Het ontstaan van het leven: verklaard, onverklaard of onverklaarbaar?

Ronny Martens

13 Jun 2005

'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.'

Geplaatst onder

Deel artikel

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.

Het wetenschappelijk uitgangspunt

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.

De wetenschappelijke benadering

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 :

1. de astronomische inbreng: de vorming van de Aarde ca. 4,55 miljard jaar geleden en de vroege geschiedenis ervan.

Uit de studie van de Maan en de andere aardse planeten weten we dat deze vroege geschiedenis gekenmerkt werd door het 'Grote Bombardement' waarbij tot ca. 3,9 miljard jaar geleden de jonge Aarde continu blootstond aan inslagen vanuit de ruimte door planetesimalen, kleine planeten die overgebleven waren na de vorming van het zonnestelsel. Het ontstaan van de Maan vrij kort na de vorming van de Aarde was daarvan het meest spectaculaire voorbeeld. Het 'Grote Bombardement' maakt het onwaarschijnlijk dat het leven veel vroeger dan ca. 4,0 miljard jaar geleden vaste voet kan gekregen hebben omdat de energie die bij die inslagen vrijkwam, voldoende was om op planetaire schaal de aardkorst tot verschillende honderden kilometer diep volledig te smelten.

Een ander belangrijk gegeven is de waarneming dat er in het heelal uitgestrekte gas- en stofwolken voorkomen die complexe organische verbindingen bevatten (formaldehyde, waterstofcyanide, acetaldehyde e.d.) waaruit suikers, aminozuren en zelfs stikstofbasen (adenine) kunnen gevormd worden. Vermoedelijk heeft men zelfs al het eenvoudigste aminozuur, glycine, gedetecteerd; ook in kometen werden dergelijke verbindingen aangetroffen. Alhoewel deze waarnemingen slechts terloops van belang zijn voor het onstaan van het leven op Aarde, tonen ze aan dat de vorming van complexe moleculen kennelijk zeer gemakkelijk verloopt in zeer uiteenlopende omstandigheden.

Meteorieten zijn een andere bron van organische verbindingen : in de klasse van de koolstofhoudende chondrieten - het best onderzocht is de Murchison meteoriet - wordt een mengsel van prebiotische moleculen aangetroffen met een samenstelling die zeer analoog blijkt te zijn aan die van het mengsel dat S. Miller indertijd bij zijn experimenten verkreeg (wat aantoont dat, ondanks de kritiek erop, die experimenten toch ergens relevant zijn!). Als men weet dat koolstofhoudende chondrieten behoren tot het materiaal waaruit o.a. de Aarde gevormd werd, dan is de betekenis hiervan duidelijk : de precursoren van het leven waren al aanwezig van bij het ontstaan van het zonnestelsel. Vandaar dat sommigen vermoeden dat die precursoren niet op de Aarde zelf gevormd werden, maar van buitenaf aangebracht werden door meteorieten en kometen.

Dat complexe chemie in het zonnestelsel geen uitzondering is, werd recent nog aangetoond met het onderzoek van de atmosfeer van de Saturnusmaan Titan. De Cassinisonde heeft er koolstof-stikstofverbindingen aangetroffen met in totaal minstens 7 atomen. Wegens de geringe fractie zuurstof (als CO en CO2) in de atmosfeer worden er geen biologisch belangrijke verbindingen verwacht, maar het toont nogmaals aan dat complexe chemie in het heelal een normaal fenomeen is.

2. de geologisch-paleontologische inbreng: het onderzoek naar de oudste sporen van leven en het milieu waarin het leefde.

De vroegste sporen op Aarde die zeker van leven afkomstig zijn, worden aangetroffen in geologische formaties die tot 3,5 miljard jaar oud zijn (Warrawoona - Australië, Onverwacht - Zuid-Afrika). Deze microfossielen lijken nog het meest op de huidige cyanobacteria, micro-organismen die fotosynthese uitvoeren en daarbij zuurstof produceren. Daarnaast werd er in de Isuaformatie in Groenland koolstof aangetroffen met een isotoopverhouding die kan wijzen op de aanwezigheid van leven 3,8 miljard jaar geleden (maar dit wordt niet door iedereen aanvaard als verklaring, zie Mason p. 123). Als we dit combineren met de astronomische gegevens over de vroege geschiedenis van de Aarde, komen we tot het besluit dat het leven ontstaan moet zijn in een tijdsspanne van hoogstens ca. 200 miljoen jaar. Dit geologisch korte tijdsinterval wijst er op dat leven kennelijk vrij gemakkelijk spontaan kan ontstaan als de omstandigheden daarvoor geschikt zijn.

Een ander aspect van het geologisch onderzoek zijn de omgevingscondities op de jonge Aarde. Algemeen wordt aangenomen dat de Aarde na haar vorming een primaire, sterk reducerende atmosfeer bezat die ze vrij vlug kwijtraakte. Die primaire atmosfeer werd, als gevolg van geologische activiteit, vervangen door een secundaire atmosfeer die overwegend bestond uit vulkanische gassen die veel minder reducerend waren (vooral waterdamp, CO2, CO en stikstof met daarbij nog wat methaan, vluchtige zwavelverbindingen e.d.). Dit laat vermoeden dat, op het moment dat het leven ontstond, de atmosfeer nog slechts zwak reducerend was, met uitzondering van de onmiddellijke omgeving van vulkanen. Het huidige hoge gehalte aan zuurstof in onze (tertiaire) atmosfeer dateert van veel later (ca. 2 miljard jaar geleden) en ontstond als bijproduct van de fotosynthese. Jammer genoeg is het aantal zeer oude geologische formaties dat toegankelijk is voor onderzoek beperkt, en bovendien zijn ze gekenmerkt door een zeer sterke metamorfose, wat het onderzoek ervan niet vergemakkelijkt.

3. de chemische inbreng: de omstandigheden waarin de bouwstenen van het leven kunnen ontstaan als gevolg van natuurlijke processen.

De afgelopen 50 jaar is er op dit vlak veel werk verzet. Sinds de experimenten van Miller heeft men veel bijgeleerd over de reactiemechanismen waarbij uit eenvoudige componenten meer complexe gevormd worden. Toch zijn er na 50 jaar nog grote hiaten in onze kennis : de abiotische vorming van sommige aminozuren en nucleotiden is nog even duister als in het begin, en er zijn nog geen condities gevonden waarbij alle belangrijke componenten van het huidige leven samen kunnen gevormd worden. Wat voor sommigen trouwens een argument is om te stellen dat heel wat van de huidige bouwstenen gewoon nog niet aanwezig waren bij het eerste leven, en dit dan ook veel eenvoudiger was dan we geneigd zijn te denken. Op dit ogenblik ligt de grens van de chemische benadering bij het ontstaan van het metabolisme. Ondanks veel suggesties en hypothesen heeft het laboratoriumwerk nog nauwelijks iets opgeleverd. En over het ontstaan van de eerste dragers van informatie, de eerste genen, tast men al even sterk in het duister. De overtuiging groeit echter dat zelfs RNA, het tegenwoordig eenvoudigste en meest flexibele (ribozymen) genetisch materiaal, voorlopers gekend heeft (PNA -“ protein nucleic acid - of nog iets anders).

4. de biologische inbreng: de bijdrage van de actuele kennis van de levende wereld. Uitgaande van onze kennis over de structuur (moleculaire biologie) en de werking (biochemie) van de huidige organismen probeert men de essentiële kenmerken af te leiden van het huidige leven. Dit komt neer op het vastleggen van de relaties tussen DNA/RNA, eiwitten, lipiden en koolhydraten. Hieruit en uit de gemeenschappelijke aspecten en gelijkenissen tussen de organismen (taxonomie) poogt men dan afleidingen maken over de (hypothetische) kenmerken van de gemeenschappelijke voorouder. Gezien de huidige complexiteit van zelfs de eenvoudigste cel zal deze benadering ergens blijven steken bij een hypothetisch 'vereenvoudigd' organisme en kan daardoor niet naar het allereerste begin leiden. De gegevens die we uit de huidige organismen kunnen afleiden zijn immers beperkt doordat er in de loop van de evolutie heel wat 'antieke' informatie, structuren en stofwisselingsprocessen verdwenen zijn.

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.

De problemen

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 :

wat was de juiste samenstelling van de atmosfeer, hoe reducerend was die ?
in welk milieu is het ontstaan : in de oceanen ? bij diepzeebronnen ? op de kusten van vulkanische eilanden ? in ondiepe plassen die regelmatig droogkwamen ? Een probleem dat gerelateerd is aan het vorige omdat vulkanische gassen met bijvoorbeeld zwavelverbindingen een belangrijke rol kunnen gespeeld hebben bij de bepaling van welke complexe moleculen er gevormd werden.
welke energiebronnen waren beschikbaar voor die chemische reacties : ultraviolette straling ? hitte uit de aardkorst (vulkanen) ?
de rol van mineralen (pyriet, klei,...) bij de vorming van complexe verbindingen en de mate waarin ze een katalytische of een concentrerende rol kunnen gespeeld hebben.

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 :

de experimenten leveren onder een welbepaalde conditie slechts een beperkte groep verbindingen op (zoals vooral organische zuren en aminozuren). Om andere groepen verbindingen te verkrijgen (zoals nucleotiden of eenvoudige suikers) moeten de omstandigheden gewijzigd worden, maar dan vermindert het rendement aan andere reactieproducten meestal drastisch.
bij die experimenten wordt er ook een slecht gekarakteriseerd teerachtig residu gevormd (kerogeen, tholine) waarvan de betekenis niet duidelijk is. In water blijkt het aminozuren vrij te stellen, zodat het wel eens zeer belangrijk zou kunnen zijn.
chemici zijn gewoon om met relatief zuivere en goed gekarakteriseerde producten te werken, terwijl we kunnen vermoeden dat het oorspronkelijke materiaal eerder een 'vuil zootje' van slijk, zand, teerachtig residu, (zee)water e.d. zal geweest zijn. Hoe reconstrueer je een dergelijk milieu op een bruikbare manier ?

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 georiÃ«nteerd 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 :

het probleem van de kip en het ei : er is geen enkele molecule bekend, hoe complex ook, die zijn eigen vorming compleet katalyseert. Dit betekent dat 'reproductie' van moleculen een collectief fenomeen moet zijn, een 'collectief autokatalytisch verschijnsel' dat in de lijn ligt van wat Manfred Eigen 'hypercycles' noemt (A katalyseert de vorming van B, terwijl B hetzelfde doet met A).
het concentratiemechanisme van de bouwstenen : een reproductiecyclus is maar mogelijk bij een voldoende hoge concentratie aan de producten die erbij betrokken zijn. Er was dus een concentratiemechanisme nodig die van de dunne oersoep een minestrone kon maken. Enkele voorgestelde mechanismen hiervoor zijn de absorptie aan mineralen en het vasthouden in een matrix van het teerachtige residu of van polypeptiden die de rol van slijm vervulden.
de manier van scheiding en selectie van de reactieproducten zodat de soep zich structureerde in verschillende lagen met een verschillende samenstelling die met elkaar reactieproducten konden uitwisselen. C. Wills en J. Bada stellen een soort 'geochromatografie' voor met een oersoep die door de bodemlagen met een verschillende samenstelling percoleert.
wat waren de mechanismen voor de vorming van polymeren (zoals de vorming van eiwitten uit aminozuren) ? Aminozuren in een waterig milieu hebben niet de neiging om zich spontaan aan elkaar te koppelen; integendeel : de aanwezigheid van al dat water bevordert eerder de omgekeerde reactie. Een interessante oplossing hiervoor die o.a. door C. de Duve voorgesteld werd, is de hypothese dat die aminozuren niet als zuren reageren maar als hun thio-esters (de zuurgroep gekoppeld aan een zwavel-alcohol). Omdat de thio-esters energierijk zijn, verlopen hun reacties gemakkelijker. Het onderzoek van dit soort reacties en van de vorming van deze zwavelhoudende verbindingen (uit vulkanisch carbonylsulfide ? aan het oppervlak van het mineraal pyriet ?) staat de laatste jaren nogal in de belangstelling.
wat was de relatie tussen 'processen' (de voorvaderen van de latere biochemische cycli) en 'informatie' (de voorvader van de genen) ? Tegenwoordig stuurt de 'informatie' (genen) de 'processen' (stofwisseling) en zorgen de 'processen' voor de reproductie van de 'informatie'. Het is moeilijk in te zien hoe het ene zonder het andere zou kunnen, vandaar dat beide samen moeten geÃ«volueerd zijn. Maar hoe ?
de evolutie van het genetisch systeem : wat was het eerste genetisch materiaal ? Waarschijnlijk geen RNA, maar iets eenvoudiger zoals PNA (protein-nucleic acid - analoog aan RNA maar waarbij de ribose-fosfaat ruggengraat vervangen is door een polypeptide). Waarschijnlijk waren de eerste genen relatief kort en was hun reproductie onnauwkeurig, wat hun evolutie dan weer sterk kon versnellen.

Daarnaast heeft ook de biologische zoektocht naar de eerste voorouder zijn problemen. De huidige organismen zijn het resultaat van miljarden jaren evolutie, waarbij alle essentiÃ«le levensprocessen van een cel samen met elkaar geÃ«volueerd 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.

Een scenario

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) :

ca. 4,5 miljard jaar geleden werd de Aarde gevormd uit kleinere objecten, planetesimalen, waarvan een deel de samenstelling had van koolstofhoudende chondrieten. Vlak na het ontstaan had de Aarde een primaire reducerende atmosfeer, die echter vrij vlug verloren ging en door vulkanische ontgassing vervangen werd door een atmosfeer van CO2, waterdamp, stikstof en, in geringere mate, bepaalde reducerende componenten (CO, H2S,...),
in deze atmosfeer werden uit eenvoudige bouwstenen complexere moleculen gevormd (aminozuren, thio-esters,...) die geadsorbeerd werden aan mineralen en accumuleerden op de kust van vulkanische eilanden. Sommige vulkanische producten zoals pyriet en zwavelwaterstof waren belangrijk voor de vorming van o.a. thio-esters als hoge-energieverbindingen,
deze complexe moleculen werden geconcentreerd in een matrix van de bij deze reacties gevormde teerachtige verbindingen; door het effect van de toen veel extremere getijden en het periodiek droogkomen van de stranden van de vulkanische eilanden trad er koppeling van deze moleculen op tot polymeren,
door wisselwerking met de bodem (uitloging, 'geochromatografische scheiding') ontstond er een selectie van de verschillende gevormde producten en werden er aldus zones met een verschillende samenstelling gevormd,
de interacties tussen de verschillende zones tijdens de uitloging was de aanloop tot het ontstaan van katalytische eenheden, de voorlopers van het latere metabolisme,
tenslotte ontstonden autokatalytische polymeren (hypercycli ?) die hun eigen productie bevorderen door een wisselwerking tussen peptiden en XNA, een voorloper van RNA. In dit stadium kon darwinistische selectie haar rol beginnen te spelen. Deze eerste autokatalytische processen waren zeer onnauwkeurig en primitief.
door continue selectie was er een evolutie naar een meer betrouwbare aanmaak van kopies van deze proto-genen en begon de evolutie naar de huidige genetische code : van XNA via RNA naar DNA,
tegelijk met de voorgaande processen onstond ook een mechanisme voor de productie van energie in membranen door invangen van licht (via een pH-gradiënt ?), een voorloper van de fotosynthese. Polycyclische aromatische koolwaterstoffen kunnen hierbij een rol gespeeld hebben.

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.

Conclusie

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

Miller, S.L. (1992) The Prebiotic Synthesis of Organic Compounds as a Step toward the Origin of Life, in : Schopf, J.W. (ed.) Major Events in the History of Life, Jones and Bartlett Publishers, London
Schopf, J.W. (ed.) (1992) Major Events in the History of Life, Jones and Bartlett Publishers, London
Schopf, J.W. (1992) The Oldest Fossils and what they mean, in : Schopf, J.W. (ed.): Major Events in the History of Life, Jones and Bartlett Publishers, London
Miller, S.L., Orgel, L.E. (1974) The Origins of Life on the Earth, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N.J.
Wills, C., Bada, J. (2000) The Spark of Life : Darwin and the Primeval Soup, Perseus Publ., Cambridge, Mass.
Loomis, W. F. (1988) Four Billion Years : An Essay on the Evolution of Genes and Organisms, Sinauer Ass. Inc., Sunderland, Mass.
Fry, I. (2000) The Emergence of Life on Earth, Free Association Books, London
Ozima, M. (1987) Geohistory, Global Evolution of the Earth, Springer Verlag, Berlin
Mason, S.F. (1991) Chemical Evolution, Clarendon Press, Oxford
Jakosky, B. (1999) Atmospheres of the Terrestrial Planets, in : Beatty, J.K., Petersen, C.C. & Chaikin, A. The New Solar System (4th ed), Cambridge University Press, Cambridge, UK