Wat is er nodig voor leven?

Zo is er niets, zo is er iets.

Afgelopen weekend zijn de Scheikundejongens et al. naar science center NEMO geweest. We hebben ons kansloos vermaakt en we kunnen dan ook niet anders dan het iedereen aanraden. Het museum is eigenlijk voor kinderen, maar zelfs wij, doorgewinterde studenten scheikunde, hebben nieuwe dingen gezien. Natuurlijk zou ik daar honderuit over kunnen schrijven en foto’s kunnen includeren, maar dat interesseert jullie natuurlijk niet zo. Leuk dat Mark honderd meter uitpraat en Aldo meters bellen blaast, maar ik wil jullie graag wat vertellen over mijn echte hoogtepunt.

Echte, nieuwe, controversiële wetenschap. Hierover discussieert men al decennia en nog worden controle-experimenten uitgevoerd. Het begon met een publicatie in een van de beroemdste wetenschappelijke tijdschriften ooit en nu stond er een kleine opstelling, middenin NEMO. En te midden van de tumult heb ik er een paar minuten stil naar staan kijken.

Het Urey–Miller-experiment.

Om te bewijzen dat het leven op aarde niet door een almachtig wezen is geschapen, maar door/uit de natuur spontaan is ontstaan, zijn een aantal stappen nodig. Laten we achteraan beginnen. Je weet uit je biologielessen misschien nog wel, dat er een aantal eisen zijn voor ‘leven’. Metabolisme en voortplanting zijn daar twee van. En je weet misschien ook nog wel dat een ‘cel’ de kleinste eenheid van leven is. Per definitie. Een cel is een zakje, gemaakt van een dun membraan van vet, voornamelijk gevuld met water, zouten, RNA/DNA en eiwitten. Dit is het eerste dat je moet weten over het ontstaan van leven: vrijwel alles in een cel wordt geregeld met eiwitten en zouten.

Zouten zijn meestal niet zo ingewikkeld: atomen met een netto lading. Die zijn er altijd al geweest, daar is de wetenschap het over eens. Maar nu die eiwitten. Die zijn enorm ingewikkeld. Waar komen die vandaan? Nog een stapje dieper: eiwitten zijn (voornamelijk) lange ketens aminozuren. In de natuur — ik bedoel, in alle organismen op aarde — komen vooral 20 aminozuren voor. Als je moeder zegt dat je je vlees op moet eten, is dat omdat niet alle organismen alle aminozuren zelf kunnen maken. Die moeten ze dus uit andere organismen halen. Er zijn nog wel veel meer aminozuren te verzinnen dan deze 20 natuurlijke, maar die zijn niet belangrijk voor het leven (zoals wij dat kennen op aarde). Dit is de tweede stap voor het begrijpen van leven: natuurlijke eiwitten bestaan uit 20 verschillende natuurlijke aminozuren.

We weten al, dat als we specifieke fosfolipiden in water oplossen, ze kleine gesloten dubbellaag-systemen vormen: cellen. Als diezelfde vetzuren, met wat zouten en eiwitten in water oplossen, ontstaan er ook celletjes, met de eiwitten aan de binnenkant. Zo, dat experiment is klaar. Conclusie: de juiste componenten vormen spontaan cellen.

Als we iets over het ontstaan van leven willen zeggen, moeten we afschatten wanneer het eerste leven is ontstaan (de oudste fossielen gevonden zijn ~3,5 miljard jaar oud) en weten hoe de wereld er toen uit zag. Of zoals een chemicus zich zou afvragen: wat waren de reactieomstandigheden? Was er veel water? Was dat water zuur? Zaten daar zouten in opgelost? Was er veel bliksem in die tijd? Hoe warm was de aarde toen? Waren er fluctuaties in omstandigheden? En nog veel meer van dit soort specifieke vragen. Extreem lastig te beantwoorden; extreem lastig te verifiëren. Maar we kunnen wel een afschatting doen.

Nog niet zo lang geleden, dachten we dat de atmosfeer een paar miljard jaar geleden bestond uit o.a. water (H₂O), methaan (CH₄), koolstofdioxide (CO₂), ammoniak (NH₃) en waterstofgas (H₂). En onweer. Over de precieze samenstelling van de atmosfeer is de afgelopen decennia genoeg gesteggeld in de wetenschap, maar de algemene tendens is: er waren gasvormige verbindingen met o.a. waterstof- (H₂O en/of H₂), koolstof- (CO₂, CO, CH₄, misschien wel alkanen) en stikstofatomen (NH₃, N₂). Klinkt redelijk, toch?

We hebben nu bijna het hele raamwerk voor een bewijs wel doorgelopen. De dingen die dus aangetoond moeten worden zijn 1) wat zijn de reactieomstandigheden; 2) kunnen onder die omstandigheden bouwstenen (aminozuren, vetzuren, enz.) voor leven ontstaan en 3) kunnen die bouwstenen leven vormen. Dat laatste is ondertussen wel bekend en aannemelijk. Dat eerste is verschrikkelijk lastig, maar wel grofweg af te schatten.

Het vormen van de bouwstenen is ook gedaan. In 1953 deden Stanley Miller en zijn begeleider Harold Urey aan de universiteit van Chicago (USA) een experiment waarbij ze de omstandigheden op aarde ~3,5 miljard jaar geleden na probeerden te bootsen: zij verwarmden water, methaan, ammonia en waterstofgas in een gesloten systeem, leidden dat door een buizensysteempje, lieten bliksem (stroomschokjes) door het gasmengsel en lieten dat weer neerslaan. Na een week namen ze een klein sample en analyseerden de “oersoep.” Wat ze vonden? Onder andere aminozuren, suikers, bouwstenen voor nucleïnezuren (DNA en RNA) en glycerine. Een her-analyse van hun bevindingen in 2008 toonde aan dat ze 22 verschillende aminozuren hebben geproduceerd. Ze hebben met een (vrij simpele scheikundige opstelling) de bouwstenen voor leven gemaakt!

Natuurlijk zijn er achteraf veel zaken op af te dingen. Nieuwe inzichten suggereren dat de reactieomstandigheden op aarde anders waren dan in het lab van Urey en Miller. En zo waren er nog wat haken en ogen. Maar daar dacht ik niet aan, toen ik vorig weekend in NEMO zat te kijken naar een reproductie van datzelfde experiment. Geen volledig bewijs, maar zeker wel een extreem sterke suggestie dat leven op aarde spontaan gevormd zou kúnnen zijn. Maar ook daar dacht ik niet aan. Ik dacht alleen aan het simpele experiment van Urey en Miller en aan hoe blij ze moeten zijn geweest, toen ze erachter kwamen wat voor ingewikkelde moleculen ze gemaakt hadden. Ik heb wel een kwartier naar deze zwenkende pot oersoep zitten staren.

Het originele artikel van Urey en Miller vind je hier. Een ander artikel hier.