De geiser spuit gloeiend heet water de lucht in. Seconden later valt dit water neer als een dichte, warme regen die de kleine, bijna uitgedroogde plassen in het kale landschap aanvult.
Dit is niet de aarde die we kennen.
Dit is een van de weinige stukken land die er zijn – een reeks vulkanische eilanden in een schier oneindige zee.
De planeet is nog erg jong, maar ergens in deze onherbergzame wereld is een wirwar van chemische reacties bezig om het eerste leven te vormen – het leven dat sindsdien alle delen van de aarde heeft veroverd, van de gloeiende gesteenten diep in de bodem tot besneeuwde bergtoppen.
De sprong van levenloze moleculen naar het leven behoort tot de meest centrale in de geschiedenis van de aarde. Maar hoe ging het eraantoe, en waar gebeurde het?
Deze twee vragen hangen met elkaar samen. De processen die de genetische code vormden, eiwitten creëerden en alles in één pakketje stopten, waren sterk afhankelijk van hun omgeving, dus als we weten hoe de eerste reacties van het leven verliepen, kunnen we nagaan waar ze plaatsvonden.
En een doorbraak is nabij. De onderzoekers beseffen dat eerdere theorieën over de eerste chemie van het leven te simpel waren, maar nu hebben ze de technologie om de chemische wirwar waaruit het leven ontstond, na te bootsen.
Darwin denkt aan warme poel
Wanneer het leven begon, blijft een raadsel. Vondsten van mogelijk organisch gevormde koolstof in 4,3 miljard jaar oude mineralen uit Australië duiden erop dat het relatief kort na het ontstaan van de aarde gebeurde.
Maar dat is verre van zeker. Misschien liet het leven op zich wachten en ontstond het pas 3,7 miljard jaar geleden. Vanaf die tijd zijn er sporen van fotosynthese ontdekt in Groenlands gesteente.
Ondanks meningsverschillen over deze fossielen stellen de wetenschappers dat het leven niet later dan 3,5 miljard jaar geleden kan zijn ontstaan. Op basis van het DNA in organismen van nu hebben genetici berekend dat de voorouder van al het huidige leven op aarde ten laatste op dit tijdstip heeft geleefd.
Deze voorouder, ook wel LUCA genoemd (last universal common ancestor), had waarschijnlijk de biologische kenmerken die alle organismen – van de eenvoudigste bacteriën tot de grootste walvissen – hebben, zoals celmembranen van vet, een genetische code op basis van DNA en een leger eiwitten om chemische reacties te katalyseren, de bouwstenen te vervoeren en de cel bij elkaar te houden.
Deze kenmerken staan centraal wanneer de onderzoekers de vorming van het prille leven proberen te begrijpen.
Bouwstenen van het leven werken samen in cellen
Alle organismen op aarde, inclusief jijzelf, danken hun leven aan een geweldige moleculaire samenwerking – die met grote waarschijnlijkheid helemaal terug te leiden valt tot het vroegste leven op onze planeet.
DNA en RNA maken nieuwe eiwitten aan
Het DNA bevat de bouwtekening van ieder eiwit. RNA brengt de informatie van het DNA verder en helpt met het bouwen van de eiwitten.
Eiwitten bouwen DNA en vet op
Eiwitten kopiëren ons DNA wanneer de cel zich deelt, ze kunnen DNA vertalen in RNA en ze bouwen de vetstoffen van de celmembranen op.
Vet beschermt eiwitten en DNA
Vet schermt de cel af van de omgeving en vormt in de cel holtes waarin eiwitten, DNA en RNA ongestoord chemisch kunnen reageren.
Het vroegst bekende idee over het begin van het leven is zo’n 350 jaar v.Chr. door de Griek Aristoteles geformuleerd. Volgens zijn theorie komt het leven voortdurend spontaan voort uit niet-levend materiaal.
Dit idee werd in 1859 door de Franse bioloog Louis Pasteur verworpen. Hij toonde aan dat een voedzame, maar steriele vloeistof niet spontaan bacteriën of schimmels baart.
Pas als deze in contact komt met de lucht – en de organismen daarin – duikt er leven op.
Dit experiment hielp de theorie vorm te geven waar veel wetenschappers nu mee werken: dat het leven op aarde één keer is ontstaan, alle kanten op is geëvolueerd en zich heeft verspreid over de hele planeet. En toen werd het zoeken naar de mysterieuze plek die het allereerste leven voortbracht.
Een van de vroegste wetenschappelijke ideeën over het eerste leven kwam van de Engelsman Charles Darwin. In een brief aan een vriend, botanicus Joseph Dalton Hooker, schreef Darwin in 1871 hoe eiwitten konden zijn ontstaan in een warme poel met licht, stikstof- en fosforverbindingen, warmte en elektrische spanningsverschillen.
Dergelijke eiwitten kunnen dan met elkaar reageren en zo complexere verbindingen vormen. De theorie van Darwin was beknopt, maar zou de inspiratie leveren voor een baanbrekend experiment dat 80 jaar later plaatsvond.
RNA kan het wel alleen af
De Amerikaanse scheikundigen Stanley Miller en Harold Urey probeerden in 1952 de omstandigheden van de vroege aarde na te bootsen met water en een mengeling van methaan, waterstof en ammoniak. Hun energiebron was een kunstmatige bliksem.
Er kwamen aminozuren uit voort: de basale bouwstenen van eiwitten.
Het experiment toonde aan dat enkele van de meest basale moleculen van het leven vrij makkelijk op de jonge aarde konden ontstaan.
Vijf jaar later deed Miller het experiment opnieuw, maar met een kleine wijziging: hij voegde waterstofsulfide toe.
Dit gas komt vaak uit actieve vulkanen, en daaraan was de vroege aarde heel rijk. Om onbekende redenen heeft Miller nooit de uitkomst van zijn recentere experiment bestudeerd.
Dat gebeurde pas 50 jaar later, toen een van zijn studenten, de scheikundige Jeffrey Bada, de verzegelde monsters van Miller vond. Bada analyseerde ze met moderne methoden – en het resultaat bleek nog interessanter te zijn dan het oorspronkelijke experiment.
De chemie en kunstbliksem hadden wel 23 aminozuren gecreëerd, met inbegrip van enkele zwavelhoudende, die cruciaal zijn voor het leven op aarde – zoals methionine, dat de vorming van eiwitten in de cellen op gang brengt.
Maar eiwitten zijn slechts één element van het leven op aarde. De oorsprong van de genetische code, die nu uit DNA bestaat, was een zwaardere dobber.
Mogelijk bestond die code ooit uit RNA, dat een eenvoudiger structuur heeft dan DNA, en daarbij het voordeel dat het als code maar ook als een enzym kan fungeren.
Cellen van nu gebruiken de stof als boodschapper die instructies van het DNA tot in de cel brengt, maar ook als enzym dat helpt bij het opbouwen van eiwitten op basis van die DNA-instructies.
Door die dubbele werking kan RNA in theorie zichzelf kopiëren, waardoor enkele wetenschappers suggereren dat dit het meest centrale molecuul is voor het vroege leven. Ze stellen zich een zogeheten RNA-wereld voor, waarin RNA zelf alle taken uitvoert waar tegenwoordig DNA en eiwitten voor nodig zijn.
De vroege RNA-strengen konden hun eigen code aflezen en op basis daarvan nieuwe strengen maken. Daar kwamen DNA en eiwitten bij omdat ze het systeem stabieler en betrouwbaarder maakten. Dit beeld was lange tijd gangbaar, maar een nieuwe theorie kan de RNA-wereld omverwerpen.
Microchips bootsen oersoep na
De wetenschappers hebben nog geen RNA-molecuul kunnen maken dat zichzelf kan kopiëren onder de omstandigheden op de jonge aarde. En zelfs als het lukt, is het lastig te verklaren hoe zo’n complex molecuul helemaal uit zichzelf ontstaan zou kunnen zijn.
De hypothese komt voort uit een nieuw onderzoeksveld, de systeemchemie. Hierin werken wetenschappers met scheikundige mengsels die allerlei moleculen bevatten.
Ze voeren hun experimenten bijvoorbeeld uit op microchips, waarbij ze doses van alle componenten van het mengsel nauwkeurig kunnen regelen, evenals de condities rond de moleculen.
De wetenschappers kunnen bovendien vele mengsels tegelijk testen en onderzoeken welke stoffen er bij de reacties precies worden gevormd.
Leven kan komen uit 4 milieus
De onderzoekers hebben de bakermat van het leven in allerlei milieus gezocht, van gloeiend hete bronnen op de zeebodem tot inslagkraters van rotsblokken uit de ruimte. Maar na een afvalrace zijn er vier kandidaten over.
IJs kan de genetische code hebben gebouwd
VOOR: Bij het bevriezen en smelten van water kunnen ketens RNA zijn ontstaan, en de lage temperatuur van ijs stabiliseert de moleculen.
TEGEN: Het is niet duidelijk of er op de jonge aarde überhaupt ijs was, en veel reacties doen zich juist voor bij hogere temperaturen.
Meteoren brachten cruciale stoffen mee
VOOR: Meteoren kunnen blauwzuur hebben aangevoerd, dat cruciale elementen voor het leven bevat: koolstof, waterstof en stikstof.
TEGEN: Blauwzuur kan alleen met behulp van vulkanische bronnen bouwstenen vormen, en er is geen organisme meer dat blauwzuur gebruikt.
Bouwstenen van het leven komen uit geisers
VOOR: Geisers en hete bronnen bevatten cruciale organische stoffen, waarin vetmembranen en ketens van aminozuren en RNA kunnen ontstaan.
TEGEN: Het is niet duidelijk hoe RNA of DNA precies kan ontstaan onder de omstandigheden die heersen in een vulkanische bron.
Onderzeese bronnen vormen celachtige poriën
VOOR: Hete bronnen op de zeebodem slijten poriën uit in gesteente, die net als celmembranen chemische reacties kunnen afschermen.
TEGEN: De kans dat de juiste typen moleculen elkaar in grote hoeveelheden tegenkomen, is verwaarloosbaar in de enorme watermassa.
De systeemchemie benadert de oersoep, waarin het leven is ontstaan, waarschijnlijk het meest. En er hebben al grote doorbraken plaatsgevonden. Bij het testen van een mengsel van vetzuren en aminozuren in 2017 ontdekten de onderzoekers dat het vet twee aminozuren kon koppelen – een grote stap voor de eiwitvorming. Ook is gebleken dat aminozuren kunnen helpen om RNA te vormen uit eenvoudige moleculen.
De systeemchemie heeft veel problemen van de theorie van de RNA-wereld opgelost. Door vet, aminozuren en andere moleculen erbij te betrekken, begrijpen onderzoekers nu beter hoe een complexe genetische code kan ontstaan.
En door eiwitten van meet af aan met RNA te laten werken, is makkelijker in te zien hoe de eerste enzymen kopieën van zichzelf konden maken.
Het resultaat is dat we nu de puzzel van het begin van het leven al een heel eind kloppend hebben.
Droogte en vocht zijn cruciaal
De nauwe samenwerking tussen de eerste bouwstenen verklaart het ontstaan van het leven echter maar half.
Alleen met een speciale combinatie van fysieke omstandigheden konden de juiste reacties plaatsvinden. En ook hier heeft de systeemchemie nieuwe inzichten opgeleverd.
In 2017 beschreef een team van Australische en Amerikaanse onderzoekers een experiment waarin ze vetzuren vermengden met nucleotiden: fundamentele bouwstenen van het RNA.
Ze stelden het mengsel eerst bloot aan een heet en zuur milieu en lieten het daarna een paar keer uitdrogen en nat worden.
Het resultaat: lange ketens van soms wel 100 nucleotiden in vetbellen.
Scheikundigen van NASA’s Center for Chemical Evolution gingen een stap verder in het proces en toonden aan hoe die nucleotiden kunnen ontstaan uit nog simpelere moleculen. De vorming van de allereerste nucleotiden is een bijzonder raadselachtige stap op weg naar het leven, want er zijn zeer veeleisende chemische reacties voor nodig.
Maar NASA heeft achterhaald hoe mengsels van simpele stoffen als suikers, melamine en barbituurzuur moleculen kunnen maken die lijken op de basisbouwstenen van het RNA.
Die moleculen kunnen ketens vormen: een soort voorstadium van een genetische code. De sleutel tot deze doorbraak was – net als in de proef van 2017 – een cyclus van natte en droge omstandigheden.
Uit vergelijkbare experimenten blijkt dat zo’n cyclus ketens van aminozuren kan vormen en zelfs een simpele kopiëring van de DNA-streng in gang kan zetten.
Het lijkt er sterk op dat de wisseling van natte en droge perioden cruciaal was voor het begin van het leven.
En de plek waar precies deze voorwaarden heersen, is nu gevonden.
Leven is ontstaan op het land
Darwin dacht aan een warme poel.
Latere wetenschappers zochten de bakermat van het leven diep in de oceanen.
En nu richten de meeste onderzoekers hun blik op het land van de jonge aarde. Daar was veel meer vulkanische activiteit dan tegenwoordig, en dat is interessant.
Geisers brachten bouwstenen bijeen
1. Simpele stoffen reageren in een plas
Reacties tussen simpele moleculen als vetzuren, aminozuren en suikers vormen de basale bouwstenen van de genetische code: nucleotiden.
2. Drooglegging brengt moleculen samen
Als het water verdampt, ontstaan er lagen vet. Tussen die lagen kunnen zowel aminozuren als nucleotiden lange ketens vormen.
3. Water vomt voorstadium van cel
De stoffen lossen weer op in water en er ontstaan celachtige vetbelletjes, waarin organische ketens complexere stoffen kunnen vormen.
4. Cycli vergroten de complexiteit
De stoffen worden door de cyclus van droge en natte omstandigheden complexer en kunnen zichzelf uiteindelijk beschermen en kopiëren.
5. Het leven wordt nat
Via natuurlijke selectie komen er meer taaie cellen met enzymen die de taken uitvoeren waarvoor ooit droogte nodig was. Het leven is ontstaan en gedijt in een vochtig milieu.
Verspreid over het land waren er hete bronnen en geisers zoals die vandaag de dag te vinden zijn in IJsland of in Yellowstone National Park in de VS. In het landschap daaromheen waren er kuilen die afwisselend met water uit de geisers werden gevuld en weer uitdroogden.
De kleine poelen rond de oeroude geisers hebben precies de eigenschappen die het eerste leven nodig had.
Ze waren rijk aan een aantal belangrijke organische stoffen en mineralen, ze waren warm en in hun cyclus van natte en droge omstandigheden konden de bouwstenen van het leven ontstaan en de basisprocessen op gang komen.
De doorbraak van de systeemchemie brengt ons dicht bij de wieg van het leven, en wie weet kunnen we met deze nieuwe kennis binnenkort nieuw leven vanuit het niets maken in het lab.
Dat zou een mijlpaal voor de wetenschap zijn – maar sommige onderzoekers vinden dat niet zo belangrijk in het grote perspectief, want volgens hen ontstaat nieuw leven in de natuur vrij vaak.
Nieuwe levensvormen zullen echter nooit een bedreiging voor ons vormen. Wij – en onze hele biologische familie, van bacteriën tot blauwe vinvissen – verdringen eventueel nieuw leven voortdurend.
Want we hebben een voorsprong van bijna 4 miljard jaar.