Zoeken
 


Wetenschap tast in duister over oorsprong leven

Laatste wijziging: donderdag 17 september 2009 om 22:54, 2124 keer bekeken Print dit artikel Bekijk alle nieuws feeds van onze site
 
donderdag 17 september 2009


Het vraagstuk van de oorsprong van het leven staat volop in de belangstelling van samenleving en wetenschap. Prof. dr. Bert Meijer (TU Eindhoven) –niet-religieus– en prof. dr. Han Zuilhof (Wageningen Universiteit) –„enthousiast christen”– geven beiden aan dat de wetenschap er nog nauwelijks zicht op heeft wat ‘leven’ feitelijk inhoudt.

Professor Meijer: „Ik durf de boude uitspraak aan dat de chemie in staat is elk molecuul te maken dat bestaat. Maar hoe kun je ze zinvol samenvoegen tot een werkende cel, tot leven? Die kwestie houdt me in hoge mate bezig.”In 1953 bleek de Amerikaan Stanley Miller in staat om aminozuren te maken uit simpele gassen en een stroomstoot – de voorgestelde omstandigheden op de aarde enkele miljarden jaren geleden. „Zijn onderzoek is een soort mijlpaal geweest. Het liet zien dat grote moleculen onder primitieve omstandigheden kunnen ontstaan. Een moleculaire evolutie zou daarmee tot de mogelijkheden kunnen behoren”, aldus Bert Meijer, hoogleraar macromoleculaire en organische chemie aan de TU Eindhoven.

 

De hoogleraar onderscheidt drie gebieden bij het onderzoek naar het ontstaan van leven: het samenstellen van moleculen, zoals eiwitten, uit basisdeeltjes, kleinere moleculen of atomen; een stap verder is de vorming van een cel en tenslotte: hoe maak je van verschillende celtypen een orgaan. „Juist de tweede stap is een raadsel.”

Zijn laboratorium is ook goed in het maken, bestuderen en toepassen van moleculen, stelt de chemicus. Hij weet zelfs hoe moleculen zich gedragen in ingewikkelde biologische systemen. Dit zijn kleine stapjes naar het opbouwen van complexere moleculaire systemen; uiterst simpel echter als je het vergelijkt met iets levends.

In de wetenschap is nog geen overeenstemming over de definitie van ”leven”, stelt Meijer. „Een enkele cel is echter wel de kleinste vorm van leven doordat het aan alle wetenschappelijke voorwaarden van leven voldoet.”

Zo’n cel zit al ongelooflijk ingewikkeld in elkaar. Deze kan zich volgens de chemicus uiterst doelmatig opbouwen, herstellen en organiseren. „Hoe deze processen exact plaatsvinden is de grootste wetenschappelijke uitdaging van deze tijd”, meent Meijer.

Meijers persoonlijke interesse ligt op het gebied van het samenvoegen van moleculen tot de meest simpele vorm van een soort cel. De wetenschap is hiermee al een eind op weg. „Het zelf maken is het beste bewijs om te laten zien dat je het doorgrondt. De onderdelen begrijpen we, maar de samenhang nog lang niet.”

De chemicus vergelijkt het met letters en boeken. Als een atoom een letter is, dan is een molecuul een woord. „Met woorden maken we zinnen en van zinnen paragrafen, vervolgens boeken en bibliotheken”, legt Meijer uit.

Hij is nu volop bezig om van simpele zinnen naar ingewikkelde zinnen met moeilijker woorden te komen en langzaam komt hij toe aan kleine paragrafen. „De cel is echter te vergelijken met de grootste bibliotheek van de wereld; dus er is nog heel veel te doen om een cel van de grond af op te bouwen.”

De wetenschap lijkt de basisprincipes van de werking van de cel te begrijpen, maar hoe de onderdelen van de cel op elkaar inwerken, is volgens de chemicus volledig onbegrepen. „Misschien gaat zelfs de meest primitieve versie van het leven –een eencellige met cyclisch DNA– ons verstand al te boven.”

Het ultieme bewijs dat je iets volledig begrijpt, is als je het na kunt maken, meent Meijer. „Een cel lijkt voorgeprogrammeerd. Christenen zullen daarin Gods schepping zien. Voor mij bestaat het leven echter uit louter natuurlijke, wetenschappelijk te begrijpen systemen.”

Meijer noemt het indrukwekkend wat de wetenschap kan, maar vindt die kunde tegelijk ontzettend beperkt in vergelijking met de complexiteit van de cel. „Inmiddels is ongeveer 2 procent van de cel bekend. Over tien jaar weten we veel meer, maar misschien begrijpen we dan nog minder, wellicht slechts 1 procent, van de cel.”


„Buitengewoon ingewikkelde systemen”

Professor Zuilhof: „Het fenomeen ‘leven’ is feitelijk onbegrepen. Ik vind het opmerkelijk dat mensen over complexe zaken als levende organismen veel durven zeggen, terwijl we het eenvoudige nog niet eens doorgronden.”

Han Zuilhof, hoogleraar organische chemie aan de Wageningen Universiteit, windt er geen doekjes om. „Er is geen deugdelijke theorie over het ontstaan van leven.”

De wetenschap komt volgens hem net kijken. „Systematisch onderzoek heeft pas twee eeuwen plaats. Wetenschappers begrijpen veel, maar weten ook nog zo veel niet. We moeten daarom niet overmoedig zijn.”

In zijn oratie in 2008 stelde de chemicus dat een bruikbare theorie over de oorsprong van leven –„het fundament van de wolkenkrabber van de evolutietheorie”– nog steeds ontbreekt.

De hoogleraar stelt dat de claims over de oorsprong van leven in de literatuur niet eensluidend zijn. „Dat is volgens mij wel een eerste voorwaarde. Zo waren de temperatuur en het stralingsniveau op aarde in de periode dat leven zou zijn ontstaan volgens geologen verre van ideaal; complexe organische moleculen gingen daardoor beslist kapot.”

Zuilhof hoopt met zijn onderzoek meer zicht te krijgen op wat evolutie wel en niet kan verklaren. „Micro-evolutionaire gebeurtenissen kunnen we inmiddels goed duiden; die zijn reproduceerbaar.”

De huidige kennis biedt de chemicus echter geen begaanbare weg voor het spontaan ontstaan van leven. „Ik zie op dit moment geen enkele mogelijkheid om de stap van moleculen naar levende systemen te maken: Er bestaat zo’n enorme kloof tussen wat wij in reactiemengsels brouwen en het simpelste leven. Het stofwisselingssysteem van de eenvoudigste levensvorm is al zó complex. Maar dat betekent niet dat de wetenschap er geen orde in aan kan brengen.” Zo zijn de basale routes van de energiehuishouding in de cel in kaart gebracht.

Theorieën die het ontstaan van leven wel proberen te verklaren, doen dat op basis van de huidige stand van wetenschappelijke kennis, stelt de hoogleraar. „Het gaat om buitengewoon ingewikkelde systemen.”

Op dit moment is de theorie over het begin van leven in oceanen het beste wat wetenschappers hebben, stelt de hoogleraar. „We kijken wel hoever we daarmee komen.”

„Alles is te beschrijven met natuurwetenschap, maar natuurwetenschap beschrijft niet alles”, stelt de chemicus. „Het omvat slechts één facet van de kubus; Want wat is het verschil tussen een levend en een dood organisme? Er is iets veranderd, terwijl het nog vrijwel dezelfde moleculen bevat.”

Leven heeft dus meer facetten dan wetenschappers kunnen beschrijven. „Neem een schilderij van Van Gogh. Dat kun je beschrijven op het niveau van de plaats van elk atoom. Dat zegt echter niets over de waarde van het schilderij. Als zijn buurman hetzelfde schilderij gemaakt zou hebben, met alle atomen op exact dezelfde plaats, zou het slechts eenduizendste waard zijn”, meent Zuilhof.

Hij vermoedt dat de manier waarop hij en een niet-christelijke wetenschapper naar het leven kijken voor 99,8 procent hetzelfde is. „Natuurlijk beschrijf ook ik materie volgens de natuurwetten. Maar ik besef dat die niet volledig kan zijn. Je kunt het leven niet reduceren tot louter natuurlijke gebeurtenissen.”

Hij ziet zich als wetenschapper gehouden om een zo goed mogelijke beschrijving te geven van de werkelijkheid. „Als er bewijs gevonden zou zijn dat leven geschapen is –hoe dat bewijs eruit zou moeten zien, weet ik niet– zou ik dat als wetenschapper ook moeten kunnen aangeven.”

 


Opstartproblemen

Hoe leven spontaan kan zijn ontstaan, is nog altijd een raadsel. Een theorie die kan verklaren hoe dat kan zijn gegaan, staat voor de uitdaging om een groot aantal vragen te beantwoorden.

Zo zijn archaebacteriën, de veronderstelde oudste vorm van leven, al zeer complex. Ze hebben DNA-strengen van zo’n 18.000 ‘letters’ lang nodig om te kunnen functioneren. DNA-strengen die in de natuur spontaan ontstaan, bevatten hooguit twintig letters. „Die kunnen coderen voor zes functionele aminozuren. Dat is echter veel te weinig voor de eenvoudigste vorm van leven”, stelt Zuilhof.

Hij acht de kans dat een streng met 18.000 DNA-letters spontaan in de juiste volgorde ontstaat praktisch nul. „Dat is een grote hobbel.”

Een ander probleem is dat in de natuur zuurstof –in de vorm van ozon– nodig is om schadelijke UV-straling van de zon tegen te houden, terwijl zuurstofradicalen ook eiwitten afbreken. „Bij een spontane vorming van eiwitten mag geen zuurstof aanwezig zijn. Dat kon overigens pas ontstaan, nadat de allereerste fotosynthese was gestart.”

De meeste theorieën veronderstellen dat leven ontstond in de oceaan, terwijl de aarde nog tamelijk warm was. Die omstandigheden waren nodig om peptiden –korte ketens van aminozuren– te vormen. Warmte breekt echter ook de eiwitten af, die uit die peptiden zouden moeten ontstaan. „De kleine ketens kunnen echter wel een beetje werkzaam zijn”, aldus Zuilhof.

Om het eerste eencellige organisme in de oceaan spontaan te laten ontstaan, waren enorme hoeveelheden DNA en eiwitten nodig.

Aminozuren, ontstaan in het experiment van de Amerikaan Stanley Miller (zie kader Urey-Millerexperiment), vormden een mengsel met evenveel links- als rechtsdraaiende moleculen terwijl het erfelijk materiaal van levende organismen alleen linksdraaiende aminozuren bevat.

Bovendien moet aangetoond worden dat Louis Pasteur ernaast zat met zijn uitspraak: Leven kan alleen ontstaan uit leven. „Die stelling klopt nog steeds”, aldus Zuilhof.

Hij vermoedt dat de wetenschap er over 25 jaar totaal anders uit zal zien. „Problemen voor de theorie, die het spontaan ontstaan van leven verklaart, zullen opgeruimd zijn; andere hobbels zijn wellicht nog groter geworden. Het is ook goed mogelijk dat er nieuwe moeilijkheden zijn ontstaan, waar we nu nog geen weet van hebben.”


Urey-Millerexperiment

De Amerikaanse chemicus en bioloog Stanley Lloyd Miller (1930-2007) is beroemd geworden door zijn onderzoek naar de oorsprong van het leven. Hij was promovendus bij de Amerikaanse chemicus Harold Clayton Urey (1893-1981), die zich verdiepte in de oorsprong van leven.

In het zogenoemde Urey-Miller-experiment bootste Miller in 1953 de veronderstelde toestand van de vroege aarde na. In een afgesloten glazen kolf joeg hij met enige regelmaat een elektrische lading door een gasmengsel van waterdamp, methaan, ammoniak en waterstof.

Na een week ontdekte de chemicus dat er een aanzienlijke hoeveelheid organische moleculen was ontstaan, onder meer vetzuren, nucleotiden –bouwstenen van DNA– koolhydraten en dertien van de twintig aminozuren, de bouwstenen van eiwitten. Daarmee was aangetoond dat organische verbindingen kunnen ontstaan uit eenvoudige anorganische gassen. Het experiment wordt vandaag de dag gezien als aanwijzing hoe uit anorganische stoffen in de zogenaamde oersoep primitief leven op aarde kan zijn ontstaan.

Wat de meeste mensen niet weten, is dat Miller na verloop van tijd zeer sceptisch was over de mogelijkheid dat zijn experiment een begaanbare weg naar leven was, stelt Han Zuilhof. „In zijn experiment waren verbindingen ontstaan die zwaar giftig zijn voor leven, tot zwarte teer toe.”

De theorie van Miller is inmiddels deels achterhaald. Wetenschappers gaan er tegenwoordig van uit dat de vroege aardatmosfeer bestond uit stikstof en koolstofdioxide. Daarmee lijkt deze in niets meer op het gasmengsel dat Miller gebruikte. Herhaling van zijn experimenten met een atmosfeer bestaande uit stikstof en koolstofdioxide heeft tot nu toe slechts primitieve aminozuren opgeleverd.

Desondanks draait sinds mei in Science Center NEMO vijf jaar lang de proefopstelling van Miller in de expositie ”Zoeken naar leven”. Samen met de TU Eindhoven doet NEMO een poging om dit beroemde experiment af te maken, in de hoop primitief leven aan te treffen. Miller stopte al na een week. NEMO gaat er nog bijna vijf jaar mee door in een zoekpoging naar de basis van leven.



Bron: refdag

Voeg toe aan: