De oorsprong van leven simuleren in het lab
Publicatie van NEMO Kennislink, auteur: Esther Thole, 09-02-2021
Vraaggesprek met Eloi Camprubi Casas
Ooit, heel lang geleden, gebeurde er iets waardoor wij er nu zijn. Niet alleen wij mensen, maar alle levensvormen om ons heen. Waar en wanneer dat precies gebeurde, weten we (nog) niet, maar zeker is wel dat ergens op de jonge aarde levenloze materie zich anders ging gedragen. Er ontstonden nieuwe moleculen die onderlinge relaties aangingen en netwerkjes vormden, waardoor deze moleculen en netwerken weer meer van zichzelf konden maken en zichzelf verder konden ontwikkelen en uitbreiden. Dit vormde de opmaat naar de allereerste 'levensvormen' - destijds, grofweg vier miljard jaar geleden, op aarde een compleet nieuw verschijnsel.
Eloi Camprubi Casas is postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit Utrecht en Fellow bij Origins Center. Hij promoveerde in 2018 aan het University College London.
Dat het is gebeurd, weten we. Maar hoe? Dat is wat Eloi Camprubi Casas, postdoc aan de Universiteit Utrecht en Fellow bij het Origins Center, probeert uit te zoeken. Hij is niet de enige, steeds meer wetenschappers werken aan die vraag. Maar hij doet dat op heel originele manier, namelijk met een oorsprong-van-leven-simulator. NEMO Kennislink sprak Camprubi Casas over zijn onderzoek en nam een kijkje in zijn Utrechtse lab.
Bij een simulator denk ik aan een soort computerspel, waarin je verschillende situaties kunt beleven en uitproberen. Zoals een vliegsimulator. Is dit net zoiets?
"Nee, helemaal niet. Mijn werk draait om experimenten in het lab, ik modelleer niks. Ik werk wel samen met onderzoekers die computermodellen maken, maar mijn simulaties zijn echte chemische experimenten."
Wat simuleer je dan in het lab?
"Extreme omstandigheden. We weten dat de voorlopers van het allereerste leven, het zogeheten proto-leven, zijn ontstaan toen de aarde nog heel jong was. We weten ook dat er toen extreme omstandigheden heersten, veel extremer dan nu. Door die omstandigheden na te bootsen hopen we te ontdekken hoe organische moleculen [moleculen die koolstof en waterstof bevatten, red.] werden gevormd, want al het leven is gebaseerd op organische moleculen. We willen ook begrijpen hoe vanuit die moleculen vervolgens onderling verbonden processen en netwerken ontstaan die elkaar weer verder versterken. Maar we kijken niet alleen naar organische moleculen, want ook anorganische verbindingen, zoals zouten en mineralen die al aanwezig waren in het water en het gesteente, spelen een belangrijke rol. Onder meer als katalysator, stoffen die een reactie versnellen. Die interacties nemen we ook mee."
bij hydrothermale bronnen wemelt het van leven
NOAA via Wikimedia Commons, publiek domein
Kun je iets specifieker zijn over die omstandigheden, wat boots je precies na?
"In ons geval komen die extreme omstandigheden vooral neer op hoge druk, zoals je die in de diepzee aantreft. Wij proberen de situatie bij een hydrothermale bron in de oceaanbodem na te bootsen. Een omgeving waarin water, daarin opgeloste gassen en gesteente onder hoge druk met elkaar reageren."
Hoe bepaal je welke omstandigheden je nodig hebt voor een relevante simulatie? Want we weten niet precies hoe de situatie toen op aarde was.
"Klopt, dat weten we niet zeker. Maar we weten in ieder geval wel dat de atmosfeer destijds veel koolstofdioxide bevatte, veel meer dan nu. En we weten ook dat er geen zuurstof was. Het grote probleem is het gebrek aan directe bronnen die weergeven wat vier miljard jaar geleden de omstandigheden waren. Geologen gebruiken gesteente om de condities van lang geleden te bepalen en daar kun je veel informatie uit halen. Bijvoorbeeld over de schommelingen in de temperatuur en welke gassen aanwezig waren in de atmosfeer. Helaas hebben we geen gesteente dat oud genoeg is om direct iets te zeggen over de omstandigheden ten tijde van de oorsprong van leven. De rock record gaat niet ver genoeg terug in de tijd."
"Tegelijkertijd is er een belangrijk verschil tussen hoe geologen naar het verleden kijken en wat wij nodig hebben voor onze experimenten. Geologen beschrijven de omstandigheden van miljarden jaren geleden in heel algemene termen, maar voor onderzoek naar de oorsprong van het leven hoeft dat niet. Het is niet nodig dat er overal op de planeet de juiste omstandigheden waren voor leven om te ontstaan. Eén locatie met juiste condities die lang genoeg aanhouden, kan voldoende zijn. Dus ook al was er bijvoorbeeld op de jonge aarde niet overal genoeg waterstof beschikbaar, er kunnen best plekken zijn geweest waar dat wel zo was. Lokale omgevingen kunnen sterk verschillen, maar die verschillen, zeker uit het heel verre verleden, zijn op basis van geologisch onderzoek niet meer te achterhalen."
Waarom denk jij dat het eerste leven is ontstaan bij hydrothermale bronnen in de oceaanbodem?
"Dat denk ik niet alleen hoor, het achterliggende idee is inmiddels zo'n dertig jaar oud. Het draait allemaal om een verstoring in het evenwicht tussen de aanwezige koolstofdioxide in de lucht en het zeewater en de waterstof in het gesteente.
Waterstof is reducerend, wat betekent dat de elektronen er graag 'uit' willen [elektrondonor], terwijl koolstofdioxide oxiderend is, het wil die elektronen graag opnemen [elektronacceptor]. Je hebt dus een plek met veel elektronen en een plek met weinig, dat kun je zien als een soort batterij. Chemici hebben dan het over een redox-potentiaal [reductie-oxidatie-potentiaal], een verzameling reducerende en oxiderende stoffen.
Waterstof en koolstofdioxide willen graag met elkaar reageren, maar ze hebben dan wel een duwtje in de goede richting nodig. Zonder dat duwtje blijft het evenwicht onverstoord; de elektronen kunnen niet gaan stromen terwijl dat wel de bedoeling is. Maar als het universum ergens een hekel aan heeft is het wel aan verstoorde evenwichten. Die 'vrije' energie die is opgeslagen doordat de elektronen op hun plek blijven is niet de bedoeling. Energie moet niet opgeslagen blijven, maar energie moet vrijkomen. Dat is een drijvende, universele kracht."
"Op een nieuwgevormde planeet is nog heel veel vrije energie, vooral in de vorm van warmte, het binnenste van de planeet is gloeiend heet, het oppervlak en de ruimte eromheen zijn ijskoud. Die warmte moet ergens heen. Dan krijg je bijvoorbeeld vulkanen als middel om van die vrije energie af te komen. Wij denken dat leven ook een manier is om met deze vrije energie om te gaan. Leven is geen doel, maar een middel voor een planeet om iets met die enorme voorraad energie te doen. Leven kan namelijk heel goed koolstofdioxide en waterstof met elkaar laten reageren door er organische moleculen van te maken. Door dat te doen, kom je van die energieverstoring af en draag je bij aan het streven om energie te verbruiken. Dat is wat het universum wil: energie moet vrijkomen.
Als je het zo bekijkt is leven een bijproduct van die universele drang om energie te verbruiken en zo evenwicht te bereiken. De voorraden koolstofdioxide en waterstof op de jonge aarde zorgden voor een heel sterke balansverstoring en levenloze materie kan dat niet oplossen. Die twee stoffen gaan niet uit zichzelf met elkaar reageren. Leven biedt de perfecte uitweg, het kan de opgeslagen energie uit die moleculen trekken. Leven was de oplossing voor dat elektronenprobleem. De jonge aarde was a.h.w. een gigantische batterij en leven kon daarmee uit de voeten. Alles in het universum gebeurt omdat er ergens een evenwichtsverstoring in energie is."
Redoxreacties nodig voor elektronenstroom
Maar wat heeft dit te maken met de gaten in de oceaanbodem? Lucht, water en gesteente kunnen ook op andere plekken met elkaar in contact staan om die 'batterij' te laten lopen.
"De reactie tussen koolstofdioxide en waterstof verloopt zonder hulp heel langzaam. Er is een barrière, de reactie moet in gang worden gezet. Een manier om dat te doen is door een verschil in de zuurgraad. De oceanen waren een beetje zuur door het opgeloste koolstofdioxide. De vloeistoffen die vanuit gaten in de oceaanbodem naar boven kwamen, waren juist licht basisch door serpentinisatie. Dat is, heel kort, het proces waarbij verschillende typen mineralen in de aardkorst met elkaar reageren. Bij zo'n hydrothermale bron heb je dus licht basische vloeistoffen die naar boven komen en dan in contact komen met het licht zure oceaanwater. Dit verschil verlaagt de barrière voor de chemische reactie tussen koolstofdioxide en waterstof, waardoor die wel plaatsvindt.
Bij zo'n diepzeebron kan een reactie plaatsvinden die leven ook kan uitvoeren. Al het leven op aarde maakt nog steeds gebruik van redox-reacties om elektronen te laten stromen en zo energie op te wekken [de citroenzuurcyclus om ATP te vormen] en van pH-verschillen die je ook kunt zien als een vorm van energie. Ik denk daarom dat leven is ontstaan op een plek waar die twee verschillen aanwezig waren en de hydrothermale bronnen bieden precies zo'n omgeving."
Toch zijn er ook heel andere theorieën, veel wetenschappers denken dat uv-licht de belangrijkste energiebron was. Dat was ook in ruime mate aanwezig toen de aarde werd gevormd en dan is een poel water aan het oppervlak een logische startplek voor het eerste leven.
"Mijn belangrijkste bezwaar tegen die theorie is dat je vaak nog restanten van vroegere processen terugvindt in organismen die nu leven. Maar tot nu toe hebben we nog helemaal niks gevonden dat erop wijst dat ooit uv-licht of radioactiviteit, want dat wordt ook geopperd, zijn gebruikt als energiebron. Als je dat tegenwerpt krijg je altijd als antwoord dat die levensvormen inmiddels zijn uitgestorven."
Dat kan toch ook het geval zijn?
"Het kan, ja, maar alles kan wellicht zijn gebeurd. We moeten echter kijken naar wat de meest waarschijnlijke verklaring is. Neem de opkomst van zuurstof. Lange tijd was er geen zuurstof aanwezig in de atmosfeer totdat het zogeheten Great Oxidation Event optrad, ongeveer twee miljard jaar geleden. De hoeveelheid zuurstof nam snel toe en dat zorgde ervoor dat meer dan zeventig procent van al het leven uitstierf. Zuurstof was namelijk giftig voor het vroege leven. Het was echt een slachting, maar toch zijn er nu nog steeds organismen die op de oude manier leven, dus zonder zuurstof [anaeroob]. Die leven zelfs in ons, de bacteriën in onze darmen zijn een goed voorbeeld. Natuurlijk zou het kunnen dat het leven eerst heel anders was en toen is overgegaan naar wat we nu kennen, maar..."
Op moleculair niveau zijn alle levensvormen op aarde gelijk.
Of leven is meerdere keren ontstaan?
"Oh, dat zeker, het is zeer waarschijnlijk dat leven meerdere malen is begonnen. Maar we weten dat één type leven het heeft gered en dat is ons soort leven. Ook onze zuurstofloze voorouders zijn vrijwel gelijk aan ons. Op moleculair niveau is al het leven op aarde gelijk. We willen het gat dichten tussen prebiotische chemie, de chemische reacties die plaatsvonden voordat het eerste leven er was, en biochemie, de chemie die zich afspeelt in alles wat leeft."
Wat is de overgang van prebiotische chemie naar biochemie?
"Je kunt fantastische chemische experimenten doen die je prebiotische chemie kunt noemen en de onderzoekers die dat doen zijn veel betere chemici dan ik ben, maar het grootste deel van hen heeft geen enkele interesse in leven en hoe dat werkt. Terwijl we een duidelijk voorbeeld van de oorsprong van leven hebben, namelijk ons leven. Het leven zoals we dat nu kennen.
Dan moet er toch ergens een verband te vinden zijn tussen de prebiotische chemie en de biochemie. Dat moeten we aan elkaar kunnen koppelen, lijkt me. En ja, natuurlijk kan er ander leven zijn geweest, dat weten we niet, maar ik ben daar niet zo in geïnteresseerd omdat ik eerst wil begrijpen hoe het leven dat er wel is, is ontstaan. Laten we daar mee beginnen."
terug naar het antropisch principe
terug naar het weblog
^