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!