Een atheïst moet geloven dat het leven op aarde vanzelf is ontstaan (abiogenese). Het alternatief is immers dat er een Schepper aan het werk is geweest. Daarom doet men al tientallen jaren onderzoek naar de chemische processen die zouden moeten hebben plaatsgevonden om vanuit simpele moleculen leven te vormen. Wat is de staat van dat onderzoek? Is men al een beetje dichter bij een manier om het ontstaan van leven Godloos te kunnen verklaren? Of blijft het bij een sprookje?
In een vorig artikel (zie hier) stond het eerste deel van dit tweeluik. De focus lag toen op het samenstellen van een simpele cel vanuit de bouwstenen. Dít artikel duikt dieper in de scheikunde die nodig is om deze bouwstenen te vormen. Kunnen de benodigde stoffen voor leven vanzelf ontstaan op een levenloze (prebiotische) aarde?
Vier groepen basismoleculen
Als je een (bio)chemicus vraagt wat er nodig is voor leven, zal hij waarschijnlijk de volgende vier molecuulsoorten noemen: polysachariden, eiwitten, nucleïnezuren en (fosfo)lipiden. Om te bepalen hoe deze basismolecuulgroepen op de prebiotische aarde konden ontstaan, doen wetenschappers hun best om ze in het lab te maken. Wat zijn de bereikte resultaten?
Links- of rechtshandig
Alles heeft een spiegelbeeld, ook moleculen. In het geval van veel moleculen ziet het spiegelbeeld er precies hetzelfde uit als het molecuul zelf (zoals het spiegelbeeld van een stoel er hetzelfde uitziet als de niet-gespiegelde stoel). Maar er zijn ook een heleboel moleculen waarvan het spiegelbeeld er anders uitziet dan het origineel. Spiegelbeelden van niet-symmetrische objecten zijn verschillend. Vergelijk dat met je handen. Je rechterhand ziet er in de spiegel uit als een linkerhand en vice versa. Maar je kunt je rechterhand niet in een linkerhandschoen krijgen. Veel van de in het hoofdartikel genoemde biomoleculen hebben een links- en rechtshandige variant (enantiomeer). Deze moleculen noem je ‘chiraal’, afgeleid van het Griekse woord voor ‘hand’.
Wanneer je deze moleculen normaal gesproken maakt in het lab, krijg je een racemisch mengsel: elke variant komt evenveel voor. Maar in levende cellen is vaak maar één van beide enantiomeren bruikbaar. De andere kan zelfs dodelijk zijn! Hoe heeft deze voorkeur zich op de prebiotische aarde ontwikkeld? In het lab kan dat met de nodige moeite en apparatuur, waarbij vaak gebruik wordt gemaakt van een uit de natuur gewonnen(!) links- of rechtshandig enantiomeer om het mengsel te scheiden. Je hebt dus een zuiver enantiomeer nodig om zuivere enantiomeren te krijgen; de kip en het ei. Tot nu toe heeft niemand aan kunnen tonen hoe zo’n voorkeur voor een van beide enantiomeren zich op een prebiotische aarde zou kunnen ontwikkelen.
1. Polysachariden
Polysachariden zijn lange ketens (polymeren) van aaneengeschakelde suikermoleculen (monosacchariden). Er bestaan een heleboel verschillende monosacchariden, waaronder enkele die je ongetwijfeld kent: glucose, fructose en ribose. Deze laatste maakt deel uit van je DNA en RNA en is het dus waard om wat dichterbij te bekijken.
Ribose heeft de structuurformule C5H10O5 en bestaat in de gesloten vorm uit een ring van vier koolstofatomen en een zuurstofatoom. Daaraan zitten drie OH-groepen, een CH2OH-groep en vier waterstofatomen.
Als je het molecuul ruimtelijk afbeeldt, kunnen de verschillende groepen aan beide kanten van de keten of ring zitten. Op die manier kun je acht verschillende configuraties krijgen, vier sets van twee spiegelbeelden (zie onder).
Maar slechts een van die acht (nummer 1 in de figuur hierboven) is de D-ribosevorm die in levende wezens voorkomt. Wanneer je echter met ‘ongestuurde’ scheikunde probeert om ribose te maken, krijg je ook de zeven ongewenste nevenproducten erbij, en nog een heleboel meer ongewenste ‘rommel’.
Oersoepmengsel
Het lukt chemici (in geavanceerde laboratoria met al hun dure apparatuur) niet om uit zo’n mengsel de juiste variant te selecteren. Hoe kon dat dan wel op de prebiotische aarde plaatsvinden? Niet door maar lang genoeg te wachten, in ieder geval. Tijd is namelijk niet de vriend, maar de vijand van deze biomoleculen. Door zo’n oersoepmengsel een aantal weken te laten staan, vermindert de concentratie ‘ribosevarianten’ namelijk sterk omdat ze uiteenvallen. Waarschijnlijk vormden deze suikers onoplosbare molecuulketens (polymeren), die onbruikbaar zijn voor verdere reacties.
Nu denk je misschien dat dat goed is, die polymeren. Maar het gaat om een specifieke vorm van één bepaald suikermolecuul: ribose. De polymeren die je na verloop van tijd vormt zijn opgebouwd uit willekeurige eenheden die op willekeurige plekken aaneengeschakeld zitten. Dat geeft geen functionele biomoleculen, maar onbruikbare prut. En dit is allemaal nog de situatie in het lab, waarbij je zuivere stoffen, geavanceerde apparaten en menselijk intellect tot je beschikking hebt. Het is geen doelloze prebiotische omgeving.
Ribose?
Toen chemicus Albert Eschenmoser probeerde ribose te maken uit glycoaldehyde (of eigenlijk: hij smokkelde en gebruikte glycoaldehydefosfaat), kreeg hij naast ribose en de zeven andere varianten van C5H10O5 ook 22 andere koolhydraten die hij kon identificeren in zijn lab. Nou ja, ribose? Doordat Eschenmoser glycoaldehydefosfaat gebruikte, kreeg hij niet ribose, maar ribose-2,4-difosfaat. Hij maakte nog niet eens het juiste molecuul. Maar zelfs dan vormde deze ‘nep-ribose’ samen met de andere 29 geïdentificeerde producten slechts zo’n 40 tot 50% van de totale opbrengst van de reactie. De rest bestond uit molecuulketens (oligomeren en polymeren). Eschenmoser wist dat het nagenoeg onmogelijk was om het juiste ‘ribosemolecuul’ uit deze mengelmoes te selecteren.
RNA maken
Maar stel nu dat het op de een of andere manier toch zou lukken om ribose te selecteren. Dan kun je RNA maken. Je moet dan de ribose-eenheden aaneenkoppelen, afgewisseld met fosfaatgroepen. Bij RNA gaat de fosfaatbinding altijd van het derde koolstofatoom van de ene ribose naar het vijfde van de volgende. In levende wezens sturen bepaalde eiwitten (enzymen) de koppeling van deze verschillende moleculen, zodat ze zich altijd op de juiste wijze samenvoegen.
Maar in een prebiotische omgeving heb je die sturing niet. Zelfs als je op de een of andere manier zuivere ribose van de juiste spiegelbeeldvariant weet te verkrijgen, dan nóg verwacht je dat de koppeling van deze moleculen compleet willekeurig plaatsvindt. Er zijn vier plekken op zo’n molecuul waar zo’n binding zich zou kunnen vormen: op elk van de vijf koolstofatomen, behalve de vierde. En de binding kan op elk van die plekken omhoog en omlaag wijzen, acht varianten dus. Dat betekent dat je twee ribosemoleculen op 64 verschillende manieren met elkaar kunt verbinden. En dat getal wordt heel snel groter wanneer je meer moleculen gaat toevoegen, omdat elk nieuw molecuul zich op elke beschikbare plek aan een van de vorige moleculen kan hechten.
2. Eiwitten
Eiwitten zijn lange ketens aminozuren. Dat zijn stoffen met een NH2-groep (amine) en een COOH-groep (zuur). Ze vervullen allerlei functies in je cellen. Zonder eiwitten is leven onmogelijk.Als je de verhalen over de oorsprong van het leven mag geloven, zijn de eerste eiwitten in een plasje water ontstaan. Maar zelfs al zou je homochirale aminozuren tot je beschikking hebben, dan nóg zal een chemicus er niet over denken om ze in water aaneen te koppelen. De reactie tussen twee aminozuren is namelijk een condensatiereactie. Dat houdt in dat er bij de reactie water ontstaat. Vang je dat water niet af, of voer je deze reactie in water uit, dan zal al vrij snel de omgekeerde reactie plaatsvinden: water reageert met de peptidebinding en levert twee afzonderlijke aminozuren.
De peptidereactie: twee aminozuren kun je aan elkaar koppelen. Daarbij komt water vrij. De R staat voor de verschillende zijgroepen die de aminozuren hebben, wat bepalend is voor hun functie.
Ketens van aminozuren vallen dus sneller uiteen dan ze gevormd worden, waardoor het zonder katalysator onmogelijk is om ketens te krijgen van meer dan een paar aminozuren. Terwijl voor functionele eiwitten tientallen aan elkaar gekoppelde aminozuren nodig zijn.
Eiwitten maken
Maar stel nu dat het toch op de een of andere manier zou lukken om in een prebiotische omgeving eiwitten te maken. Hoe zien die er dan uit? Eiwitten zijn behoorlijk complexe machientjes. Het zijn niet zomaar ‘kralenkettingen’ van willekeurige aminozuren. De volgorde is (letterlijk) van levensbelang. Bovendien hebben eiwitten ook een ruimtelijke structuur. Ze moeten op een bepaalde manier worden ‘gevouwen’ om goed hun werk te kunnen doen en niet uiteen te vallen in de waterige omgeving van de cel.
Die ruimtelijke structuur wordt in stand gehouden door zwavelverbindingen en andere interacties tussen twee aminozuren die een heel eind bij elkaar vandaan liggen op de ‘kralenketting’, maar in de 3D-structuur juist dicht bij elkaar liggen. Ga je door willekeurig aminozuren aaneen te rijgen zo’n eiwit maken, dan zul je alleen nutteloze ‘kralenkettingen’ krijgen, die bovendien niet de juiste 3D-vorm hebben. In levende cellen zijn er allerlei bouwinstructies (DNA, RNA) en machientjes (eiwitten) nodig om één nieuw eiwit te produceren. Het zal je daarom met volledig willekeurige processen niet lukken om op een prebiotische aarde eiwitten te maken.
Het is wel mogelijk om aminozuren in het lab te maken. Maar verschillende van de aminozuren hebben meerdere reactieve groepen (een zuur- of aminegroep). Laat je die in de vrije natuur met elkaar reageren, dan krijg je hetzelfde probleem als met de suikers: het merendeel van de bindingen zal zich niet op de juiste plek vormen. Zelfs in een laboratorium kun je niet zomaar aminozuren bij elkaar gooien. Je moet de reactieve groepen ‘beschermen’ door ze te laten reageren met een ander molecuul. Na afloop moet je dat (door mensen gemaakte!) beschermmolecuul weer verwijderen. En dat allemaal in een reactor met bijvoorbeeld een hars of polystyreen, die na elke koppelingsstap wordt schoongespoeld.
3. Fosfolipiden
Fosfolipiden zijn interessante moleculen. Ze bestaan uit een glycerolmolecuul waaraan een ‘kop’ en een of meerdere koolwaterstof-‘staarten’ zitten. De kop trekt water aan (hydrofiel) maar de staarten stoten water af (hydrofoob). Dankzij deze eigenschappen kunnen fosfolipiden een zogenaamde dubbellaag vormen, waarbij de staarten naar binnen wijzen en de koppen naar buiten. Dat gebeurt automatisch, en op die manier zijn ook de membranen van cellen opgebouwd.
Sommige stoffen (zoals zuurstof) kunnen makkelijk door die dubbellaag heen gaan, maar veel andere stoffen niet. Om toch transport van moleculen van binnen naar buiten de cel (en andersom) te krijgen, moet je ‘poorten’ in het celmembraan aanbrengen. Er zijn verschillende eiwitten die zo’n poortfunctie hebben en die in het celmembraan zijn opgenomen. Elk eiwit laat één bepaalde stof door, bijvoorbeeld kalium of natrium.
Het is overigens niet zo dat een celwand is opgebouwd uit één type (fosfo)lipide. Er zijn er duizenden, en de lipiden aan de buitenkant van de cel zijn van een andere samenstelling dan die aan de binnenkant. Bovendien heb je niet alleen lipiden nodig om het celmembraan te vormen, ook binnenin de cel zijn veel structuren omgeven door eenzelfde soort dubbellaag (zoals de celkern en de mitochondriën). De lipiden die hiervoor worden gebruikt zijn weer anders dan die in andere celstructuren zitten. De experimenten om ‘cellen’ te maken komen niet in de buurt van de variatie aan lipiden die je voor levende cellen nodig hebt.
4. DNA en RNA
Nucleotiden zijn de bouwstenen van deoxyribonucleïnezuur (DNA) en ribonucleïnezuur (RNA). Ze bestaan uit een suiker (ribose of deoxyribose), een fosfaatgroep en een base. Er zijn vijf verschillende basen, afgekort met de letters A, C, G, T (in DNA) en U (in RNA). Net als eiwitten en suikers zijn DNA en RNA polymeren. RNA bestaat uit een enkele streng, maar DNA is opgebouwd uit twee polymeren die met de basen aan elkaar gekoppeld zitten. Die basen kunnen maar op één manier koppelen: A met T en G met C.
DNA zit opgerold als een soort wenteltrap en bevat alle informatie die nodig is voor het maken van eiwitten. Bij dat proces wordt de wenteltrap ‘opengeritst’. Omdat de basen maar op één manier kunnen koppelen, kunnen bepaalde eiwitten een exacte kopie van de genetische informatie maken. Dat ‘afschrift’ wordt vervolgens door weer andere eiwitten afgelezen om nieuwe eiwitten te kunnen maken. Je hebt eiwitten nodig om het DNA af te lezen, maar de instructies voor het bouwen van die eiwitten staan op het DNA. Dat betekent dat eiwitten en DNA gelijktijdig in de oersoep aanwezig moeten zijn geweest, want er is geen manier bekend om eiwitten te verkrijgen zonder gebruik te maken van andere eiwitten die het DNA aflezen.
Zo is DNA opgebouwd (zie bovenstaande figuur). Van links naar rechts heb je eerst een ‘ruggengraat’ van afwisselend fosfaatgroepen en desoxyribose. Aan de desoxyribosegroepen zitten de basen. Die zijn met zogenaamde waterstofbruggen aan elkaar verbonden. Adenine en thymine met twee, guanine en cytosine met drie, waardoor adenine alleen aan thymine bindt en guanine alleen aan cytocine. Dit zorgt ervoor dat ze maar op één manier kunnen binden. Aan de rechterkant zit de tweede ruggengraat. Deze ketens tellen bij mensen tientallen tot honderden miljoenen van dit soort eenheden.
Glycerol
Los van de problemen om zonder sturing de juiste lipiden op de goede plek te krijgen, is het nog nooit in een lab gelukt om lipiden uit basisbouwstenen samen te stellen. Het schakelmolecuul tussen de kop en de staart is glycerol. Men heeft geen idee hoe zelfs een relatief eenvoudig molecuul als glycerol zich op de prebiotische aarde kon vormen. Daarom denken sommige wetenschappers dat het zich in de interstellaire ruimte heeft gevormd en op een of andere manier ongeschonden op aarde is terechtgekomen…
Vetzuren
Aan dat glycerolmolecuul zitten vetzuurstaarten. Dat zijn lange koolwaterstofketens. Hoe zijn deze op de vroege aarde ontstaan? Men denkt onder invloed van onderzeese vulkanische bronnen. Daar worden vandaag de dag inderdaad vetzuren aangetroffen, maar het is niet mogelijk te achterhalen of deze op die plek zijn ontstaan, of dat ze van eencelligen afkomstig zijn die daar leven. In het lab is het in elk geval nog niet gelukt om vetzuren onder prebiotische omstandigheden te maken. Complicerende factor daarbij is dat je weer te maken met spiegelbeelden (waarvan de natuur vaak maar één variant gebruikt) zodra je een of meerdere vetzuren aan glycerol koppelt.
De hydrofiele kop van fosfolipiden bestaat uit een fosfaatgroep die aan het glycerolmolecuul zit, met daaraan in veel gevallen een ethanolaminemolecuul. Ondanks alle experimenten die men doet om de prebiotische vorming van (fosfo)lipiden na te bootsen, is er nog geen enkel reactiepad bekend om zelfs de bouwstenen ervan te vormen. Laat staan de (fosfo)lipiden zelf!
De RNA-wereld: een oplossing voor abiogenese?
Sommige onderzoekers denken dat het leven niet is begonnen met eiwitten – of een combinatie van eiwitten en DNA – maar met RNA. Dat heeft namelijk de interessante eigenschap dat het zichzelf kan namaken. Zegt men…
Oorsprong-van-het-leven-wetenschappers denken dat er ooit een zogenaamde ‘RNA-wereld’ is geweest, een hypothetische situatie op de vroege aarde waarbij RNA in de oersoep is ontstaan. Deze RNA-moleculen zouden zichzelf dan namaken (repliceren). Maar laboratoriumonderzoek laat zien dat dit te voorbarig is. Zo ontwierp(!) men een kort stukje RNA van 189 basen.
Het langste wat men daarmee kon repliceren was 14 basen, oftewel 7%. Dat is veel te kort voor een volgende replicatiestap. Met een ander onderzoek haalde men een keten van 20 basen, maar ook dat is te kort. Zelfs als je dus RNA gebruikt dat is gemaakt om zichzelf te vermenigvuldigen, lukt het niet om dit voor elkaar te krijgen. Laat staan als je dat zou doen met willekeurig gevormde RNA-ketens op een prebiotische aarde, ergens onder een steen.
Stapeling van problemen
Om leven vanzelf te laten ontstaan moet men een manier vinden om de hierboven genoemde vier groepen grote moleculen te vormen uit de op de ‘vroege aarde’ vermeend aanwezige stoffen (zoals methaan, ammonia, CO2, water, zuurstof en nog wat andere van dit soort kleine moleculen). Maar dat niet alleen: deze moleculen moeten ook nog eens op dezelfde plaats en tijd ontstaan, en in de juiste vorm en hoeveelheid, om een eerste levensvorm te kunnen bouwen. Bovendien moet dat snel gebeuren, want die grote moleculen zijn maar beperkt houdbaar. Na verloop van uren tot weken (een oogwenk op de vermeende geologische tijdschaal) vallen bijvoorbeeld eiwitten of DNA uiteen in de afzonderlijke bouwstenen.
Chemici kunnen in het lab de reactie op tijd stoppen, zodat je de maximale opbrengst hebt, maar in de (niet-levende) natuur kan dat natuurlijk niet. En om het probleem nog groter te maken: het zomaar bij elkaar voegen van de basismoleculen (reactanten) geeft bijna nooit het gewenste resultaat, en al zeker niet in zuivere vorm. Er kunnen veel verschillende onbruikbare moleculen ontstaan. Om complexe moleculen te krijgen moeten de reactanten ook nog eens op het juiste moment worden samengevoegd en weer van elkaar worden gescheiden. En dat alles in een omgeving waar niets doelgerichts gebeurt; alles moet het uitsluitend van toevalligheden hebben.
Niet benoemd
In de wetenschappelijke literatuur over de oorsprong van het leven worden deze problemen niet benoemd. Niet omdat men er geen weet van zou hebben, maar omdat niemand er een oplossing voor heeft. Feitelijk gezien staat het onderzoek naar de oorsprong van het leven na zo’n driekwart nog geen stap dichter bij een antwoord. Ter vergelijking: in diezelfde tijd zijn computers, microchips en kunstmatige intelligentie ontwikkeld, zijn mensen naar de maan geweest en heeft men tal van medische successen behaald, zoals het uitroeien van de pokken, het ontwikkelen van de MRI-scan en technieken om DNA te ontrafelen. En met elk jaar merkt men dat cellen nog complexer zijn dan men al wist.
Hoe meer onderzoek men ernaar doet, hoe onmogelijker de oorsprong van leven uit niet-levende materie blijkt te zijn. De natuurwet van de biogenese (leven ontstaat enkel uit leven) gaat nog steeds op. Wil je de ware geschiedenis van het ontstaan van het leven bestuderen, dan kun je het beste je Bijbel openslaan bij Genesis 1. Het is de levende God Die het leven op aarde heeft geschapen. En je vindt Zijn Handtekening overal.
Leven in het lab? Chemici spelen vals!
Met enige regelmaat verschijnen artikelen in de wetenschappelijke literatuur die een deel van de chemische reacties behandelen die nodig zouden zijn om leven te maken uit niet-levende materialen. Ook al kun je deze artikelen als leek waarschijnlijk niet begrijpen, toch is het interessant er eens eentje onder de loep te nemen.
Wil je echt het ontstaan van het leven nabootsen, dan zou je moeten beginnen bij de basis van simpele moleculen die in de aardatmosfeer aanwezig zouden kunnen zijn geweest. Maar het meeste ‘oorsprong-van-het-leven-onderzoek’ gebeurt met veel complexere stoffen. Die heeft men niet verkregen vanuit de simpele ‘basismoleculen’, maar zijn veelal gewonnen uit planten of bacteriën. Die had je, per definitie, nog helemaal niet op de prebiotische aarde. Men gebruikt dus stoffen uit levende wezens om te bepalen hoe het leven is ontstaan uit niet-levende materie. En dat is nog niet eens het ergste.
Glycerol maken
In het artikel Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism van John Sutherland en zijn collega’s in Nature Chemistry worden stappen beschreven om complexe (bio)moleculen te verkrijgen uit eenvoudige bouwstenen. Daar vind je instructies zoals deze, voor het maken van een eenvoudig molecuul als glycerol (een basiselement van fosfolipiden):
‘Dihydroxyaceton (…) en natriumdiwaterstoffosfaat (…) werden opgelost in een 85:15 water/zwaar water-mengsel en de oplossing werd 15 minuten ontgast. Natriumwaterstofsulfide (…) werd toegevoegd en de oplossing kleurde geel. Toen het natriumwaterstofsulfide helemaal was opgelost, werd de pH naar 7 gebracht met ontgast natronloog en zoutzuur. De oplossing werd dan overgebracht naar een kwartsbuis met kopercyanide (…) en direct afgesloten, waarna zich een zwarte neerslag vormde. De buis werd in een Rayonetreactor geplaatst en 6 uur lang belicht…’
Kunstgrepen
Dat zijn nogal specifieke instructies voor één stap. Zelfs professionals in een laboratorium hebben moeite om dit uit te voeren, laat staan dat het op een prebiotische aarde plaatsvindt. Wat bijvoorbeeld niet met zoveel woorden wordt gezegd is dat je voor het ontgassen van vloeistoffen een vacuümpomp nodig hebt. Maar zo’n plek waar de atmosfeer even vijftien minuten zomaar verdwijnt heb je helemaal niet op de ‘vroege aarde’.
En wat was het resultaat van al deze laboratoriumkunstgrepen? Een mengsel van moleculen dat slechts voor 34% uit glycerol bestond. Voor de volgende stap ging men niet verder met het onzuivere glycerolmengsel, maar nam men zuivere glycerol van een chemicaliënleverancier. Dit gebeurt keer op keer bij dit soort onderzoeken. Men verkrijgt een mengsel met een klein percentage van de gewenste stof, en haalt die stof voor de volgende stap bij de leverancier. Maar om de prebiotische aarde na te bootsen moet je eigenlijk verdergaan met het verkregen onzuivere mengsel.
Oersoep-hype
Wat hier staat beschreven is nog maar een deel van één stap van de tientallen. Bijna elk van de duizenden bouwsteenmoleculen die je nodig hebt voor een levende cel hebben vele pagina’s aan heel specifieke laboratoriuminstructies.
Hoewel dit onderzoek zich allemaal in het laboratorium afspeelt, wordt het toch vaak gebracht alsof deze reacties op de prebiotische aarde zouden hebben plaatsgevonden. Op deze manier werken wetenschappers en de media mee aan het in stand houden van een ‘oersoep-hype’. Zelfs áls het wetenschappers zou lukken om in een laboratorium leven te maken uit niet-levende materie, dan hebben ze daarmee alleen maar aangetoond dat er intelligentie nodig is om leven te scheppen.
Dit is het tweede deel in een tweeluik over de (on)mogelijkheid van het spontaan ontstaan van leven en is geschreven door Gert-Jan van Heugten. Het eerste deel vind je hier.
