Hoe leven eigenlijk niet kan ontstaan, maar er toch is
Evolutiebiologie; biochemie
Actualiteit: de ontembare nieuwsgierigheid naar buitenaards leven
Twee mysteries
Op onze planeet tref je momenteel een bijzondere vorm
van leven aan, gestructureerd in individuen. Die zijn dermate hoogontwikkeld
dat ze zich van alles afvragen over de situatie die ze ervaren. Het is
“intelligent leven” en het betreft uiteraard onze soort Homo sapiens. Allerlei
theorieën hebben we ontwikkeld om de totstandkoming van onze omgeving en van onszelf
te verklaren. In eerste instantie dachten we aan externe intelligenties – goden
– die dat tot stand hadden gebracht. Zo is er In de joods-christelijke en ook
veel andere tradities een scheppingsverhaal. In de eerste verzen van de bijbel
staat een prachtig exemplaar. Door wetenschappelijke ontdekkingen van de
laatste eeuwen zijn veel zaken opgehelderd en is de rol van goden allengs
teruggebracht. Maar enkele zaken worden door veel mensen nog steeds
toegeschreven aan een goddelijke schepping. Niet zo verwonderlijk, want wetenschappelijke
verklaringen schieten daar tekort. Twee essentiële zaken springen eruit: het
ontstaan van het heelal en het ontstaan van het leven. Het ontstaan van het
heelal wordt vaak beschreven als beginnend vanuit een enkel punt – een
“singulariteit” – dat “explodeerde” met als resultaat enorm veel straling en
materie met uiteindelijk gigantisch veel melkwegstelsels, zonnestelsels,
zonnen, planeten etc. Deze theorie staat in de volksmond bekend als de
“oerknal”. Het leven op aarde zou dan weer voortgekomen zijn uit een destijds hier
aanwezige “oersoep”.
Wetenschappelijke verklaringen als alternatieven van
een schepping
Hoe waarschijnlijk zijn deze theorieën als we ze
vergelijken met een schepping door een hogere macht? De theorie van de “oerknal” heeft een redelijk stevig
wetenschappelijk fundament, maar die “singulariteit” zelf is totaal
onbegrijpelijk. Het alternatieve model - het heelal is er altijd geweest - is
ook niet realistisch, zoals we verderop zullen zien. Hier heeft de wetenschap een
stevige concurrent aan een hogere macht want de wetenschappelijke theorieën die
tot dusverre de revue passeerden zijn even ongeloofwaardig. Het ontstaan van
leven is van een andere orde. Hier is hoop dat we er ooit achter komen hoe zich
dat heeft ontwikkeld. Er zijn allerlei theorieën, die al heel wat verder gaan
dan leven dat spontaan uit de oersoep tevoorschijn zou zijn gekomen. Die
theorieën zijn misschien niet altijd erg aannemelijk, maar ze liggen tenminste
wel binnen ons voorstellingsvermogen.
Voor de populaire pers is leven op andere
hemellichamen een dankbaar onderwerp omdat lezers dit erg interessant vinden,
wat heel begrijpelijk is. Het ontstaan van leven elders, en vroeger dus ook
hier, wordt als nogal gemakkelijk voorgesteld: neem een planeet waar de
temperatuur gunstig is. Als er daar water is met daarin opgelost een veelheid aan
allerlei moleculen, dan huppakee: er ontstaat leven. Zo als we zullen zien is
dat wel erg kort door de bocht. Toch is het een hele vooruitgang ten opzichte
van vroeger toen we “spontane generatie” vanzelfsprekend vonden: speciaal daar waar
vuil zich ophoopt ontstaat spontaan allerlei ongedierte.
In de
werkplaats van de hogere macht.
We
hebben een heel interessant heelal gemaakt! Een prachtig experiment. De
essentie is dat het heel compact en geordend begint en dan volgens bepaalde
door ons ingestelde “natuurwetten” verandert. Het wordt onvermijdelijk steeds
chaotischer zolang we niet ingrijpen. Deze steeds toenemende wanorde gaat samen
met een verschijnsel dat we tijd kunnen noemen. Voor ons als hogere macht
bestaat tijd niet: wij hebben een overzicht over alles wat er gebeurt en weten dus
ook direct hoe het allemaal afloopt. Wat ons als resultaat veel voldoening zou
geven is het ontstaan van intelligent leven dat over ons kan nadenken en
vervuld is van ontzag over ons werk.
Oerknal en oersoep en hun onderlinge verband
Er is een samenhang tussen de vorming van het heelal vanuit
de oerknal en het ontstaan van leven. Het is een negatieve samenhang. Sinds de
oerknal is het heelal voortdurend “chaotischer” geworden. Een eeuwig bestaand
heelal in de huidige toestand van orde is niet mogelijk. Dat is
wetenschappelijk geformuleerd in de “tweede hoofdwet van de thermodynamica”. Dat
is eigenlijk niet zozeer een natuurwet, maar meer een kwestie van “statistische
waarschijnlijkheden”. Laten we die wet de “Wanordewet” noemen. Chaos kun je op tal
van manieren krijgen. Daarentegen: hoe ordelijker iets is hoe kleiner de kans dat
aan te treffen. Neem als voorbeeld een gesloten ruimte met daarin
luchtmoleculen. Die zullen die heel waarschijnlijk gespreid over de ruimte
verdeeld zijn en niet allemaal in één hoekje zitten, want dat laatste is veel
onwaarschijnlijker, met minder mogelijkheden. Als ze daar in het begin wel
zitten zal de wanorde spontaan toenemen. Als er leven ontstaat uit dode materie
is dat juist een tegengesteld proces: hier neemt de ordening toe door de
vorming van ingewikkelde biomoleculen uit eenvoudiger chemische verbindingen. Leven
is dus niet iets dat je spontaan kan verwachten: het is juist anti-chaotisch.
“Spontane generatie” behelst een tegenstrijdigheid.
Om
te begrijpen hoe leven toch kan ontstaan moeten we eerst definiëren wat leven eigenlijk
is.
Wanneer noemen we iets “levend”?
Voor een definitie van leven moeten we een beetje
afstand nemen van wat we nu om ons heen waarnemen en als levend beschouwen. We
denken onwillekeurig aan iets dat groeit, zich vermenigvuldigt en soms ook
beweegt. Maar deze attributen zijn niet uniek voor leven. Kristallen groeien,
vuur vermenigvuldigt zich, water en lucht bewegen. Maar dat zijn allemaal
fysische of chemische processen die gehoorzamen aan de Wanordewet. Een betere
definitie van leven is: “iets” dat zich actief in een ordelijke toestand
weet te houden in een wanordelijker wordende omgeving. Om te gehoorzamen aan de
Wanordewet moet buiten dat “iets” de wanorde meer toenemen dan er orde binnen
het “iets” wordt gevormd. We kunnen begrijpen hoe dat kan als we aan een
stromende beek denken die een schoepenrad aandrijft. Via de as van het
schoepenrad wordt een deel van het water weer omhoog gepompt. In het gehele
systeem gaat er netto water omlaag – gehoorzamend aan de zwaartekracht. Een
levende structuur kan volgens dit principe ingewikkelde moleculen maken door
buiten die structuur meer wanorde te veroorzaken. In deze definitie van leven
is het woord actief cruciaal en tegelijk ook het moeilijke punt: wanneer
is zo’n proces nog “toevallig” en dus passief en wanneer mogen we het actief
noemen? Hier wordt later op teruggekomen.
Wat is de drijvende kracht achter de lokale toename
van orde, m.a.w. wat is het equivalent van de stromende beek in ons voorbeeld? Essentieel
is dat er “geordende” energie beschikbaar is die uiteindelijk wordt omgezet in “ongeordende”
energie, zoals warmte. We zien dat overal om ons heen gebeuren: zonlicht wordt
warmte, verbranding geeft warmte, elektriciteit geeft warmte en ook beweging maakt
warmte in geval van wrijving. Nadat het water van onze beek in zee is beland is
de oorspronkelijke statische energie ook omgezet in warmte. Geordende energie
geschikt voor een levensvorm kan straling zoals zonlicht zijn of kan opgesloten
zitten in bepaalde chemische verbindingen. Van zonlicht gebruik maken –
fotosynthese, in wat voor primitieve vorm ook - is niet eenvoudig, zodat de
eerste levensvormen van chemische energie afhankelijk geweest zullen zijn. Die
kan op aarde in voldoende mate aanwezig zijn geweest in de toenmalige zeeën en in
de atmosfeer. Essentieel om ervan te profiteren, dus om te “leven”, is dat er
een koppeling is, zoals het schoepenrad de koppeling is in het geval van de
beek.
We moeten nog wel de vorm van het “iets” aan de orde
stellen. Als we denken aan een structuur met ingewikkelde moleculen ontkomen we
moeilijk aan iets als een cel. Dat is een van de buitenwereld afgesloten
compartiment waarin zulke moleculen zich kunnen ophopen. Als die vrij zouden
rondzweven in de oersoep zou dat zo wanordelijk blijven dat we ons er moeilijk
iets levends bij kunnen voorstellen. Hoogstens zouden er als alternatief van
een cel kleine, bijna afgesloten, geologische structuren kunnen zijn. Maar al
het huidige leven is gebaseerd op cellen, dus is het niet onaannemelijk dat die
aan het begin van het leven stonden. Cellen kunnen min of meer spontaan
ontstaan door structuren van waterafstotende moleculen in een waterig milieu.
Het blijft wel moeilijk voor te stellen dat in dergelijke “vettige” blaasjes
zich zomaar “biomoleculen” zouden ophopen door actieve processen.
Wat
we in eerste instantie zouden willen weten is: wat is de aard van de genoemde
“koppeling” en wat correspondeert er eigenlijk met dat omhoog gepompte water,
m.a.w. wat moet er gemaakt worden als ingrediënten voor levensprocessen?
In de
werkplaats van de hogere macht.
Wat we
hoopten is inderdaad ergens ontstaan: we zien bijvoorbeeld een planeetje waar
zich hier en daar ordelijk wordende structuren vormen. Maar voordat er zich iets
echt interessants manifesteerde heeft het wel even geduurd. Structuren vormden
zich en vielen weer uiteen. Het was wachten op een doorbraak. Het is duidelijk
dat wat we “interessant” leven kunnen noemen pas kon ontstaan toen die
structuren eigenschappen als groei en vermenigvuldiging kregen. We steken een
handje bij.
Probeerseltjes
Toen er nog geen efficiënte levensvormen bestonden maakten
eenvoudige structuren een kans. Het was een soort land der blinden waar
primitieve eenoogjes even koninkjes konden zijn.
Tegenwoordig, in een land der zienden, zouden ze onmiddellijk opgepeuzeld
worden. De vraag is: wanneer is een probeerseltje succesvol? Succesvol in de
zin dat het uiteindelijk kan leiden tot iets dat een voorouder kan zijn van wat
we nu als leven aantreffen. De meest primitieve voorouder van al het
hedendaagse leven die we aardig goed kunnen karakteriseren is LUCA ofwel de
“Last Universal Common Ancestor”. Zie hier voor
een recent artikel daarover. Het is van twee soorten bacteriën, die nu nog
bestaan, de voorouder op het moment dat ze uiteengingen. Wat die twee
gemeenschappelijk hebben had LUCA hoogstwaarschijnlijk ook. LUCA lijkt zelf al
heel veel op hedendaagse bacteriën. Er kan een voorzichtige schatting gemaakt
worden wanneer hij leefde: zo’n kleine 4 miljard jaar geleden. Op andere
gronden kunnen we ook een voorzichtige schatting maken hoe lang de aarde al
leven kon herbergen, gezien de geologische/klimatologische omstandigheden. Dat was
misschien maar enkele honderden miljoenen jaren eerder. Leven zoals we dat nu
kennen is dus al relatief snel ontstaan. Al is een paar honderd miljoen jaar in
absolute zin naar onze begrippen natuurlijk heel erg lang.
We willen dus begrijpen hoe iets zo ingewikkelds als
LUCA heeft kunnen ontstaan uit een succesvol probeerseltje. Als we er vanuit
gaan dat dat niet bedacht is in de werkplaats van de
hogere macht dan moeten we proberen om een lange serie mogelijke
tussenstappen te bedenken die steeds op zich functioneel zijn. Zoals de
evolutie van het oog, ooit beschouwd als zo ingewikkeld dat er een schepper
achter moest zitten, maar waarvan men nu aannemelijk heeft gemaakt dat het
stapsgewijs heeft kunnen ontstaan, te beginnen met een eenvoudige detectie van
licht. Het onderscheid tussen licht en donker geeft immers al een zekere
informatie over de omgeving, kan cruciaal zijn voor overleving of
concurrentievermogen, en is dus een aannemelijke tussenstap.
Wat
zijn de eerste stappen die een probeerseltje moet zetten richting LUCA wil het
wat worden? Stel je voor, een celletje dat er in slaagt om een zekere mate van
interne orde te handhaven. Er is bruikbare energie (de beek), er is een
mechanisme dat iets maakt dat niet spontaan kan ontstaan (met behulp van het
schoepenrad) en zo hoopt zich iets op binnen de cel. Beschikbare bronnen van
bruikbare energie hebben we al genoemd, maar wat moeten we ons voorstellen bij
het schoepenrad? Het moet een soort katalysator zijn: een stof die, met behulp
van de aanwezige geordende energie, helpt een energierijker molecuul te maken
uit een of meer energiearmere moleculen zonder zelf verbruikt te worden. Liefst
gaat het gepaard met een transport door de celwand. Tegenwoordig doen ingewikkelde
eiwitten dat, die je toen logischerwijs nog niet kon aantreffen. Maar als zo’n
systeem zich met eenvoudiger middelen toch kan vormen lijkt het in de buurt te
komen van onze definitie van leven.
In
het Nederlandse onderzoeksproject “Evolf” ofwel “Evolving life from non-life” wordt een poging ondernomen om tot de eerste
tussenstappen van een cel met een metabolisme te komen door die in laboratoria
te maken. Je kunt het werkplaatsen van een lagere macht
noemen; het is gestuurd door waar we naar toe willen: richting LUCA. Je kunt
het uiteraard niet overlaten aan het toeval want dat duurt te lang, dus je moet
te hulp komen met daarmee nog steeds de twijfel of het spontaan ook zo kan
gaan. Maar je krijgt hiermee wel een idee over wat kan en wat niet kan.
Het zou mooi zijn als er ook in de tegengestelde
richting gewerkt zou kunnen worden: het steeds verder versimpelen van LUCA
totdat beide benaderingen elkaar ergens tegenkomen.
Groei, vermenigvuldiging en verspreiding
Het leven komt niet echt van de grond als er niet iets
“bruikbaars” wordt gevormd. Iets dat er voor zorgt dat het niet ophoudt bij
alleen maar blijven bestaan. Want op zeker moment valt de beek stil, raken de
schoepenraderen op of gebeurt er een ongelukje en het prille leven dooft weer. Wat
er via het schoepenrad omhoog gepompt wordt moet liefst bijdragen aan groei en
vermenigvuldiging door deling. Het succesrijke bestaan van LUCA is daarop
gebaseerd. LUCA had al een heel ingewikkeld metabolisme, wat er voor zorgde dat
onder gunstige omstandigheden een cel snel kon groeien en zich in korte tijd in
tweeën kon delen. Nog een verworvenheid van LUCA, waar we later op teruggekomen:
in iedere cel huisde ook een “programma” met instructies hoe dat groeien en
delen optimaal uitgevoerd kon worden.
Wat was er beschikbaar in het aardse milieu in de
toenmalige oersoep? Het zag er chemisch gezien totaal anders uit dan nu. Er was
geen zuurstof in de atmosfeer – dat is er later gekomen door fotosynthese op
grote schaal van micro-organismen die later leefden dan LUCA. In plaats daarvan
was er waterstof, veel CO2, en daarnaast waarschijnlijk nog methaan
(CH4) en andere verbindingen die nu geoxideerd zouden worden maar
toen niet. Dat opende de mogelijkheid om met behulp van katalysatoren
eenvoudige “organische” koolstofverbindingen te maken door CO2 met H2
te reduceren. En daarnaast bestonden er zeer waarschijnlijk in lage
concentratie al ingewikkelder organische verbindingen in de oersoep zoals
aminozuren. Die konden zich in zekere mate ophopen omdat ze toen uiteraard niet
werden opgegeten. Het zal er door al die broeikasgassen ook lekker warm zijn
geweest waardoor chemische reacties snel konden verlopen.
Als er in de cel waterafstotende moleculen gemaakt
konden worden om de omhulsels uit te breiden zou dat erg nuttig zijn, want dat
betekent groei. De keten van reacties en katalysatoren die daarvoor nodig is moet
doorgegeven worden aan de dochtercellen na een deling. Deling is gunstig om te
voorkomen dat de cel te kwetsbaar wordt als hij te groot wordt, en bovendien is
(eerst nog passieve) mobiliteit nuttig om elders gunstige “voedingsmoleculen”
te vinden. Dat gaat beter als je wat kleiner bent. Is vermenigvuldiging eenmaal
op gang gekomen, hoe primitief ook, dan ontstaat er de mogelijkheid van
evolutie. Er vanuit gaand dat cellen om allerlei redenen ook weer uiteen kunnen
vallen zullen de meest efficiënte zich sneller vermenigvuldigen en minder snel
te gronde gaan dan minder efficiënte exemplaren. Het lijkt op de
“darwinistische natuurlijke selectie” van nu. Een verschil is het ontbreken van
een programma dat mee gekopieerd wordt en dat er voor zorgt dat de
delingsproducten zich even efficiënt kunnen ontwikkelen als de moedercel. Dat
is een cruciaal punt dat hierna aan de orde komt.
In de
werkplaats van de hogere macht.
Het komt
niet echt op gang. Als oplossing zien we het implanteren van een digitaal
systeem, in plaats van het “natuurlijke” analoge, inefficiënte gedoe. We zouden
gebruik kunnen maken van moleculen die we op ons planeetje spontaan zien ontstaan
en die in meerdere variaties voorkomen. Ze kunnen ketens vormen met
willekeurige volgordes van die moleculen als bouwstenen. We beperken ons tot de
4 interessantste bouwstenen. We kunnen hier de gebruikelijke digitale codering
met 0-en en 1-en toepassen: A = 00, C =
01, G = 10 en U = 11 als we de bouwstenen A, C, G en U noemen. We kunnen de
ketens, die we RNA noemen, gebruiken als digitale informatie die codeert voor
allerlei functies. Het is nogal gekunsteld maar dat moet dan maar.
Opslag van informatie
We laten het metabolisme even rusten en proberen nu
een stapje te zetten in de richting van het programma dat LUCA bezit. Dat is
gecodeerd in DNA. Het is de opslagvorm van de informatie die nodig is voor het
optimaal functioneren van de cel wat betreft handhaving, groei en
vermenigvuldiging. Het DNA heeft zelf geen andere functie dan die informatie te
bewaren en door te geven door gekopieerd te worden en is daar erg geschikt
voor. Veel beter zelfs dan wat er in onze huidige computers en datacentra wordt
gebruikt als opslagmethode, hoewel minder snel afleesbaar (zie hier voor een beschouwing hierover). De informatie in DNA kan één op één
gekopieerd worden naar RNA, dat erg op DNA lijkt maar dat wél allerlei functies
heeft. Het kan werken als regulator, als katalysator en bezit informatie voor
het maken van eiwitten. Het is algemeen aanvaard dat RNA aan het begin stond
van de uiteindelijke totstandkoming van het programma dat we nu in cellen
aantreffen. DNA, een stabiele dubbelstreng, zal pas later een rol zijn gaan
spelen om de informatie die in al deze RNA-moleculen besloten ligt min of meer
foutloos op de dochtercellen over te brengen.
De bouwstenen van RNA kunnen spontaan ontstaan en
uiteraard ook weer spontaan uiteenvallen. Omdat er een suikergroep aan deze
bouwstenen zit is spontane vorming wel wat minder waarschijnlijk; het zijn geen
erg eenvoudige moleculen. De koppelingen tussen de 4 soorten bouwstenen levert
een RNA-streng op, enkelstrengs, die de neiging heeft om op sommige delen
dubbelstrengs te worden doordat complementaire bouwstenen de neiging hebben aan
elkaar vast te gaan kleven. Dat levert een bepaalde 3-dimensionale structuur
op. RNA kan ook zelf gekopieerd worden, dus ook voordat er DNA bestond was er
al de mogelijkheid om informatie te bewaren, maar wel in een minder stabiele
vorm en in eerste instantie met alleen informatie over “zichzelf”.
Om
stapsgewijs richting LUCA te geraken moeten zoals gezegd de tussenstappen ook
een voordeel hebben. Wat RNA zou kunnen doen om het metabolisme en daarmee de
cel efficiënter te maken is dat het functioneert als een soort primitief enzym.
In de primitieve cel waren er nog geen eiwit-enzymen die als efficiënte
katalysatoren allerlei functies konden uitoefenen en die we kunnen associëren
met het schoepenrad in ons model van de stromende beek. En als er al eens een
exemplaar was kon dat zich niet vermenigvuldigen. RNA zou enkele van zulke katalytische
functies wel kunnen bezitten en ook kopieën van zichzelf kunnen maken.
Is een overerfbaar programma,
zoals ons DNA, nodig voor een actieve omzeiling van de Wanordewet en dus van
“echt” leven?
Hier ligt een cruciale vraag: is het noodzakelijk dat
een cel een programma herbergt, dat bij deling doorgegeven wordt en instructies
bevat voor optimaal functioneren? Of kan
het ook zonder? En als zo’n programma ontstaat, overvleugelen cellen die het wel
hebben dan cellen die het niet hebben? We zagen al dat er een soort natuurlijke
selectie kan optreden bij de probeerseltjes. Een erg gerichte evolutie zal dat
niet worden. Hoe dan ook, het feit dat LUCA, een eencellige, al zo’n programma
had is een aanwijzing dat het een duidelijk voordeel gaf. Darwins theorie van
natuurlijke selectie werkt ook alleen als nakomelingen op hun ouders lijken,
met de mogelijkheid van kleine verschillen die al of niet tot een betere
aanpassing aan de omgeving leiden. Zonder die gelijkenis werkt het niet goed.
Er zijn tal van theorieën verkondigd over hoe je een
cel met zowel een metabolisme als coderende moleculen kunt krijgen. Was er eerst
een goed werkend metabolisme en ontstonden daarin RNA-moleculen die
langzamerhand een coderende functie kregen? Of was er al een soort RNA-evolutie
voordat er cellen waren? Of ontwikkelde het zich samen? Een overtuigend pad van
“niets” naar een cel die beide heeft is nog niet gevonden. En dan moet de
belangrijkste stap vandaar naar LUCA nog komen: een programma met effectieve
instructies zodat we dan zeker van “echt” leven kunnen spreken.
In de
werkplaats van de hogere macht.
Ook aminozuren, de bouwstenen van eiwitten,
kunnen we digitaal coderen als we ze laten corresponderen met RNA-bouwstenen.
Met twee RNA-bouwstenen achterelkaar krijgen we vier 0-en of 1-en. Dat geeft 242
= 16 mogelijkheden. Als we toch wat meer verschillende aminozuren willen hebben
nemen we drie RNA-bouwstenen achterelkaar zodat we 26 = 64
mogelijkheden krijgen. Dat is wat veel, maar als we meer codes per aminozuur
nemen zal het prima lukken. Zo wordt het 000000 = Lysine t/m 111111 = Phenylalanine.
Dan de aminozuren nog aan elkaar knopen. De zo gevormde eiwitten kunnen
allerlei nuttige functies vervullen, zoals transport en katalyse. Het geeft een
geweldig resultaat!
Het grote mysterie: hoe is RNA gaan coderen voor
eiwitten?
RNA is een molecuul dat informatie kan bevatten,
terwijl eiwitten moleculen zijn die allerlei cruciale functies kunnen
uitvoeren. Ze zorgen op een efficiënte manier voor o.a. katalyse en transport.
Maar ze bestaan uit een heel specifieke streng van aminozuren. Wat zou er mooier zijn dan RNA, ook een
streng van verschillende bouwstenen, te laten coderen voor eiwitten? We weten
dat nu dat dat inderdaad zo is en ook hoe het werkt. Maar hoe is het ontstaan?
In LUCA vinden we al ribosomen, de structuren waarin zo’n
vertaling van RNA naar eiwit plaatsvindt. Die structuren zijn heel ingewikkeld:
in onze cellen zijn het complexen van hoofdzakelijk twee RNA-strengen (elk
enkele duizenden bouwstenen lang) en enkele tientallen eiwitten. Niet alleen lijkt
het een vrijwel onmogelijke opgave om stabiele en functionele tussenstappen te bedenken om van iets
primitiefs tot een werkzaam ribosoom te komen, maar er is een groter probleem.
De ribosomen van LUCA en later kunnen niet werken zonder specifieke eiwitten,
terwijl die eiwitten niet op een precieze manier gemaakt kunnen worden zonder
ribosomen. Dus voor X is Y nodig en voor Y is X nodig. Dat frustreert ook de
omgekeerde benadering: het stapsgewijs steeds verder versimpelen van LUCA. De
genetisch code die de vertaling van RNA naar eiwit weergeeft lijkt een wonder
en zal waarschijnlijk nog lang een mysterie blijven. Is het ontstaan uit een
soort associatie tussen eenvoudige RNA-moleculen met daaraan een aminozuur
gehecht, zoals wel voorgesteld wordt als precursor?
Van LUCA naar de huidige flora en fauna: af en toe is
een grote stap nodig in de evolutie
Het bekende evolutiemodel van Darwin werkt met kleine
stapjes: mutaties die een gunstige verbetering opleveren vervangen de minder
gunstige en zo gaat het steeds ietsje beter. In absolute zin weliswaar, want
als de concurrenten ook vooruitgang boeken levert het in relatieve zin niet
veel op. Je moet je voortdurend verbeteren om niet achterop te raken. Maar af
en toe wordt er een grote stap gezet in het evolutionaire proces; er worden
nieuwe mogelijkheden geopend die een grote voorsprong kunnen opleveren. Daardoor
ontstaan nieuwe functies of kunnen er nieuwe milieus geëxploiteerd worden. De
lange reis van LUCA naar Homo sapiens en andere moderne levensvormen
kent een aantal van zulke “sprongen”. De belangrijkste:
·
Fotosynthese.
Vanaf ca. 3,5 miljard jaar geleden. De geordende energie van het zonlicht wordt
gebruikt om koolstof vrij te maken uit CO2. Uit CO2 en H2O
worden organische verbindingen gemaakt en het overschot aan zuurstof gaat als O2
de atmosfeer in, die daardoor radicaal van samenstelling veranderde.
·
Meercelligheid. Een simpele vorm daarvan ontstaat gemakkelijk als
bij celdeling de dochtercellen niet loslaten. Maar een echte innovatie is celdifferentiatie, waardoor cellen binnen een organisme
verschillende taken hebben. Ze bezitten hetzelfde DNA, maar daarvan wordt een
verschillend gedeelte afgelezen. Het geheel moet wel onder een stevige centrale
controle staan om te voorkomen dat cellen “voor zichzelf” gaan beginnen in
plaats van zich in dienst van het geheel te stellen. Er is altijd een risico
dat dat misgaat. Wij kennen dit o.a. als kanker.
·
De
vorming van “samengestelde” cellen met mitochondriën en chloroplasten, die
eigenlijk “tot slaaf gemaakte” bacteriën zijn die in een andere bacterie zijn
opgenomen. Hun vermenigvuldiging staat onder controle van de meestercel.
·
Seksuele
reproductie die er voor zorgt dat gunstige mutaties die afzonderlijk ontstaan
toch bij elkaar kunnen komen door uitwisseling van DNA-gedeelten.
·
De
kolonisatie van het land.
·
Sociale
structuren bij dieren.
·
Communicatievormen,
met als ultieme perfectie de menselijke taal. Het grote voordeel is dat kennis
niet door overerving van instincten hoeft doorgegeven te worden, maar tussen
individuen uitgewisseld kan worden. En later ook niet meer alleen door het
persoonlijk voor te doen en “na te apen”, maar door kennis in ruime kring oraal
over te dragen. In een nog later stadium, na de uitvinding van het schrift,
zelfs ook naar verre oorden en latere generaties.
In de
werkplaats van de hogere macht.
De kroon
op onze schepping: intelligent leven. Het geeft toch een enorme voldoening dat
er levensvormen zijn ontstaan die doorkregen hoe slim we bezig zijn geweest om
hun bestaan mogelijk te maken!
Intelligent leven:
een logisch resultaat van de evolutie?
Een aanleiding van het schrijven van dit hele verhaal
is de nieuwsgierigheid naar intelligent leven elders in het heelal. Als er
ergens op een vriendelijke planeet leven ontstaat, wat is dan de kans dat dit
vroeg of laat ook intelligent leven oplevert? Gezien de best begrijpelijke
stappen van LUCA tot mens moet het een kwestie van tijd zijn, zou je zeggen. Arik Kershenbaum heeft hier een
prettig leesbaar boek over geschreven: “The Zoologist’s Guide to the Galaxy”. Bepaalde processen en stappen lijken universeel, zoals
Darwinistische natuurlijke selectie, zintuigelijke waarnemingen van de
omgeving, en bij intelligent leven ook samenwerking tussen individuen. Die zijn
dan ook geldig voor andere planeten in het heelal. Maar het zal vrijwel zeker lang
duren tot er intelligent leven is, zodat het de vraag blijft of er genoeg tijd
is voordat de omstandigheden te ongunstig worden. Wij, op onze planeet, hebben
het nogal getroffen dat LUCA zo snel tot stand is gekomen, zodat er miljarden
jaren beschikbaar waren, en ook nog met vrijwel steeds gunstige omstandigheden,
om ons te laten ontstaan.
Kansberekeningen:
een ongewis product
De eindvraag: hoe groot is de kans dat er elders leven
– liefst intelligent – bestaat? Er circuleren formules met een aantal factoren
waarvoor je geschatte waarden kan invullen. Doorgaans is het begeleidend
commentaar als volgt: er zijn onnoemelijk veel zonnestelsels met daarin
verschrikkelijk veel bewoonbare planeten. Vermenigvuldig dat met een kleine
kans op het ontstaan van leven en je komt gemakkelijk tot een heelal dat wemelt
van het leven. Maar als we de moeizame
totstandkoming van het leven hier in ogenschouw nemen lijkt het toch dat we
hier een heel groot getal moeten vermenigvuldigen met een extreem klein getal.
We zagen dat met name het verkrijgen van een overerfbaar
programma met de codering van RNA voor eiwitten, zo verschrikkelijk
onwaarschijnlijk lijkt dat we die kans echt heel erg laag moeten inschatten. Als
ons scenario tenminste representatief is; op andere planeten zal weer heel
anders gaan.
De uitkomst van de vermenigvuldiging varieert hoe dan
ook van wemelen van leven tot zeer onwaarschijnlijk dat het ergens te vinden is.
Als het product duidelijk kleiner is dan 1 hebben we veel geluk gehad dat we
het mogen meemaken. Als het wemelt is de kans nog maar klein dat we ooit met
andere beschavingen in contact zullen komen, maar kunnen we misschien wel
aannemelijk maken dat er ergens omstandigheden voorkomen die niet zonder leven
verklaarbaar zijn. Optimisten denken dat we binnen afzienbare tijd zulke
waarnemingen zullen doen. Ik denk van niet, trouwens net als veel
wetenschappers. Maar even nieuwsgierig als iedereen ben ik natuurlijk ook!