Nieuwe theorie voor het ontstaan van het leven

Het is een van de grootste vraagstukken voor de wetenschap: hoe is het leven op aarde begonnen? Nieuw onderzoek van de Texas Tech University suggereert dat het uit de hemel is komen regenen en begonnen is in de ingewanden van de hel. Sankar Chatterjee, professor in de aardwetenschappen, beweert het antwoord te hebben gevonden, door theorieën van chemische evolutie te combineren met aanwijzingen die verband houden met de vroege geologie van onze planeet.Dankzij het voortdurende bombardement van kometen en meteorieten, zo’n 4 miljard jaar geleden, zijn talloze diepe kraters gevormd aan het aardoppervlak. Deze kraters bevatten niet alleen water en organische verbindingen, maar vormen ook de perfecte smeltkroes om deze ingrediënten te mixen tot levende organismen.Het onderzoek van Chatterjee heeft uitgewezen dat kosmische inslagen zowel het leven kunnen nemen als het leven kunnen brengen. “Toen de aarde zo’n 4,5 miljard jaar geleden ontstaan was, was het aanvankelijk een steriele planeet, compleet vijandig voor levende organismen.”, aldus Chatterjee. “Het was een ziedende heksenketel, vol met vulkaanuitbarstingen, kosmische inslagen en giftige gassen. Een miljard jaar later was het een kalme, natte planeet, waarin het krioelde van de microben – de voorouders van alle levende wezens”.

De laatste jaren is de discussie over het ontstaan van het leven vooral gefocust op de chemische evolutie van organische moleculen tot levende cellen. Volgens Chatterjee is het leven ontstaan via vier stappen van toenemende complexiteit: kosmisch, geologisch, chemisch en biologisch.Tijdens de kosmische fase is de pasgeboren aarde voortdurend bestookt met rotsachtige planetoïden en ijzige kometen. Dit kosmische bombardement bereikte tussen 4,1 en 3,8 miljard jaar geleden z’n hoogtepunt. Plaattektoniek en erosie hebben deze sporen vrijwel geheel uitgewist, maar de oeroude kraters op Mercurius, de maan en Mars laten zien hoe gewelddadig deze meteorietenregens geweest moeten zijn.Grotere inslagen hebben kraters van 500 kilometer breed gecreëerd, waarbij de aardkorst plaatselijk is weggeblazen. Deze kraters hebben zich vervolgens gevuld met water (dat door kometen is aangeleverd). Doordat de bodem van zo’n krater direct aan de aardmantel grenst, kunnen hier gemakkelijk hydrothermische schoorstenen ontstaan: vulkanische structuren die voortdurend heet en chemisch verrijkt water uitbraken. Vandaag de dag kunnen deze schoorstenen nog altijd gevonden worden op de bodem van de oceanen. De meteorieten hebben niet alleen de kraters gevormd, maar hebben ook de bouwstenen voor het leven gebracht, die in de kraterbasins geconcentreerd raakten, waarbij polymeren gevormd zijn.

Hiermee is de geologische fase begonnen. Dankzij de relatief korte afstand tot de zon, zijn de kometen die op de aarde terecht zijn gekomen gaan smelten, waardoor de inslagbassins gevuld raakten. Geothermische bronnen hebben dit water verhit, waardoor convectie op gang is gekomen. Hierdoor blijft het water voortdurend in beweging en wordt een dikke oersoep gevormd.”Tijdens de geologische fase hebben de donkere en hete bodems van de kraterbasins gefungeerd als broedmachines voor het leven”, aldus Chatterjee. “Hier vond het concentreren en herschikken van organische moleculen plaats, als gevolg van de convectieve stromingen – vergelijkbaar met de hydrothermische schoorstenen die nog altijd op de oceaanbodem gevonden kunnen worden, hoewel niet helemaal hetzelfde”. Het was een bizarre en geïsoleerde hellewereld, gevuld met de stank van waterstofsulfide, methaan en stikstofoxiden, de samen met stoom de energiebron voor het leven gevormd hebben.

Hiermee is de chemische fase begonnen. Door de hitte is het water in de kraters gaan “roeren”, waardoor simpele verbindingen zijn samengevoegd tot grotere, meer complexe verbindingen.Waarschijnlijk hebben de poriën en spleten in de kraterbasins gefungeerd als “bouwsteigers” voor simpele RNA- en eiwitmoleculen. In tegenstelling tot de theorie dat RNA pas na de eiwitten ontstaan is, zijn beide moleculen volgens Chatterjee tegelijk ontstaan, waarna ze zijn ingebed in een membraan en beschermd zijn tegen de omgeving.”De duale herkomst van RNA en eiwitten is in een geothermische omgeving waarschijnlijker dan de populaire ‘RNA-wereld‘”,aldus Chatterjee. “RNA-moleculen zijn zeer instabiel en vallen gemakkelijk uiteen. Sommige catalysators, zoals eiwitten, zijn noodzakelijk om primitief RNA te laten repliceren en metaboliseren. Aan de andere kant zijn aminozuren, de bouwstenen voor eiwitten, veel gemakkelijker te maken dan RNA-componenten”.

De vraag blijft natuurlijk hoe losse RNA- en eiwitmoleculen, die ronddrijven in deze soep, zichzelf beschermd hebben met een membraan. Mogelijk biedt de hypothese van David Deamer uitkomst. Volgens hem hebben membranen altijd al rondgedreven in de oersoep. Vettige blaasjes, vergelijkbaar met vesikels, zijn inderdaad aangetroffen in meteorieten. Deze vetblaasjes doen in de verte denken aan celmembranen.”Meteorieten hebben deze vettige lipiden naar de jonge aarde gebracht”, zegt Chatterjee. “Dit vettige lipide materiaal heeft aanvankelijk bovenop de kraterbasins gedreven, maar zijn door convectie naar de bodem gebracht. Op een bepaald moment, na vele miljoenen jaren, zou zo’n vettig membraan simpele RNA- en eiwitmoleculen hebben ingesloten, ongeveer zoals een zeepbel. Het RNA en de eiwitten zijn met elkaar gaan wisselwerken en communiceren. Uiteindelijk heeft het RNA plaatsgemaakt voor het veel stabielere DNA, waarna de eerste cellen zich zijn gaan delen”.De laatste fase – de biologische fase – vertegenwoordigt het ontstaan van celdeling, waarbij de allereerste cellen genetische informatie hebben opgeslagen, verwerkt en doorgegeven aan dochtercellen. Er hebben een oneindig aantal combinaties plaatsgehad, waarvan de meeste niet gefunctioneerd hebben. Uiteindelijk is het geheim van voorplanting gekraakt, waarna normale selectie van start is gegaan.

“Deze eerste cellen, die zichzelf in stand houden en voortplanten, waren in staat tot Darwinistische evolutie”, zegt hij. “Het ontstaan van de eerste cellen op aarde was het resultaat van een lange geschiedenis van chemische, geologische en kosmische processen”.Chatterjee denkt ook dat moderne RNA-virussen en eiwitrijke prionen waarschijnlijk een reliek zijn van deze vroege geschiedenis van het leven. Zodra de echte cellen ontstaan waren, werden RNA-virussen en prionen overbodig. Ze hebben echter standgehouden als parasieten van levende cellen.Het probleem met theorieën over het ontstaan van het leven is dat ze lastig getest kunnen worden. Chatterjee stelt echter een experiment voor om zo’n prebiotische wereld te herscheppen. “Als dan inderdaad RNA en prionen in membranen gevat kunnen worden, dan hebben we een synthetische protocel gecreëerd. In dat geval zou mijn theorie dus plausibel geworden zijn.”

Bron: Texas State University