‘Leven ontstond uit autokatalytische verzameling’

Share Button

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.

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.

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.

Lees ook
Evolutionaire vooruitgang: illusie of feit?
‘Voorganger van DNA en RNA ontdekt’
Oercel veel complexer dan gedacht
Denkende DNA-soep nu een feit

Bron
Stuart Kaufmann et al., The Structure of Autocatalytic Sets: Evolvability, Enablement, and Emergence, ArXiv preprint, 2012

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

26 reacties

  1. Bara schreef:

    Het blijft allemaal gebasseerd op aannames, en hoewel zelden benoemd komt het erop neer dat een banaan en ik dezelfde voorouder hebben, namelijk een steen.

    Volslagen kolder

    • Razor schreef:

      We komen allemaal voort uit dezelfde, uit zichzelf bewegende sterrestof. Accepteer ’t nou maar! ;)

      (Interessant artikel weer btw.) 

    • Jasper schreef:

      Sterker nog, naast de banaan, komen ook de champignon, mestkever en de EHEC bacterie allemaal uit hetzelfde soepje.
      Wat is je alternatief dan? Dit noem je kolder en ik ben benieuwd waarom

      • Bemoeier schreef:

        Vast weer zo`n creationist.

        • Julie schreef:

          Ja, we hebben het periodiek systeem der elementen, donkere materie en donkere energie, en dat was het waar alles uit opgebouwd is.

        • antares schreef:

          Het leven is een dans der elementen, verbonden door potentiaal verschillen tussen de verschillende electronenschalen, het aantal elementen, en de plaatselijke omstandigheden. Het uit zich in een divers bont scala aan fractalconstructies, waarvan wij als cosmisch gezelschap deel uitmaken.

  2. Paul.R schreef:

    Dat het eerste leven in de zwavelbronnen (lees blacksmokers) in zee zijn ontstaan is al een oud gegeven. De ontwikkeling van het levend mechanisme is begonnen eigenlijk met eencellige diertjes. Een andere eenvoud van deze opbouw is er niet. Tenminste tot op heden niet gevonden. Dus voor het DNA werd gecreerd had je dus eerst het RNA, wat begonnen is met het meest eenvoudige enof liever gezegd, het simpelste systeem wat we hierom trent kennen. Door de tijd heen werd dit systeem steeds complexer en ontstond daardoor ook steeds complexere diersoorten. De strijd nu is: is het leven nu ontstaan in deze zwavelbronnen enof is het ontstaan, zoals laatst werd aangegeven oa in de stratosphere? We zullen daarom trent nog wel wat geduld moeten hebben, voordat het gegeven echt vastgesteld worden.
    Zolang dat nog niet gebeurd, blijven onze eerste voorouders de anaerobe bacterie. Dus Razor je hebt in mijn optiek gelijk. Mvg, Paul.  :-D

    • Jasper schreef:

      Hi Paul
       
      Volgens mij ben je iets te snel met je aannames over het eerste leven. De stap van geen leven naar eencellige, waarover jij het hebt is erg groot en er zijn nog geen sluitende aanwijzingen hoe dat proces gegaan is. Er zijn enkele grote vragen over de rol van DNA en RNA. Zoals in een eerder artikel van Germen lijkt RNA geen geschikte kandidaat als informatiedrager voor de genetische informatie. En zelfs tussen de stap van niets naar RNA zouden beslist tussenstappen moeten zitten. Eigenlijk is niet eens duidelijk of het eerste leven wel uit eencellige bestond. Het waren geen bacteriën, geen virussen. Er moet echter wel wat geweest zijn, en daar is nu de zoektocht naar. Ergens moet een verzameling van chemische processen zijn die op de rand van ‘dood’ en ‘leven’ balanceert. Uitermate spannend. Mvg, Jasper

  3. Paul.R schreef:

    Jasper, ik ben het volledig met je eens. De chemie die nodig is om het levend mechanisme te laten ontstaan, is nog steeds niet echt duidelijk. Men gaat ervan uit dat de koolstofatoom de voorloper was. Deze koolstofatoom is in staat om miljoenen verbindingen te maken enof te realiseren. Maar desondanks dat blijven vele gegevens nog een misterie, maar je moet toch ergens beginnen denk ik dan, de rest volgt hopelijk dan later. Mvg, Paul.

  4. Roelof schreef:

    ik denk dat deze autokatalytische reactie een zamenspel is tussen atmosferische gassen, geotherimische processen, zonlicht/straling en chemicaliën opgelost in water. Een paar eenvoudige stoffen als ammoniak, koolstofdioxide, water en waterstofsulfide, vormen onder zamenwerking van verschillende invloeden zoals warmte, koude, UV-straling, ioniserende straling en druk eenvoudige aminozuren. Aminozuren polymeriseren weer onder dezelfde invloeden of vallen uitelkaar en vormen nieuwe stoffen zoals peptiden.
    Naar mijn chemische inzicht kan dit op elke planeet gebeuren waar deze stoffen en invloeden voorkomen mits er de juiste temp en druk heerst.

  5. Bemoeier schreef:

    Ik vind het wel erg theoretisch allemaal, kunnen ze die omstandigheden niet nabootsen in een laboratorium om te zien of er dan leven ontstaat ?

  6. Roeland schreef:

    Dat zou in principe mogelijk zijn, alleen geloof ik niet dat het ooit gelukt is om uit levenloze materie leven te maken (mocht dat wel zijn gelukt dan hoor ik dat graag).
    Ik vermoed dat het vooral moeilijk is om de lange tijdsduur na te bootsen die het proces van ontstaan van leven nodig had. Alle andere zaken zijn lijkt mij wel na te bootsen. 
    Men is er wel in geslaagd om complexe moleculen te doen vormen, maar er is naar mijn weten nog nooit iets uit een reageer buisje gekropen…….

    • Julie schreef:

      Een cel zit vol eiwitten, moleculen en celstructuren. Tot wel 40 % van het volume van een cel bestaat uit eiwitten, dat beïvloedt de vloeibaarheid sterk. Hierdoor is het een stroperige brij i.p.v. een vloeibare massa. De drukte zorgt voor crowding. Vrijwel alle kennis van eiwitreacties is gebaseerd op verdunde, niet-crowded oplossingen. Onderzoekers zouden wel willen werken met concentraties die overeenkomen met het celinterieur, maar dat is ondoenlijk. Eiwitten fabriceren is een dure aangelegenheid, en onbetaalbaar als je daar zoveel van nodig hebt om ze in een reageerbuisje bij de ‘juiste’ concentratie te bestuderen. Een uitweg is werken met extreem kleine reageerbuisjes, zodat je met weinig reagentia toch de correcte celconcentraties kunt nabootsen. Hoogleraar Wilhelm Huck werkt aan een nieuw systeem waarin hij de inhoud van een cel kan vangen in waterdruppeltjes van een picoliter, oftewel 0,000000000001 liter. Zijn onderzoeksgroep werkt als èèn van de eerste ter wereld met deze opstelling.
      http://www.youtube.com/watch?v=59Wcc2x8W5s nwt, nov. 2011.

  7. Julie schreef:

    Hoogleraar fysica van levensprocessen Gijs Wuite aan de Vrije Universiteit in Amsterdam, over zijn onderzoek van samenwerkende eiwitten in mitochondriaal DNA:
    http://www.youtube.com/watch?v=Jk3F-YpG74k 

  8. Julie schreef:

    Cees Dekker, hoogleraar moleculaire biofysica aan de Technische Universiteit Delft, en Prof. hoogleraar wiskunde R. Meester, Vrije Universiteit in Amsterdam, over levensbeschouwing en wetenschap, m.b.t. het ontstaan van (intelligent) leven  http://www.youtube.com/watch?v=SElxg6L0CrE 

  9. Julie schreef:

    En Frank Bruggeman, verbonden aan Nederlands Instituut voor Systeembiologie, doet onderzoek naar het (on)berekenbare gedrag in cellen.
    http://www.vu.nl/nl/nieuws-agenda/nieuws/2012/apr-jun/frank-bruggeman-bijzonder-hoogleraar-wiskunde-en-systeembiologie.asp (stochastisch gedrag, willekeurige moleculaire interacties, maar cellen overwinnen steeds in het spel van overleven).

  10. Paul.R schreef:

    Julie bedankt en ga ik er achteraan.
    Verder ben ik persoonlijk blij, dat we dat niet kunnen. Het is al erg genoeg om een copie te maken van een desbetreffende persoon. Stel je voor dat we instaat zouden zijn om zelf nieuw levend mechanisme te creeren, waar is dan het begin enof het eind? Wat voor consequenties zou dat tot gevolg kunnen hebben? Ik moet er niet aan denken!!!!!!!! Mvg, Paul.  :-(

  11. Paul.R schreef:

    Ps: Cees Dekker is een jonge rising star in de moleculaire biofysica. Heb diepe bewondering voor deze man.  =) =]

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger