nodig zijn voor het leven, omdat het om een extreem reactieve verbinding gaat. Onduidelijk is echter of cyanide inderdaad een belangrijke rol heeft gespeeld bij het ontstaan van het leven, aangezien de verbinding voor huidige levensvormen op aarde giftig is. Toch heeft Krishnamurthy’s team weten aan te tonen dat cyanide metabolische motortjes op gang kan brengen die doen denken aan enkele van de bekende levensprocessen.

Moran staat sceptisch tegenover deze benadering, omdat in dit soort alternatieve motortjes enkele van de cruciale chemische verbindingen voor levensvormen ontbreken. ‘Ik begrijp niet waarom je deze weg zou willen kiezen,’ zegt zij.

Het valt nog te bezien of volledige versies van huidige stofwisselingscyclussen geheel zonder enzymen gereproduceerd kunnen worden. Ook is het mogelijk dat de allereerste levensvormen op aarde zich misschien moesten behelpen met andere, veel eenvoudiger reacties, zoals de versies die door Krishnamurthy zijn gecreëerd.

Levend motortje?

Het feit dat wetenschappers er überhaupt in zijn geslaagd om levensprocessen in een vereenvoudigde vorm te reproduceren, heeft een fundamentele vraag opgeroepen: op welk moment kun je deze chemische mechanismen ‘leven’ noemen? Als een metabolisch motortje in een reageerbuisje ‘zijn ding doet’, is het dan een levend organisme?

De meeste wetenschappers zouden daarop met ‘nee’ antwoorden. Om iets als ‘leven’ aan te duiden, ‘heb je een systeem nodig dat complex genoeg is om te metaboliseren – zijn eigen stofwisseling op gang te houden – en zichzelf te repliceren,’ zegt Ralser. Een metabolisch motortje kan dat niet uit zichzelf, maar het is wel een stap op weg naar een systeem dat dat wél kan.

‘Niemand heeft eigenlijk een goede definitie voor het leven,’ zegt Krishnamurthy, en er zijn talloze ‘randgevallen’. Zo wordt in veel definities van levensvormen aangegeven dat een organisme in staat moet zijn zichzelf te reproduceren, maar afzonderlijke dieren die zich geslachtelijk voortplanten, kunnen dat niet zonder partner, dus volgens deze strikte definitie zou bijvoorbeeld een eenzaam konijn geen levensvorm zijn.

‘Tussen levend en niet-levend ligt een geleidelijke overgang,’ zegt Muchowska. Metabolische motortjes zijn niet helemaal ‘dode’ materie zoals stenen dat zijn, maar het is ook niet helemaal levende materie, zoals een bacterie dat is.

Het leven is in zekere zin een chemisch toeval – een soep van chemische ontmoetingen die al drieënhalf miljard jaar borrelt. Hoe we ‘leven’ ook definiëren, deze soep blijft doorborrelen, waarbij de biologische machinerie waaruit al die schitterende en verbluffende levensvormen op aarde zijn ontstaan, zich telkens weer een stukje verbetert en aanpast.

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op nationalgeographic.com

Lees meer

Dit vindt u misschien ook interessant

Wetenschap
Deze groene boeken zijn giftig – en je kunt ze zomaar op een plank tegenkomen
Wetenschap
Foute inschatting van Spaanse griep veranderde geneeskunde voorgoed
Wetenschap
Grensverleggende natuurbeschermer en fossielenjager Richard Leakey op 77-jarige leeftijd overleden
Wetenschap
Waarom paniek om ‘Omikron-variant’ (voorlopig) niet nodig is
Wetenschap
Zeldzaam fossiel van garnalen verborgen in een schelp

Ontdek Nat Geo

  • Dieren
  • Milieu
  • Geschiedenis en Cultuur
  • Wetenschap
  • Reizen
  • Fotografie
  • Ruimte
  • Video

Over ons

Abonnement

  • Abonneren
  • Schrijf je in
  • Shop
  • Disney+

Volg ons

Copyright © 1996-2015 National Geographic Society. Copyright © 2015-2021 National Geographic Partners, LLC. Alle rechten voorbehouden.