De aarde 4 miljard jaar terug: de jonge planeet wordt voortdurend bestookt met meteoren die op het oppervlak hameren, terwijl de brandende lava uit vulkanen spuit en sissend en stomend in meren stroomt.
En juist hier, midden in het inferno, gebeurt het wonder.
In de schaduw van de vulkanen, waar de lava stolt tot basalt, komen vier soorten moleculen bij elkaar om samen een keten te vormen die steeds langer wordt. Het groeiende molecuul – de eerste streng RNA – is de kiem van het leven zelf.
Wetenschappers proberen al tientallen jaren te begrijpen hoe leven kon ontstaan uit dode materie. Nu geven experimenten in het lab ons daar een idee van.
Wetenschappers van de Foundation for Applied Molecular Evolution in de VS mengden organische moleculen om de eerste stappen in de oorsprong van het leven na te bootsen. Andere onderzoekers deden dit al eerder.
Maar de Amerikaanse wetenschappers voegden een extra ingrediënt toe, dat wonderlijk genoeg veel verschil maakt.
Het bestanddeel is basaltisch glas, dat ontstaat als lava snel afkoelt, bijvoorbeeld doordat het in aanraking komt met water. Met die toevoeging van glas konden lange strengen RNA, die volgens de heersende theorie de ruggengraat vormden van het vroegste leven, ontstaan.
Het basaltgesteente bestaat uit gestolde lava. Als de lava heel snel afkoelt, bijvoorbeeld door contact met water, ontstaat er glas in, wat de vorming van RNA-strengen kan bevorderen.
RNA voltooit alle functies
Al het huidige leven is gebaseerd op het DNA-molecuul, dat binnen de cellen de genetische informatie bevat. DNA is een gedraaide dubbele streng, met rijen van vier bouwstenen – nucleotiden genoemd – die elk een base dragen.
De nucleotiden, ook wel de letters van het genetische alfabet genoemd, vormen codes, net zoals de volgorde van letters verschillende woorden kan vormen.
RNA bevat ook nucleotiden, maar in tegenstelling tot DNA bestaat het maar uit één streng.
RNA speelt een cruciale rol voor het functioneren van de cellen, doordat het de genetische informatie van het DNA overbrengt naar de eiwitfabrieken van de cel, zogeheten ribosomen. Op basis van het genetische recept in het RNA maken ribosomen eiwitten aan die belangrijke taken in de cellen uitvoeren.
Maar RNA is niet alleen een boodschapper: RNA-strengen kunnen zich op specifieke manieren vouwen om andere functies te vervullen, zoals het maken van eiwitten en het kopiëren van zichzelf.
RNA is de multikunstenaar van het leven
RNA bestaat uit vier bouwstenen
De strengvormige RNA-moleculen bestaan uit vier moleculen, nucleotiden genaamd, die elk hun base bevatten: guanine, adenine, cytosine en uracil.
Strengen zijn eiwitrecepten
In alle huidige organismen fungeren RNA-strengen als dragers van het recept voor eiwitten. Het recept wordt afgelezen in de ribosomen die de eiwitten vormen.
RNA kan zichzelf kopiëren
Als RNA-strengen zich op bepaalde manieren vouwen, worden ze zogeheten ribozymen. In het eerste leven kon RNA zich dankzij de ribozymen kopiëren en zodoende vermeerderen.
Het vermogen om belangrijke levensprocessen uit te voeren heeft geleid tot de theorie dat RNA de motor van de eerste primitieve levensvormen was.
De zogeheten RNA-wereldhypothese stelt dat RNA alle taken uitvoerde die in moderne levensvormen door eiwitten en DNA worden verricht. Er was dus maar één ‘uitvinding’ – het RNA – nodig om het leven te beginnen.
De zwakte van de theorie is echter dat ze niet verklaart hoe het allereerste RNA is ontstaan. Daarom gingen onderzoekers op zoek naar omstandigheden die leiden tot een spontane RNA-vorming. En daar kwamen allerlei ideeën uit voort.
Nieuwe kijk op bakermat van het leven
Sommige wetenschappers denken dat het eerste RNA ontstond in poeltjes die uitdroogden en dan weer volliepen. Die constante wisseling zou de samenstelling van de RNA-strengen hebben bevorderd.
Een andere hypothese is dat het eerste RNA ontstond in warmwaterbronnen in de diepzee. Daaromheen bevinden zich mineraalrijke structuren als een soort schoorstenen die mogelijk de organische moleculen waaruit RNA bestaat, hebben geïsoleerd en geconcentreerd. Simulaties wijzen uit dat dit kan leiden tot RNA, maar alleen in zeer korte slierten.
Een derde theorie is dat ijskristallen de vorming van de RNA-strengen hebben bevorderd. RNA is bij lage temperaturen stabieler, en experimenten tonen aan dat het de taken van eiwitten beter kan uitvoeren in de vorst. Het is echter onwaarschijnlijk dat er ijs op de planeet was toen de eerste RNA-moleculen verschenen.
Drie eerdere kandidaten voor de bakermat van het leven, waar de eerste RNA-strengen zich verzameld kunnen hebben: warme onderwaterbronnen, waterplassen en ijskristallen.
De nieuwe theorie, waarin basaltglas een sleutelrol speelt, komt beter overeen met de omstandigheden die op aarde heersten bij het ontstaan van het leven, zo’n 4 miljard jaar geleden.
Zware vulkaanuitbarstingen op aarde hebben bijgedragen tot een overvloed aan basaltglas, dat de doorslaggevende factor kan zijn geweest bij de vorming van de RNA-strengen. Het glas bevorderde de chemische reacties zonder eraan mee te doen, en was dus een katalysator.
De Amerikaanse onderzoekers onder leiding van moleculair bioloog Elisa Biondi hebben een reeks experimenten uitgevoerd met monsters van vier soorten glas, waaronder basaltglas. De monsters werden verpulverd, gesteriliseerd en toegevoegd aan een wateroplossing met de vier bouwstenen van RNA.
De mengsels bleven vervolgens acht maanden staan, en soms namen de onderzoekers monsters en analyseerden ze de inhoud.
Zo bleek dat de monsters van basaltglas grote RNA-moleculen bevatten met wel 200 nucleotiden, terwijl de andere monsters geen RNA bevatten.
Elisa Biondi leidde het onderzoeksteam dat testte hoe basaltglas de vorming van RNA-strengen beïnvloedt.
‘We wilden de mogelijkheid nagaan om nucleotiden te combineren, maar dat we zulke grote RNA-moleculen vonden, hadden we niet gedacht. We waren dus verrast en enthousiast,’ zegt Biondi.
De onderzoekers durfden hun ogen zelfs nauwelijks te geloven. Daarom herhaalden ze de experimenten meermaals en lieten ze de mengsels steeds langer staan. Maar er was geen twijfel mogelijk: het mengsel van nucleotiden en basaltglas resulteerde in grote RNA-moleculen.
Het experiment toont dus aan hoe de allereerste complexe RNA-moleculen spontaan kunnen zijn ontstaan.
Meteoren zaaiden de zaden van het leven
De volgende vraag is waar de bouwstenen van RNA, de nucleotiden, en de basen die daarbij horen vandaan komen.
Ze kunnen op aarde zijn gevormd, maar het is waarschijnlijker dat ze in de ruimte zijn ontstaan. In meteorieten zijn alle vier de basen waaruit RNA bestaat gevonden, dus de bouwstenen van al het leven komen mogelijk van ver.
Vuur en water schiepen de bakermat van het bestaan
Drie belangrijke factoren maakten 4 miljard jaar geleden de weg vrij voor leven: een overvloed aan de benodigde organische moleculen, de juiste mix van land en water – en de kraamhulp die alles in gang zette.
1. Bouwstenen kwamen van buitenaf
Meteorieten hagelden uit de hemel op de prille aarde. Ze brachten moleculen mee die de bouwstenen zijn van het vroegste RNA-leven. Hiertoe behoren de nucleotiden met de vier basen A, G, C en U.
2. Wisseling van nat en droog was ideaal
In meteorietkraters ontstonden meren, die opdroogden en dan weer volliepen. De moleculen werden dus afwisselend blootgesteld aan straling en opgelost. Daardoor konden ze zich samenpakken en kleine ketens vormen.
3. Vulkanen versnelden het proces
De meren werden volgestort met basaltglas van de frequente vulkaanuitbarstingen. Het glas was de cruciale katalysator die de chemische reacties versnelde, waardoor zich lange strengen RNA konden vormen.
Hoewel er nu een mogelijke verklaring is voor het ontstaan van de RNA-wereld, kunnen de onderzoekers er niet zeker van zijn dat het echt zo gegaan is.
‘Onze resultaten vormen een krachtig bewijs voor een RNA-wereld. We zullen misschien nooit tot in het kleinste detail kunnen beschrijven hoe het leven ontstond, maar we kunnen wel de principes in kaart brengen die aan het proces ten grondslag lagen,’ legt Elisa Biondi uit.
Hier op aarde is het basaltische glas dat bestond bij de geboorte van het leven allang verdwenen. Tectonische krachten trekken voortdurend materiaal van het aardoppervlak diep de grond in, waardoor alle sporen van de RNA-wereld voorgoed verloren zullen gaan.
Dus moeten we misschien naar onze buurman in het zonnestelsel kijken om te ontrafelen hoe de dode bouwstenen bij elkaar kwamen om het eerste leven te vormen. In tegenstelling tot de aarde heeft Mars geen platentektoniek, dus daar ligt oeroud basaltglas nog gewoon aan het oppervlak.
Mars heeft geen platentektoniek, dus basaltblokken uit de kinderjaren van de planeet liggen gewoon aan het oppervlak. Als er RNA-leven is geëvolueerd op Mars, kan het basalt daar sporen van dragen.
Mars had 4 miljard jaar geleden een wat warmer klimaat, actieve vulkanen en water aan het oppervlak, en de planeet kreeg net als de aarde regelmatig een bui van meteorieten te verduren.
Het leven kan dus op Mars gevormd zijn, en misschien vinden we daar het antwoord op de vraag hoe het leven op onze eigen planeet is ontstaan.