De oorsprong van het leven ontrafeld vijf belangrijke doorbraken van

De oorsprong van het leven ontrafeld: vijf belangrijke doorbraken van de afgelopen vijf jaar

MisFluffy/Shutterstock

Er is nog steeds zoveel dat we niet begrijpen over de oorsprong van het leven op aarde.

De definitie van leven zelf is een bron van discussie onder wetenschappers, maar de meeste onderzoekers zijn het eens over de fundamentele ingrediënten van een levende cel. Water, energie en een paar essentiële elementen zijn de voorwaarden voor het ontstaan van cellen. De exacte details over hoe dit gebeurt, blijven echter een mysterie.

Recent onderzoek heeft zich gericht op het proberen na te bootsen in het lab van de chemische reacties die het leven vormen zoals wij dat kennen, onder omstandigheden die plausibel zijn voor de vroege Aarde (ongeveer 4 miljard jaar geleden). Experimenten zijn complexer geworden dankzij technologische vooruitgang en een beter begrip van de omstandigheden op de vroege Aarde.

Echter, in plaats van wetenschappers samen te brengen en het debat te beslechten, heeft de opkomst van experimenteel werk geleid tot veel tegenstrijdige theorieën. Sommige wetenschappers denken dat het leven ontstond in diepzee hydrothermale bronnen, waar de omstandigheden de nodige energie leverden. Anderen beweren dat hete bronnen op het land een betere omgeving zouden zijn geweest, omdat deze waarschijnlijk meer organische moleculen uit meteorieten bevatten. Dit zijn slechts twee mogelijkheden die worden onderzocht.

Hier zijn vijf van de meest opmerkelijke ontdekkingen van de afgelopen vijf jaar.

Reacties in vroege cellen

Welke energiebron dreef de chemische reacties aan bij de oorsprong van het leven? Dat is het mysterie dat een onderzoeksteam in Duitsland heeft proberen te ontrafelen. Het team onderzocht de haalbaarheid van 402 reacties waarvan bekend is dat ze enkele van de essentiële componenten van het leven creëren, zoals nucleotiden (een bouwsteen van DNA en RNA). Ze deden dit met behulp van een aantal van de meest voorkomende elementen die op de vroege aarde gevonden konden worden.

Van deze reacties, die aanwezig zijn in moderne cellen, wordt ook aangenomen dat ze de kernstofwisseling vormen van LUCA, de laatste universele gemeenschappelijke voorouder, een eencellig, bacterie-achtig organisme.

Voor elke reactie berekenden ze de veranderingen in vrije energie, die bepaalt of een reactie kan doorgaan zonder andere externe energiebronnen. Wat fascinerend is, is dat veel van deze reacties onafhankelijk waren van externe invloeden zoals adenosinetrifosfaat, een universele energiebron in levende cellen.

De synthese van de fundamentele bouwstenen van het leven had geen externe energieboost nodig: het was zelfonderhoudend.

Vulkanisch glas

Het leven vertrouwt op moleculen om informatie op te slaan en over te brengen. Wetenschappers denken dat RNA (ribonucleïnezuur)-strengen voorlopers waren van DNA om deze rol te vervullen, omdat hun structuur eenvoudiger is.

Het ontstaan van RNA op onze planeet heeft onderzoekers lang in verwarring gebracht. Recentelijk is er echter enige vooruitgang geboekt. In 2022 genereerde een team van medewerkers in de VS stabiele RNA-strengen in het lab. Ze deden dit door nucleotiden door vulkanisch glas te laten gaan. De strengen die ze maakten waren lang genoeg om informatie op te slaan en over te dragen.

Vulkanisch glas was aanwezig op de vroege Aarde, dankzij frequente meteorietinslagen in combinatie met een hoge vulkanische activiteit. Er wordt aangenomen dat de nucleotiden die in het onderzoek zijn gebruikt ook aanwezig waren op dat moment in de geschiedenis van de Aarde. Vulkanisch gesteente kan de chemische reacties hebben vergemakkelijkt die nucleotiden tot RNA-ketens samenstelden.

Hydrothermale bronnen

Koolstoffixatie is een proces waarbij CO₂ elektronen wint. Het is nodig om de moleculen te bouwen die de basis van het leven vormen.

Er is een elektronendonor nodig om deze reactie aan te sturen. Op de vroege Aarde zou H₂ de elektronendonor kunnen zijn geweest. In 2020 toonde een team van medewerkers aan dat deze reactie spontaan kon optreden en gevoed kon worden door milieuomstandigheden die lijken op alkalische hydrothermale bronnen in de vroege oceaan. Ze deden dit met behulp van microfluïdische technologie, apparaten die minuscule vloeistofvolumes manipuleren om experimenten uit te voeren door alkalische bronnen te simuleren.

Deze route lijkt opvallend veel op hoe veel moderne bacteriële en archaeale cellen (eencellige organismen zonder kern) werken.

De Krebscyclus

In moderne cellen wordt koolstoffixatie gevolgd door een cascade van chemische reacties die moleculen samenstellen of afbreken, in ingewikkelde metabolische netwerken die worden aangedreven door enzymen.

Maar wetenschappers discussiëren nog steeds over hoe metabole reacties zich ontvouwden vóór de opkomst en evolutie van die enzymen. In 2019 zorgde een team van de Universiteit van Straatsburg in Frankrijk voor een doorbraak. Ze toonden aan dat ijzerhoudend ijzer, een ijzersoort die overvloedig aanwezig was in de vroege aardkorst en oceaan, negen van de 11 stappen van de Krebscyclus kon aandrijven. De Krebscyclus is een biologische route die in veel levende cellen aanwezig is.

IJzer fungeerde hier als de elektronendonor voor koolstoffixatie, die de cascade van reacties aanstuurde. De reacties produceerden alle vijf universele metabolische precursoren – vijf moleculen die fundamenteel zijn voor verschillende metabolische routes in alle levende organismen.

Bouwstenen van oude celmembranen

Inzicht in de vorming van de bouwstenen van het leven en hun ingewikkelde reacties is een grote stap voorwaarts in het begrijpen van het ontstaan van leven.

Maar of ze zich nu ontvouwden in hete bronnen op het land of in de diepzee, deze reacties zouden niet ver zijn gekomen zonder een celmembraan. Celmembranen spelen een actieve rol in de biochemie van een primitieve cel en zijn verbinding met de omgeving.

Moderne celmembranen zijn meestal samengesteld uit verbindingen die fosfolipiden worden genoemd, die een hydrofiele kop en twee hydrofobe staarten bevatten. Ze zijn gestructureerd in bilagen, waarbij de hydrofiele koppen naar buiten wijzen en de hydrofobe staarten naar binnen.

Onderzoek heeft aangetoond dat sommige bestanddelen van fosfolipiden, zoals de vetzuren die de staarten vormen, zichzelf kunnen assembleren in die bilaagmembranen onder verschillende omgevingscondities. Maar waren deze vetzuren aanwezig op de vroege Aarde? Recent onderzoek van de universiteit van Newcastle in het Verenigd Koninkrijk geeft een interessant antwoord. Onderzoekers bootsten de spontane vorming van deze moleculen na door H₂-rijke vloeistoffen, waarschijnlijk aanwezig in oude alkalische hydrothermale bronnen, te combineren met CO₂-rijk water dat lijkt op de vroege oceaan.

Deze doorbraak sluit aan bij de hypothese dat stabiele vetzuurmembranen zouden kunnen zijn ontstaan in alkalische hydrothermale bronnen, mogelijk uitmondend in levende cellen. De auteurs speculeerden dat soortgelijke chemische reacties zouden kunnen plaatsvinden in de ondergrondse oceanen van ijzige manen, waarvan wordt aangenomen dat ze hydrothermale bronnen hebben die lijken op aardse.

Elk van deze ontdekkingen voegt een nieuw stukje toe aan de puzzel van de oorsprong van het leven. Ongeacht welke correct blijken te zijn, voeden contrasterende theorieën de zoektocht naar antwoorden. Zoals Charles Darwin schreef:

Valse feiten zijn zeer schadelijk voor de vooruitgang van de wetenschap, want ze blijven vaak lang bestaan: maar valse opvattingen, indien ondersteund door enig bewijs, doen weinig kwaad, want iedereen schept er een heilzaam genoegen in om hun onwaarheid te bewijzen; en wanneer dit gebeurt, wordt één weg naar dwaling afgesloten en wordt tegelijkertijd vaak de weg naar de waarheid geopend.

Het Gesprek

Seán Jordan ontvangt financiering van de European Research Council (ERC) in het kader van het onderzoeks- en innovatieprogramma Horizon Europe van de Europese Unie (subsidieovereenkomst nr. 1101114969) en van Science Foundation Ireland (SFI Pathway award 22/PATH-S/10692). Hij is aangesloten bij het Origin of Life Early-career Network (OoLEN).

Louise Gillet de Chalonge ontvangt financiering van de European Research Council (ERC) in het kader van het onderzoeks- en innovatieprogramma Horizon Europe van de Europese Unie (subsidieovereenkomst nr. 1101114969). Ze is verbonden aan het Origin of Life Early-career Network (OoLEN).

Ubergeek Loves Coolblue

Zou je na het lezen van deze artikel een product willen aanschaffen?
Bezoek dan Coolblue en ontdek hun uitgebreide assortiment.