Tag: Urey-Miller experiment

Nieuw imago van de scheikunde: Het Ontstaan van Het Leven

Om duidelijk te maken waarom een vakgebied belangrijk is, is het behulpzaam om een “Het Belangrijkste Onopgeloste Probleem” en een “Het Belangrijkste Opgeloste Probleem” te hebben. Die problemen zouden voor iedereen te begrijpen moeten zijn. Ik denk dat het Belangrijkste Onopgeloste in de natuurkunde The Big Bang is (wat gebeurde er de eerste seconde in het heelal?); het Belangrijkste Opgeloste in de biologie is The Origin of Species (hoe differentiëren soorten zich?) en de wiskundigen hebben de priemgetallen.

Het ultieme toonbeeld van de chemie van tegenwoordig is het periodiek systeem der elementen. Je zou kunnen zeggen dat dit het Belangrijkste Opgeloste probleem is. Iedere rechtgeaarde chemicus voelt zich min of meer aangetrokken tot de elementen en het is het ultieme overzicht van de chemie. Maar dat is maar lastig te begrijpen voor niet-chemici. De man op de straat heeft natuurlijk helemaal niks te maken met zuivere elementen. Hoe vaak worden de begrippen ‘lucht’ en ‘zuurstof’ wel niet door elkaar gehaald? En wie weet nou de voordelen van van een periodiek systeem in deze vorm op te noemen, boven andere soorten systemen?

Als Ultiem Probleem zou ik graag het volgende willen promoten: het ontstaan van het leven.

Stanley Miller in 1953, werkt hier aan het Urey--Miller experiment.

Een van de beroemdere pogingen om te begrijpen waar het ontstaan van het leven om draait, is het Urey–Miller experiment. Daarin is gekeken of de bouwstenen die nodig zijn voor leven, spontaan kunnen ontstaan bij bepaalde omstandigheden (zoals luchtvochtigheid, zuurgraad, etc.). Urey en Miller 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 werd de “oersoep” bekeken en er werden onder andere aminozuren, suikers, bouwstenen voor nucleïnezuren (DNA en RNA) en glycerine gevonden. Een her-analyse van hun bevindingen in 2008 toonde aan dat ze 22 verschillende aminozuren hebben geproduceerd. Met een vrij simpele scheikundige opstelling zijn de bouwstenen voor leven gemaakt.

Terug naar de Ultieme Vragen. Wat de precieze omstandigheden waren, toen leven ontstond, is natuurlijk praktisch niet te achterhalen. Maar wat wel te achterhalen is, zijn alle mechanismen die nodig zijn om leven te maken. Om aminozuren en suikers te maken uit water, methaan en ammonia (etc.) is nogal wat organische chemie nodig. Om van vetzuren mooie cellen te maken, is veel fysische chemie nodig (zelf-assemblage). En om te begrijpen hoe zoveel elektriciteit zoveel reacties kan laten verlopen, is anorganische chemie nodig. De rol voor biochemici is natuurlijk duidelijk (bijv. hoe vormden de eerste enzymen?). Het onderzoek naar alles wat om dit vraagstuk heen zit, is natuurlijk veel interessanter dan het uiteindelijke antwoord. De reis is belangrijker dan de spreekwoordelijke bestemming.

Natuurlijk zijn er ook nadelen aan dit verhaal. Veel mensen zullen natuurlijk denken dat dit een biologisch probleem is. Ik denk dat de basale vragen in dit Probleem bijna allemaal chemisch van aard zijn. Op het moment dat er cellen gevormd zijn, is er namelijk leven, en dan begint de evolutie. Dat is dan wel weer harde biologie: het ontwikkelen van soorten. Maar totdat de kleinste eenheid van leven (de cel) er niet is, is er geen biologie.

Een ander groot nadeel aan deze promotie heeft ook te maken met de biologie. Niet alle godsdiensten zijn zo gecharmeerd van de evolutietheorie. Zo hoeft — als Het Ontstaan van Het Leven aangenomen wordt als toonbeeld van de chemie — geen steun van een aantal godsdiensten te verwachten. Natuurlijk is het een discussie op zich waard, of kerk en wetenschap zo goed samen gaan, maar misschien kan ik het daar beter een andere keer over hebben.

Ik ben ervan overtuigd dat Het Ontstaan van Het Leven een goed verhaal is, vergelijkbaar met de oerknal en de evolutietheorie. Helaas is de relevantie niet zo duidelijk als in onderzoek naar medicijnen, en blijft Het Ontstaan van Het Leven voor een lange tijd een Onopgelost Probleem, maar in ieder geval is het veel beter te begrijpen het periodiek systeem der elementen.

Meer: de voordelen door The Curious Wavefunction; de nadelen door Everyday Scientist.

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.

Een enkel aminozuur heeft altijd dezelfde basis, waarbij ‘---R’ een variabele zijgroep is. Meerdere aminozuren kunnen (onder afsplitsing van water) een polyamide vormen (een lange keten).

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?

Het Urey--Miller experiment zoals beschreven in hun artikel. Licentie: Wikimedia CC

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.