Er was al vroeger leven op aarde dan we dachten

Het ontstaan van leven op aarde was in meer dan één opzicht een toevallige gelukstreffer.

Wetenschappers blijven worstelen met de vraag hoe het leven op aarde is ontstaan. Er zijn rudimentaire inzichten, maar die kwamen vooral voort uit laboratoriumexperimenten die het ontstaan van het leven probeerden na te bootsen in proefbuizen. De natuur simuleren, zeker als het gaat om fundamentele processen van lang geleden, is geen sinecure. Per definitie mis je van alles.

Dat belet niet dat het de moeite loont om te blijven proberen. Zo wordt er op verschillende niveaus van dat ontstaansproces nieuwe informatie vergaard. In Nature verscheen een overzicht van de kennis over het voorkomen van de chemische elementen die essentieel waren voor de vorming van de eerste levenselementen in de beginperiode van ons zonnestelsel. Dat ontstond zo’n 4,6 miljard jaar geleden uit een enorme kosmische stofwolk.

De belangrijkste onderzochte elementen waren waterstof, zuurstof, stikstof en koolstof. Zij moeten aanwezig zijn geweest in zogenaamde ‘kosmochemische reservoirs’ en werden aangetrokken door planeten in de loop van hun vormingsproces – de aarde ontstond zo’n 4,5 miljard jaar geleden. Omdat planeten in hun ontstaansproces frequent te maken kregen met invallende kometen, is het een verdedigbare stelling dat nogal wat chemische elementen op die manier meekwamen. Hoe ze zich verder ontwikkelden, hing mee af van de specifieke omstandigheden tijdens de verdere wording van de planeten.

Steriele rotsmassa

De vorming van leven moet naar kosmische normen vrij snel gegaan zijn. De aarde was aanvankelijk een steriele rotsmassa die ononderbroken geteisterd werd door vulkanische explosies, maar amper een miljard jaar na haar ontstaan stak het eerste leven de kop op. Tot voor kort namen wetenschappers aan dat het ontstaan van leven in opeenvolgende, afgescheiden stappen verliep. Maar een overzicht van de bestaande kennis in New Scientist suggereert dat zo’n stappenproces niet zo waarschijnlijk was. Cruciale processen zouden parallel aan elkaar hebben moeten verlopen om uit te kunnen monden in de eerste levende cellen – het leven op aarde bestond heel lang exclusief uit micro-organismen.

We mogen daarbij niet te veel kijken naar wat vandaag als de oudste levende organismen worden beschouwd: de stromatolieten uit West-Australië. Die zouden rechtstreeks afstammen van microben die 3,5 miljard jaar geleden ontstonden. Maar zij beschikken over meer dan honderd genen, waardoor het ondenkbaar is dat ze sterk genoeg lijken op hun allereerste voorouders om er iets bruikbaars over hun prehistorie uit af te kunnen leiden – hun voorouders moeten véél eenvoudiger zijn geweest. Virussen kunnen we in dit verhaal niet mee in rekening brengen: ze zijn genetisch wel een stuk beperkter, maar ze hebben andere levensvormen nodig voor hun overleving, dus ze kunnen niet ‘de eersten’ zijn geweest.

Een levende cel heeft in essentie drie belangrijke componenten: een wand of membraan voor structuur en beveiliging, een metabolisme voor het leveren van energie, en genen voor de voortplanting. De ontstaansbiochemie van die drie processen afzonderlijk is vrij goed beschreven. Maar in een cel zijn ze zo afhankelijk van elkaar dat het moeilijk is een mechanisme te bedenken waarin ze één voor één konden ontstaan. Het lijkt logischer dat hun ontstaan een complex proces was, waarin de drie componenten min of meer samen opdoken uit de basischemie die op de prille aarde beschikbaar was. Het gaat dan om vetachtige lipiden die membranen vormen, aminozuren voor eiwitten, en moleculen voor genetische structuren zoals RNA.

De eerste complexere cellen zouden al zo’n 1,5 miljard jaar geleden ontstaan zijn.

Vrij eenvoudige chemische stoffen als formamide en cyanamide zouden in contact met kleiachtige componenten en onder impuls van ultraviolet licht zowel RNA als aminozuren kunnen vormen. Sommige aminozuren zouden, al dan niet met de hulp van primitief RNA, aan elkaar gekoppeld zijn geraakt in korte eiwitten – RNA is in staat om bepaalde chemische reacties te vergemakkelijken of versnellen. Daaruit zouden de eerste lipiden ontstaan zijn, die een vorm van bescherming boden aan de andere processen. Zo zouden er in de oorspronkelijke chemische oersoep op de aarde cellen opgedoken zijn.

Wetenschappers hebben uit dat alles geconcludeerd dat het eerste leven op de aarde niet ontstaan is in heetwatergeisers in de diepten van de oceaan, zoals algemeen wordt aangenomen. Daar zouden de omstandigheden voor de beschreven processen niet geschikt zijn geweest. Het lijkt er meer op dat het gebeurde in chemisch roerige stroompjes van zoet water, bijvoorbeeld op de flanken van vulkanen. In ieder geval besloten ze uit hun analysen dat het levensbegin een veel ingewikkelder proces was dan we tot dusver geneigd waren te denken.

Handige moleculen

Dat inzicht wordt versterkt door een recent artikel in Science over de prangende vraag hoe het komt dat levensmoleculen een specifieke ‘handigheid’ hebben, die essentieel is voor hun werking. De genetische moleculen DNA en RNA komen uitsluitend voor in een ‘linkshandige’ vorm, de aminozuren die eiwitten vormen zijn ‘rechtshandig’. Die dubbele handigheid is nodig om de overschrijving van genetische eigenschappen in eiwitten vlot te laten verlopen.

Veel chemische reacties produceren min of meer even grote hoeveelheden van de twee vormen van een molecule, die zich tot elkaar verhouden zoals onze linkerhand tot onze rechterhand. Maar ons lichaam is bijvoorbeeld niet in staat om beide vormen van de suikermolecule glucose te verwerken – het werkt slechts voor één van de twee spiegelbeelden. Hetzelfde gaat op voor de meeste moleculen die essentieel zijn voor ons bestaan. In de loop van hun ontstaan moet er voor de levensmoleculen dus een proces gespeeld hebben dat een sterke selectiviteit in hun structuur in de hand werkte.

Het levensbegin was een veel ingewikkelder proces dan we tot nu toe dachten.

Nieuwe wetenschappelijke inzichten suggereren dat magnetische materialen er een sleutelrol in hebben gehad. Het ijzerhoudende mineraal magnetiet, dat veel voorkomt in de aardkorst, zou een geschikte kandidaat zijn. Uit experimenten blijkt dat het in staat is om een voorloper van RNA-moleculen een welbepaalde ‘handigheid’ te geven. Uit dat alles blijkt dat het allesbehalve vanzelfsprekend was dat er zoiets als leven ontstond. Wij zijn een gevolg van meer dan één gelukstreffer.

Nuttige eiwitten

Hoe je het ook draait of keert, in alle levensscenario’s lijkt RNA een belangrijke rol te spelen. Vandaag is een complex van RNA-moleculen cruciaal om de informatie uit hun zustermolecule DNA over te schrijven in bruikbare eiwitten. Boodschapper-RNA brengt de informatie uit het DNA over naar een structuur die ribosoom-RNA wordt genoemd, en waar die informatie in eiwitten wordt omgezet door de kleine transfer-RNA-moleculen die aminozuren aandragen. Het is een complex proces, maar het werkt efficiënt.

Een analyse in Nature poneert dat een oeroude RNA-molecule de basis zou zijn geweest voor het aaneenschakelen van aminozuren tot eiwitten. Ze wordt beschouwd als een voorloper van het ribosoom. Twee laboratoria, eentje in Israël en een ander in Japan, zijn erin geslaagd om zo’n protoribosoom te maken en te bestuderen hoe het functioneert. Er zouden op de jonge aarde veel natuurlijke experimenten met allerlei vormen van RNA geweest zijn, maar uiteindelijk zou het protoribosoom de aanzet hebben gegeven tot alles wat volgde. Het kan erop wijzen dat de eerste korte eiwitten die het produceerde extreem nuttig waren, waardoor het concept bewaard werd en stevig verankerd raakte in het levensproces. Maar wat die eiwitten precies waren, weten we niet en zullen we misschien nooit weten.

Loki en Asgard

De grote wetenschappelijke vakbladen besteden de laatste tijd veel aandacht aan de vraag hoe oercellen de aanzet gaven tot het ontstaan van de complexe levensvormen, waar wij een voorbeeld van zijn. Ook in die zoektocht wordt vooruitgang geboekt, wat tot verrassingen heeft geleid. Want het begint er steeds meer op te lijken dat de grote levensboom niet uit drie dikke takken bestond, zoals men nu nog aanneemt, maar slechts twee. De drie waren bacteriën, archaea (een aparte vorm van micro-organismen) en eukaryoten (alle organismen met een complexe celstructuur).

Er komt echter steeds meer evidentie voor het idee dat de eukaryoten in feite niet apart ontsproten uit de basis, maar groeiden uit specifieke archaea. Het betreft organismen die genoemd werden naar de Noorse god Loki en het Noorse godenrijk Asgard, omdat de eerste vertegenwoordigers ervan in de oceaan voor Noorwegen gevonden werden in 2008. Ze lijken op bacteriën, maar hebben genen en eiwitten die later in eukaryoten zouden opduiken – zo bleek uit een artikel in Nature Microbiology.

De gegevens suggereren een scenario, waarin bepaalde ‘asgardarchaea’ met specifieke genetische kenmerken kleinere bacteriën opslorpten, die de cellulaire complexiteit verhoogden en aanleiding gaven tot de meer doorwrochte celstructuur waaruit de rest van het leven zou zijn ontstaan. De mitochondriën die onze cellen energie leveren, zijn het resultaat van fusies van kleine bacteriën met oercellen – dat was al bekend. In de natuur worden archaea meestal maar in lage concentraties gevonden, maar sinds kort lukt het wetenschappers om ze te kweken, zodat ze grotere hoeveelheden in handen krijgen voor hun studies. De wezentjes zouden trouwens veel algemener zijn dan men aannam, en in alle mogelijke biotopen voorkomen. We hebben ze lange tijd gewoon niet opgemerkt.

In lijn met de laatste inzichten meldde Nature onlangs dat de oudste bekende voorlopers van de eukaryoten al langer op de aarde aanwezig waren dan men dacht. Ook dat is een constante in het onderzoek: de geschiedenis van het leven wordt niet alleen complexer, ze startte ook vroeger dan we tot nu toe aannamen. Hoe langer we ernaar kijken, hoe ingewikkelder én ouder het wordt. Tot voor kort ging men ervan uit dat complex leven tussen 800 miljoen en 1 miljard jaar geleden ontstond, maar genetische en gesofisticeerde paleontologische analyses van het voorkomen van bepaalde chemische merkers wijzen uit dat het véél vroeger moet zijn geweest: tussen 1,2 en misschien zelfs 1,8 miljard jaar geleden.

Zo’n miljard jaar geleden zouden algen zich al seksueel hebben voortgeplant.

Trompetdiertjes

Het proces moet vrij snel de aanzet gegeven hebben tot een groeiende diversiteit van het leven. Zo’n miljard jaar geleden zouden er al meercellige algen geweest zijn die zich seksueel konden voortplanten, en eencellige ‘diertjes’ die een brede waaier aan gedragspatronen etaleerden.

Sindsdien is het leven ongelofelijk veelzijdig geworden. Elegante experimenten met piepkleine eencellige diertjes uit het geslacht Stentor, soms trompetdiertjes genoemd vanwege hun voorkomen, wijzen uit hoe de beestjes door samenwerking meercellige samenstellingen kunnen krijgen. Volgens New Scientist kunnen twee of zelfs meer beestjes occasioneel samenwerken om gemakkelijker aan voedsel te komen. Ze voeden zich door een waterstroom te genereren met draadjes aan hun trompetachtige ‘mond’, waaruit ze voedingsdeeltjes filteren. Als ze met meer zijn, kunnen ze een sterkere stroming opwekken dan wanneer ze het alleen moeten doen.

De vraag rijst dan waarom ze niet altijd in hechte kolonies leven, zoals andere, meestal grotere waterdiertjes. Mogelijk is het voordeel niet evenredig verdeeld over de partners, waardoor de minder bedeelden uit de coalitie stappen en op zoek gaan naar een betere optie. Het zou er dus een komen en gaan zijn in plaats van een solide samenwerking. Maar uiteindelijk zou dit type coöperatie aanleiding kunnen geven tot een definitief contact.

Als verschillende cellen in zo’n samenwerkingsverband vervolgens aparte functies vervullen, is de evolutie naar complex meercellig leven een feit. Daar zijn vandaag mooie voorbeelden van te vinden, zoals het waterzakmosdiertje in zoet water en het Portugees oorlogsschip in zee: samenwerkende vennootschappen van afzonderlijke diertjes die in het collectief een eigen rol hebben, zoals voeding, voortplanting of verdediging, tot meerdere eer en glorie van het geheel. Het klinkt als werknemers in een succesvol bedrijf.