In leven vond de aarde rust

AARDE | Het leven is een ingewikkeld iets. Zo ingewikkeld, dat wetenschappers zich nog steeds het hoofd breken over de vraag hoe het ooit op aarde is ontstaan. Misschien moeten ze hun idee omdraaien, en is niet leven ontstaan op een aarde die woest en ledig was, maar is de aarde in een kuil gerold die leven heet.

Als je de geschiedenis van de aarde tot nu toe samenvat in een etmaal, betreedt de mens het toneel om 1 minuut voor middernacht. Hij is er net. Maar de eerste vormen van (bacterieel) leven waren er om 3 uur in de ochtend, en dan hebben we het al over complexe vormen van leven. Hoewel het dus heel lang heeft geduurd voor er een intelligente tweebenige op aarde rondliep, is het leven op deze planeet opmerkelijk snel uit de startblokken gekomen.

Hoe dat heeft kunnen gebeuren is een van de grote raadsels van de biologie. De evolutietheorie heeft hierop ook geen antwoord. Die theorie laat prachtig zien hoe de diversiteit van het leven zich heeft kunnen ontwikkelen, maar vertelt niet hoe die evolutie ooit begonnen is.

De vader van de evolutietheorie, Charles Darwin (1809 - 1882), was zich dat zeker bewust. Aan het eind van zijn grote werk, 'Het ontstaan der soorten', suggereerde Darwin voorzichtig dat de bron van alle leven wellicht één organisme was geweest, dat ergens in een poel was ontstaan of daar door de Schepper op de wereld was gezet.

Sinds Darwin hebben wetenschappers gezocht naar dat begin van leven. En die zoektocht komt er doorgaans op neer dat de draad terug wordt gevolgd, beginnend bij het leven zoals we dat nu kennen. Willen we iets kunnen aanmerken als leven in de zin van de evolutietheorie, dan moet het aan drie voorwaarden voldoen: het moet eigenschappen vertonen die variëren, het moet reproduceren en die eigenschappen doorgeven aan nakomelingen, en het moet een relatie hebben met een leefomgeving die ervoor zorgt dat voordelige eigenschappen een langer leven beschoren zijn dan nadelige.

De evolutietheorie is van een oogstrelende eenvoud: variatie, overerving en selectie. Maar de machinerie die daarvoor zorgt, is complex, zelfs in de eenvoudigste bacterie. Zo zijn de genetische eigenschappen waar het in de evolutie om draait, vastgelegd in complexe moleculen, die zich niet spontaan vormen uit hun bouwstenen en die zelfs door de mens niet of nauwelijks gesynthetiseerd kunnen worden.

In de motor van het leven zorgt de genetische code, grotendeels vastgelegd in DNA, voor de aanmaak van eiwitten die, als enzymen, de chemische reacties in gang zetten die het leven aan de gang houden. De vertaling van die genetische code in enzym wordt gedaan door weer een ander molecuul: RNA.

Rolverdeling

De motor heeft in zijn kern dus al een geavanceerde rolverdeling. Daar komt nog bij dat je om DNA en RNA te maken, enzymen nodig hebt, eiwitten dus. De motoronderdelen zijn voor hun ontstaan afhankelijk van elkaar.

Dat maakt het niet eenvoudig de draad terug te volgen en voor te stellen hoe die motor van het leven ooit tot stand is gekomen. De wetenschappers die dat proberen kregen hoop toen in de jaren tachtig werd aangetoond dat RNA, die vertaler van genetische code naar enzymproductie, zelf die twee kunsten machtig is: RNA kan, net als zijn zuster DNA, drager zijn van genetische informatie én, net als enzymen, chemische reacties in gang zetten.

Hiermee was de heilige graal gevonden, en de RNA-wereld geboren; het idee dat het eerste hoofdstuk van het boek van het leven in RNA geschreven moest zijn.

Individu

De RNA-wereld is nog steeds een van de leidende theorieën over het ontstaan van leven. En hij is er in verschillende varianten. Voor sommige wetenschappers betekent de RNA-wereld niet meer dan dat het leven een fase heeft gekend waarin RNA de regie had over alle vitale functies, voordat taken werden gedelegeerd naar DNA aan de ene kant en enzymen aan de andere.

In een sterkere variant van de theorie was RNA zelf het eerste 'individu' op aarde, het eerste geheel dat onderwerp was van darwinistische evolutie, in de zin dat het in varianten voorkwam en zichzelf repliceerde in nakomelingen.

De RNA-wereld, in enige vorm, is plausibel. We kennen ook nu nog organismen die geen DNA hebben, maar alleen RNA, virussen bijvoorbeeld. Het is voor de wetenschap nog wel een klus om te verklaren hoe de functies die ooit in RNA verenigd waren, vervolgens 'heruitgevonden' zijn door DNA (de genetische code) en door eiwitten (de enzymen). Maar belangrijker is de vraag of we hiermee het begin van de draad van het leven te pakken hebben.

Sinds de RNA-hypothese op tafel kwam is er gezocht naar kandidaat-bouwstenen die door een min of meer spontane, toevallige vereniging RNA kunnen opleveren. En kandidaten zijn ook gevonden. Maar volgens sommige wetenschappers is de RNA-wereld slechts een vroege fase van het leven, en moet het werkelijke begin voordien worden gezocht. De stap van een ordeloze, prebiotische aardse soep naar de vorming van een individu, ook al is dat maar een RNA-streng, is simpelweg te groot.

Pizza's

Een van die wetenschappers was de Amerikaanse bioloog Harold Morowitz, die eerder dit jaar overleed. Zijn heengaan heeft geen Nederlandse krant gehaald. Tot onze schande, want Morowitz was een begenadigd wetenschapper, die over de meest uiteenlopende onderwerpen heeft geschreven. Zo is er van zijn hand een uitgebreide analyse van het thermodynamisch gedrag van pizza's (op aarde én in de ruimte). En met mayonaise liet hij zien hoe moleculen die elkaar niet verdragen, toch verenigd kunnen worden, wat een voorwaarde is voor het ontstaan van leven.

Vlak voor zijn dood publiceerde Morowitz (samen met collega Eric Smith) een uiteenzetting van de theorie waaraan onder zijn leiding dertig jaar is gewerkt ('The Origin and Nature of Life on Earth', Cambridge University Press). Kern van die theorie: het leven is niet begonnen met een eerste individu, maar met een eerste stofwisseling.

Voordat er überhaupt sprake kon zijn van enzymen, een genetische code, erfelijke eigenschappen en selectie, moeten er chemische processen op gang zijn gekomen die met behulp van een energiebron koolstofverbindingen hebben gemaakt, de eerste bouwstenen van leven.

Door die eerste chemische processen is uit aardse chaos de orde ontstaan die we leven noemen. Dat lijkt een schending van de tweede hoofdwet van de thermodynamica die zegt dat in een afgesloten systeem alleen de wanorde kan toenemen en niet zomaar orde kan ontstaan.

Maar de aarde was geen afgesloten systeem in thermodynamisch evenwicht. Integendeel: de jonge aarde tolde zo hard om zijn as dat een dag slechts vier uur duurde, de maan die nog dicht bij de aarde stond zorgde voor heftige stromen en getijden, het regende meteorieten, en de hete kern van de aarde had nog niet de relatieve rust van nu, met maar af en toe een vulkaanuitbarsting.

De aarde werd door omvangrijke energiestromen uit balans gebracht. Om weer evenwicht te vinden, moest de planeet zijn energie ergens kwijt. En dat kon in die eerste chemische processen. De vorming van de eerste koolstofverbindingen was de manier om thermodynamische stabiliteit te vinden.

Bliksemafleider

Het leven, zegt de theorie van Morowitz en Smith, was de uitlaatklep, de bliksemafleider van de jonge aarde. En er is niets wonderlijks of unieks aan dat proces; het zou zich in principe kunnen voordoen op iedere planeet die uit zijn energetisch evenwicht wordt geslagen, mits die de chemische elementen in huis heeft die door een overaanbod van energie tot verbinding kunnen worden aangezet.

De omstandigheden die zich hebben voorgedaan in de eerste honderden miljoenen jaren van zijn bestaan, kent de aarde niet meer. Wat nu nog het meest in de buurt komt, zijn de hydrothermale bronnen die her en der op de oceaanbodem worden gevonden, honderden meters onder het zeeoppervlak.

Rond deze onderzeese hittebronnen zijn inderdaad structuren te zien waarin koolstofverbindingen kunnen worden gevormd. De hydrothermale bronnen zijn door andere onderzoekers, met name de Britse chemicus Michael Russell, eerder al aangewezen als mogelijk eerste bronnen van leven. Dat zou passen in de theorie van Harold Morowitz en Eric Smith.

Een tweede steun putten zij uit het feit dat alle vormen van leven draaien op eenzelfde stofwisseling. Cruciaal voor het leven is de citroenzuurcyclus, een chemische rondgang waarmee ook de mens voedingsstoffen omzet in energie, met afscheiding van CO2 en water.

Die citroenzuurcyclus kan ook in omgekeerde richting worden doorlopen, waarbij dan uit CO2 en H2O grondstoffen worden gevormd. Er bestaan ook vandaag nog bacteriën die daartoe in staat zijn. En die omgekeerde citroenzuurcyclus is mogelijk het eerste metabolisme van leven op aarde geweest.

Die stofwisseling die al bijna vier miljard jaar het leven kenmerkt en die te vinden is in talloze levende en uitgestorven soorten, is volgens Morowitz en Smith ook het belangrijkste argument tegen de theorie die ooit is geopperd, dat het ontstaan van leven op aarde een toevallige, eenmalige gebeurtenis is geweest waarvan de oorzaak niet meer te achterhalen in.

Geneuzel

Het is voor de leek misschien technisch geneuzel, of je nou zoekt naar de eerste bouwstenen voor een RNA-wereld of de eerste tekenen van een stofwisseling die het leven kenmerkt, maar voor wetenschappers schuilt hierin een fundamenteel verschil. Een fundamenteel verschillende kijk op wat leven eigenlijk is.

De onderzoekers in de RNA-wereld definiëren leven als 'een zichzelf in stand houdend chemisch systeem dat in staat is darwinistische evolutie te ondergaan'. Dat is een beetje de hond die zichzelf in de staart bijt, want hiermee wordt de zoektocht naar het ontstaan van leven dus het zoeken naar het begin van darwinistische evolutie.

Morowitz en Smith komen uit op een heel andere definitie, omdat ze niet zoeken naar de eerste individuen die konden evolueren, maar naar de eerste stofwisseling waarin koolstofverbindingen werden geproduceerd die levensvatbaar waren. Als het hierover gaat, wordt geregeld een uitspraak aangehaald van de Hongaarse Nobelprijswinnaar Albert Szent-Györgyi (1893 - 1986): 'Leven, dat zijn elektronen op zoek naar een plaats om tot rust te komen. Koolstofdioxide kan die rustplaats zijn; door elektronen op te nemen vormt het koolstofverbindingen.'

Biosfeer

In de theorie van Morowitz en Smith wordt leven niet gekenmerkt door organismen die evolutie ondergaan; het leven is de biosfeer die de aanvoer van energie omzet in koolstofverbindingen. Het is het hele systeem dat leven op aarde heeft voortgebracht.

Dan moet er nog veel worden uitgelegd over het ontstaan van cellen, planten, dieren en de mens, maar organismen zijn in deze opvatting slechts vórmen van leven. Het leven zelf is het gehele systeem, de hele biosfeer.

Het mag duidelijk zijn dat in deze kijk op het leven geen plaats is voor een andere theorie die een tijd opgeld heeft gedaan: de theorie dat het leven niet op aarde is ontstaan maar elders in het heelal, waarna het, bijvoorbeeld door meteorieten, naar de aarde is gebracht.

In de opvatting van Morowitz en Smith is het leven geen vreemde, geen alien, maar is het eigen aan de aarde en aan de staat waarin de planeet vlak na zijn ontstaan verkeerde. De aarde móest wel leven voortbrengen, een andere kant kon zij niet op.

Onderzeese hydro-thermale bronnen zijn door andere onderzoekers eerder al aangewezen als mogelijk eerste bronnen van leven

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden