Het leven op aarde ontstond in de eerste paar honderd miljoen jaar nadat de planeet voldoende af was gekoeld om organismen op waterbasis te ondersteunen op zijn oppervlakte. Het vroege ontstaan van leven op de oppervlakte van de aarde is als bewijs aangevoerd dat het leven op aarde vrij snel ontstaan is en dus dat het proces van abiogenese snel plaats vindt, wanneer uit wordt gegaan van omstandigheden zoals deze zich op de jonge aarde voor deden. Maar klopt dat wel? Nee, zeggen twee onderzoekers, die hiervoor Bayesiaanse analyse gebruikten.
Hoe werkt Bayesiaanse analyse?
Bij standaard statistische analyse wordt gekeken of de nulhypothese is verworpen. Als de kans kleiner dan vijf procent is dat de nulhypothese waar is en de waarnemingen dus het gevolg zijn van toeval (een p-waarde kleiner dan 0,05, in vaktermen), beschouwen wetenschappers de nulhypothese als verworpen. Bayesiaanse analyse werkt anders dan standaard statistische analyse. Bij Bayesiaanse analyse wordt gekeken hoe groot de kans is dat een alternatieve theorie waar is, gedeeld door de kans dat de nulhypothese theorie waar is, als je kijkt naar de feiten.
De Bayesiaanse analysemethode is vooral erg handig als je niet in staat bent het experiment over te doen, zoals bij het ontstaan van het leven op aarde.
Lange duur tot ontstaan meercellig leven maakt leven zeldzaam
Buitenaards leven zou wel eens zeldzamer kunnen zijn dan we ons realiseren, aldus twee onderzoekers.
De onderzoekers werkten met een (naar eigen zeggen) simpel model van de waarschijnlijkheid van abiogenese, het ontstaan van leven uit het niets. Hierbij maken ze een Bayesiaanse schatting van de waarschijnlijkheid, waarbij ze als uitgangspunt aannemen dat het leven vroeg is ontstaan. Miljarden jaren later stelden bewuste wezens dit feit vast en dachten na over de gevolgen. Op grond van deze beperkte informatie maakten ze een analyse.
Volgens de onderzoekers is het argument dat het leven op aarde vrij snel is ontstaan, geen goede reden om aan te nemen dat leven inderdaad makkelijk en snel ontstaat. Immers, het duurde meer dan twee miljard jaar voor het leven op aarde zich van eencellig bacterieel leven tot het meercellige leven ontwikkelde, zoals wij dat nu kennen. Waarschijnlijk, stelt het tweetal, is deze duur van twee miljard jaar (of nog langer) noodzakelijk voor de ontwikkeling van meercelligen en dus van mogelijk intelligente waarnemers. Dan heeft er als als het ware een uitselectie plaatsgevonden. Immers, een ster als de zon gaat zo’n tien miljard jaar mee en over een miljard jaar wordt de aarde al drooggekookt door een steeds heter wordende zon. Als het leven op aarde niet snel was ontstaan, had de evolutie geen tijd gehad om op tijd denkende wezens voort te brengen. Op grond hiervan concluderen de onderzoekers dat leven wel degelijk heel zeldzaam kan zijn.
Is of was er leven op Mars?
Als er ook leven is ontstaan op Mars, verandert de statistiek ingrijpend. Er is dan immers op meerdere plaatsen onafhankelijk van elkaar leven ontstaan. Daaruit zou volgen dat leven inderdaad vrij snel ontstaat. Wordt er daarentegen geen (of sporen van leven) leven aangetroffen op Mars, dan weten we dat we inderdaad het product zijn van een toevalstreffer. Dus laten we dan maar zuinig zijn op onze mooie groene planeet. Trouwens: dat is toch al een goed idee.
In ribosomen, kleine celonderdelen, zijn kopieën aangetroffen van alle onderdelen van de machinerie des levens. Ribosomen zijn zeer complexe moleculen die uit zowel eiwitten als RNA bestaan. Hebben we nu de oorsprong van het leven echt te pakken?
RNA wereld
T-RNA bevat aan één kant een gekoppeld aminozuur, aan de andere kant de code van drie ‘letters’ (nucleotiden, en wel van de RNA-variant). Als de ‘code’ bindt aan de passende plek op de lange keten messenger-RNA, wordt het gekoppelde aminozuur door het ribosoom aan de groeiende eiwitketen geplakt. Bron Wikipedia Commons
RNA is, anders dan DNA, weinig stabiel. RNA is echter wel in staat om als enzym te werken, terwijl DNA niet veel meer is dan een opslagmolecuul. Dit verklaart de populariteit van de RNA-wereld hypothese onder biologen. Deze zegt: voordat er DNA was, was er alleen RNA, dat zichzelf op de een of andere manier vermenigvuldigde en de omgeving manipuleerde.
Hoe RNA-gebaseerd leven er uitzag weten we niet, er bestaan anno nu voor zover we weten alleen nog maar RNA-virussen en viroïden, maar duidelijk is wel dat ribosomen hier een voorname rol in moeten hebben gespeeld.
Al eerder beschreef Visionair hoe een RNA-reactor een kraamkamer van ribosomen kan hebben gevormd. Een nieuwe ontdekking lost- waarschijnlijk- een volgend puzzelstukje op[1]. Ribosomen blijken namelijk een chemisch fossiel met zich mee te dragen, dat er op wijst dat ze in een grijs verleden zichzelf vermenigvuldigden, en hiermee de basis van het leven vormden.
Welke bestanddelen heeft de RNA-wereld?
Als we DNA wegdenken, hoeft DNA niet meer vertaald te worden in m(essenger)-RNA. Ribosomen lezen het m-RNA en vertalen dit in een eiwit. In dit proces koppelen ze nieuwe aminozuren aan de groeiende eiwitketen. Ribosomen doen dit, doordat het bijpassende stukje t-RNA wordt aangetrokken door de code van drie RNA-“letters” en aankoppelt. Niet via een chemische binding, maar via tien maal zwakkere waterstofbruggen. T-RNA bestaat uit een RNA-keten in de vorm van een kruis, met hieraan gekoppeld, een aminozuur. Voor elk aminozuur zijn er één of meer t-RNA’s. Dit aminozuur wordt losgehaald van het T-RNA en aan het groeiende eiwit gekoppeld. Dit proces stopt bij een stopcodon. Daaraan koppelt geen t-RNA, maar een blokkeermolecuul (release factor) dat het proces stopt, de twee delen van het ribosoom uit elkaar laat gaan en het ribosoom los laat koppelen van het messenger RNA.
Het speciale enzym aminoacyl tRNA synthetase, waarvan er per aminozuur een aparte variant is, koppelt dan weer weer los rondzwervende aminozuren aan het ‘lege’ t-RNA.
Gemiddeld kan een ribosoom 20-30 aminozuren per seconde aan elkaar plakken. Voor het produceren van een eiwit van 400 aminozuren groot, de gemiddelde grootte bij mensen, heeft een ribosoom dus tussen de vijftien en twintig seconden nodig. En bedenk ook dat er verschrikkelijk veel ribosomen zijn per cel, bij de mens tussen de 10 en 20 miljoen.
Hoe konden ribosomen zichzelf vermenigvuldigen?
Een ribosoom leest het messenger RNA (de rupsband onder en links) en rijgt de aminozuren van t-RNA’s aaneen tot een eiwitketen (beweegt naar boven). – Wikimedia Commons
Stel, ribosomen vormden de plek waar ooit alle genetische informatie werd opgeslagen. Dan moeten ribosomen zichzelf, direct of indirect, kunnen vermenigvuldigen. Ribosomen bestaan, zoals gezegd, uit eiwitten en RNA (in totaal rond de 4000-10.000 RNA-basen[2]). De eiwitten die deel uit maken van het ribosoom, moeten dan gebouwd worden. Deze moeten dus als hun RNA-blauwdruk, hun m-RNA, ergens opgeslagen staan.
Er bestaat nog geen DNA, dus moet dat opslaan in het ribosoom zijn gebeurd. Dit geldt ook voor de t-RNA’s. Zonder t-RNA’s, die aminozuren koppelen aan de m-RNA codes, werkt het ribosomale systeem niet. Ook de 20 t-RNA’s moeten dus terug te vinden zijn in het RNA van het ribosoom. Zo ook het enzym RNA-polymerase, noodzakelijk om een ribosoom te lezen en over te kopiëren.
Genetisch onderzoek: ribosomen als oeroude levensvorm
Om hun hypothese, dat het leven begon als ribosoom, te testen, moesten er dus sporen van deze dingen in het r(ibosomale)-RNA terug te vinden zijn. “Slachtoffer” werd de labmuis onder de bacteriën: E. coli. Van deze bacterie is het gehele genetische materiaal in kaart gebracht, inclusief dat van de ribosomen. De heersende hypothese is dat het RNA van het ribosoom maar één doel heeft: het ribosoom de juiste vorm laten houden. Dit bleek onzin: het RNA bevat extra informatie. Nader onderzoek wees uit dat er inderdaad sporen van alle oeroude t-RNA’s en omringende eiwitten te vinden zijn. Het t-RNA in de ribosomen bleek zich zelfs nog vrij goed in de juiste vorm te kunnen vouwen. Opmerkelijk, gezien de miljarden jaren dat het leven oud is.
Gevolgen
Nu de vermoedelijke voorloper van het eencellige leven is ontdekt, kunnen we om te beginnen op zoek gaan naar niet op DNA gebaseerde levensvormen. Mogelijk bestaan er meer op RNA gebaseerde levensvormen dan alleen de ontdekte RNA-virussen. Tot nu toe is er niet echt gericht naar gezocht: op RNA gebaseerde levensvormen kunnen niet met DNA-PCR-technieken worden gevonden. Nu RNA erg belangrijk blijkt te zijn voor het ontstaan van leven, kunnen we op zoek naar plaatsen waar zich veel bouwstenen van RNA, ribonucleotides, vormen. Hier zal de kans op leven veel groter zijn. Verder blijken ribosomen dus veel groter te zijn dan eigenlijk nodig. Synthetische levensvormen kunnen, blijkt dus, met veel kleinere, en dus zuinige, ribosomen toe, waardoor je een extreem groeikrachtige superbacterie, of ander organisme, kan kweken. Of, losse ribosomen kan gebruiken voor eiwitsynthese zonder een bacterie.
Een andere mogelijkheid is, dat op ribosomen gebaseerd leven zich in een andere richting heeft geëvolueerd dan als DNA-gebaseerd cellulair leven.
In een opmerkelijk experiment, waarin de omstandigheden tijdens een meteorietinslag op de oer-Aarde werden nagebootst, slaagden de onderzoekers er in om ribonucleïnebases te laten ontstaan. Is dit de missing link?
Wat is RNA?
RNA is minder bekend dan DNA, maar is in wezen biologisch gezien veel belangrijker. RNA bestaat net als DNA uit een keten van vier verschillende basen, een soort bouwstenen, maar is anders an DNA in staat om als enzym (organisch hulpmolecuul voor biochemische reacties) te functioneren, een zogenaamd ribozym. De voor alle bekende levensvormen onmisbare ribosomen, reusachtige kluwens RNA die (van DNA overgekopieerde) sliertjes messenger RNA vertalen in eiwitten, bestaan vrijwel volledig uit RNA. Aanhangers van de RNA-world hypothese geloven dat het leven is begonnen als RNA-gebaseerde levensvorm. Het messenger RNA vervulde de rol die DNA nu vervult en functioneerde ook als enzym (een rol die eiwitten nu spelen). Daarna heeft zich het veel meer stabiele DNA ontwikkeld om genetische informatie in op te slaan. De RNA-world hypothese kende tot nu toe een groot manco. Niet alleen is RNA vrij instabiel, ook zijn de bouwstenen van RNA vrij zeldzaam in chondrieten, meteorieten rijk in koolstofverbindingen, die algemeen worden gezien als een chemisch ‘kijkje’ in de vroegste dagen van het zonnestelsel. De meeste onderzoekers zijn het er over eens dat aminozuren, de bouwstenen voor het leven uit de ruimte kwamen. Bron: EANA/ESA
Omstandigheden op vroege aarde nagebootst
Uit geologisch onderzoek is bekend dat het leven vrijwel onmiddellijk (plm. 100 miljoen jaar) na het Late Zware Bombardement, tussen de 3,8 en 3,5 miljard jaar geleden, op aarde verscheen. Het oudste fossiele overblijfsel op aarde is een geochemisch spoor van 3,4 miljard jaar oud, hoewel er oudere, maar omstreden, resten bekend zijn. In dit experiment jaagden onderzoekers een extreem energierijke, maar zeer kortdurende laserpuls door een proefmonster met daarin de chemicaliën die vermoedelijk aanwezig waren nop de oer-Aarde. Hiermee probeerden ze de omstandigheden tijdens een meteorietinslag na te bootsen, waarbij zeer hoge temperaturen ontstaan.
Bij het experiment ontstonden alle vier basen – al waren de hoeveelheden van één base erg klein. Reden voor collega’s om het experiment niet erg serieus te nemen, want alleen als alle vier basen aanwezig zijn, kan zich biologisch actief RNA vormen. Aan de andere kant: mogelijk was het experiment niet geheel natuurgetrouw. Mogelijk werd later door een bepaald natuurkundig of scheikundig proces de schaarse base alsnog gevormd, of geconcentreerd. Verder onderzoek is dus nodig. Leven hoeft ook maar één keer te ontstaan, om de aarde te koloniseren.
Wat, als een buitenaarde beschaving, of wie weet, onze verre nakomelingen, er voor kiezen panspermie een handje te helpen? In deze korte film, Abiogenesis, wordt dit intrigerende idee verder uitgewerkt. De computer generated graphics zijn zonder meer spectaculair te noemen.
De meeste evolutiebiologen geloven dat het leven op aarde is ontstaan, maar een groeiende groep onderzoekers, de panspermisten, is er van overtuigd, dat de oorsprong van het leven elders in het heelal ligt. In meteorieten zijn raadselachtige structuren aangetroffen, die veel weghebben van gefossiliseerde micro-organismen.
Alleen op de planeet Mars had het leven kunnen ontstaan. De reden is dat alleen op Mars extreem geoxideerde mineralen voor kunnen komen, die niet op aarde voorkomen. Dat stelt geneticus Steven Benner. Volgens professor Benner van het Amerikaanse Westheimer Institute for Science and Technology wijzen recente studies uit dat deze bijzondere omstandigheden, die geschikt zijn voor het ontstaan van het leven, nog steeds op Mars bestaan.
‘Extreme droogte op Mars maakte ontstaan leven mogelijk’
Alleen als ionen van molybdeen, een metaal, in hoge mate geoxideerd raken, is het element in staat om te beïnvloeden hoe het eerste leven zich vormde, legt Bernard uit. Deze vorm van molybdeen is nooit beschikbaar geweest op aarde op het moment dat het leven is ontstaan, omdat 3 miljard jaar geleden de oppervlakte van de aarde over heel weinig zuurstof beschikte. Mars was echter een ander verhaal. Dit is weer een ander bewijsstuk dat doet vermoeden dat het leven niet op aarde, maar op Mars is ontstaan aldus de hoogleraar.
De oppervlakte van Mars heeft nu een extreem rode kleur omdat het ijzer aan de oppervlakte sterk geoxideerd is. Daardoor is alle zuurstof uit de atmosfeer van Mars opgeslorpt. Enkele miljarden jaren geleden was deze zuurstof nog wel aanwezig.
Deze schitterende computergraphic van design-laorosa.com geeft een indruk hoe Mars er in een zeer ver verleden uitzag.
De “teerparadox”
Het onderzoek dat Benner zal presenteren op de Goldschmidt conferentie in de Italiaanse stad Florence , lost twee lastige paradoxen op die het moeilijk voor xenobiologen maken om te begrijpen hoe het leven heeft kunnen ontstaan op aarde. Benner noemt dit de “teerparadox”. Alle levende dingen bestaan uit organische stof, maar als je energie zoals warmte of licht aan organische moleculen toevoegt en ze verder met rust laat ontstaat er geen leven. In plaats daarvan veranderen ze in een vorm van teer, olie of asfalt. Bepaalde elementen, zoals boor en molybdeen, schijnen in staat te zijn om de omzetting van organische stof in teer af te remmen, dus de onderzoeksgroep van Benner gelooft dat mineralen die beide bevatten van fundamenteel belang zijn voor het ontstaan van het leven. Analyse van meteorieten die afkomstig zijn van Mars heeft kort geleden laten zien dat er boor op Mars aanwezig is. “wij geloven nu dat dat ook geldt voor de geoxideerde vorm van molybdeen”, aldus Benner.
De “waterparadox”
Miljarden jaren geleden was de aarde een oceaanplaneet is die totaal was overdekt met water. Dit zou niet alleen hebben voorkomen dat zich boormineralen konden vormen – deze komen nu alleen op de zeer droge plaatsen als Death Valley voor – maar ook zou dit hebben voorkomen dat zich lange RNA-ketens konden vormen. Er zijn sterke aanwijzingen dat RNA het eerste genetische molecule was, bijvoorbeeld omdat de voor leven fundamentele ribosomen, die RNA in eiwit vertalen, uit RNA bestaan en omdat RNA in tegenstelling tot DNA, ook enzymen (ribozymen) kan vormen. RNA valt in water binnen enkele dagen uit elkaar. RNA kan zich alleen in een droge omgeving vormen. Er was water op Mars, maar dat bedekte veel kleinere gebieden dan op de vroege aarde.
Zijn wij allen marsmannetjes?
De bewijzen hopen zich op dat hij in feite allemaal marsmannetjes zijn dat het leven op Mars is begonnen en naar de aarde reisde op een steen. De aarde is echter een stuk gastvrijer voor leven dan Mars, dus is het maar goed dat het leven is verhuisd naar de aarde.
De grootste virussen ooit ontdekt, door de ontdekkers Pandoravirus gedoopt, blijken slechts enkele procenten met het genetische materiaal van alle andere levende organismen op aarde te delen. Waren virussen de voorgangers van het leven?
Mimivirus
Virussen zijn niet in staat zichzelf te delen, maar hebben hierbij de hulp van een gastheer nodig, waarvan ze de cel kapen. Virussen zijn hiermee in feite slechts halflevend. Omdat virussen alleen over een beschermende mantel en DNA (of RNA) hoeven te beschikken, zijn virussen veel kleiner dan bacteriën of grotere organismen. De enige bekende, opvallende, uitzondering tot nu toe bekend is het mimivirus (en het verwante megavirus chilensis). Het mimivirus, dat in zijn eentje een complete groep vormt, heeft meer weg van een zwervende celkern dan van een virus en besmet de amoebe Acanthamoeba polyphaga. Anders dan alle andere bekende virussen tot nu toe, hebben deze twee virussen geen celkern nodig, waardoor onderzoekers in het veld veronderstellen dat het hier in feite om parasitaire celkernen gaat, m.a.w. een gedegenereerd parasitair organisme. De in Mimivirus gevonden genen komen namelijk qua functie in grote lijnen overeen met genen die ook in andere bekende organismen en virussen zijn gevonden. Ook is de hoeveelheid DNA in Mimivirus en Megavirus vergelijkbaar met die in een bacterie, rond het miljoen baseparen. Het ontstaan van Mimivirus lijkt hiermee goed te verklaren.
Een Pandora-virusdeeltje. Let op de karakteristieke kruikvorm. Bron: auteurs publicatie
Pandoravirus: onbekend DNA
Een nieuwe ontdekking, door het Franse echtpaar Jean-Michel Claverie / Chantal Abergel en hun medewerkers, bezorgt evolutionair microbiologen nu pas echt hoofdpijn. Het probleem met de twee ontdekte pandoravirussen, Pandoravirus salinensis (ontdekt in Chili) en Pandoravirus dulce (ontdekt in Australië, in, de naam zegt het al, amoeben in zoetwater) is niet dat ze twee keer zo groot zijn als zelfs het mimi- en megavirus, of dat ze over de dubbele hoeveelheid DNA, 1,9 tot 2,5 miljoen baseparen en rond de 2500 genen, beschikken. Het probleem is dat slechts zes procent van het in Pandoravirus voorkomende DNA overeenkomt met dat van andere organismen. Met andere woorden: Pandoravirus staat geheel buiten de drie bekende levensdomeinen van bacteriën, de bacterieachtige archeae en cellen met een celkern (eukaryoten).
Vierde levensdomein?
Er is slechts een opvallende overeenkomst. De enzymen die Pandoravirus produceert om DNA-strengen te bouwen, DNA polymerase, lijken vrij sterk op dit van mimi- en megavirus. Vandaar dat de ontdekkers van deze virussen voorstellen, net als Caetano-Anollés voor hen[2], om mimi-, mega- en pandoravirus in een nieuw, vierde, levensdomein onder te brengen. Omdat hun DNA structureel afwijkt van dat van bacteriën, archaeae en meercelligen, zou de gemeenschappelijke voorouder van ons met deze virusdeeltjes miljarden jaren in het verleden liggen. Wie weet bieden deze bizarre organismen ons eindelijk een kijk op hoe de eerste cel er uitgezien zou moeten hebben – of misschien waren er wel celkernen voordat er cellen waren en vormde de aarde één superorganisme.
Onderzoekers van de groep Astrobiologie van de universiteit van Cardiff troffen fossielen aan van een reeds lang geleden uitgestorven suborde van een groep micro-organismen, dinoflagellaten, in overblijfselen van een meteoriet die neer kwam in de provincie Polonnaruwa op Sri Lanka. Wickramasinhe en de zijnen, alsmede andere panspermisten worden door de mainstream wetenschappelijke orde weggezet als fantasten, maar nu begint dat te veranderen, door steun uit onverwachte hoek. Het leven blijkt, aldus statistische analyse, veel ouder te zijn dan de aarde. Wickramasinghe zal na decennia van hoon in zijn vuistje lachen.
Teergeur In de vroege avond van 29 december 2012 daalde een vuurbal neer boven de Sri Lankese provincie Polonnaruwa. Hete, gloeiende fragmenten regenden over het platteland en getuigen meldden de sterke geur van teer of asfalt. De lokale politiemacht verzamelde in de dagen daarna verschillende specimens van deze stenen en stuurde ze naar het Sri Lankan Medical Research Institute van het ministerie van Volksgezondheid in de hoofdstad Colombo. Na vastgesteld te hebben dat zich opmerkelijke structuren in de stenen bevonden, stuurden de ambtenaren van het onderzoeksinstituut de monsters naar de onderzoeksgroep van of astrobiologen aan de Cardiff University in Wales voor verdere analyse[1].
Er komen steeds meer aanwijzingen dat het leven van buiten op aarde terecht is gekomen.
‘Overblijfselen uit kometen’
De uitkomsten van deze tests zijn opmerkelijk te noemen. Volgens de mensen van Cardiff bevatten de stenen gefossiliseerde biologische structuren, ingebed in het rotsgesteente. Hun testen wijzen duidelijk uit dat de rotsmonsters niet door aardse micro-organismen zijn vervuild. Jamie Wallis van Cardiff University en zijn teamgenoten ontvingen in totaal 628 steenfragmenten, afkomstig van rijstvelden in het gebied. Slechts drie hiervan waren duidelijk meteorieten. Eén steen bleek een zeer lage dichtheid te hebben van onder de gram per kubieke centimeter (dus minder dicht dan water te zijn). De korst bleek gedeeltelijk gesmolten (gebruikelijk bij meteorieten die door de aardse atmosfeer zijn gereisd), bevatte bijna 4% koolstof en bevatte de nodige teerachtige koolwaterstoffen. Om deze reden denken Wallis en zijn teamgenoten dat de vuurbal een kleine komeet was of onderdeel van een opgebroken komeet.
Algen in kometen?
De meest opmerkelijke bewering is gebaseerd op een elektronenmicroscopische opname van structuren binnen de stenen. Volgens het team-Wallis laat één foto een koolstofrijk, stikstofarm, complex microfossiel zien van ongeveer 100 micrometer doorsnede die gelijkenis vertoont met een groep vrijwel geheel uitgestorven zee-dinoflagellaten (een groep algen). Een ander beeld toont een goed gefossiliseerde flagella (zweepstaart) van 2 micrometer doorsnede en 100 micrometer lengte. Dit wijst er volgens het team op dat de gefossiliseerde alg, waar deze flagella ooit deel van uitmaakte, in een micro-zwaartekrachtsomgeving met lage druk, zoals een komeet, is opgegroeid. Het lage stikstofgehalte wijst op een fossilisatie zeer lang geleden. Wallis and co. noemen het bewijs sterk en overtuigend. “This provides clear and convincing evidence that these obviously ancient remains of extinct marine algae found embedded in the Polonnaruwa meteorite are indigenous to the stones and not the result of post-arrival microbial contaminants,†aldus hun conclusie.
Bliksem
Critici denken dat deze verschijnselen zijn ontstaan door blikseminslag en dat de gesteenten dus een fulguriet vormen. Onzin, aldus Wallis en co. Volgens hen onweerde het in deze periode niet in de provincie Pollonaruwa. Ook zouden de temperaturen bij blikseminslag, rond de 1700 graden, weinig over hebben gelaten van biologische inhoud. Ook lijken de stenen niet op fulgurieten. Om dit dispuut definitief te beslechten zouden fulgurieten onder de elektronenmicroscoop moeten worden gelegd. Helaas kwam zowel het team-Wallis als de critici niet op deze gedachte.
Panspermie nog controversieel
Niettemin is het idee van panspermie veel te visionair voor de wetenschappelijke goegemeente, die om deze reden om nog veel meer bewijzen vraagt. Met de gedachte dat het leven in recordtempo ontstond, enkele tientallen miljoenen jaren vlak nadat de aarde het Late Heavy Bombardment had doorstaan en vervolgens 2 miljard jaar vrijwel stil bleef staan, hebben evolutiebiologen opmerkelijk genoeg minder moeite. Volgens Wallis en zijn team is panspermie, dus een verspreiding van het leven over het gehele zonnestelsel en ver daarbuiten, de meest logische verklaring. “The presence of fossilized biological structures provides compelling evidence in support of the theory of cometary panspermia first proposed over thirty years agoâ€. Een inzicht uit de koker van wijlen Fred Hoyle en teamlid Chandra Wickramasinghe, die beiden graag het wetenschappelijke establishment tegen de schenen schopten.
Terrestriële meteoriet?
Er zijn ook andere verklaringen, zoals die door Visionair.nl al eerder zijn beschreven. Zo kan dit een aardse meteoriet zijn, ontstaan toen de dinododende Chicxulub asteroïde of een van haar vernietigende voorgangers toesloeg en miljarden tonnen aards materiaal de interplanetaire ruimte in lanceerde. Hierop wijst de gelijkenis met de uitgestorven groep dinoflagellaten. Hopelijk was het team zo gis om de isotopenverhouding hierop te checken. Een andere optie is dat de structuren niet biologisch van aard zijn. En uiteraard kan het team ook uit een stel onwetenschappelijke oplichters en fantasten bestaan, de verklaring die zo lijkt het, het meest geliefd is onder de mainstream wetenschap.
Leven waarschijnlijk ouder dan de aarde
Sterk aanvullend bewijs wordt geleverd door statistische analyse. [2] Door Sharov en Gordon is gekeken naar de ontwikkeling van de grootte van het effectieve genoom (totale hoeveelheid DNA) als functie van de tijd. Hierbij bestudeerden ze de ontstaansdatum van de verschillende biologische hoofdgroepen en namen aan dat deze bij het ontstaan gemiddeld evenveel DNA bezitten als hun nakomelingen nu bezitten.
Het leven is onmogelijk complex voor het korte bestaan van de aarde.
Zij ontdekten een exponentieel verband met de tijd. Elke 375 miljoen jaar verdubbelt het gemiddelde genoom van groepen die dan hun oorsprong vinden, in omvang. Zo zijn de eenvoudigste (prokaryote, d.w.z. zonder celkern) bacteriën, waarvan rond de 3,5 miljard jaar geleden de oudste aangetroffen overblijfselen zijn gefossiliseerd, in het bezit van slechts enkele honderden genen. Pas 2,5 miljard jaar later begint de ontwikkeling van eukaryotisch en daarna meercellig leven. Daarna ging het snel: wormen, vissen en uiteindelijk zoogdieren en vogels. Allen met meer actief coderend DNA dan eerdere groepen. De auteurs veronderstellen daarom dat het leven veel ouder is dan de 3,5-3,8 miljard jaar waarvan de oudste sporen zijn aangetroffen.
Hoe kwam het leven op aarde terecht?
Tegenstanders van panspermie wijzen graag op de uitermate onaangename omstandigheden in de interstellaire ruimte, waar harde kosmische straling, vernietigende gammaflitsen en supernova’s weinig heel laten van bacteriën. Door astronomische ontdekkingen van de laatste tien jaar weten we nu dat dit te kort door de bocht is. De interstellaire ruimte wordt doorkruist met door een dikke ijslaag goed tegen gevaarlijke straling beschermde zwerfplaneten en ijsrijke planetoïden. Bacteriën kunnen hierin miljarden jaren overleven. Vooral kometen zijn interessant. Deze zijn zeer bros en vallen gemakkelijk uit elkaar. Bacteriën in een komeet kunnen hierdoor gemakkelijk in de atmosfeer van een planeet vrijkomen en als stofdeeltje neerdwarrelen.
Volgens de auteurs is het echter uitgesloten dat een buitenaardse beschaving de aarde heeft ingezaaid. Hiervoor was het heelal 3,8 miljard jaar geleden nog niet oud genoeg. We zijn daarom volgens het tweetal waarschijnlijk een van de eerste intelligente soorten van dit heelal.
Nu een onderzoek aan ribosomen de invloedrijke RNA-wereld hypothese een zware slag heeft toegebracht, komt er weer meer belangstelling voor alternatieve theorieën. Zoals de autokatalytische verzameling biogenese, een variant van de oersoeptheorie, die stelt dat alles begon met stofwisseling.
Deze fractal laat zien dat met enkele simpele regels zeer complexe uitkomsten mogelijk zijn.
Oersoep
Ook nu nog is de vraag hoe het leven is ontstaan en waar – op aarde of daarbuiten – onbeantwoord. Eén van de indringendste vragen is het ‘blinde horlogemaker’-dilemma: hoe kan een complex systeem als een levende cel compleet uit het niets ontstaan? Weliswaar is RNA in staat zichzelf onder zeer gunstige omstandigheden te kopiëren, de grondslag voor de RNA wereld hypothese, maar deze omstandigheden – een hoge concentratie zuivere RNA-nucleotiden (RNA-bouwstenen)- komen voorzover we weten alleen in laboratoria voor. Er moet dus een basissysteem zijn geweest dat de juiste ingrediënten bijeenbracht en bijeenhield, stellen de aanhangers van de verschillende oersoep hypotheses. Dat systeem bestaat uit een verzameling moleculen die zichzelf in stand houdt en uitbreidt. Een onder theoretici geliefde variant gaat bijvoorbeeld uit van een zwavel-ijzer systeem zoals dat zich in onderzeese zwavelwaterstofrijke bronnen vormt. Dit eenvoudige chemische proces kan de aandrijfbron zijn geweest waaromheen zich een complexe biochemie ging ontwikkelen.
Op het eerste gezicht lijkt een levende soep moeilijk voorstelbaar, maar in feite is dit precies wat er in een cel gebeurt, al zijn de moleculen in een cel hooggespecialiseerd. Zou het leven begonnen zijn als een soep met RNA-nucleotiden, aminozuren en ketens van aminozuren: eiwitten, die zich door chemische evolutie ontwikkelde tot een levensvatbare cel?
Autokatalytische verzameling Volgens één theorie kunnen groepen moleculen autokatalytische verzamelingen (Engels: autocatalytic sets) vormen. Een simpel voorbeeld is de autokatalytische Belousov-Zhabotinsky reactie, waarbij je meerdere chemische golven door het mengsel ziet gaan tot de chemische energie uitgeput is. Zie onderstaande video.
Video 4. Belousov-Zhabotinsky reaction
Het Belousov-Zhabotinsky systeem bestaat uit maar enkele chemicaliën dus is erg eenvoudig. Er zijn ook andere en ingewikkelder systemen bekend. Voorwaarde bij al deze systemen is dat deze chemisch ver uit evenwicht zijn.
Wiskundige verrassingen
Autokatalytische verzamelingen blijken ook wiskundig zeer interessant. Stuart Kauffman van de Amerikaanse Universiteit van Vermont in Burlington en enkele collega’s nemen een kijkje in de algemene wiskundige eigenschappen van autokatalytische verzamelingen. Hierbij kwamen ze tot een verbazingwekkende conclusie, met opmerkelijke gevolgen voor ons begrip van complexiteit, evolutie en emergentie. Om te beginnen tonen ze wiskundig aan dat een autokatalytische verzameling samengesteld kan zijn uit verschillende autokatalytische deelverzamelingen van verschillende types. Sommige van deze kunnen overlappen. Zo is een ecosysteem, bijvoorbeeld een mangrovebos, een autokatalytische verzameling die is samengesteld uit ontelbare organismen (ook weer autokatalytische verzamelingen van cellen, die ook weer uit autokatalystische celonderdelen bestaan… enfin). Je kan zeggen dat een mangrovebos zich verspreidt naar plekken waar de garnalenkwekers even wegblijven. Dit wisten we al uit de praktijk, maar nu is dat voor het eerst ook wiskundig aangetoond. Wat het domein meteen tot werkelijk onvoorstelbare reikwijdte oprekt.
Spontaan ontstaan van ingewikkelde structuren
De auteurs gaan door met te laten zien hoe evolutie kan werken op een enkele autokatalytische verzamelingen, wardoor er nieuwe autokatalytische verzamelingen ontstaan die onderling afhankelijk van elkaar zijn. Dit proces creëert een omgeving waarin nieuwe autokatalytische verzamelingen tot ontwikkeling kunnen komen. Zoals de organellen in een cel, bijvoorbeeld. Oftewel: een ingewikkelde organisatievorm ontstaat uit een eenvoudige organisatievorm. Emergentie in optima forma. Let wel, in een eenvoudig wiskundig systeem.
‘Complex leven wiskundig onvermijdelijk’
Interessant hier is dat het hier gaat om een abstract-wiskundige analyse. Hierin is aangetoond dat letterlijk elk denkbaar systeem dat de wiskundige structuur van een autokatalytische verzameling heeft, zich tot complex systeem al ontwikkelen. Onafhankelijk van de onderliggende aard. Met andere woorden: dit proces kan zich in principe voordoen in een chemische soep, in een computer, in een verzameling mensen, in (immers non-lineaire) zwaartekrachtsvelden of in de elektromagnetische wervels rond een pulsar. Als er maar sprake is van een autokatalytische verzameling, dus elementen die samen een stabiel, zichzelf in standhoudend systeem vormen. En inderdaad, chemici hebben chemische autokatalytische verzamelingen ontdekt die zich precies zo gedragen. Die elementen kunnen zelf ook weer complex zijn, zoals (door Kaufmann c.s. genoemd) bacteriën.
Economie als zich evoluerende autokatalytische verzameling
Ook onze economie is in feite een autokatalytische verzameling waarin grondstoffen wordnen getransformeerd ot eindproducten, die weer nieuwe mogelijkheden en nieuwe recombinaties opleveren. Wat een opmerkelijk inzicht oplevert. Kan één en hetzelfde idee, de wiskundige formulering van emergentie, sterk uiteenlopende systemen als cellen, economieën en wellicht zelfs kosmische evolutie verklaren? Kaufmann en zijn medeauteurs zeggen met een milde vorm van understatement, dat ze denken dat deze ideeën het waard zijn verder onderzocht en uitgewerkt te worden. Dit betekent dat het domein waarin we naar leven kunnen zoeken, enorm wordt uitgebreid. Werkelijk alle systemen waarin zich voldoende complexe autokatalytische verzamelingen kunnen vormen, vormen een denkbare bakermat voor levensvormen.
RNA is ouder dan DNA, denken de meeste evolutiebiologen. Maar wat kwam er voor RNA? Misschien een nieuw type nucleïnezuur: TNA.
DNA: biologisch geheugen
De ontdekking van DNA door Watson en Crick verklaarde veel raadsels. Zo is nu bekend waarom genetische eigenschappen nooit ‘verwateren’ (er zijn geen erwten die half-kreukzadig zijn) maar een binair karakter hebben. Elk gen bevindt zich op een sliert DNA, die is verbonden aan een aanvullende sliert: de bekende DNA helix. Toch kon DNA onmogelijk de oorsprong van het leven hebben gevormd. DNA op zichzelf kan biochemisch gezien namelijk vrijwel niets, behalve dan spontaan recombineren met een bijpassend stuk DNA.
Om DNA te ‘lezen’ bestaat er daarom een bonte menagerie aan enzymen, waaronder DNA transcriptase, dat DNA vertaalt in messenger-RNA. Dit messenger-RNA is de ‘blauwdruk’ waarmee uiteindelijk eiwitten worden gebouwd.
We weten vrijwel niets van de omgeving waarin het eerste leven zich gevormd heeft. Bron: NASA
‘RNA was voorganger DNA’
Een ander zeer essentieel onderdeel van een cel, dan dan ook in letterlijk elke levende cel voorkomt, is het ribosoom. Ribosomen bestaan opmerkelijk genoeg vrijwel geheel uit RNA (voluit: ribonucleïnezuur). Dit RNA leest stukken messenger-RNA en vertaalt deze, codon voor codon, in een eiwit. RNA dat RNA leest en vertaalt. En: er zijn naast ribosomen ook andere ribozymen, enzymen dus die niet uit eiwit bestaan maar uit RNA. Dit maakt RNA een ijzersterke kandidaat voor het vooroudermolecuul. Pas in een later stadium ontstond DNA, als stabielere opslag voor informatie. Geen wonder dat de RNA-wereld hypothese veel aanhangers heeft. Het is verreweg de meest overtuigende hypothese.
Zwakke punten RNA-wereld hypothese
Toch kent ook de RNA-wereld hypothese zwakke plekken. RNA is weliswaar biologisch actief,maar het is ook chemisch instabiel. RNA blijft zelden langer dan een dag intact. Ter vergelijking: op dit moment worden er experimenten gedaan die tot doel hebben diepgevroren mammoeten, waarvan het DNA tienduizenden jaren oud is, weer tot leven te wekken. Er moet dus een mechanisme hebben bestaan om RNA te beschermen tegen afbraak. Of… misschien was er een ander op RNA lijkend molecuul dat niet te lijden had onder dit zwakke punt.
Een dergelijk molecuul is nu gevonden.
RNA bestaat uit suikers, die d.m.v. fosfaatgroepen aan elkaar zitten. Aan elke suiker zit een 'letter', een nucleobase, die de informatie draagt. Bron: Wikipedia
DNA, RNA… TNA
DNA en RNA bestaan uit een keten van nucleïnezuren. Chemisch gezien bestaan deze uit een suikermolecuul waaraan een variant van een koolstof-stikstofring (nucleobase) hangt. De nucleobases dragen de informatie, de suikermoleculen, met fosfaatgroepen aan elkaar gekoppeld, vormen de keten. Het verschil tussen DNA en RNA ligt in de suiker: deze is bij RNA ribose, bij DNA desoxyribose (ribose met een zuurstofatoom minder). Er zijn nog meer varianten, die alleen in het lab voorkomen. Een daarvan is TNA. Dit heeft threose (een andere suiker) in plaats van ribose of desoyribose.
Volgens John Chaput van Arizona State University in Tempe is het belangrijkste voordeel,evolutionair gesproken, dat threose een kleiner en simpeler molecuul is dan ribose of deoxyribose, wat het makkelijker maakt om TNA te vormen.
TNA-enzym?
TNA blijkt ook een ander kunstje te beheersen waarvan tot nu toe werd aangenomen dat alleen RNA dit kon: zichzelf in een driedimensionale vorm opkrullen en zich aan een specifiek eiwit vastklampen, een noodzakelijke eerste stap om een chemische reactie te beïnvloeden. Chaput en zijn groep namen een bibliotheek van TNA’s en lieten ze evolueren in aanwezigheid van een eiwit. Na drie generaties ontstond een TNA-keten die een complexe opgevouwen structuur had en zich aan het eiwit kon binden.
Toch is de kans klein dat er iets als een TNA-wereld heeft bestaan. De chemische omgeving van de vroege aarde (of een andere plaats waar het leven is ontstaan) was zo chaotisch dat TNA niet uit zichzelf kon zijn ontstaan. In 2008 werd een onderzoek gepubliceerd waarin nucleïnezuren in een meteoriet werden beschreven, maar het ging hier slechts om bouwstenen van nucleïnezuren, niet de combintie van suiker + base en tot overmaat van ramp was hun concentratie erg klein. Chaput denkt daarom dat er een grote variëteit aan nucleïnezuren is ontstaan en dat deze alle met elkaar interacteerden. Een reageerbuis zo groot als de aarde dus.
Mozaïek-nucleïnezuren
Volgens een andere studie, deze keer van Nobelprijswinnaar Jack Szostak van Harvard University en zijn groep, kunnen ook mozaiekmoleculen bestaande uit DNA en RNA zich aan bepaalde moleculen binden. Kortom: ook in een chaotisch mengsel zouden zich in principe enzymen kunnen vormen. Wel is er een uiterst sterk tegenargument. We hebben in geen enkel organisme andere nucleïnezuren aangetroffen dan DNA of RNA.
Wat niet wil zeggen dat dergelijke organismen niet denkbaar zijn op exoplaneten of in deep space. En we weten nog maar weinig van de biochemie van TNA. Immers, de technieken om deze moleculen te laten evolueren zijn erg nieuw, aldus Chaput. Bovendien: we weten nog veel minder van de exacte omstandigheden op aarde, meer dan vier miljard jaar geleden. Wie weet zijn er ook nucleïnezuren die specifiek geschikt zijn voor hogere of veel lagere temperaturen. Dit zou de mogelijkheden voor het ontstaan van leven fors vergroten.
Volgens steeds meer biologen leefde er drie miljard jaar geleden een onsterfelijk superorganisme dat de oceanen van de aarde vulde: de voorouder van alle leven op aarde. Tot het superorganisme in drieën splitste.
Levende oceanen
De meest geliefde science fiction film onder wetenschappers ooit is Solaris, gebaseerd op een roman van SF-schrijver Stanislav Lem over een mysterieuze planeet waarvan de oceaan één enkele levende oceaan vormt. Lem blijkt over opmerkelijke profetische gaven te hebben beschikt. De aarde had drie miljard jaar geleden veel weg van een superorganisme.
Het oppervlak van de planeet Solaris uit de gelijknamige SF-roman van Stanislaw Lem bestaat uit een enkele levende oceaan. De aarde drie miljard jaar geleden had hier veel van weg. Luciano Mendez (Wikimedia COmmons), CC-BY-SA 4.0
DNA-computer produceerde levenvatbare cel
Alle leven op aarde bestaat uit cellen (virussen kunnen zich zonder cel niet vermenigvuldigen). Al deze cellen hebben bepaalde gemeenschappelijke kenmerken, waardoor biologen vermoeden dat LUCA, voluit Last Universal Common Ancestor, zoals de laatste gemeenschappelijke voorouder heet onder evolutiebiologen, deze kenmerken ook had. Dit organisme, zo lijkt het, was niet één enkele cel maar bestond uit een levende oceaan. Een levende oersoep zo groot als een planeet, die zich uiteindelijk in de drie oerkoninkrijken van het leven splitste: bacteriën, archaeae en cellen met een celkern (waaronder die van mensen). De laatste onderzoeksresultaten versterken het beeld dat drie miljard jaar geleden cellen lukraak erfelijk materiaal uitwisselden om te overleven. Cellen concurreerden niet maar wisselden voortdurend DNA uit om zo aan nuttige onderdelen te komen. Hierdoor ontstond een wereldomvattend mega-organisme, een gigantische DNA- of RNA-computer met maar één opdracht: produceer een succesvolle, levensvatbare cel.
De Grote Splitsing van 2,9 miljard jaar geleden
2,9 miljard jaar geleden splitste LUCA in drieën: de al genoemde bacteriën, de bacterieachtige archaeae en eukaryoten: cellen met een celkern. Er bestaat nauwelijks fossiel bewijsmateriaal uit deze tijd en drie miljard jaar is zo lang dat door mutaties van genen uit die tijd niet meer veel is overgebleven. Gelukkig is er een andere methode. De functie van eiwitten hangt sterk af van hun structuur. Eiwitten hebben, denkt Gustavo Caetano-Anollés van de University of Illinois at Urbana-Champaign, daarom een vorm die nauwelijks verandert. Dus hoewel de volgorde van aminozuren nu totaal anders is dan toen, hadden de eiwitten van LUCA ongeveer dezelfde vorm als ze in bacteriën, archaeae en eukaryoten hebben. En kunnen we daaruit afleiden wat LUCA ongeveer kon. Al kan er natuurlijk iets als parallelle evolutie hebben plaatsgevonden in alle drie groepen tegelijk. Ongeveer vijf tot elf procent van de structuren die hij in een database van 420 organismen vond, waren universeel, m.a.w. horen waarschijnlijk in LUCA thuis[1].
LUCA kon geen DNA maken en lezen
Caetano-Annolés ontdekte iets zeer vreemds. LUCA beschikte over veel enzymen, waaronder enzymen om energie uit voedingsstoffen te halen en om eiwitten te maken. Ook kon LUCA zowel koolstofverbindingen als nitraten als energiebron gebruiken. Ook had LUCA een bepaald type organel, een acidocalcisoom (dat komt namelijk in alle drie groepen van het leven voor, in een iets verschillende vorm). Echter, één ding ontbrak. Enzymen om DNA-moleculen te bouwen en te lezen. Klaarblijkelijk werkte LUCA niet met DNA, maar met iets heel anders. Hierbij komt nog een andere ontdekking. Onderzoeker Armen Mulkidjanian van de universiteit van Osnabrück in Duitsland ontdekte dat LUCA waarschijnlijk alleen ‘lekkende’ isopreenachtige membranen kon bouwen.
‘LUCA had RNA in plaats van DNA’
LUCA was waarschijnlijk een progenoot: een organisme zonder duidelijk genoom. Stukjes RNA zweefden in de cel en werden lukraak vertaald in eiwitten – dat laatste niet al te nauwkeurig. Pas lang na de splitsing ontstonden er biochemische systemen om het vertalen van genen in eiwitten foutloos te maken. Caetano-Anollés veronderstelt dat de eerste cellen hun genen en eiwitten moeten hebben gedeeld om te kunnen overleven. Nuttige genen explodeerden in aantal en verspreidden zich over de hele aardbol.
Wereldwijd genetisch internet
Een cel die zich afsloot voor dit biochemisch-genetische ‘internet’ was gedoemd uit te sterven, omdat de cel teveel fouten maakte. De lekkende membranen van LUCA vergemakkelijkten dit delingsproces. Ook nu nog zijn er gevallen bekend van totaal verschillende organismen die stukken DNA delen. Pas toen cellen geheel zelfvoorzienend werden, was het uitwisselsysteem niet meer nodig. Dit gebeurde rond de tijd dat de eerste sporen zuurstof in de atmosfeer ontstonden, 2,9 miljard jaar geleden.
Wat was de rol van virussen?
Dit roept een gedachte in me op. Ook nu nog zijn er (zeldzame) gevallen bekend van genen die van de ene soort naar de andere overspringen, van een grassoort naar een niet-verwante andere grassoort bijvoorbeeld. Hiervoor is een virus verantwoordelijk. Mogelijk waren er ook in die tijd al een vorm van virussen, die mee-evolueerden met LUCA. Zouden deze virussen zich hebben ontwikkeld uit het mechanisme waarmee LUCA genen uitwisselde?
