ontstaan van het leven – Pagina 2

Zonder een maan hadden we nooit dit plaatje kunnen zien, maar had zich wel een mensachtige soort kunnen ontwikkelen.

‘Ook planeet zonder grote maan levensvatbaar’

Laat een reactie achter / Wereld, Wetenschap / Door Germen Roding / 19 november 2011 19 november 2011

Ook planeten zonder grote maan zijn stabiel genoeg om in evenwicht te blijven, zo blijkt uit nieuwe berekeningen. Dit maakt de kans op buitenaards leven een stuk groter.

‘Maan beschermt tegen Jupiter’
In 1993 toonde Jacques Laskar van de sterrenwacht van Parijs aan dat de maan hielp de hellingshoek van de aardse rotatieas te stabiliseren tegen verstoringen door de zwaartekrachtsveld van de gasreus Jupiter, verreweg de grootste planeet in het zonnestelsel. Volgens Laskar en zijn medeauteurs zou de draaiingsas van de aarde zonder de stabiliserende invloed van de maan, wild gaan schommelen tussen 0 en 85 graden[1].

Om een indruk te geven: in dat laatste geval staat de aarde op zijn kant en staat hartje zomer de zon loodrecht boven de noordpool. Dit zou zo enorm sterke klimaatschommelingen opleveren (zeg maar gerust: tropische zomers en Antarctische winters), dat levensvormen hoger dan bacteriën, vooral grote landbewonende organismen als wij, ernstig in de problemen zouden komen.

Veel astronomen concludeerden hieruit dat complex leven zeldzaam is in het universum. Immers, de aarde is de enige planeet met een in verhouding zo grote maan. De botsing tussen een protoplaneet zo groot als Mars en de aarde leverde uiteindelijk de maan op (de maantjes van Mars, in ieder geval zeker Deimos, zijn ingevangen planetoïden). Minder dan tien procent van alle aardachtige planeten zal een dergelijke ingrijpende gebeurtenis meemaken en een grote maan opleveren.

Wat is precessie?

De aarde maakt drie bewegingen: het draaien om de as dat het dag-nacht ritme veroorzaakt, de omloop om de zon en nog een derde, minder bekende beweging: de precessie. Als een enorme tol waggelt de aarde heen en weer in een ritme van 26 000 jaar, zie het filmpje. Daarom is voor ons Polaris de poolster, terwijl voor de oude Egyptenaren van 3000 vC de ster Thuban in het sterrenbeeld Draco de poolster was. Zonder maan, aldus het artikel in 1993, zou het wiebelen langzamer gaan, waardoor Jupiters zwaartekrachtseffect zou resoneren met de wiebel en versterkt zou worden. De aarde zou hierdoor totaal uit het lood schieten.

Ook zonder maan vier miljard jaar evenwicht
Laskar berekende echter niet hoe lang het zou duren voor dit effect zou optreden. Astronoom Lissauer deed dat wel met zijn team. Nu is dat ook makkelijker, de computers nu zijn stukken beter en sneller dan in 1993. Hij simuleerde met zijn collega’s een maanloze aarde gedurende meer dan vier miljard jaar. Met opvallend resultaat. De hellingshoek van de planeet schommelde ‘slechts’ tussen tien en vijftig graden. Er waren zelfs langere perioden, tot een half miljard jaar, waarin de hellingshoek stabiel bleef tussen 17 en 32 graden[2] (nu is deze 23 graden; hoe sterker de hellingshoek, hoe heftiger de seizoenen). De veranderingen kunnen natuurlijk veel groter zijn in periodes groter dan vier miljard jaar. Dit is echter niet zo relevant voor levensvormen op de planeet, want erg veel langer dan vijf tot zes miljard jaar blijft een planeet die rond een zonachtige ster draait niet bewoonbaar. Ook is het de vraag of grote manen altijd gunstig werken. Het kan namelijk ook zo zijn dat een grote maan juist zorgt dat een planeet in resonantie komt met de gasreus. De groep is nu bezig met het bestuderen van afwijkende zonnestelsels.

Bronnen
1. Laskar et al., Stabilization of the Earth’s obliquity by the Moon, Nature (1993)
2. Lissauer et al., Obliquity variations of a moonless Earth, Icarus (2011)

De oercel blijkt veel complexer te zijn geweest dan we tot nu toe dachten.

Oercel veel complexer dan gedacht

3 reacties / Wetenschap / Door Germen Roding / 6 oktober 2011 6 oktober 2011

Tot voor kort dachten wetenschappers dat LUCA, de gemeenschappelijke voorouder van alle levende organismen, een zeer primitieve cel is zonder geavanceerde biochemie. Als het al een cel was. Fout. Onze gemeenschappelijke voorouder blijkt een volwaardige bacterie-achtige cel te zijn geweest met alles er op en er aan. Nog een aanwijzing voor panspermie?

LUCA is niet alleen een Italiaanse voornaam, maar ook een afkorting voor de Last Universal Common Ancestor, de laatste gemeenschappelijke voorouder van alle leven op aarde. De oercel dus. Tot dusver was de aard van de oercel in nevelen gehuld. Veel onderzoekers speculeerden dat de gemeenschappelijke voorouder van mens, purperbacterie en zeester, een bolletje chemische soep was, in staat tot celdeling, met wat hopeloos primitieve enzymen maar niet veel meer. Volgens sommige onderzoekers was er niet eens een cel en is deze later pas ontstaan.

Zoals wel vaker in de wetenschap, keken onderzoekers tot nu toe verkeerd. Nieuw onderzoek, gepubliceerd in het peer-reviewed Biology Direct, toont aan dat LUCA een stuk geavanceerder was dan tot nu toe gedacht, kortom ondubbelzinnig een echte, werkende cel. Hierbij bestudeerden ze een tot nu toe verwaarloosd onderdeel van levende cellen: het acidocalcisoom, een gebiedje met een hoge concentratie polyfosfaat, een type energieopslagmolecuul in cellen. Volgens de onderzoekers is dit opslaggebiedje met polyfosfaat universeel. Het komt voor bij zowel bacteriën (die geen celkern hebben), archeae (bacterieachtige eencelligen, ook geen celkern) en eukaryoten: wezens met een celkern (d.w.z. mensen en alle andere meercellige (en veel eencellige) dieren, planten en schimmels). Kortom: de gemeenschappelijke voorouder van bacteriën, archeae en ons moet dit gebiedje ook gehad hebben.

In de studie wordt de evolutionaire geschiedenis van een eiwitenzym, vacuolar proton pyrophosphatase, of V-H+PPase, uitgeplozen. Dit enzym komt voor in de acidocalcisomen van bacteriën, archeae en eukaryoten. Een enzym bestaat uit een reeks aminozuren. Door mutaties verandert de volgorde en samenstelling van deze aminozuren. Hiervan maakten de onderzoekers gebruik door te kijken welke enzymen het meeste op elkaar lijken, en welke organismen dus het meeste met elkaar verwant zijn. Dit deden ze met honderden verschillende organismen. Hun software genereerde aan de hand van gelijkenis van het DNA een soort boomstructuur die als twee druppels water lijkt op de ’tree of life’ zoals we die kennen. Bacteriën, archaeae en eukaryoten, die samen de drie takken van de boom des levens vormen, hadden inderdaad elk een hoofdvariant van dit enzym. Deze drie hoofdvarianten blijken echter alle een gemeenschappelijke oorsprong te hebben. De meest voor de hand liggende verklaring: de oercel LUCA beschikte al over V-H+PPase toen deze zich splitste in de voorouders voor bacteriën, archaea en eukaryoten, aldus Gustavo Caetano-Anollés, medeauteur en hoogleraar landbouwgewassen van de universiteit van Illinois. Dit is ook het enige organel voorzover bekend, dat in alle drie levensdomeinen voorkomt en dus universeel is. Als we ribosomen even buiten beschouwing laten, uiteraard.

“Deze studie doet vermoeden dat LUCA complexer was dan de eenvoudigste organismen anno nu,” aldus James Whitfield, professor entomologie van dezelfde universiteit en co-auteur. Evolutiebioloog Gold en anderen hebben al gesteld dat evolutie vaak ook degeneratie betekent. Mogelijk hebben zich uit LUCA eenvoudiger afstammelingen ontwikkeld. LUCA was dus complexer dan veel bacteriën en archeae die vandaag de dag bestaan. Een inspirerende gedachte. Een complexe voorouder die vrij snel nadat de aarde leven kon bevatten, al opdook. Hoe kan deze zo snel geëvolueerd zijn? Kortom: dit maakt het pleit voor panspermie een stuk sterker.

Bronnen:
Gustavo Caetano-Anollés et al., Evolution of vacuolar proton pyrophosphatase domains and volutin granules: clues into the early evolutionary origin of the acidocalcisome, Biology Direct 2011

Er zijn octopussen die slimmer zijn dan de meeste zoogdieren. En een centraal zenuwstelsel evolueerde meerdere keren achter elkaar. Is intelligentie niet zo uitzonderlijk als we tot nu toe dachten?

Intelligentie onvermijdelijk

2 reacties / Wetenschap / Door Germen Roding / 19 september 2011 19 september 2011

Tot vier keer toe heeft zich onafhankelijk van elkaar een zenuwstelsel in een weekdier ontwikkeld, ontdekten onderzoekers. Is intelligentie veel ‘gewoner’ dan we tot nu toe dachten?

De wijze, wijze mens (homo sapiens sapiens) is volgens zichzelf de slimste levensvorm op de planeet. Weliswaar hebben grote walvisachtigen en olifanten veel zwaardere hersenen dan wij en geven ze af en toe blijk van geestelijke vermogens die we doorgaans alleen aan onze soort toekennen, maar we zien onszelf graag als de kroon op de schepping, het eindproduct van bijna vier miljard jaar moeizame evolutie.
Dat beeld blijkt echter niet te kloppen.

Er zijn twee grote diergroepen op aarde die zich tot grote, complexe schepsels kunnen ontwikkelen. Aan de ene kant is dat onze groep, de gewervelden of, als we wat ruimhartiger zijn, de chordata (chordadieren). Aan de andere kant zijn dat de molluscae, de weekdieren, die radicaal van onze groep verschillen. Opmerkelijk genoeg zijn de slimste weekdieren, octopussen, ongeveer zo slim als een primaat (een aapachtige). Onafhankelijk van elkaar heeft zich dus in twee verschillende groepen intelligentie ontwikkeld. Onderzoekers hebben nu ontdekt, dat bij weekdieren zich maar liefst vier keer, onafhankelijk van elkaar, een centraal zenuwstelsel heeft ontwikkeld.

Tot voor kort dachten onderzoekers dat koppotigen zoals octopussen afstamden van slakken. Slakken hebben namelijk een bundel zenuwcellen die in sommige soorten verknoopt is tot een soort primitief brein. Octopussen werden door onderzoekers gezien als de natuurlijke doorgeëvolueerde soort, waarbij het primitieve brein is uitgegroeid tot een indrukwekkende hoeveelheid zenuwcellen en het dier in staat is tot probleemoplossing en gereedschappen te gebruiken. Een mooie theorie, die, zo blijkt uit DNA-analyse, niet klopt. De vier takken weekdieren waarbinnen een centraal zenuwstelsel voorkomt, lijken dit volkomen los van elkaar te hebben ontwikkeld. Slakken blijken meer verwant aan niet bijster intelligente schepsels als oesters en mossels, terwijl koppotigen al veel eerder afgesplitst zijn.

De vier groepen met een onafhankelijk geëvolueerd centraal zenuwstelsel zijn de octopus de zoetwaterslakkenfamilie Helisoma, Tritonia (een geslacht van felgekleurde zeeslakken) en Dolabrifera, een wat minder opvallend geslacht zeeslakken.

De gevolgen zijn opwindender dan de levensloop van de gemiddelde mossel of slak. Klaarblijkelijk heeft intelligentie zich meerdere keren los van elkaar ontwikkeld. Sterker nog: klaarblijkelijk betekent een bepaalde biologische complexiteit dat de kans dat een soort zich tot intelligente soort ontwikkelt, groot is. Misschien bestaat er een evolutionaire wapenwedloop waarbij een ingewikkeld ecosysteem betekent dat een dier voldoende slim moet zijn om te kunnen overleven. Inderdaad is ontdekt dat na de val van het communisme in Oost-Europa, toen er grote en snelle veranderingen optraden in de woongebieden van mensen en dieren werden blootgesteld aan veel ingewikkelder prikkels, vooral de intelligentste vogelsoorten zich uit hebben gebreid ten koste van de ‘dommere’ soorten[2].

Lees ook: Kunnen intelligente octopussen een beschaving vormen?

Bronnen
1. Kevin M. Cokot et al., Phylogenomics reveals deep molluscan relationships, Nature Letters (2011)
2. Reif, J., BÃ¶hning-Gaese, K., Flade, M., Schwarz, J., Schwager, M. Population trends of birds across the iron curtain: Brain matters. Biological Conservation, 2011

IJs-XI is door zijn zeer regelmatige kristalvorm sterk ferroelektrisch.

‘Elektrisch ijs leidde tot vorming planeten’

4 reacties / Wetenschap, Zonnestelsel / Door Germen Roding / 25 augustus 2011 25 augustus 2011

Het ijs dat wij uit de vriezer en de Elfstedentocht kennen is elektrisch neutraal. Er zijn echter vele anderen soorten ijs, waaronder elektrisch ijs, ijs-XI. Deze vreemde vorm van water is veel taaier en komt veel meer voor dan tot nu toe gedacht en kan wel eens een belangrijke rol hebben gespeeld in de manier waarop ons zonnestelsel zich heeft gevormd. En, nog interessanter, zelfs leven.

Herbergt Antarctica behalve miljoenen pinguïns, ook elektrisch ijs?

Elektrisch ijs-XI bij zeer lage temperaturen op Antarctica?
Zuurstof trekt elektronen veel sterker aan dan waterstof. Een enkel molecuul water kent een positieve kant – de waterstofkant – en de negatieve zuurstofkant. Dit maakt water één van de merkwaardigste substanties in het universum. Zo zijn er meer dan tien verschillende soorten ijs. Het ijs dat we uit het dagelijks leven kennen, ijs-1h, is zo geordend dat de waterstofatomen random door elkaar zijn geplaatst. Als gevolg hiervan is ijs elektrisch neutraal. Als ijs wordt afgekoeld tot een ijzige zestig kelvin (-213,15 graden Celsius), dan gaan de waterstofatomen zich netjes in een regelmatig patroon schikken. In dit perfect regelmatige kristal, onder wetenschappers bekend als ijs-XI of elektrisch ijs, zijn er duidelijke gebiedjes met positieve en negatieve lading.

Door die polarisatie klontert ijs-XI veel sneller samen dan ‘normaal’ ijs, namelijk door statische elektriciteit. Als het vroege zonnestelsel veel ijs-XI bevatte, zouden planetenbeginsels veel sneller gegroeid zijn dan tot nu toe voor mogelijk wordt gehouden. Elektrische aantrekking is bij kleine objecten namelijk vele ordes van grootte sterker dan zwaartekrachtsaantrekking. Ook kan elektrisch ijs organische verbindingen aantrekken, wat tot het ontstaan van complexe moleculen en uiteindelijk leven kan leiden. Sommigen beweren dat op Antarctica dit elektrische ijs voorkomt, maar deze claim is omstreden. Wel zijn astronomen er van overtuigd dat het geheimzinnige goedje veel voorkomt in de cryogene leegten van de Kuipergordel en de Oortwolk.

IJs-XI laat zelfs na ‘smelten’ tot gewoon ijs geheugenafdruk achter

In 2006 produceerden Masashi Arakawa en zijn collega’s ijs-XI in het lab bij een temperatuur tussen de 57 en 66 kelvin. Dit zijn de temperaturen op de ijsreus Uranus en zijn manen. Dit temperatuurbereik is te klein om genoeg ijs-XI te hebben gevormd voor een belangrijke rol in de vorming van planeten. Althans: dat dacht men tot nu toe. IJs-XI blijkt veel taaier dan tot nu toe gedacht. Om te beginnen kunnen kleine stukjes ijs-XI grote hoeveelheden ‘normaal’ ijs in zichzelf omzetten. Arakawa’s groep koelde huis-tuin- en keuken ijs af tot zestig kelvin, waarna zich ijs-XI vormde. Ze verwarmden het daarna tot honderd kelvin zodat het weer in ‘normaal’ ijs veranderde. Daarna koelden ze het ‘gewone’ ijs weer af.

Nu gebeurde er iets vreemds. IJs-XI vormde zich al bij 72 kelvin. Vreemd genoeg bleef standaardijs standaardijs bij 72 kelvin. Onderzoekers denken dat de oorzaak ligt in nanogebiedjes met ijs-XI die de hogere temperatuur overleven. Verdere experimenten toonden zelfs aan dat de nanogebiedjes overleven tot 111 kelvin. IJs-XI zou dus wel eens veel meer in de ruimte kunnen voorkomen dan tot nu aangenomen.

Erg snel gaat die omzetting overigens niet bij die extreem lage temperaturen. Zuiver waterijs kan er duizenden jaren over doen om omgezet te worden in ijs-XI. Arakawa speelde daarom vals met een natriumoplossing. Natrium komt niet erg veel voor in de ruimte, maar mogelijk kunnen ook andere, vaker voorkomende substanties als methaan of ammoniak de vorming van ijs-XI katalyseren. Tijd voor een volgend experiment dus…

Lees ook: Eendimensionaal elektrisch ijs geproduceerd, ‘Leven begonnen in ijs’

Bron:
New Scientist

Zouden er op ijsplaneten dit soort bizarre ijswormen leven? Er is in ieder geval een goede kans dat wij een ijzig verleden hebben.

‘Leven begonnen in ijs’

1 reactie / Visionaire vragen, Wereld, Wetenschap / Door Germen Roding / 17 augustus 2011 18 augustus 2011

In de bekende levensvormen anno nu slaat het DNA de informatie op en doen eiwitten het werk. De meeste wetenschappers zijn het er over eens dat het eerste leven ontstond uit RNA. RNA kan namelijk zowel informatie opslaan als iets ‘doen’. Maar waar kwam RNA vandaan? RNA is namelijk niet erg stabiel. Volgens biochemicus Holliger is er maar één logische verklaring.

Wat is RNA?
RNA is minder bekend dan DNA. RNA vervult in onze cellen de rol van ‘kladpapier’ dat van DNA wordt gekopieerd en vervolgens weer wordt vertaald, in eiwitten deze keer. Ook het celonderdeel dat RNA vertaalt in eiwitten, het ribosoom, bestaat zelf bijna helemaal uit RNA.
RNA is dus heel erg belangrijk, want zonder RNA zou ons DNA niet gelezen kunnen worden. Nu is het bijzondere aan RNA dat het zowel informatie bevat (zoals DNA) en als enzym kan werken (zoals een eiwit). Een molecuul dat zowel informatie draagt als iets kan doen is uiteraard de ideale kandidaat om de oorsprong van het leven te zijn.

Bezwaren tegen RNA: molecuul leeft erg kort
DNA blijft tienduizenden jaren goed. Daarom kan er zelfs nu nog DNA van Egyptische mummies, Neanderthalers en mammoeten worden gevonden en willen sommige onderzoekers proberen de mammoet weer tot leven te wekken. Dat geldt niet voor RNA. Het molecuul houdt het niet langer dan enkele uren tot dagen uit. Dat is uiteraard niet erg handig voor een proto-levensvorm. Sommige onderzoekers gebruiken dit argument om de RNA-wereld hypothese naar hartenlust af te branden.

Andere onderzoekers zijn bezig omstandigheden te verzinnen waaronder RNA wel lange ketens kan hebben gevormd die stabiel genoeg waren om zich tot een vorm van protoleven te ontwikkelen. In één theorie ligt de wieg van het leven in ijs. Bij temperaturen rond het vriespunt bestaat RNA namelijk veel langer dan op kamertemperatuur.

Is het leven in ijs ontstaan?
Als water bevriest, klitten de watermoleculen samen om zuiver ijs te vormen. De opgeloste stoffen, zoals RNA, worden geconcentreerd in het water dat overblijft. In een experiment voegde biochemicus Holliger een ribozym (een RNA-enzym) toe aan een ‘oerbrouwsel’ van RNA-nucleotiden (‘bouwstenen’ van RNA). Hij ontdekte dat het ribozym veel langer actief bleef in de ijzige omgeving. In het ijs kan zich mogelijk een soort Darwinistische evolutie tussen verschillende RNA-strengen hebben ontwikkeld, waarbij uiteindelijk sommige strengen er in slaagden om samen te werken en een primitieve celwand te vormen. Pas op het moment dat het leven er in slaagde DNA te ontwikkelen, konden hete, minder gastvrije omgevingen worden gekoloniseerd. Dat laatste overigens met succes. Er zijn nu levensvormen die tot boven de honderd graden kunnen leven.

Bronnen
Olexandr Isayev, Cold start of Life: Ice as a protocellular medium for RNA replication (2010)
Attwater, J., Wochner, A., Pinheiro, V., Coulson, A., & Holliger, P. (2010). Ice as a protocellular medium for RNA replication Nature Communications, 1 (6), 1-8 DOI: 10.1038/ncomms1076

Een quasar. Het zwarte gat in het centrum zuigt een enorme draaikolk gas aan.

‘Kosmische oceaan ontdekt’

Laat een reactie achter / Ideeën en techniek, Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 22 juli 2011 23 juli 2011

Rond een verre quasar, de actieve kern van een jong melkwegstelsel, is een enorme hoeveelheid water ontdekt van honderdduizend zonsmassa’s. Deze hoeveelheid water stelt alle oceanen op aarde totaal in de schaduw. Zou zich hier leven hebben kunnen ontwikkelen? En zou er galactische panspermie zijn geweest?

Quasars: onvoorstelbare energiebronnen

Op het moment dat het licht de quasar verliet, twaalf miljard jaar geleden, was het heelal ongeveer anderhalf miljard jaar oud. Astronomen troffen zelden zo’n waterrijke omgeving rond een quasar aan. Een zoveelste demonstratie van de alomtegenwoordigheid van water in het universum, aldus astrofysicus Matt Bradford, als onderzoeksleider betrokken bij het onderzoek.

Een quasar is in feite een enorm groot zwart gat in het centrum van een sterrenstelsel, dat volop materie opslokt. Deze materie valt in het zwarte gat, wordt daardoor extreem heet en zendt heel veel energie uit. Ook het zwarte gat in het midden van ons eigen sterrenstelsel was vermoedelijk miljarden jaren geleden een quasar. Deze quasar, met de poëtische naam APM 08279+5255 huisvest een zwart gat van twintig miljard zonsmassa’s. De quasar produceerde in zijn eentje meer energie dan tienduizend grote stelsels ter grootte van onze eigen Melkweg anno nu doen.

Kosmische oceaan van water rond de quasar
Water komt veel voor in het universum, zij het niet zoveel als in deze quasar. Onze Melkweg bevat bijvoorbeeld een vierduizendste van de hoeveelheid water die in deze quasar is aangetroffen. Overigens is de waterdampwolk extreem ijl naar aardse maatstaven. Een kubieke kilometer van deze waterdampnevel zou ongeveer drie gram water bevatten. Het gas is ook koud – 53 graden onder nul. Dit is vijf maal heter en tien tot honderd keer dichter dan gebruikelijk in een melkwegstelsel van nu. In deze vorm zou geen enkel aards organisme het er lang uithouden.

Deze waterdamp is maar een van vele gassen die de quasar omringen en tonen aan dat de quasar het gas in rÃ¶ntgenstraling en warmtestraling verhit. Door de interactie van de quasar en de gaswolk ontdekten de astronomen dat de omringende gaswolk enorm is. De quasar kan nog wel zes keer zo zwaar kan zijn geworden als op het moment dat het licht de quasar verliet. Of dat ook gebeurt is de vraag. Veel van het gas zal vermoedelijk condenseren in sterren of – en nu wordt het heel interessant – planeten. Kosmische waterdruppels dus, zo groot als de aarde.

Op waterrijke planeten die zich miljarden jaren geleden vormden, kan zich al vlak na het ontstaan van het heelal, vanaf 12 miljard jaar geleden, het eerste leven hebben gevormd.

Was deze kosmische oceaan de kraamkamer van het leven?
Water bestaat uit de atoomsoorten (elementen) waterstof en zuurstof. Vlak na de Big Bang bestond er alleen waterstof en helium. Die zuurstof in het water moet dus geproduceerd zijn door de allereerste exploderende sterren. Deze sterren vormen vlak voor de supernova behalve zuurstof, ook andere elementen die het leven nodig heeft, zoals de zeer belangrijke koolstof en stikstof.

Het moet daar een enorme heksenketel geweest zijn, waarin zich allerlei chemische verbindingen zoals aminozuren en nucleïnezuren, de bouwstenen van het leven, vormden. De quasar gaf een enorme hoeveelheid energie. Voldoende voor ingewikkelde chemische reacties. Uit de veel ijlere wolken in de Melkweg vormen zich al sterren, laat staan in een zeer dichte wolk als deze. Het is haast onvermijdelijk dat zich in een dergelijke enorme omgeving leven heeft gevormd.

Galactische panspermie: aards leven als laatkomer
Als we aannemen dat ook de Melkweg in haar jeugd zo waterrijk was, moet het eerste leven zich vele miljarden jaren eerder hebben gevormd. Zou het leven op aarde zijn ingezaaid vanuit het centrum van de Melkweg, via ijssplinters die miljarden jaren lang door de Melkweg reisden? of misschien van het ene melkwegstelsel naar dat van ons? En zouden er buitenaardse beschavingen bestaan, ontstaan in dit verre verleden, die nu miljarden jaren oud zijn?

Twaalf miljard jaar is heel lang. Het leven ontstond extreem snel op aarde. We zijn per slot van rekening kosmische laatkomers. En de primitiefste soorten bacteriën en archeeën zijn vaak zeer resistent tegen kosmische straling. Een fascinerende gedachte.

Bronnen
1. Astronomers Discover Largest and Most Distant Reservoir of Water Yet, ScienceDaily.com (2011)
2. DISCOVERY OF WATER VAPOR IN THE HIGH-REDSHIFT QUASAR APM 08279+5255 AT Z=3.91, preprint op ArXiv (2011)

Ribosomen vertalen RNA in eiwit. Zelf bestaan ze bijna helemaal uit RNA. Waarschijnlijk zijn ribosomen overblijfselen uit de geheimzinnige RNA wereld.

‘Leven begon in RNA reactor’

Laat een reactie achter / Wetenschap / Door Germen Roding / 16 juli 2011 16 juli 2011

RNA is de voorloper van DNA, daar zijn de meeste biologen het wel over eens. Maar waar komt RNA nu vandaan? Misschien uit een natuurlijke RNA reactor die werd aangedreven door een temperatuursverschil, denken enkele onderzoekers. Ze bereikten opvallende resultaten.

Leven begon met RNA

DNA op zichzelf kan vrijwel niets. Alleen omdat er eiwitten bestaan die DNA kunnen vertalen in RNA (DNA transcriptases), functioneert DNA. DNA is niets anders dan een opslagmolecuul, waarvan stukken in RNA moeten worden overgeschreven voor er wat dan ook kan gebeuren. Het leven kan dus niet begonnen zijn met DNA.
RNA, net als DNA een keten van chemische letters (nucleotiden) kan echter meer.

Zo zijn er ribozymen, stukken RNA die werken als enzym. Het bekendste voorbeeld: ribosomen, die een stuk boodschapper-RNA vertalen in een eiwit. Tegelijkertijd kan RNA ook informatie dragen. Kortom: RNA heeft zeer goede papieren om het vooroudermolecuul te zijn (al is het veel minder stabiel dan DNA).

Maar waar komt RNA zelf vandaan? Enkele onderzoekers denken nu dat het antwoord hierop een RNA-reactor is. De bouwstenen van RNA hopen zich op in een kleine porie, aangedreven door een temperatuursverschil. RNA ketens kunnen bindingen vormen en hybridiseren, waardoor een zwakke vorm van informatieoverdracht kan plaatsvinden van het ene RNA molecuul naar het andere: RNA kan zichzelf dus enigszins kopiëren en de informatie in het RNA kan langer overleven dan het molecuul zelf intact blijft.

De RNA reactor diep op de zeebodem

The onderzoekers, Benedikt Obermayer, Hubert Krammer, Dieter Braun, en Ulrich Gerland van de Ludwig Maximilian UniversitÃ¤t van München, hebben een model van een prebiotische RNA reactor ontwikkeld [1].Essentieel hierin zijn RNA replicators: stukken RNA die informatie van zichzelf naar een ander RNA molecuul kunnen overbrengen zodat de informatie zelfs overleeft als de oorspronkelijke moleculen uit elkaar zijn gevallen. Hier hebben de onderzoekers onderzocht hoe RNA replicators uit eenvoudige RNA reactors van miljarden jaren oud zijn ontstaan.

Hun simulatie laat zien dat een combinatie van eenvoudige fysische en chemische mechanismes het veel gemakkelijker kan maken dat een prebiotisch evolutionair systeem kan ontstaan, ongeveer zoals het RNA-wereld scenario zegt, aldus onderzoeker Gerland.

De wetenschappers gingen bij hun berekeningen uit van een onderzeese vulkanische bron waarin zich een RNA reactor vormde. Deze reactor bleek in staat tussen moleculen informatie uit te wisselen. De omgeving die ze zich hadden voorgesteld zijn poreuze rotsen op de zeebodem waar sterke temperatuursverschillen (het vulkanisme was vier miljard jaar geleden veel heftiger dan nu) thermische bronnen convectiestromen opwekten. Deze stromen transporteerden moleculen in de nauwe poriën. Door temperatuurvariaties hopen de RNA-bouwstenen zich op in een klein gebiedje en vormen door toeval verbindingen met elkaar. Door vouwen en hybridisatie vormen de polynucleotiden langere ketens, uiteindelijk lang genoeg om zich als volwaardig RNA te gedragen.

RNA valt vooral daar uit elkaar waar de bouwstenen niet gepaard zijn. Door dit effect ontstaat er een selectiedruk voor baseparen en neemt de complexiteit en levensduur van RNA moleculen toe. Een structuur die op die manier zou kunnen ontstaan is een ribozym-een RNA enzym dat dus echt biochemische bewerkingen uit kan voeren.

De computersimulaties lieten zien dat de RNA reactor een zwakke vorm van kopiëren mogelijk maakt. De RNA moleculen trokken nucleotiden aan waardoor er een tweede streng ontstond (hybridisatie) en kopieerden zichzelf op die manier. Bewijs van informatieoverdracht dook op toen sommige RNA volgordes veel langer dan verwacht bleven bestaan. Klaarblijkelijk slaagden ze er in hun informatie aan andere moleculen over te dragen voor ze uit elkaar vielen. Ook zijn RNA moleculen die gebonden zijn aan een ander stuk RNA veel stabieler. Omdat stabiele stukken RNA zich het meeste kopieerden, ontstond zo informatieoverdracht. Zodra zich echte ribozymen hebben gevormd uit een RNA reactor, dan kunnen ze een efficiënt zelfreplicerend systeem vormen in de vorm van een RNA replicator. De onderzoekers hopen dit in de toekomst in een experiment met echt RNA aan te kunnen tonen. Ze zijn al voorbereidingen hiervoor aan het treffen, aldus Gerland.

Bronnen
1. Benedikt Obermayer, et al. â€œEmergence of Information Transmission in a Prebiotic RNA Reactor.â€ Physical Review Letters 107, 018101 (2011)

Een stukje koolstofmeteoriet. Naar blijkt, hebben alle koolstofmeteorieten een gemeenschappelijke oorsprong (of vormingsproces).

‘Bouwstenen eerste leven afkomstig van asteroïden’

8 reacties / Wetenschap, Zonnestelsel / Door Germen Roding / 11 juni 2011 11 juni 2011

Koolstofrijke micrometeorieten en meteorietfragmenten tonen de nodige overeenkomsten, maar ook enkele verschillen. Voor die verschillen is er nu eindelijk een goede verklaring. De aanwijzingen dat het eerste leven is ontstaan in asteroïden, of na de inslag van organische asteroïden, worden steeds sterker…

Waarom zijn koolstofmeteorieten zo verschillend?
Meteorieten hebben een sterk verschillende samenstelling. Er zijn meteorieten die voornamelijk uit steen bestaan, uit metaal, uit een mengsel van diverse materialen of uit koolstofrijke, ‘organische’ materialen. Die laatste groep is heel interessant. Ze bevatten namelijk aminozuren en andere bouwstenen, die noodzakelijk zijn voor het ontstaan van leven. Veel onderzoekers denken dat organische meteorieten het resultaat zijn van het samenkoeken van kleine stofdeeltjes in de grote gaswolk waaruit zich het zonnestelsel vormde. Deze theorie verklaart alleen niet, waarom er zo grote verschillen zijn tussen de diverse koolstofmeteorieten. Deze zouden identiek moeten zijn als ze alle op dezelfde wijze uit stofjes waren ontstaan.

Een stukje koolstofmeteoriet. Naar blijkt, hebben alle koolstofmeteorieten een gemeenschappelijke oorsprong (of vormingsproces).

Uiteengespatte koolstofrijke protoplaneet
Veel astronomen denken daarom dat de koolstofmeteorieten het restant zijn van een botsing van een koolstofrijke asteroïde met een ander projectiel, dat de fragiele protoplaneet in vele scherven uiteen deed spatten. Net als op aarde bestaan hemellichamen van een bepaalde minimale grootte uit verschillende lagen. Ze vertonen ook geologische activiteit, denk aan de vulkanen op Mars of Io en de spectaculaire gasgeisers op kometen. Wat als een koolstofrijke protoplaneet, mogelijk rijk aan primitief eencellig leven, in koolstofmeteorieten uiteen is gespat? (Dit is overigens wat een verguisde NASA-wetenschapper denkt). Vervolgens kunnen deze koolstofrijke fragmenten op aarde zijn neergekomen en zo een omgeving hebben geboden waarin zich leven zou kunnen ontwikkelen. Als dat al niet eerder in de asteroïde of protoplaneet zelf gebeurde.

Bewijs: verschillen in meteorieten verklaarbaar door hydrothermische processen
Als alle koolstofmeteorieten inderdaad een gemeenschappelijke oorsprong hebben, moeten alle eventuele verschillen verklaard kunnen worden uit processen die op dat hemellichaam plaatsvinden voor het uit elkaar spatte.En dit is precies wat een team onderzoekers, geleid door Christopher Herd van de University of Alberta, Canada, inclusief Carnegie University’s Conel Alexander, Larry Nittler, Frank Gyngard, George Cody, Marilyn Fogel en Yoko Kebukawa — vier meteorietfragmenten uit een stenenregen, ontstaan uit het in stukken breken van een meteoroïde. De stenenregen kwam neer op het toen bevroren Tagish Lake in Noord-Canada in januari 2000. Sindsdien zijn de meteorietfragmenten altijd bevroren geweest.

De fragmenten bleken sterk te verschillen in de mate van hydrothermische beïnvloeding. Aanleiding de monmsters grondig te onderzoeken. Opmerkelijk genoeg bleek het materiaal zo variabel dat de eigenschappen overeenkwamen met die van alle bekende koolstofchondrieten. Ook blijken de eigenschappen te correleren met tekenen van hydrothermische beïnvloeding. Met andere woorden: deze ontdekking verklaart de verschillen tussen koolstofmeteorieten en toont tegelijkertijd aan dat ze van hetzelfde uitgangsmateriaal afkomstig zijn. Een spectaculaire ontdekking.

De meteorieten bevatten een hoge concentratie organische zuren (monocarboxylzuren), die essentieel zijn voor biochemie. De reden: doordat ze zo vers waren en onder nul bleven, waren deze zuren nauwelijks verdampt, veronderstellen de onderzoekers. De variatie in soorten MCA’s hield direct verband met de processen waaraan de oudermeteorieten waren blootgesteld.

Het team trof ook aminozuren aan – de bouwstenen voor eiwitten. Verdeling en hoeveelheid aminozuren zijn consistent met een buitenaardse oorsprong. Ook de aminozuurgehaltes waren beïnvloed door de meteorieten.

Bronnen
Meteorite Holds Clues to Organic Chemistry of Early Earth, ScienceDaily
Origin and Evolution of Prebiotic Organic Matter As Inferred from the Tagish Lake Meteorite. Science, 2011

Zouden asteroÃ¯deninslagen verklaren waarom het 3 miljard jaar duurde voor er meercellig leven kwam?

“Asteroïdenbombardement verklaarde trage ontwikkeling leven”

Laat een reactie achter / Wetenschap, Zonnestelsel / Door Germen Roding / 4 mei 2011 4 mei 2011

Gedurende meer dan twee miljard jaar leidde het leven op aarde een kwijnend bestaan. Geen wonder, zegt een nieuw model. Elke veertig miljoen jaar werd de aarde getroffen door een enorme asteroïde die eventuele hogere levensvormen wegvaagde in plaats van elk half miljard jaar, zoals nu.

De eerste sporen van leven op aarde dateren van meer dan 3,6 miljard jaar terug, na de afloop van het Late Heavy Bombardment. Dit was het grootste deel van de tijd in de vorm van bacteriën. De eerste fossielen van ingewikkelder cellen dateren van een miljard jaar geleden. Het eerste meercellige complexe leven dateert van rond de zeshonderd miljoen jaar geleden.

Eén van de belangrijkste raadsels in de biologie is altijd geweest, waarom dit allemaal zo lang duurde. Volgens een nieuw model is de verklaring, dat voortdurende zware inslagen van meteorieten een einde maakten aan complexere levensvormen.

Tot vrij recent (geologisch gesproken) zou ongeveer elke veertig miljoen jaar een vernietigende asteroïde korte metten hebben gemaakt met elke poging van de evolutie om verder te komen dan het eencellige stadium.

Als deze theorie klopt, betekent dat er nog een extra eis moet worden gesteld voor de ontwikkeling van leven. Er moeten voldoende asteroïden zijn weggevangen om zo te voorkomen dat ze het leven uitroeien.

Het mimivirus heeft meer weg van een zwervende celkern dan van een virus.

Dankzij virussen een celkern?

1 reactie / Wereld, Wetenschap / Door Germen Roding / 30 maart 2011 30 maart 2011

Twee miljard jaar lang was de hoogste levensvorm op aarde een bacterie. Toen gebeurde er iets bijzonders. Er ontstonden organismen met een celkern. Dit leidde er toe dat DNA veel groter en ingewikkelder kon worden, dus ook complexe organismen als dieren en mensen kon beschrijven. Waren virussen hier de oorzaak van?

Zonder celkern geen ontwikkeling
Gedurende meer dan twee miljard jaar was de aarde een uitermate saaie plek voor een bioloog. Leven was er volop, maar dan in de vorm van eindeloos veel bacteriën. In de ondiepe kustwateren groeiden stromatolieten: levende rotsen die bestaan uit bacteriën. Het land was bedekt met een soort slijm, de zee gevuld met blauw-groene algen. Een bacterie kan er niet veel DNA op na houden. Elke keer als deze zich deelt, moet ook het DNA worden gekopieerd. Een bacterie met een groot genoom, veel DNA dus, heeft dus meer energie nodig om zich te delen, een evolutionair nadeel. Ook duurt het delen langer. Bacteriën blijven daardoor altijd simpel, al beschikken ze wel over een eenvoudig inwendig skelet.

Evolutionair zat het leven gevangen in deze paradox, al bestonden (en bestaan er nog steeds) primitieve meercellige organismen bestaande uit bacteriën, de Myxobacteria. Niet voor niets hebben deze slijmbacteriën het grootste DNA van alle bacteriën (10 tot 13 miljoen baseparen): om samenwerking te coÃ¶rdineren is namelijk veel informatie, dus DNA nodig. Bacteriën zitten gewoonlijk rond het miljoen.Myxobacteriën lijken ongeveer het maximum te zijn wat bacteriën aan complexiteit qua onderlinge samenwerking kunnen bereiken.

Meercelligheid
Toen gebeurde er iets bijzonders. Er ontstonden eencelligen met een celkern. Plotseling waren veel grotere genoomgroottes mogelijk. Eencellige eukaryoten zitten rond de tien tot honderd miljoen baseparen. De mens wordt beschreven door rond de 3,2 miljard baseparen. Zeer weinig vergeleken met de longvis (130 miljard) of een zeldzaam bloeiend plantje, Paris japonica met 150 miljard baseparen. Het absolute record, 670 miljard, is in het bezit van de amoebe Polychaos dubium (al is dit onzeker – amoebes bevatten vaak meerdere celkernen en symbiotische eencelligen).

Werd het mimivirus de celkern?
Mogelijk hebben hierbij mimivirussen een rol gespeeld. Mimivirussen hebben meer weg van een zwervende celkern dan van een virus. Het genoom van een mimivirus is naar virusbegrippen extreem groot – 1,18 miljoen baseparen. Mimivirussen bevatten ook enzymen die het virus helpen bij het overnemen van de gastheercel en zelfs eigen t-RNA enzymen: een eigen machinerie om zichzelf te kopiëren dus. Veel onderzoekers denken daarom dat het mimivirus misschien ten grondslag lag aan de celkern. Als een bacterie werd overgenomen door een mimivirus-achtig organisme, zou deze misschien in de loop van miljoenen jaren evolutie er in zijn geslaagd om niet de gastheercel op te blazen, maar deze over te nemen en samen te werken. Mogelijk lukte dit ook met andere bacteriën die nu bekend staan als organellen. Er kwam veel meer energie beschikbaar en de schaal werd groter. Daardoor konden deze organismen ook grotere genomen ontwikkelen, wat weer tot nog grotere en ingewikkelder samenwerkingsvormen kon leiden.

Meer informatie
Mimivirus