Het nieuwste boekje in de reeks "De Skeptische Kijk" is uit.
U kan het hier bij Owl Press bestellen.
Met de publicatie van "On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life" stelde Charles Darwin in 1859 zijn naturalistische theorie voor die de herkomst van de rijke variatie aan soorten in de natuur kon verklaren. Anderen hadden het voor hem ook al geprobeerd, maar Darwin's minutieus gedocumenteerd essay was het eerste om op een overtuigende manier twee eenvoudige principes te combineren : een talrijk nakomelingschap en natuurlijke selectie. Op basis van deze principes, aangevuld met kennis die aan Darwin nog onbekend was (de genetica), werd in de twintigste eeuw de evolutionaire biologie uitgewerkt tot een grootse wetenschappelijke theorie.
Op een punt echter, dat een logisch gevolg was van zijn theorie, bleef Darwin in het vage : de herkomst van de voorouder van alle organismen. In een brief aan J. Hooker uit 1871 speculeerde hij er wel over ("But If, and oh! what a big if!" we could conceive in some warm little pond, with all sorts of ammonia and phosphoric salts, light, heat, electricity present, that a protein compound was chemically formed, ready to undergo still more complex changes.), maar dit idee werd niet verder uitgewerkt. Niet te verwonderen trouwens : het probleem was veel te complex om toen al aan te pakken.
De eerste die met meer bruikbare suggesties kwam voor het ontstaan - deze maal niet meer van soorten maar van het leven zelf, was Alexander Oparin in het begin van de jaren '20 van de vorige eeuw, enkele jaren later gevolgd door John Haldane. Beiden veronderstelden dat de condities op Aarde kort na haar ontstaan gunstig waren voor de productie van complexe moleculen. Die zouden dan in de loop van de tijd eiwitten gevormd hebben die nog later het ontstaan gaven aan het eerste leven. Beiden brachten ook suggesties aan over de aard van de chemische reacties waarbij dergelijke complexe verbindingen zouden kunnen gevormd worden, waarbij Oparin zelfs een mechanisme voorstelde om die prebiotische elementen samen te brengen in een soort protocellen, zijn 'coacervaten'. Niemand dacht er echter aan om die voorstellen ook experimenteel te testen.
Zoals de meeste lezers van Wonder waarschijnlijk wel weten, werden de eerste echte experimenten op dit gebied uitgevoerd in 1953 door Stanley Miller. In een gesloten systeem waarin zich een gasmengsel bevond dat de primitieve atmosfeer van de Aarde moest simuleren (of beter : met een samenstelling zoals Harold Urey, zijn mentor, dacht dat die geweest was : methaan, ammoniak, waterdamp en waterstofgas), werd een boogontlading in stand gehouden. Na enkele dagen bleken er zich complexe moleculen gevormd te hebben waarvan er tegenwoordig verschillende betrokken zijn bij biologische processen : enkele aminozuren (de bouwstenen van eiwitten) en organische zuren. Bij nieuwe experimenten met een atmosfeer met een gewijzigde 'primitieve' samenstelling (methaan, stikstof, waterdamp en sporen ammoniak) bleken er zelfs acht biologisch belangrijke aminozuren gevormd te worden. Het was duidelijk dat Oparin en Haldane op het juiste spoor zaten : minstens sommige bouwstenen van het leven konden relatief gemakkelijk ontstaan uit eenvoudige moleculen. Vanaf dan was het duidelijk dat de oorsprong van het leven een wetenschappelijk benaderbaar onderwerp was.
De oorsprong van het leven is eeuwenlang een onderwerp geweest dat, tenminste in de westerse wereld, tot het territorium van de godsdienst behoorde. In een dergelijke opvatting was de oorsprong van het leven het gevolg van een bovennatuurlijke, miraculeuze ingreep door een godheid en was dan ook per definitie niet toegankelijk voor de wetenschap. Dit is nog altijd het uitgangspunt van de creationisten en de aanhangers van 'intelligent ontwerp' ('Intelligent Design', ID); die willen ten koste van alles hun opvattingen over de rol van het bovennatuurlijke in de kosmos doordrukken.
De hierboven vermelde aanwijzingen dat de vraag ook wetenschappelijk kan benaderd worden, leidden tot een andere aanpak die gekenmerkt wordt door het fundamentele filosofische uitgangspunt van elke natuurwetenschap : het ontstaan van het leven was een natuurlijk proces dat bepaald werd door de combinatie van de gekende natuurwetten en van de concrete omgevingscondities van het moment. Dit proces heeft er toe geleid dat er uit relatief eenvoudige chemische verbindingen complexere structuren ontstonden die door natuurlijke selectie (Darwin !) het ontstaan gaven aan de zelfreproducerende voorlopers van wat we nu als 'leven' beschouwen. Deze benadering impliceert per definitie de afwezigheid van elke buiten- of bovennatuurlijke ingreep bij de overgang van levenloze materie naar het eerste leven. En, wat minstens even belangrijk is, er volgt ook uit dat er experimenten kunnen uitgevoerd worden waarvan de resultaten licht kunnen werpen op het probleem. Het verwijt van sommige creationisten en ID'ers dat deze naturalistische benadering een filosofisch vooroordeel is, klopt dan ook. Alleen, wetenschap die mirakels aanvaardt als verklaring (zoals ze zouden willen), is per definitie geen wetenschap meer.
Het onderzoek naar de abiogenese, het ontstaan van leven uit niet-levende materie, is een wetenschappelijk onderzoeksprogramma dat het probleem op een wetenschappelijke manier benadert. Dit kan op twee manieren gebeuren : 'top-down' en 'bottom-up'.
Bij een 'top-down' benadering gaat men uit van de huidige biologische diversiteit, de kenmerken ervan en de gekende evolutionaire relaties tussen de soorten, en probeert men daaruit iets af te leiden over de aard van onze allerprimitiefste voorouder.
Bij de 'bottom-up' benadering start men met de "fragmentaire" kennis van de primitieve Aarde en poogt men om daaruit de processen af te leiden die tot de vorming van de bouwstenen van het leven en de eerste cel geleid hebben.
Beide benaderingen worden gebruikt, de eerste vooral door de biologen en paleontologen, de laatste door astronomen, geologen en chemici. Het onderzoeksgebied is dus bij uitstek interdisciplinair.
De bijdrage van de verschillende wetenschapsgebieden kan als volgt samengevat worden :
Elk van deze benaderingswijzen bestaat uit een combinatie van factuele informatie (metingen, analyses, laboratoriumexperimenten,...) en afleidingen of interpretaties. Alle bensderingswijzen samen moeten dan gecombineerd worden tot wat we kunnen noemen 'een volgens de huidige stand van de wetenschappelijke kennis plausibel scenario'. De term 'scenario' wijst er op dat het hier geen definitieve uitspraak betreft en dat we nog ver staan van een echte theorie, daarvoor zijn de hiaten in onze kennis nog te groot. Het scenario is veeleer een collectie werkhypothesen waarover onze kennis met de loop van de jaren (gelukkig) toeneemt. De status van het onderwerp als 'wetenschappelijk' heeft dan ook meer te maken met de aanpak en de ontwikkeling ervan dan met juistheid en volledigheid van de tot nog toe voorgestelde verklaringen.
In een aantal opzichten is het onderzoek naar de abiogenese vergelijkbaar met de kosmologie, een ander wetenschappelijk onderzoeksprogramma naar de oorsprong. Ook daar is het aantal gegevens relatief beperkt, kunnen er geen echte experimenten uitgevoerd worden en zijn de hiaten in onze kennis talrijk, maar desondanks werkt men toch naar een steeds beter scenario toe. Men kan zijn bedenkingen hebben bij sommige soms zeer speculatieve aspecten ervan, maar de aanpak ervan is fundamenteel wetenschappelijk.
Een belangrijke oorzaak van de hiaten in onze kennis is het feit dat het een historisch proces betreft dat zich situeert in een zeer ver verleden. Niet alleen waren aardkorst en atmosfeer helemaal anders dan nu, maar er zijn slechts zeer weinig geologische formaties gekend die ouder zijn dan 3,5 miljard jaar. Als het proces van abiogenese bovendien relatief snel gebeurde (volgens sommigen, zoals Christian De Duve, misschien slechts enkele duizenden in plaats van miljoenen jaren) dan is de kans natuurlijk extreem klein om daar ooit nog sporen van terug te vinden.
De problemen in verband met de omgeving waarin het leven kon ontstaan zijn de volgende :
De beperkte kennis over deze punten is zeer hinderlijk bij het onderzoek omdat er daardoor te weinig randvoorwaarden kunnen opgelegd worden aan de chemische reacties. Daardoor is het zeer moeilijk om bij verschillende hypothesen de knoop door te hakken.
De experimenten waarbij uit eenvoudige bouwstenen de mogelijke precursoren van biologisch belangrijke moleculen gevormd worden, hebben ook hun eigen problemen :
Een ander fundamenteel probleem heeft te maken met het feit dat we niet weten wat de minimale bouwstenen nodig voor het eerste leven waren, zodat het onderzoek misschien teveel georiënteerd is op onze kennis van het huidige leven.
De grootste vraag is wel de overgang van een prebiotische moleculaire 'soep' naar een zichzelf reproducerend systeem - het eerste organisme. De twee eindjes van dit probleem zijn de laatste decennia wel dichter bij elkaar gekomen, maar de verbinding is zeker nog niet gelegd. De vragen waarop men een antwoord moet vinden zijn :
Daarnaast heeft ook de biologische zoektocht naar de eerste voorouder zijn problemen. De huidige organismen zijn het resultaat van miljarden jaren evolutie, waarbij alle essentiële levensprocessen van een cel samen met elkaar geëvolueerd zijn. Daardoor zijn de huidige processen onlosmakelijk met elkaar verweven en is het vrijwel onmogelijk om de originele deelprocessen, die ons iets over het eerste leven zouden kunnen leren, terug te vinden.
Ondanks al deze problemen heeft men toch een (vaag) idee hoe die processen op elkaar ingespeeld hebben met de vorming van de eerste cel als resultaat. Een van de scenario's verloopt als volgt (Wills & Bada) :
Het is een scenario vol hiaten, maar dat al bij al een plausibel verloop poogt te schetsen van de evolutie naar de eerste cel.
Niet alle onderzoekers zijn het echter eens met de details van deze schets, iedereen legt zijn accenten ergens anders. Sommigen menen dat metabolisme eerst kwam ('eiwit eerst'), anderen dan weer dat de informatiedrager er het eerst was ('genen eerst', de RNA- of PNA- of XNA-wereld – T. Cech). Een andere groep verdedigt de prioriteit van mineralen bij het ontstaan van katalytische processen (pyriet – G. Wächtershäuser) of als voorloper van een genetisch systeem (kleimineralen – G. Cairns-Smith). C. De Duve is een grote voorstander van thio-esters als energierijke intermediairen, terwijl M. Eigen en S. Kaufmann in elkaar lopende kleine cycli zien als de voorlopers van metabolisme (hypercycli). De laatste jaren beginnen de verschillende opvattingen wel naar elkaar toe te groeien en vormt er zich een consensus dat metabolisme en informatiedragers collectief gegroeid zijn en niet in 'vakjes' los van elkaar.
Anderen zoeken het echter verder : in al dan niet onderzeese heetwaterbronnen, in diepere lagen van de aardkorst (T. Gold) of ... vanuit andere plaatsen in het zonnestelsel (Mars ?). Dit laatste is natuurlijk een verplaatsing van de vraag en kan in het allerbeste geval alleen de omgevingscondities wat verbeteren. De aanwezigheid van complexe verbindingen in koolstofhoudende chondrieten maakt dit voorstel echter minder onwaarschijnlijk dan men op het eerste zicht zou denken.
Soms leest men dat de wetenschap van de 21e eeuw voor twee grote uitdagingen staat : het ontrafelen van de werking van het menselijk brein en het ophelderen van het ontstaan van het leven. In sommige opzichten is dit laatste problematischer dan het het eerste : het menselijk brein is veel toegankelijker voor onderzoek, de werking ervan kan gedetailleerd geobserveerd worden en men kan er experimenten op uitvoeren.
Het onderzoek van de abiogenese daarentegen wordt geconfronteerd met twee grote problemen : het was een waarschijnlijk unieke gebeurtenis (tenminste het ontstaan van het huidige leven, er kunnen andere experimenten geweest zijn die bij een inslag geëlimineerd werden) en het situeerde zich in een zeer ver verleden waarvan de geologische evolutie van onze planeet bijna alle sporen vernietigd heeft. Daarom kan men vrezen dat essentiële informatie die nodig is om het werkelijke verloop te reconstrueren - en dus over te gaan van een scenario naar een historiek – onherroepelijk verloren is. Zelfs als men over enkele decennia in staat zou zijn om levenloze bouwstenen in een laboratorium een zelfreproducerend systeem te laten genereren, dan nog zal men zich de vraag kunnen stellen in hoeverre het historische proces hiermee overeenkwam dan wel of men slechts een van de vele mogelijkheden aangetoond heeft.
Dit is ook een van de redenen waarom men in dit vakgebied zoveel belangstelling toont voor de zoektocht naar buitenaards leven (microben op Mars ? wormen in de oceaan van de Jupitermaan Europa ? prebiotische moleculen op Titan ?). Als men dit ooit ontdekt (“and oh! what a big if!”) en het fundamenteel verschillend blijkt te zijn van het aardse leven, dan zal dit niet alleen nogmaals aantonen dat leven relatief gemakkelijk kan ontstaan, maar kan het misschien ook meer licht werpen op de processen die erbij betrokken waren.
Om nu op de vraag in de titel te antwoorden : buiten de grote lijnen is het ontstaan van het leven nog onverklaard, maar daarom is het nog niet onverklaarbaar. De hierboven beschreven problemen in het abiogenese-onderzoek zijn natuurlijk koren op de molen van groepen die in de biologie graag een bovennatuurlijke inbreng zouden willen zien, zoals de creationisten en ID-aanhangers. Nochthans is het niet omdat heel wat aspecten nog onbegrepen en onverklaard zijn, dat de problemen die zich stellen fundamenteel of principieel onverklaarbaar zouden zijn. De geschiedenis van de wetenschap toont voldoende aan dat wat in de ene eeuw nog een onverklaarbaar mysterie scheen te zijn, in een volgende eeuw een mooi voorbeeld van de toepassing van de natuurwetten kan blijken. Het is dus niet omdat we het exacte verloop van het ontstaan van het leven niet kennen of misschien nooit zullen kennen, dat abiogenese geen natuurlijk proces geweest is ! Wie op alle vragen kant-en-klare antwoorden wenst, is bij de wetenschap jammer genoeg aan het verkeerde adres.
Ir. Ronny Martens is microbioloog, amateurastronoom en redacteur van Wonder en is gheen Wonder (Skepp).
Literatuur :
Internet :