oorsprong van het leven

Stond een retrovirus, de groep waartoe ook dit HIV virus behoort, aan de wieg van het DNA-gebaseerd leven?

Virus maakte overgang van RNA naar DNA mogelijk

Rond de 4 miljard jaar geleden maakte het leven een enorme verandering door. De meeste genetici zijn het er over eens dat het leven begon met een soep van RNA. RNA is alleen niet erg stabiel, het valt in enkele etmalen uit elkaar, waardoor leven op basis van DNA een grote voorsprong heeft. De overgang van RNA naar DNA is echter nogal ingrijpend: beide nucleïnezuren kunnen niet rechtstreeks in elkaar vertaald worden. Nu, voor het eerst, hebben biologen een glimp opgevangen van hoe dit precies plaatsvond. Sterker nog: het proces dat toen plaatsvond, blijkt ook nu nog af en toe plaats te vinden.

Stond een retrovirus, de groep waartoe ook dit HIV virus behoort, aan de wieg van het DNA-gebaseerd leven?
Stond een retrovirus, de groep waartoe ook dit HIV virus behoort, aan de wieg van het DNA-gebaseerd leven?

Het DNA vertaalprobleem
Omdat RNA niet rechtstreeks in DNA kan worden vertaald, is er duidelijk een fundamenteel probleem voor organismen die van RNA op DNA willen overstappen. Al hun genetische informatie die in RNA is opgeslagen, is niet toegankelijk voor op DNA gebaseerd leven. Nu, voor het eerst, laat een opmerkelijk hybride RNA-DNA virus zien hoe dit proces plaats kan hebben gevonden. Ken Stedman, van Portland State University in Oregon, ontdekte het bij toeval toen hij de eencelligen bestudeerde die in een heet, zuur meertje in het Lassen Volcanic National Park. Hij filterde alle deeltjes ter grootte van een virus uit het water en bracht ongeveer 400 000 stukjes viraal DNA in kaart om te controleren wat zich daarin precies bevond.

RNA-gen in DNA
Hij trof iets zeer vreemds aan: een gen, in DNA-vorm, dat als twee druppels water leek op een gen voor een eiwitjas zoals dat in een RNA virus voorkomt. beschikken over het enzym RNA transcriptase, dat RNA ‘vertaalt’ in DNA, maar dit gen kwam niet van een retrovirus. Hoe was het gen van RNA naar DNA gesprongen? Stedmans student Geoff Diemer’s interesse werd gewekt en hij produceerde een volledige sequentie van het genoom van het vreemde virus. Naast het uit RNA afkomstige gen bleek het ook een gen voor DNA replicatie te bevatten, wat kenmerkend is voor een DNA virus.

Geen incident
RNA- en DNA-virussen zijn radicaal verschillend en hebben zich vermoedelijk al miljarden jaren geleden gesplitst. Een bizarre ontdekking dus. Stedman dacht dat ze een fout hadden gemaakt, maar een tweede sample gaf precies hetzelfde resultaat. Om uit te vinden of het hier om een eenmalige gebeurtenis ging, checkten Stedman en Diemer databases met viraal DNA. Ze ontdekten dat iets gelijksoortigs plaats had gevonden in meerdere monsters oceaanwater. Klaarblijkelijk kwamen de hybride virussen op meerdere plekken voor.  Deze ontdekking bewijst dat moderne virussen informatie kunnen combineren van de twee normaliter gescheiden genetische moleculen. Ook ondersteunt dit het idee dat het virussen waren die de overgang van RNA naar DNA mogelijk maakten.

Triootje van virussen
Stedmans en Diemers hybride virus is geen levend fossiel. De genen lijken sterk op de genen zoals deze in moderne RNA- en DNA-virussen voorkomen en volgens het team heeft de hybridisatie de afgelopen tien miljoen jaar plaatsgevonden. Welk proces was hier verantwoordelijk voor? Stedman vermoedt dat het virus zich gevormd heeft toen een DNA-virus, een RNA-virus en een retrovirus tegelijkertijd dezelfde cel infecteerden. Deze toevallige gebeurtenis kan er toe geleid hebben dat het reverse transcriptase enzym van het retrovirus per ongeluk een DNA-kopie maakte van een gen van het RNA-virus, waarna dit DNA-gen werd ingebouwd in het genoom van het DNA virus en de bizarre hybride ontstond. Al eerder werd gesuggereerd dat dergelijke virale superhybriden zich kondn vormen, maar Stedmans onderzoek is het eerte dat het mechanisme ook daadwerkelijk aantoont.

Zorgde een virus voor DNA?
Ongeveer vier miljard jaar geleden moet een vergelijkbaar proces plaats hebben gevonden, vermoeden collega’s. Virussen trekken zich weinig aan van soortgrenzen en zullen vermoedelijk met hun RNA transcriptase RNA-genen in DNA hebben vertaald.

De situatie vier miljard jaar geleden verschilde vermoedelijk echter nogal van de situatie nu. Anno 2012 dupliceren virussen zich alleen binnen cellen. Vermoedelijk bestonden er in die tijd geen afzonderlijke cellen zoals we die nu kennen. Toch bewijst het ontdekte mechanisme dat het mogelijk is om informatie van de RNA-wereld naar de DNA wereld over te hevelen. Iets dergelijks kan ook zijn gebeurd bij de overgang van RNA naar DNA gebaseerd leven.

Bron
First glimpse of the viral birth of DNA, New Scientist (2012)

 

Een raadselachtige ontdekking. Uit een analyse van de ouderdom van delen van ribosomen blijkt dat de bijbehorende eiwitten minstens zo oud zijn. Waar komt het leven vandaan?

‘RNA-wereld hypothese klopt niet’

Alle leven kwam voort uit RNA. Dat is in het kort de RNA-wereld hypothese. Een van de sterkste argumenten was het ribosoom, een essentieel celonderdeel dat bijna geheel uit RNA bestaat. Nieuw onderzoek aan de ouderdom van diverse delen van RNA laat echter zien dat deze hypothese grondig op de schop moet. Wat is de werkelijke oorzaak van het leven?

RNA-wereld
Het leek allemaal zo mooi. DNA, de drager van erfelijk materiaal in cellen anno nu, kan alleen maar genetische informatie opslaan. Eiwitten zijn zeer goed in het verrichten van allerlei biochemische  klussen, maar kunnen weer geen leesbare informatie opslaan. RNA bleek echter de redder uit de nood. RNA kan namelijk zowel werken als enzym als informatiedrager. Het oermolecuul dus.  De RNA-wereld hypothese, voor het eerst gepubliceerd in 1986 in het gezaghebbende tijdschrift Nature, stelt daarom dat het leven begon als RNA-molecuul, dat leerde samenwerken met eiwitten en zo uiteindelijk de eerste cellen vormde. Professor Gustavo Caetano-Anollés, verbonden aan de Universiteit van Illinois, vakgroep  crop sciences en het Institute for Genomic Biology, gelooft dat dit niet klopt. Volgens hem konden nucleïnezuren  zich nooit hebben ontwikkeld als deze niet met eiwitten hadden samengewerkt.

Een raadselachtige ontdekking. Uit een analyse van de ouderdom van delen van ribosomen blijkt dat de bijbehorende eiwitten minstens zo oud zijn. Waar komt het leven vandaan?
Een raadselachtige ontdekking. Uit een analyse van de ouderdom van delen van ribosomen blijkt dat de bijbehorende eiwitten minstens zo oud zijn. Waar komt het leven vandaan? Bron: Gustavo Caetano-Anollés, Illinois Univ.

Chemische co-evolutie van RNA en eiwit
RNA is een “ribonucleo-eiwit machine,” een complex waarin tot tachtig verschillende eiwitten samenwerken met meerdere RNA moleculen, zodat het zinnig is te veronderstellen dat dit systeem zich in een lang proces van chemische co-evolutie heeft ontwikkeld, aldus Caetano-Anollés. Ook is volgens hem RNA niet in staat tot het synthetiseren van alle eiwitten.

Veronderstellingen RNA-wereld bleken fout
Aanhangers van de RNA-wereld hypothese namen een aantal dingen aan over de evolutionaire oorsprong van het ribosoom. Deze aannames bleken niet te kloppen, bleek uit het onderzoek van zijn groep. De belangrijkste foutieve aanname: het deel van het ribosoom dat verantwoordelijk is voor het opbouwen van eiwitten,  het peptidyl transferase centrum (PTC), is helemaal niet het oudste deel van het ribosoom, zoals gedacht.

Uitpluizen van evolutionaire informatie
In hun nieuwe analyse hebben ze door ribosomen van honderden verschillende organismen te vergelijken, een soort evolutionaire stamboom opgesteld.  Hiermee ontwikkelden ze een evolutionaire tijdlijn met hierin de vermoedelijke ouderdom van diverse delen van het ribosoom. Dit deden ze zowel met het RNA-deel van het ribosoom als met het eiwitdeel. Op deze manier ontstonden twee “familiebomen”, één op basis van eiwitten, de ander op basis van RNA, die sterk overeenkwamen.

‘Eiwitdeel ouder dan RNA-deel’
Zo bleken de eiwitten die het PTC omringden, bijvoorbeeld, zo oud te zijn als het ribosomale RNA dat deze plek vormt. Evolutionair gezien bleek het PTC zich pas gevormd te hebben, vlak nadat de twee primaire subonderdelen van het ribosoom aan elkaar waren gaan zittten (met RNA-ketens ertussen). Een sterke aanwijzing dat eiwitten al bestonden voor ribosomale RNA’s actief werden, aldus de prof. Ook moeten deze stukken RNA hiervoor een andere taak hebben gehad.

Kortom: alles lijkt er op dat ribosomale eiwitten en RNA zich geleidelijk ontwikkelden. Bewijs dat het ribosoom niet voortkwam uit een RNA wereld, aldus Caetano-Anollés. Hij denkt dat in plaats hiervan een ribonucleo-eiwit wereld bestond, die veel lijkt op de tegenwoordige biochemie. Inderdaad is hier het nodige voor te zeggen: aminozuren komen in grote hoeveelheden voor in koolstofmeteorieten, nucleïnezuren slechts spaarzaam.

Hoe vermenigvuldigen eiwitten zichzelf?
Collega Russell Doolittle, van de University of California te San Diego, vindt het artikel interessant, maar begrijpt niet hoe proteïnes zichzelf katalyseerden, dat wil zeggen: hoe eiwitten andere eiwitten  maakten. Het enige mechanisme dat we kennen en dat een beetje in de buurt komt is dat van de beruchte hersenziekte Creutzfeld-Jacob, waarbij prionen, besmettelijke eiwitten, een gezonde eiwitvariant in een prion veranderen. Dit verandert echter de vouwwijze van het eiwit, niet de aminozuurvolgorde. RNA, daarentegen, kan zichzelf zonder hulp kopiëren. Het tweede krachtige argument voor de RNA-wereld hypothese.

Ook eiwitsynthese zonder ribosomen mogelijk
Caetano-Anollés erkent het belang van deze kwestie. Hij wijst echter op het feit dat de eiwitten die zonder ribosomen andere eiwitten in elkaar zetten, een complex, maar in alle organismen universeel proces dat toch heel specifieke eiwitten kan creëren – ouder zijn dan ribosomale eiwitten. Hij denkt daarom dat niet ribosomen, maar andere moleculen de eerste biologische machines waren die eiwitten in elkaar zetten.

Ook kunnen ribosomen op zichzelf staand niets. Ze zijn volledig afhankelijk van de aanvoer van t-RNA, dat zijn aminozuren waaraan de bijpassende drie RNA-nucleotiden  zijn geknoopt. Ribosomen “passen” voortdurend de puzzelstukjes op het m-RNA en pas indien deze overeenkomen, wordt de RNA losgestript van het t-RNA en het vrijkomende aminozuur aan de eiwitketting geregen. Dit merken van aminozuren gebeurt door eiwitten, niet door RNA, aldus de prof. Hij trekt hieruit de conclusie dat RNA moleculen begonnen als cofactoren (kleine hulpmoleculen) die hielpen bij de eiwitsynthese en deze verfijnden, wat zich uiteindelijk ontwikkelde tot de ingewikkelde ribosomale machinerie van nu.

Naar mijn mening een plausibel verhaal. Inderdaad verklaart dit een aantal merkwaardige dingen die voor mijn gevoel niet klopten in de RNA wereld hypothese. Voor mij nieuw was dat er ook non-ribosomale eiwitsynthese bestaat, maar als je er over nadenkt passen nu de stukjes op hun plaats. Kortom: een eye-opener.
Prettig is ook dat het artikel [2] niet achter een paywall zit. Het artikel vereist enige biochemische kennis, maar deze is op internet op te zoeken.

Bron:
1. Study of ribosome evolution challenges RNA world hypothesis, University of Illinois News Bureau (2012)
2. Ajith Harish, Gustavo Caetano-Anollés. Ribosomal History Reveals Origins of Modern Protein Synthesis. PLoS ONE, 2012

Onze verre voorouder leek erg veel op deze spons, een dier dat leeft van gefilterd water.

Overblijfselen oudste dieren ooit ontdekt

In het Etosha Wildreservaat in Namibië hebben paleontologen de oudste fossielen ooit van meercellige dieren ontdekt. De ontdekking van fossiele sponzen zet de datum waarop het eerste meercellige dierlijke leven is ontdekt vele miljoenen jaren terug, tot diep in het Precambrium. Dit zou onze voorouder wel eens kunnen zijn, volgens één auteur.

Onze verre voorouder leek erg veel op deze spons, een dier dat zich voedt door micro-organismen uit water te filteren.
Onze verre voorouder leek erg veel op deze spons, een dier dat zich voedt door micro-organismen uit water te filteren. Bron: NIST

De fossielen van de eerste sponzen zijn maar klein en hebben de vorm van kleine vazen. De fossielen zijn aangetroffen in Etosha National Park en andere plaatsen in het dunbevolkte, woestijnachtige land. De rotsen waarin de fossielen zijn aangetroffen waren tussen de 760 en 550 miljoen jaar oud, aldus de tien leden van een internationale groep in hun artikel [1]. Dit betekent dat dieren, waarvan tot nu toe werd geloofd dat ze pas aan het begin van het Cambrium, 600 tot 650 miljoen jaar geleden, opdoken, al honderd tot honderdvijftig miljoen jaar langer op aarde voorkomen.

Het betekent ook dat deze holle bollen – ongeveer zo groot als een stofkorrel en overdekt met gaten die vloeistof (met voedsel, zoals micro-organismen) onze voorouders waren, aldus mede-auteur Tony Prave, geoloog aan de University of St Andrews in Schotland.

‘Als je kijkt naar de stamboom van alle leven en deze terug volgt tot we bij de stamgroep, de voorouders van alle dieren, zijn, dan ja, dan zou dit onze bet-bet-bet-bet-overgrootmoeder zijn,’ aldus Prave tegen persbureau AFP[2].

Al langer bleek uit genetische klokken dat dieren veel eerder dan de tot nu toe aangenomen 600 miljoen jaar geleden hebben gediversificeerd. Als DNA van alle bekende diergroepen wordt vergeleken blijkt aan de hand van het voorkomen van mutaties dat deze rond de 760 miljoen jaar geleden deel hebben uitgemaakt van dezelfde diersoort. Dit fossiele bewijs sluit mooi aan op deze bestaande ontdekking.

Inderdaad kent de mens (en andere meercellige diersoorten) een fase in de ontwikkeling van het embryo, de blastula, die wel iets weg heef van een holle bol. Volgens de onlangs weer in ere herstelde opvatting van de Duitse bioloog Mayer volgt de embryonale ontwikkeling van onder meer de mens in grote lijnen de evolutionaire voorgeschiedenis van de mens.

Bronnen
1. Gess, The Oldest Animal Fosils, South African Journal of Science, 2012
2. Namibia sponge fossils ‘are world’s first animals’,AFP, 2012

In de ruimte zijn sporen ontdekt van dit soort ingewikkelde moleculen, die zich eigenlijk helemaal niet zouden moeten kunnen vormen.

Kwantumeffecten verklaren geheimzinnige reacties in diepe ruimte

Sommige chemische reacties verlopen razendsnel vlak boven het absolute nulpunt. Kwantumeigenaardigheden kunnen verklaren, hoe er ondanks de extreem lage temperaturen in de interstellaire ruimte er toch zo ingewikkeld organische moleculen voorkomen. En mogelijk ook, waarom het leven op aarde zich pas zo laat vormde.

Het raadsel van ingewikkelde moleculen in de diepe ruimte
De ruimte is koud. Extreem koud. Ver van een ster daalt de temperatuur tot drie kelvin, dat is drie graden boven het absolute nulpunt. Dit is zo koud, dat zelfs helium vloeibaar wordt. Water en alle andere stoffen zijn bij deze temperatuur zo hard als graniet. Toch vinden er in deze extreem koude omstandigheden veel chemische reacties plaats. De stralingssignalen van moleculen als aminozuren, buckyballs en ingewikkelde koolwaterstoffen duiken keer op keer op op onverwachte plaatsen. Tijd dus om de omstandigheden van de extreem koude ruimte na te bootsen in een experiment, vond Wade Rellergert van de University of California, Los Angeles. Dit bleek een eye-opener.

In de ruimte zijn sporen ontdekt van dit soort ingewikkelde moleculen, die zich eigenlijk helemaal niet zouden moeten kunnen vormen.
In de ruimte zijn sporen ontdekt van dit soort ingewikkelde moleculen, die zich eigenlijk helemaal niet zouden moeten kunnen vormen.

Raadselachtige felle reactie
Bij zeer lage temperaturen blijkt de chemie zich totaal anders te gedragen dan bij kamertemperatuur. In theorie zou zich bij deze extreem lage temperaturen geen enkele chemische reactie moeten voordoen. Immers, gewoonlijk stoten atomen elkaar af. Om twee atomen te laten reageren, moeten ze vlak bij elkaar komen en moeten de vrije elektronen gedeeld kunnen worden. Dat kost energie en de energie vlak bij het absolute nulpunt is vrijwel nul. Toch gebeurde er iets heel vreemds. Het mengsel van calcium en ytterbium dat Rellergert onderzocht, leek het ytterbium op te slokken. Bij kamertemperatuur reageren beide atoomsoorten nauwelijks met elkaar. Rubidium, een uiterst reactief zacht metaal bij kamertemperatuur (het goedje ontbrandt spontaan), reageerde in een eerder experiment tienduizend keer langzamer met ytterbium. Dit was heel anders dan deze metalen zich volgens de tekstboekjes moeten gedragen. Rubidium heeft namelijk één los elektron dat heel snel reageert met een ander los elektron. Calcium heeft alleen elektronparen, die veel minder reactief zijn.

Wazige atomen reageren fel met elkaar
De stomverbaasde Rellergert en de rest van het team beseften uiteindelijk dat kwantummechanica verantwoordelijk was en vroegen raad aan collega’s van de universiteit van Philadelphia. De oorzaak bleek als volgt. Hoe minder energie een atoom of molecuul heeft, hoe waziger de plaats wordt. Vlak bij het absolute nulpunt is de energie per molecuul vrijwel nul, dus breidt de waarschijnlijkheidswolk zich enorm uit en beginnen de atomen elkaar te overlappen. Elektronen van calciumatomen bevinden zich tegelijkertijd in het ytterbium. Door dit kwantumeffect vormden de atomen in feite al een soort molecuul. In vaktaal: er bestond een superpositie van het molecuul en de losse atomen. Een molecuul in een hogere energietoestand. Dit molecuul zond een foton uit en viel zo terug in de gunstiger energietoestand van atomen die een verbinding waren aangegaan. Er had dus een chemische reactie plaatsgevonden die helemaal niet plaats had kúnnen vinden en, ook zeer absurd, sneller plaatsvindt naarmate de temperatuur meer daalt.

Kwantummechanica verklaart ook waarom het anders zo reactieve rubidium tienduizend keer langzamer reageerde. Door het ene ongepaarde elektron is rubidium een deeltje met oneven spin, een fermion. Fermionen stoten elkaar af. De gebruikte calciumisotoop (calcium-40) heeft een even spin omdat alle elektronen gepaard zijn. Het is daarmee een boson. Hierdoor konden het ytterbium-ion (een fermion) en calcium elkaar overlappen.  Dit werkte niet bij rubidium.

Kwantumproces ook verantwoordelijk voor de ingewikkelde organische verbindingen in de ruimte?
De omstandigheden in deep space lijken erg op die in het experiment. In onze melkweg bevinden zich in een kubieke centimeter ongeveer een miljoen deeltjes, een vacuüm dat op aarde met moeite kan worden bereikt. Atomen ontmoeten elkaar zelden. Met drie kelvin veranderen deze atomen ook in wazige vlekken. Als bijvoorbeeld een koolstofatoom en een waterstofatoom elkaar ontmoeten, overlappen de wolken elkaar, vormen weer een superpositie, zenden energie uit, waarna zich een molecuul CH vormt. Dit molecuul kan weer nieuwe koolstof-, waterstof- of zuurstofatomen ontmoeten en zo voort. Dit proces verklaart de zeer ingewikkelde verbindingen die zich uiteindelijk kunnen vormen. Sommige astrofysici denken dat dit proces de bouwblokken van leven heeft opgeleverd. Anderen houden nog een slag om de arm. Immers, dit proces is nog nooit bij koolstof vastgesteld. In feite staat de hele cryochemie nog in de kinderschoenen. Stellige uitspraken doen is dus in dit stadium erg gevaarlijk.

Dankzij uitzetting van het heelal de achtergrondtemperatuur eindelijk laag genoeg?
Uiteraard is de verleiding erg groot verder te speculeren en op Visionair kan dat ook. Onderzoekers zijn het er over eens dat het leven op de een of andere manier moet zijn ontstaan uit deze organische stof in de ruimte, hetzij op aarde zelf, hetzij via panspermie op een andere plek in het heelal. Als extreem lage temperaturen inderdaad de ’trigger’ waren voor deze kwantumreacties en dus voor de vorming van organische stof, verklaart dit misschien waarom zich nu pas leven ontwikkelt in het heelal.

Miljarden jaren geleden was het domweg te heet voor deze subtiele kwantumeffecten. De achtergrondstraling, een overblijfsel van de oerknal, was toen nog domweg te energierijk. Deze hypothese is te toetsen door te zoeken naar sporen van ingewikkelde organische stoffen in licht van sterrenstelsels op bijvoorbeeld tien miljard lichtjaar afstand. Worden die sporen gevonden, dan klopt deze hypothese niet.

Bron
Measurement of a large chemical reaction rate between ultracold closed-shell 40Ca atoms and open-shell 174Yb+ ions held in a hybrid atom-ion trap, Physical Review Letters, 2011

 

RNA is waarschijnlijk de voorganger van DNA-gebaseerd leven, want RNA kan zowel werken als informatie dragen (waar DNA-gebaseerd leven twee stoffen, DNA en eiwitten, voor nodig heeft). Helaas is RNA erg fragiel.

“Asteroïde was kraamkamer voor leven”

Overblijfselen van de Murchison meteoriet blijken als ze gemengd worden met formamide, een molecuul dat veel in de ruimte voorkomt, bouwstenen voor leven, zoals aminozuren, RNA- en DNA-nucleïnezuren op te leveren. En, heel belangrijk, deze niet te vernietigen, zoals in andere omgevingen snel gebeurt. Eindelijk de missing link voor de RNA-wereld gevonden?

Murchison-meteoriet extreem rijk aan organische stoffen
De meteoriet in kwestie kwam op aarde neer op 28 september 1969, aan de rand van het dorp Murchison in Victoria, Australië. De ongeveer honderd kilo zware meteoriet rook naar benzine volgens ooggetuigen.

Geen wonder. Tests hebben uitgewezen dat de meteoriet extreem rijk was aan alkanen (die ook veel in benzine voorkomen) en andere organische stoffen, onder meer aminozuren (bouwstenen van eiwitten) en nucleïnezuren, de bouwstenen van RNA en DNA. Deze ontdekking toonde aan dat de ruimte niet de steriele plek was waar het tot dan toe altijd voor was gehouden en een uitgebreide organische chemie kende. De chemicaliën waaruit het leven is ontstaan, kunnen dus heel goed afkomstig zijn van de ruimte.

Bracht dit molecuul (formamide) leven voort? Het bevat in ieder geval zowel zuurstof(rood), stikstof (blauw), waterstof (wit) als koolstof (zwart). De aminogroep (NH2, rechts) is een essentieel onderdeel van aminozuren.
Bracht dit veelzijdige molecuul (formamide) leven voort? Het bevat in ieder geval zowel zuurstof(rood), stikstof (blauw), waterstof (wit) als koolstof (zwart). De aminogroep (NH2, rechts) is een essentieel onderdeel van aminozuren.

Het experiment
Uiteraard is het antwoord op de vraag hoe deze moleculen zich hebben gevormd van groot belang. Raffaele Saladino van de Universiteit van Tuscia in Viterbo, Italië, en zijn collega’s vroegen zich af of ze misschien diep in de asteroïden (of kometen) zijn ontstaan waarvan de meteorieten zijn afgebroken. Het team wist dat een eenvoudige chemische stof, formamide, veel voorkwam in de ruimte en kan worden omgezet in tal van biomoleculen. Deze stof gebruikten ze dus als uitgangspunt.

Zij verkregen 1 gram van de Murchison meteoriet, maalde het tot poeder en verwijderden alle organische moleculen, waardoor er slechts het mineraal overbleef. Zij vermengden dit met formamide en verhitten het tot 140 ° C gedurende 48 uur. De reactie produceerde nucleïnezuren, de bouwstenen van DNA en RNA en ook het aminozuur glycine, carbonzuren en een voorloper van suiker (2). Bewijs dat de asteroïde waar de meteoriet van afkomstig was, een natuurlijke chemische fabriek was, stelt Saladino.

Tegelijkertijd erfelijk materiaal en stofwisseling

Van de geproduceerde verbindingen zijn sommige genetisch (onderdeel van dragers van erfelijke informatie: de nucleïnezuren) als metabolisch (betrokken bij het uitvoeren van de stofwisseling: de aminozuren en carbolzuren). Beide zijn belangrijke onderdelen van primitief leven, stelt  Monica Grady van de Open Universiteit in Milton Keynes, Verenigd Koninkrijk, die niet betrokken was bij de studie. “Als je beide reacties kan katalyseren op dezelfde plaats, van hetzelfde uitgangsmateriaal, dat is dat duidelijk een voordeel.”

De mogelijkheid om een ​​aantal essentiële moleculen te produceren onderscheidt de meteoriet van aardse mineralen, zegt Mark Sephton van het Imperial College in Londen. Op aarde wordt elk biomolecuul gekatalyseerd door een ander mineraal, wat betekent dat ze uiteindelijk op gescheiden plaatsen voorkomen, wat het minder waarschijnlijk maakt dat ze leven vormen.

RNA is waarschijnlijk de voorganger van DNA-gebaseerd leven, want RNA kan zowel werken als informatie dragen (waar DNA-gebaseerd leven twee stoffen, DNA en eiwitten, voor nodig heeft). Helaas is RNA erg fragiel.
RNA is waarschijnlijk de voorganger van DNA-gebaseerd leven, want RNA kan zowel werken als informatie dragen (waar DNA-gebaseerd leven twee stoffen, DNA en eiwitten, voor nodig heeft). Helaas is RNA erg fragiel.

Meteorietmateriaal beschermt RNA
Een derde uiterst belangrijke ontdekking is dat het asteroïdenmineraal RNA kan stabiliseren. RNA reageert met water en RNA-ketens breken gemakkelijk. De meeste processen versnellen dit proces, maar het Murchison mineraal niet. “Als RNA zou  worden gesynthetiseerd [binnenin de asteroïde], zou deze omgeving het stabiliseren,” zegt Saladino.

Begon het leven in asteroïden?
De stap is dan ook niet meer erg groot om te veronderstellen dat zich in grote asteroïden die rijk zijn aan organische stoffen, daadwerkelijk leven gevormd kan hebben, dat bij een inslag op aarde  en mogelijk andere planeten terecht is gekomen. Dit is inderdaad de theorie van de verguisde NASA-exobioloog Richard Hoover.

Bronnen:
1. Asteroids make life’s raw materials (New Scientist)
2. R. Saladino et al.,Catalytic effects of Murchison Material: Prebiotic Synthesis and Degradation of RNA Precursors (Origins of Life and Evolution of Biospheres, 2011)

E-coli bleef ook tijdens zestig uur ultracentrifuge doorgroeien. Bron/(c): PNAS

Leven verdraagt verpletterende 400 000 g

Vierhonderdduizend keer de aardse zwaartekracht, sterker dan de zwaartekracht op een witte dwerg, zou een mens veranderen in een plasje bloederige pulp op de grond. Zo niet bacteriën, die vrolijk door blijven groeien. Ook panspermie wordt nu denkbaar.

E. coli overleeft 400 ooo maal de aardse zwaartekracht

E-coli bleef ook tijdens zestig uur ultracentrifuge doorgroeien. Bron/(c): PNAS
E-coli bleef ook tijdens zestig uur ultracentrifuge doorgroeien. Bron/(c): PNAS

Op een hemellichaam met een zwaartekracht van 400 000 g, bijvoorbeeld een uit de kluiten gewassen witte dwerg, zou een mens van 70 kilo evenveel wegen als een olietanker op aarde, 28 000 ton. Van een mens zou bij dit gewicht niet veel overblijven. Bioloog Shigeru Deguchi van het Japanse Bureau voor Maritieme en Aardgerelateerde Wetenschappen en Technologie (JAMSTEC) en zijn collega’s hebben nu getest of dat ook zo is voor bacteriën. Ze huisvestten een pallet met Escherischia coli (massaal aanwezig in menselijke darmen) en ook pallets met andere organismen, zoals Paracoccus denitrificans, metaalbacterie Shewanella amazonensis, de grampositive Lactobacillus delbrueckii en zelfs de eukaryotische gist Saccharomyces cerevisiae in een ultracentrifuge die een extreem hoge kunstmatige zwaartekracht opwekt. Alle monsters overleefden de behandeling. E. coli en P. denitrificans bleken zelfs tijdens de extreemste hypercentrifugebehandeling vrolijk door te groeien. Bewijs, aldus Deguchi, dat bacteriën in een extreme-zwaartekrachtsomgeving kunnen overleven. Bacteriën hebben een zeer eenvoudige structuur. Ze zijn in feite een plasje celplasma, omgeven door een dikke celwand. Bij organismen met een celkern zou de extreme zwaartekracht de celonderdelen kapotdrukken of uit elkaar trekken (alhoewel Saccharomyces het klaarblijkelijk ook overleefde).

Leven op bruine dwergen?
Witte dwergen zijn de enige hemellichamen met een zwaartekracht die hier in de buurt komt, maar zolang ze nog niet af zijn gekoeld tot zwarte dwerg (voor dat laatste is het heelal nog niet oud genoeg) zijn ze met een oppervlaktetemperatuur van tienduizenden graden voor alle denkbare levensvormen nog veel te heet. Bruine dwergen, een soort mislukte sterren of uit de kluiten gewassen gasreuzen (al naar gelang je voorkeur) zijn dat niet (de koelste bruine dwerg tot nu toe bekend is een comfortabele dertig graden). Bruine dwergen zijn heel interessant omdat er zo veel van zijn (naar schatting evenveel als sterren) en ze ook leven kunnen onderhouden ver van een ster. Als organismen zelfs 400 000 g kunnen overleven, kunnen ze zeker de enkele tientallen g op deze objecten overleven

Leven overleeft inslag
Panspermie stelt dat het leven van de ene planeet naar de andere kan reizen doordat meteorietinslagen materiaal van de ene planeet naar de andere slingeren. Zo is er op aarde materiaal van de maan en van Mars gevonden. Bij een asteroïde-inslag vindt er van stukken rots een gigantische versnelling plaats tot boven de ontsnappingssnelheid van de planeet. Panspermisten geloven dat door een meteorietinslag op bijvoorbeeld Mars, bacteriën op aarde terecht zijn gekomen. Tot nu toe dachten veel onderzoekers dat organismen deze grote versnelling onmogelijk konden overleven, maar met dit onderzoek is aangetoond dat dat laatste onzin is.

Bron:
Shigeru Deguchi et al., Microbial growth at hyperaccelerations up to 403,627 × g, PNAS, 2011

Stromatolieten waren bijna drie miljard jaar lang de hoogste levensvorm op aarde.

Waarom zijn de aliens niet al hier? De Drake-vergelijking

Het aantal bewoonbare planeten in het heelal is in theorie werkelijk verbijsterend. Toch merken we tot nu toe een oorverdovende stilte. Waarom zijn de aliens niet hier? Een eerste artikel over deze Fermi Paradox, waarin de kans wordt berekend op een aardachtige planeet met intelligent leven.

Stromatolieten waren bijna drie miljard jaar lang de hoogste levensvorm op aarde.
Stromatolieten waren bijna drie miljard jaar lang de hoogste levensvorm op aarde.

Drake-vergelijking
Radio-astronoom Frank Drake bedacht de Drake-vergelijking die aangeeft van hoeveel buitenaardse beschavingen we radiostraling op kunnen vangen. Hierbij ging hij er van uit dat intelligente aliens zich alleen op een aardachtige planeet kunnen vormen. De formule ziet er ingewikkeld uit maar is in feite slechts een rijtje getallen dat met elkaar wordt vermenigvuldigd.

De Drake-vergelijking is: [latex]N = R^{\ast} \cdot f_p \cdot n_e \cdot f_{\ell} \cdot f_i \cdot f_c \cdot L \![/latex]

N: het aantal buitenaardse beschavingen is waarmee we zouden kunnen communiceren;
R*: de stervormingssnelheid in onze melkweg
fp is de fractie van sterren die planeten bezit
ne: het aantal planeten per ster dat leven zou kunnen herbergen
fâ„“: de fractie planeten waar daadwerkelijk leven ontstaat
fi: de fractie waarop ‘intelligent’ leven ontstaat (waartoe we onszelf heel onbescheiden rekenen)
fc: de fractie die in haar bestaan vanuit de aarde detecteerbare signalen produceert
L: de tijdperiode waarin deze beschavingen deze detecteerbare signalen uitzenden.

Wat komt er uit de Drake-vergelijking?
Drake bedacht deze vergelijking in 1962, toen we over veel minder astronomische kennis beschikten dan nu. Nu kunnen we dingen, zoals het detecteren van exoplaneten, waar Drake alleen maar over kon dromen. Ook is onze kennis over stervorming en planeetvorming aanmerkelijk uitgebreider dan toen. Bij een aantal getallen kunnen we dus realistische waardes plaatsen. De meeste getallen blijven echter nog een raadsel.

Zonachtige sterren
Veel astronomen gaan er (conservatief) van uit dat de enige plaats waar zich leven kan ontwikkelen, een aardachtige planeet is die rond een zonachtige ster draait. De reden is dat zonachtige sterren zowel klein genoeg zijn om lang genoeg mee te gaan om het ontstaan van leven mogelijk te maken, als groot genoeg om een voldoend groter leefbare zone te bezitten.

Blauwe reuzensterren leven extreem kort. Daar kan je dus beter niet naar planeten met leven zoeken.
Blauwe reuzensterren leven extreem kort. Daar kan je dus beter niet naar planeten met leven zoeken.

Rode dwergsterren, bijvoorbeeld, vormen weliswaar meer dan driekwart van alle sterren en leven zeer lang, duizenden miljarden jaren, maar hun bewoonbare zone is zeer smal en ligt dicht bij de ster. Als gevolg daarvan wordt de planeet vastgenageld aan de ster: tidal locking. Ongeveer zoals de maan altijd hetzelfde halfrond naar de aarde wendt.Volgens sommigen verdwijnt hierdoor het beschermende magneetveld en dus de atmosfeer. Aan de eeuwige-nachtzijde van de planeet ligt dan een dikke ijslaag. Aan de andere kant: een veel groter ster dan de zon brandt snel op. Zo gaat een zware blauwe reus als de ster Rigel minder dan honderd miljoen jaar mee. Het leven op aarde deed er twee miljard jaar (twintig keer zo lang dus) over om zich van één cel tot tot meercellige te ontwikkelen. Het percentage zonachtige sterren (F-klasse, G-klasse en K-klasse) is voorzover we weten ongeveer twintig. Eén op de vijf sterren is dus een zonachtige ster.

Stervormingssnelheid
Ons melkwegstelsel telt ongeveer driehonderd miljard sterren. Deze hebben zich alle in de dertien miljard jaar dat ons heelal bestaat, gevormd. In 2006 berekende een aantal wetenschappers hoeveel sterren zich per jaar vormen in de melkweg. Ze kwamen hierbij uit op ongeveer zeven sterren per jaar. Dit lijkt een redelijke schatting anno nu. In het verleden lag de stervormingssnelheid echter vele malen hoger. Het is realistischer van bijvoorbeeld vijftien tot twintig sterren per jaar uit te gaan.

Fractie van sterren met planeten
In de tijd van Drake was de mogelijkheid om dit vast te stellen pure science-fiction.

Satelliet COROT ontdekte super-aarde COROT 7B, zo extreem heet dat het gesteente regent. Duidelijk wat minder geschikt voor leven, dus.
Satelliet COROT ontdekte super-aarde COROT 7B, zo extreem heet dat het gesteente regent. Duidelijk wat minder geschikt voor leven, dus.

Gelukkig is dat nu anders, onder meer de exoplaneet-zoekende satellieten COROT en Kepler geven ons een steeds nauwkeuriger indruk van het percentage sterren dat over planeten beschikt. Naar schatting van astronomen beschikt ongeveer veertig procent van alle zonachtige sterren (zie voor) over planeten zo groot als de aarde of groter. Als we alle rode dwergen en reuzensterren (alsmede uitgebrande sterren, hoe onterecht volgens velen ook) afschrijven komen we dus uit op een getal voor fp van 0,40 * 0, 20 = 0,08 (acht procent).

Aantal planeten per ster waarop zich leven kan ontwikkelen
Ook dit onderwerp garandeert heftige discussies. In vorige eeuwen sidderden mensen van angst voor marsmannetjes, maar we weten nu dat er maar enkele plaatsen in het zonnestelsel zijn die leven kunnen herbergen zoals we dat op aarde kennen. Naast de aarde zijn dat Mars, de Jupitermaan Europa en de Saturnusmaan Enceladus (en volgens sommigen Titan), die over vloeibaar water in hun binnenste beschikken. In een verder verleden bevonden zich ook op Venus oceanen. Deze zijn nu totaal drooggekookt. Uitgaande van onze ervaringen in het zonnestelsel kunnen we concluderen dat een op de vier planeten of planeetachtige objecten, gastvrij kunnen zijn voor leven. In de praktijk is dit echter hooguit eencellig leven. Als we uitgaan van acht planeetachtige objecten per ster, betekent dat dus twee planeten per ster.

Percentage bewoonbare planeten waarop leven ontstaat
We kennen op dit moment maar één planeet waarop leven bestaat: onze aarde. Het leven op aarde ontstond opmerkelijk snel:  binnen een miljard jaar na het ontstaan van de aarde. De oudste fossielen dateren van 3,5 miljard jaar geleden. Een groot deel van deze miljard jaar was de aarde een roodgloeiende lavaplaneet. Gesteente van 3,8 miljard jaar oud, aangetroffen in Groenland, bevatte echter ook aanwijzingen dat er mogelijk leven was in die tijd.
Er zijn sterke aanwijzingen (o.a. methaanuitstoot en mogelijke overblijfselen van stromatolieten) dat ook Mars levensvormen bevat of bevatte. Zolang we Mars, Europa, Titan en Enceladus niet grondig hebben uitgekamd kunnen we geen andere uitspraken doen. Het is ook allerminst zeker dat het leven op de aarde zelf is ontstaan. Volgens sommige theorieën ligt de oorsprong van het leven in interstellaire wolken, een mogelijkheid waarmee Drake (net als met de al even omstreden panspermie) geen rekening hield.

Arbitrair kiezen we hier (mede gezien het extreem snelle ontstaan van leven op aarde) voor ongeveer een derde kans.

Hoeveel planeten ontwikkelen intelligent leven?
Intelligent leven vereist de mogelijkheid om informatie te kunnen verwerken. Deze mogelijkheden zijn voor een amoebe of zeepok niet bijzonder groot. Vandaar dat archeologen nog steeds geen amoebenbeschaving of zeepoktempel hebben opgegraven, hoewel deze soorten er al vele honderden miljoenen jaren zijn.

Stromatolieten waren bijna drie miljard jaar lang de hoogste levensvorm op aarde.
Stromatolieten waren bijna drie miljard jaar lang de hoogste levensvorm op aarde. Saai...

Uit fossielen en schedelmetingen weten we wel dat dieren in de loop van miljarden jaren steeds slimmer werden. Zo was het slimste dier dat leefde aan het einde van de tijd van de dino’s, Troödon, ongeveer zo slim als een modern zoogdier. Er zijn nu meerdere soorten met een hoge hersenmassa. De walvisachtigen, aapachtigen, papegaaiachtigen en de octopusachtigen hebben alle een relatief hoge hersenmassa. Dit zijn alle vier verschillende diergroepen die zich – als de groei in hersenmassa doorzet – ook tot intelligente levensvormen kunnen ontwikkelen. Omdat er meerdere groepen dieren zijn die dit potentieel hebben, is de waarschijnlijkheid dat zich intelligent leven ontwikkelt, vermoedelijk hoog.

Als de biosfeer maar lang genoeg bestaat om ingewikkelde diersoorten voort te kunnen brengen. Juist dat laatste is problematisch. Gedurende drie miljard jaar kwamen er op aarde alleen eencelligen voor. Pas vrij kort geleden, tegen het einde van het Precambrium zeshonderd miljoen jaar geleden, ontstonden er meercellige organismen. Er was namelijk pas toen voldoende vrije zuurstof om ingewikkelder dieren met een brein van energie te voorzien. Als we uitgaan van de geschiedenis van de aarde, is de ontwikkeling van een celkern en meercelligheid een veel grotere stap geweest dan de ontwikkeling van intelligent leven. Waarschijnlijk bevatten daarom verreweg de meeste planeten met leven alleen bacterie-achtige organismen. De fractie planeten met intelligent leven is dus misschien op een duizendste of nog minder te stellen. De kans is veel groter dat zich een tweede Venus vormt of dat er nog steeds alleen bacteriën rondkrioelen als de zon opzwelt tot een rode reus.

Hoeveel intelligente aliensoorten ontwikkelen zich tot een beschaving die in staat is radiogolven voort te brengen?
De mens als soort bestaat zeker driehonderdduizend jaar. Het grootste deel van die tijd – tot ongeveer tienduizend jaar geleden – leefden de mensen als jagers en verzamelaars.

Dolfijnen zijn slimme dieren. Helaas hebben ze geen ledematen waarmee ze gereedschap kunnen vasthouden.
Dolfijnen zijn slimme dieren. Helaas hebben ze geen ledematen waarmee ze gereedschap kunnen vasthouden.

Ongeveer tienduizend jaar gelden werd de landbouw ontwikkeld, waardoor veel hogere bevolkingsdichtheden mogelijk waren. Moderne wetenschap bestaat nog veel korter: enkele honderden jaren. De eerste radio- en televisieuitzendingen dateren van minder dan een eeuw terug. Een bol met radiogolven verspreidt zich met de lichtsnelheid over de naburige sterren.

Er zijn op aarde meer relatief intelligente soorten – de eerder genoemde andere aapachtigen, octopusachtigen, papegaaiachtigen en walvisachtigen – maar voor een dier zonder ledematen als een papegaai of walvis, hoe intelligent mogelijk ook, is het onmogelijk om verder te komen dan het uitwisselen van ingewikkelde verhalen en liederen. Een intelligente soort moet effectief gereedschappen kunnen gebruiken. Alleen de octopusachtigen en de aapachtigen voldoen hieraan. Octopussen leven echter solitair. Voor een beschaving moeten individuen in groepen leven en voor langere tijd op één plaats kunnen blijven.  Ook moet het mogelijk zijn om ingewikkelde apparaten en elektronica te kunnen bouwen. Onder water is dat zeer lastig. Kortom: het is moeilijk voorstelbaar dat een waterbewonende soort verder komt dan de steentijd.

Er zijn meer scenario’s denkbaar. De planeet kan bijvoorbeeld nauwelijks metalen bevatten, waardoor de bewoners veroordeeld zijn tot een bestaan dat de steentijd niet ontstijgt. Dat er veel metalen op de oppervlakte van de aarde voorkomen is, denken onderzoekers -letterlijk- een toevalstreffer: een metaalrijke asteroïde sloeg in. Van nature zakken metalen naar de kern. Een beschaving kan zich ontwikkelen in een niet-technische richting – in feite is dit meer de regel dan een uitzondering. Alleen de Chinese en Europese beschavingen kenden een sterke inheemse technische traditie.

Hoe lang gaat de buitenaardse beschaving door met radiogolven uitzenden?
Radiozenders zijn nu veel minder krachtig dan vroeger, omdat radioontvangers veel beter zijn geworden. Vrijwel alle radioverkeer is nu digitaal in plaats van analoog. Op lichtjaren afstand worden de bits van digitale uitzendingen nu uitgesmeerd, waardoor het lijkt alsof de aarde witte ruis uitzendt. Paradoxaal was de aarde voor aliens vijftig jaar geleden dus duidelijker te ontdekken dan nu. Beschavingen hebben ook een eindige levensduur. We worden nu geconfronteerd met het opraken van grondstoffen, fossiele brandstoffen en de gevolgen van milieuvervuiling. Het had weinig gescheeld of door de Cubacrisis van 1962 was een nucleair Armageddon uitgebroken.  Wie weet vinden wetenschappers in de toekomst een nog veel dodelijker wapen uit waardoor de mensheid zichzelf opblaast of vergiftigt en is dit de reden dat we zo weinig merken van andere technisch ontwikkelde beschavingen. Toch moeten we een realistisch getal zien te vinden. Vijfhonderd jaar lijkt een redelijke schatting. Dit op basis van de levensduur van eerdere menselijke beschavingen zoals de Tolteekse, de Egyptische en de Indusbeschaving. Dit is trouwens ook een uitstekend argument om ook op buitenaardse werelden kolonies te stichten. Zij kunnen de aardbewoners redden als het op aarde uit de hand loopt.

The CERN black hole

De gevolgen van een kunstmatig zwart gat dat ontsnapt zijn vermoedelijk vrij akelig. Ter geruststelling: dit ligt op dit moment nog ver buiten onze mogelijkheden. Nog wel…

Hoeveel buitenaardse beschavingen zijn er nu in de Melkweg?
Er vormden zich ongeveer vijftien tot twintig sterren per jaar miljarden jaren geleden. Naar schatting heeft ongeveer acht procent van alle sterren interessante planetenstelsels (dit is exclusief de rode dwergen, driekwart van alle sterren). Naar schatting heeft elk van deze sterren twee planeten waar in potentie leven kan ontstaan.
Omdat leven op aarde zeer snel nadat de omstandigheden daar geschikt voor waren al is ontstaan, moet het ontstaan van leven niet een erg zeldzame gebeurtenis zijn. Laten we pessimistisch uitgaan van een derde kans.
Veel gecompliceerder is de ontwikkeling van eencellig naar meercellig (en dus in potentie intelligent) leven. Het kostte op aarde maar liefst drie miljard jaar om van eencellige naar meercellige te evolueren. Vandaar dat we hier uitgaan van een duizendste: een zeer zeldzaam proces. Uit de aanwezigheid van vier niet verwante diergroepen op aarde met een verhoogde hersenmassa leiden we af dat een hogere intelligentie een natuurlijk gevolg is van voortschrijdende evolutie. De kans dat er uiteindelijk een intelligente soort ontstaat, gegeven dat er meercellig leven bestaat, is hiermee vrij hoog.
Een intelligente soort kan zowel op het land, in de zee of in de atmosfeer voorkomen (van veel superaardes wordt een zeer dikke atmosfeer voorspeld). Alleen landbewoners (of andere soorten, met onwaarschijnlijk veel geluk) kunnen zich tot een gereedschap gebruikende  soort ontwikkelen. Misschien dat één op de tien soorten zich uiteindelijk tot technische beschaving ontwikkelt. De rest is voor eeuwig opgesloten op hun planeet, tenzij een welwillende buitenaardse soort ze bevrijdt voor ze uitsterven.
Laten we uitgaan van een periode van vijfhonderd jaar dat deze soort radiostraling uitzendt. Als de soort naar andere sterren reist wordt deze periode uiteraard veel langer. Alleen al de reis naar een andere ster duurt honderden tot duizenden jaren.
Dan komen we in totaal uit, alleen al in deze Melkweg, op 15 (aantal nieuwe sterren per jaar)  x 0,08 (percentage sterren dat zonachtig is en een planetenstelsel heeft)  x 2 (aantal planeten in bewoonbare zone of met grote ondergrondse oceaan)  x 1/3 (kans op ontstaan leven) x 1/1000 (kans op ontwikkeling van meercellig intelligent leven) x 1/10 (kans op de ontwikkeling van een technische beschaving) x 500 (levensduur van de technische beaschaving)= 0,4 beschavingen. Dit is de kans dat er op dit moment ergens in de Melkweg zich een beschaving vindt die ook radiogolven uitzendt. Erg ver kunnen we niet luisteren – misschien een bol met honderd lichtjaar doorsnede, als we een veel betere radiotelescoop gebruiken dan die waar we nu over beschikken (op dit moment kunnen we een grote radiozender in de buurt van Alfa Centauri net uit de achtergrondruis pikken). Dat is maar een heel klein gebiedje: het melkwegstelsel heeft een doorsnede van vijftigduizend lichtjaar. Het is dus erg logisch dat we niets horen van aliens. Aan de andere kant, deze aannames zijn op sommige punten boterzacht…

Bacteriën zijn in staat tot verbluffend ingewikkelde samenwerkingsverbanden.

UPDATE: Zijn we allen Marsmannetjes?

Volgens sommige theorieën zijn we de nazaten van levensvormen die zich op Mars hebben ontwikkeld. Er zijn inderdaad enige argumenten die daar voor pleiten, want miljarden jaren geleden was Mars, net als de aarde, een planeet bedekt met oceanen. Komen we met het instrument Search for Extra-Terrestrial Genomes (SETG) aan boord van een nieuwe Marsmissie eindelijk achter de waarheid?

Uit analyses van de Marsrover Spirit blijkt dat bepaalde gesteenten uit de Gusev-krater, die meer dan vier miljard jaar oud zijn, zijn blootgesteld aan een hoog zuurstofgehalte. Althans, die conclusie trekken onderzoekers op basis van de chemische verschillen tussen vrij jonge (plm. 150 miljoen jaar oude) Marsmeteorieten (die afkomstig waren van materiaal onder de Marsoppervlakte) en het eerder genoemde gesteente. Het zeer oude gesteente bleek vijf keer rijker aan nikkel te zijn dan de jonge vulkanische rots. Volgens
[0] is de meest waarschijnlijke verklaring dat een zuurstofrijke atmosfeer dit veroorzaakte. Zuurstof is zeer reactief en verdwijnt als het niet aangevuld wordt door oxidatie van gesteente, dus dit zou betekenen dat er een actief zuurstofleverend proces moet zijn geweest. Er zijn op mars ook fossielen die erg lijken op stromatolieten, ‘levende rotsen’, aangetroffen. Kortom: de aanwijzingen voor plantaardig leven op Mars bijna vier miljard jaar geleden worden steeds sterker.

Mars als kraamkamer voor het allereerste leven?
De planeet Mars is naar aardse maatstaven een uiterst onaangename plek. Hartje zomer stijgt de temperatuur op de evenaar op enkele plaatsen tot iets boven nul, maar de gemiddelde temperatuur op Mars is drieënzestig graden onder nul: een Antarctische winter.

Stromatolieten zien er erg buitenaards uit. Kwamen deze levende rotsen miljarden jaren geleden ook op Mars voor?
Stromatolieten zien er erg buitenaards uit. Kwamen deze levende rotsen miljarden jaren geleden ook op Mars voor?

De zeer dunne atmosfeer, een procent van de aardse, is alleen voldoende om loeiende stofstormen te veroorzaken die gedurende maanden de hele planeet aan het zich kunnen onttrekken. Aan de polen is het zo koud dat zelfs kooldioxide een groot deel van het jaar bevroren is. Kortom: Mars is nu niet bepaald een plaats die je zou associëren met welig tierende oerwouden, kleurige koraalriffen en wuivende palmen.

Toch was dat volgens de laatste inzichten tijdens het Noachiaanse tijdperk, 4,2 tot 3,5 miljard jaar geleden, heel anders. Mars was toen bedekt met ondiepe oceanen die op het noordelijk halfrond zelfs bijna het hele halfrond bedekten. Dit weten we omdat op Mars overblijfselen zijn gevonden van kalksteen, een mineraal dat zich alleen in een waterrijke omgeving kan vormen. Ook blijkt er diep onder de oppervlakte een grote hoeveelheid waterijs en vloeibaar water aanwezig te zijn. De Marsrover Opportunity kwam zelfs vast te zitten in de Martiaanse modder.

Was er leven op Mars?
Op dit moment is er nog geen direct bewijs van leven op Mars aangetroffen.

Wel zijn er een aantal raadselachtige geologische structuren aangetroffen die aan aardse stromatolieten doen denken – een soort levende rotsen, het product van bacteriën die de aarde miljarden jaren geleden geheel overdekten en ook nu nog op bepaalde geïsoleerde plaatsen op aarde voorkomen. Ook is er ’s zomers methaanuitstoot gemeten op de gebieden waar het het warmst wordt. Kortom: er zijn een aantal sterke aanwijzingen dat als er al niet nog steeds levende bacteriën op Mars voorkomen, die mogelijk miljarden jaren geleden wel voorkwamen. Er is vanaf Mars zo’n miljard ton materiaal op de aarde terecht gekomen. Er zijn meerdere Mars-meteorieten bekend. De kans is niet denkbeeldig, denken sommige planetologen, dat sommige van die brokstukken van Mars, martiaanse bacteriën hebben bevat die de aarde hebben ingezaaid. We zouden dan allen nakomelingen van Marsbewoners zijn.

Jacht op Martiaans leven
Een groep onderzoekers van het Amerikaanse technische onderzoeksinstituut Massachusetts Institute of Technologie heeft een concept ontwikkeld voor een soort DNA sampler die meegestuurd kan worden met een missie naar Mars. DNA-sporen, weten wetenschappers  uit aardse fossiele afzettingen, kunnen voor langer dan een miljoen jaar intact blijven. De SETG (Search for Extra-Terrestrial Genomes) gebruikt een bekende techniek: DNA sampling. Hierdoor worden DNA-sporen in een monster – waar deze ook vandaan komen – verveelvoudigd. Het idee van de onderzoekers is om dat met een bodemmonster afkomstig van decimeters to meters diep onder het oppervlak te doen. In dit gebied is vloeibaar water aangetroffen; dit vormt de meest logische plaats om Martiaans leven te vinden. Bezitten deze organismen DNA zoals de aardse levensvormen, dan moeten sporen van dit leven tevoorschijn komen.

De missie – als deze goedgekeurd wordt – vergt twee jaar voorbereiding. Dat is te laat om mee te gaan met de komende lancering van Mars Science Laboratory, of  Curiosity, deze herfst.  Voor volgende missies moet het echter mogelijk zijn.

Bronnen
0. Nature
Physorg

Onbekende groep 1 bevindt zich fylogenetisch tussen bacterievirussen. Groep 2 is onbekend...

Mysterieus DNA wijst op onbekende levensvorm

Het leven op aarde bestaat uit bacteriën, de bacterieachtige archaea en eukaryoten (alle levensvormen met een celkern, waaronder mensen). Mysterieuze DNA-sporen wijzen er echter op dat er mogelijk nog een onbekende vierde groep levensvormen is…

Wetenschappers zijn net mensen. Het grootste deel van de tijd zijn ze bezig op de gebaande paden voort te rennen. Dat er weg van de wetenschappelijke snelweg nog veel opmerkelijke ontdekkingen zijn te doen bewees een groepje genetici, waaronder Jonathan Eisen van de universiteit van Californië en  Craig Venter, bekend van het Human Genome Project.

Grootste deel eencelligen onzichtbaar
Maar één op de honderd bacteriesoorten kan worden gekweekt op een petrischaaltje. Om de vele onbekende eencelligen in kaart te brengen, hebben beide genetici enkele monsters van de Global Ocean Sampling Expedition uitgekamd. Door middel van metagenomics, een techniek waarbij letterlijk alle DNA in het monster op één hoop wordt gegooid en geanalyseerd,  slaagden ze erin junk-DNA van relevante informatie te scheiden.

Onbekend, sterk afwijkend DNA
Hier kwamen opmerkelijke dingen uit. Zo bleken DNA-reeksen voor te komen die codeerden voor tot nu toe totaal onbekende varianten van recA and rpoB, eiwitten die respectievelijk DNA repareren en RNA (afschrift van DNA) produceren.

Dit is geen maanlander maar een faag: een bacterievirus.
Dit is geen maanlander maar een faag: een bacterievirus.

Deze eiwitten of varianten hiervan komen in iedere bekende levensvorm van alle drie rijken voor. De varianten die nu zijn aangetroffen zijn volkomen onbekend en passen in geen van de drie bekende rijken. Om die reden denken veel biologen dat we een onbekende vierde groep levensvormen op het spoor zijn, verschillend dus van bacteriën, archaea en organismen met een celkern.

Verklaringen
Sommigen denken dat deze sequenties van een organisme komt dat zich door langdurige isolatie uit een groep bacteriën of archaea heeft ontwikkeld.

Onbekende groep 1 bevindt zich fylogenetisch tussen bacterievirussen. Groep 2 is onbekend...
Onbekende groep 1 bevindt zich fylogenetisch tussen bacterievirussen. Groep 2 is onbekend...

Dan moet deze scheiding wel miljarden jaren geleden hebben plaatsgevonden of moet de evolutie extreem snel hebben plaatsgevonden.

Anderen denken dat het om een nog onbekende groep fagen (bacterievirussen) gaat. Sommige virussen dragen de codes voor DNA-manipulerende enzymen met zich mee.

Inderdaad zijn de onbekende sequenties uit groep 1 (zie figuur, geel) verwant aan fagen. Groep 2, in blauw gemarkeerd,  is veel raadselachtiger.

De meest verregaande suggesties is dat het hier om een nog onbekend organisme  gaat dat misschien de missing link is tussen cellulair leven en niet-cellulair leven. Dat laatste zou uiteraard zeer sensationeel zijn.

Het is ook mogelijk dat het (net zoals eerder bij archaea) in het geval van groep 2 om bacterie-achtige organismen  gaat die tot nu toe aan de aandacht van microbiologen zijn ontsnapt.

Bronnen:

New Scientist
Plos One