Snorkelen in Darwins vijver

Evolutie

De nieuwe lente brengt weer veel nieuw leven. Maar hoe is het leven op aarde eigenlijk ooit ontstaan? In een soepje met suikers? Op de bodem van de oceaan? Wetenschappers voeren een verhit debat.

Maar hoe begon het dan? In een zonovergoten poel, opperde Darwin in een brief aan zijn beste vriend Joseph Dalton Hooker. Met wat warmte, licht, ammonia en elektriciteit zou er in dat vijvertje misschien, heel misschien, zomaar een eiwit kunnen ontstaan.

Het is veelzeggend dat Darwin zijn gedachten over het ontstaan van het leven alleen deelde met zijn grootste vertrouweling. Misschien wilde hij zijn vingers niet aan het gevoelige onderwerp branden. Met zijn evolutietheorie had hij al genoeg vijanden gemaakt. Misschien vond hij dat de wetenschap toen nog niet rijp was om dit raadsel op te lossen.

Nu, bijna 150 jaar later, ligt het onderwerp nog steeds gevoelig. Wetenschappers zijn sterk verdeeld over de vraag hoe het leven ontstond. “Voor elke onderzoeker met een theorie is er ook één te vinden die precies het tegenovergestelde beweert”, zegt Nick Lane, biochemicus aan het University College Londen. Iedereen aast op een plekje in Darwins vijver.

Niemand weet hoe oud het leven precies is. Schattingen lopen uiteen van 4,5 miljard jaar, de ouderdom van de aarde, tot 3,6 miljard jaar. Wij zouden het nog geen minuut uithouden op deze jonge aarde. Een zware deken van koolstofdioxide verstikte onze planeet, temperaturen liepen op tot 300 °C. Ergens in deze helse broeikas knipperde het leven voor het eerst met haar ogen. Maar waar?

Twee stromingen zetten de toon in het verhitte debat. De ene school, voornamelijk vertegenwoordigd door biochemici en genetici, stelt dat het leven ontstond als een molecuul dat zichzelf kon vermeerderen, een zogeheten replicator die muteerde en evolueerde. De wieg van dit bijzondere molecuul stond in een rijke oersoep van suikers, vetten en aminozuren.

Onjuist, zeggen hun tegenstanders, waaronder Lane zelf. Het leven begon nederig, met waterstof en koolstofdioxide. In warmwaterbronnen op de bodem van de oceaan ontstonden daaruit stapsgewijs complexere biomoleculen. Het eerste leven was geen replicator, maar een zelfonderhoudend web van chemische reacties.

Heilige graal

Beide kampen volgen hun eigen onderzoekprogramma. Lane: “Er is een killer experiment nodig om het veld te verenigen.” Voor Lane en zijn collega’s is de heilige graal een zelfvoorzienende metabole cyclus, gevoed door simpele moleculen. Zijn opponenten zijn op zoek naar de ingrediënten van de soep waarin de eerste replicator zou kunnen ontstaan.

De wortels van het oersoeponderzoek liggen in 1953. In een klassiek experiment onderworpen Harold Urey en Stanley Miller een mengsel van water, methaan, ammonia en waterstof aan een cyclus van verdamping, elektrische schokken en afkoeling. De resultaten overtroffen hun stoutste verwachtingen – na een week waren er in de kolven van Urey en Miller een tiental verschillende aminozuren ontstaan, de bouwstenen van eiwitten. De oorsprong van het leven leek even heel dichtbij.

Na verloop van tijd verloor het brouwsel zijn glans. De atmosfeer van de jonge aarde bestond waarschijnlijk niet uit het reactieve methaan en ammonia, zoals in de opstelling van Urey en Miller, maar uit het inerte koolstofdioxide en stikstof. Nog in hetzelfde jaar ontdekten Watson en Crick dat DNA een dubbele helix vormt. De ruggengraat van de helix bestaat uit fosfaat, gekoppeld aan een base en een ribose (een suiker). Samen vormen ribose en base, allebei ringmoleculen, een nucleotide. Maar nucleotiden waren niet te vinden in het mengsel van Urey en Miller.

De stabiliteit van de DNA-helix stelde de soepaanhangers voor een raadsel: DNA-moleculen zijn betrouwbare informatiedragers, maar spelen biochemisch gezien niets klaar. DNA heeft eiwitten nodig om zichzelf voort te planten, maar de informatie om die eiwitten produceren ligt juist opgeslagen in het DNA. Zonder DNA geen eiwit en zonder eiwit geen DNA.

Chemicus Thomas Cech doorbrak deze kip-of-ei-impasse in 1982. Hij ontdekte dat RNA, in tegenstelling tot DNA, wél chemische reacties kan katalyseren. RNA-moleculen zijn in moderne cellen de boodschappers tussen het DNA in de celkern en eiwitfabrieken in het celplasma. RNA werd lang gezien als het onstabiele broertje van DNA. Maar juist die wispelturigheid zorgt er voor dat RNA chemische reacties kan versnellen, net als eiwitten doen. Het duurde niet lang of biochemici riepen RNA uit tot ideale replicator: informatiedrager én biochemisch werkpaard. Ze dromen van een RNA-molecuul dat zijn eigen vermeerdering katalyseerde – een primitieve vorm van leven.

Michael Russell, een Britse geochemicus verbonden aan het Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, vindt die obsessie met RNA begrijpelijk, maar onterecht. Volgens hem evolueerde RNA pas in een later stadium. “Mijn Toyota heeft een motor en een boordcomputer”, vertelt hij. “Zie de motor nu als stofwisseling, en de computer als het DNA en RNA. Biologen en biochemici denken dat ze de motor uit de auto kunnen halen, en dat de computer de auto kan besturen. Maar de motor kwam eerst.”

Toch probeerden biochemici hun oersoepen zo te bereiden dat er RNA in ontstond. Ze faalden. Net als DNA bestaat RNA uit nucleotiden. Maar breng beide componenten, de ribose en base, in oplossing bij elkaar en er zal een akelige stilte vallen. De twee moleculen vormen geen nucleotide.

Verloren stad

De Britse chemicus John Sutherland slaagde er een paar jaar geleden tóch in uit losse bestanddelen RNA-nucleotiden te maken. Hij gebruikte daarvoor moleculen die slechts deels base, deels suiker waren. Terwijl iedereen probeerde om twee cirkels te koppelen, smolt Sutherland twee drieën aan elkaar (Nature, 14 mei 2009). Belangrijk: Sutherlands reactie verliep alleen in aanwezigheid van fosfaat, het derde ingrediënt van RNA.

“Wat Sutherland heeft gedaan is briljante chemie, maar mijn gevoel zegt dat dit niet de manier is waarop RNA ontstond”, zegt Nick Lane. “Hij gebruikte UV-licht om zijn nucleotiden op te zuiveren. Dat staat ver af van de levende wereld.”

“Waarom zou biochemie hetzelfde pad volgen als moderne enzymen, die pas evolueerden nadat het leven ontstond?”, reageert Sutherland. Hij zet de redenering zelfs op zijn kop: “Als de oorspronkelijke reacties efficiënt verliepen, verbruikten ze wellicht alle benodigde grondstoffen. Biochemie móest toen wel een andere reactieroute verzinnen.”

Tegenstanders van oersoep wijzen op een groter probleem. Een concentratieprobleem. In een soep of poel is geen drijvende kracht die moleculen laat ophopen en reageren, geen convectie die bronmoleculen aanvoert en restproducten afvoert. Laat een blik soep jaren op de plank staan, schrijft Lane in zijn boek Life Ascending, en er gebeurt niets. Binnen het blik heerst een doods evenwicht.

In hun laboratoria gebruiken soepchemici allerlei trucs om concentraties van hun reagentia kunstmatig te verhogen. Ze dampen hun brouwsel in en lossen het weer op. Dat heeft nog maar weinig te maken met de werkelijkheid, vinden critici.

Volgens Russell, Lane en anderen ontstond het leven op een plek waar die drijvende kracht wél te vinden zijn, zoals in het hart van de Atlantische Oceaan. Daar ligt Lost City, de verloren stad. Hier verrijzen wolkenkrabbers van kalk uit vers gevormde oceaankorst. De hoogste pilaar, Poseidon, torent zestig meter boven de zeebodem uit. Uit de toppen van de witte schoorstenen wolkt water, veertig tot negentig graden warm, dat rijk is aan methaan, waterstof en ammonia.

De torens van kalksteen zijn het eindproduct van een reactie tussen zeewater en jong gesteente. Waar zeewater de warme oceaankorst binnensijpelt verandert het mineraal olivijn in serpentijn. Bij deze reactie, serpentinization genoemd, komt waterstof en methaan bij vrij. Het gesteente kraakt en wringt, het zeewater dringt verder naar binnen. Uiteindelijk borrelt het water via een fijnmazig netwerk weer omhoog, en verschijnt zeebodemoppervlak uit kanaaltjes van nog geen centimeter groot. Waar het warme, basische water vermengt raakt met het koude zeewater slaat kalksteen neer. Stukje bij beetje reiken de zuilen hoger.

De torens van Lost City mogen er massief uitzien, van binnen is het kalk bros. Afzonderlijke cellen en compartimenten zijn via kanalen met elkaar verbonden in een mineralen honingraat. Dít waren de kweekkamers van het leven, zeggen Russell en Lane. Afgesloten van de buitenwereld konden moleculen reageren zonder dat reactieproducten in de oceaan verloren gingen.

Lost City is maar 30.000 oud en kan dus niet zelf de bron van het leven zijn geweest. In principe ontstaan deze warmwaterbronnen overal waar verse oceaankorst met zeewater reageert. Miljarden jaren geleden was de hele oceaankorst nog jong. De bodem moet bezaaid zijn geweest met kalkcomplexen.

Voor het vroegste leven was met name de reactie tussen koolstofdioxide en waterstof van belang, denkt hoogleraar botanie Bill Martin van het Institut für Molekulare Evolution in Düsseldorf. Bij deze reactie ontstaan organische moleculen én energie. Het enige probleem: de twee moleculen reageren ontzettend traag.

Moderne methaanbacteriën die de elektronen van waterstof strippen en overdragen op koolstofdioxide lossen dit probleem op met zwavel en ijzer – hun enzymen bevatten een ijzerzwavelcluster als katalysator. Misschien waren de kanalen in de kalkstenen torens bedekt met een laagje ijzersulfide, oppert Martin.

In het ambitieuze artikel On the Origin of Biochemistry (Proceedings of the Royal Society B, 29 oktober 2007) doen Russell en Martin uit de doeken hoe het primitieve metabolisme op gang kwam. In de stofwisseling van al het leven op aarde, van krokus tot lammetje, staat de citroenzuurcyclus centraal. Een achteruitdraaiende citroenzuurcyclus consumeert waterstof en koolstofdioxide en produceert de grondstoffen voor aminozuren en basen, de bouwstenen van eiwitten, RNA en DNA. Het bijzondere: met de juiste ingrediënten draait de cyclus vanzelf.

Hun betoog vatten Russell en Martin als volgt samen: “De lezer vraag zich misschien af of we echt suggereren dat deze warmwaterbronnen fonteinen van de eeuwige chemische jeugd zijn, waar voortdurend energierijke moleculen uit omhoog borrelen. Ja, dat suggereren we.”

Bureaucraten in de cel

Vooralsnog is dit scenario chemie op papier. “De hele hypothese is een combinatie van theorie en experimenteel onderzoek”, zegt Lane. Hier en daar gapen nog grote gaten. Net als de soeponderzoekers worstelen de warmwaterchemici met het ontstaan van RNA-nucleotiden.

Russell is er wel van overtuigd dat nucleotiden een rol in het oermetabolisme vervulden nog vóórdat zij informatiedrager werden. “In de eerste jager-verzamelaarstammen bestonden ook geen bureaucraten. Die kwamen pas later, toen samenlevingen complexer werden”, zegt hij. “DNA en RNA zijn de bureaucraten van de cel. Ze kunnen niet plots de cel zijn binnengestormd om de boel te gaan bestieren.”

In het moderne metabolisme zijn nog steeds veel nucleotiden te vinden met een andere functies dan informatieoverdracht. Zo is adenine, één van de vier RNA-basen, ook onderdeel van ATP, het energiepakketje dat enzymen verbruiken om energetisch ongunstige reacties toch te laten verlopen. En adenine is niet de enige. “Er zijn tientallen, zo niet honderden nucleotide-achtige moleculen”, zegt Lane. “Klassieke biochemische tekstboeken staan er vol mee, maar we weten amper wat ze doen en welke reacties ze katalyseren. ”

Die diversiteit is tot nu toe ondergewaardeerd, vindt Lane. “Het RNA-onderzoek was lang dogmatisch en puristisch. Pierre-Alain Monnard heeft ooit gezegd dat het leven in de goot begon. We moeten ons realiseren dat RNA in een rommelige, drukke wereld ontstond.”

Moleculair biologen beginnen zich ook langzaam, heel langzaam, te interesseren genoeg in de wereld vóórdat RNA de boel overnam. Jack Szostak, hoogleraar genetica aan Harvard Medical School en Nobelprijswinnaar, reeg onlangs een mengelmoes van nucleotiden aan elkaar (PNAS, 16 augustus 2011). De hybride moleculen bleken even functioneel als zuivere RNA-moleculen.

Heelal

Ook Sutherland ziet wel wat in het omarmen van complexe experimenten waarin niet één, maar tientallen of honderden eindproducten ontstaan. “Ik zou dat niet zozeer rommelige chemie willen noemen, maar systeemchemie”, zegt hij. “Veel mensen denken dat als je veel chemicaliën door elkaar mengt, je een kliederboel krijgt. Dat hoeft niet zo te zijn. ”

Toch blijven de verschillen groot. Waar de één leven ziet, ziet de ander chemie. “Het is duidelijk dat er op de jonge aarde veel interessante en nuttige chemie gaande was”, zegt Szostak. “Maar ik noem dat oerchemie, geen metabolisme.”

Warmwaterbron of oersoep, motor of boordcomputer. Maakt het eigenlijk iets uit? Ja, volgens de in 2011 overleden chemicus Robbert Shapiro. Als het leven alleen begint in soepen met precies de juiste moleculen in precies de juiste verhouding, is het onwaarschijnlijk dat dit een tweede of derde keer gebeurt. Als het leven daarentegen voortkomt uit de simpelste moleculen, voortgestuwd door niets anders dan stroming en warmte, dan is leven wellicht heel gewoon. Misschien bloeit ons heelal met leven.