© Copyright Menno Schilthuizen En er was leven Hoe de evolutie van het leven is verlopen, is wel zo ongeveer bekend. Alleen over de eerste miljard jaar tasten biologen in het duister. Wat was er voordat er cellen waren, en hoe kwam de eeuwige cirkel van DNA en eiwitten op gang? De laatste jaren komen er--voorzichtige--antwoorden. MENNO SCHILTHUIZEN (Oorspronkelijk verschenen in Intermediair, 4 oktober 1996.) Mars barst van de microben, en op Europa en Titan, manen van respectievelijk Jupiter en Saturnus, zou ook wel eens het een en ander kunnen rondkruipen. Als je NASA moet geloven, tenminste. De Amerikaanse ruimtevaartorganisatie is de laatste tijd helemaal in de ban van buitenaards leven en heeft een reeks exobiologische missies op stapel staan. Zelfs Bill Clinton is overstag; hij verklaarde kort geleden dat 'het Amerikaanse ruimtevaartprogramma haar volle intellectuele kracht en technologische bekwaamheid zal aanwenden voor de zoektocht naar leven op Mars'. Maar tegelijkertijd blijft NASA ook met beide benen op de grond. Vier jaar terug besloot de organisatie een miljoen dollar per jaar uit te trekken voor een centrum dat zich richt op het ontstaan van het leven op onze eigen planeet. Hoewel, centrum... het NSCORT (NASA Specialized Center of Research and Training) is wat de NASA noemt een 'virtueel centrum': een samenwerkingsverband tussen zeven toponderzoekers aan vier verschillende Amerikaanse instituten. Die zeven wetenschappers houden zich bezig met een van de meest fundamentele en tegelijkertijd ongrijpbare problemen uit de biologie: het ontstaan van het leven zelf. De alleroudste fossielen tonen al minuscule bacteriën. Over alles wat er vóór die tijd gebeurde--het ontstaan van DNA en eiwitten, genen en cellen--daarover kan alleen maar worden getheoretiseerd en gespeculeerd. En dat gebeurt dan ook in alle hevigheid. 'Het moet allemaal begonnen zijn met een zichzelf kopiërend molecuul. Zoveel is zeker', zegt de voorzitter van het NSCORT-team, Jeffrey Bada van het Scripps Institution of Oceanography in La Jolla, Californië. 'Maar over wat voor soort molecuul dat was, wanneer en waar het gebeurde, en hoe snel, bestaat grote onenigheid.' Verbijsterende resultaten Het lijkt misschien vreemd dat uitgerekend NASA geld steekt in een zo 'aardse' aangelegenheid. Een ander NSCORT-lid, de biochemicus Stanley Milter, legde vorig jaar in Science uit waarom dat is. 'Als je op zoek gaat naar leven op andere planeten', zei hij, 'is het van essentieel belang dat je weet hoe het op aarde ontstaan is.' En Miller kan het weten. Hoewel Darwin en een paar vooroorlogse theoretici al wat gedachten over het ontstaan van het leven hadden opgeschreven, was hij het die in 1953 het veld gestalte gaf. Miller, toen een 23-jarige chemiestudent aan de Universiteit van Chicago, bracht een bijna dertig jaar oud idee van de Rus A.I. Oparin in de praktijk. Deze had gesuggereerd dat de gassen in de vroege atmosfeer van de aarde onder invloed van UV straling en bliksem met elkaar konden reageren en dat zo de eerste biochemische moleculen ontstaan konden zijn. Miller, tegenwoordig verbonden aan de Universiteit van Californië in San Diego, en still going strong, herinnert zich die tijd nog goed. 'Het begon allemaal met een lezing van de Nobelprijswinnaar Harold Urey die ik bijwoonde', vertelt hij via de telefoon vanuit San Diego. 'Urey besprak het idee van Oparin en merkte op dat niemand dat ooit experimenteel had getest. Toen ik kort daarna op zoek ging naar een onderwerp voor mijn promotieonderzoek, herinnerde ik me zijn opmerking en klopte bij hem aan.' 'Urey probeerde me het plan uit het hoofd te praten. Hij vond het te riskant; de kans was groot dat ik er een boel werk in zou steken zonder resultaat te boeken. Maar toen hij doorkreeg dat ik vastbesloten was, spraken we af dat ik er in eerste instantie zes maanden aan zou besteden. Zou ik na afloop van dat halfjaar geen resultaten hebben, dan kon ik alsnog op een ander onderwerp overstappen'. Miller ging direct aan het werk. In een stelsel glazen buizen maakte hij een atmosfeer van methaan, ammoniak, waterstof en waterdamp boven een kokende 'oceaan' van water. Vervolgens joeg hij daar een week lang elektrische vonken doorheen, als substituut voor bliksem. De resultaten waren verbijsterend. In een kort artikeltje van amper een pagina in Science van 15 mei 1953 beschrijft hij hoe zich een zwarte teeraanslag tegen de binnenkant van zijn glazen pijpen en stolpen vormde, en zijn oceaan zich na verloop van tijd dieprood kleurde. De rode soep bleek aminozuren te bevatten, de stoffen waaruit eiwitten zijn opgebouwd. Sommige hiervan waren zelfs in zeer grote hoeveelheden aanwezig. Niemand had gedacht dat de bouwstenen voor eiwitten, waar levende organismen toch het alleenrecht op leken te hebben, zo gemakkelijk konden ontstaan. Miller werd wereldberoemd, zijn experiment werd bijgeschreven in het rijtje klassieke proeven in de schoolboeken en een heel leger chemici ging zich met vergelijkbaar onderzoek bezighouden. Lettervermicelli Maar aminozuren mogen de bouwstenen van eiwitten zijn, complete eiwitten werden in Millers kolf niet gevonden. Hoe zouden de aminozuren zich aaneengeregen kunnen hebben tot eiwitten? Sidney Fox, een wetenschapper van de Universiteit van Miami, deed in de jaren zeventig experimenten met het verhitten en drogen van aminozuren, iets wat in de buurt van vulkanen op de jonge aarde veelvuldig voorgekomen moest zijn. Hij vond weliswaar korte eiwitachtige stoffen, maar de manier waarop de aminozuren in deze verbindingen aan elkaar gekoppeld waren, was veelal anders dan in de ons bekende eiwitten. Door alle aandacht voor aminozuren leken trouwens veel mensen over het hoofd te zien dat er nog andere interessante ingrediënten in Millers oersoep dreven. Zo werden ook twee van de vier bouwstenen van DNA (en een verwante stof, RNA) in grote hoeveelheden geproduceerd, namelijk adenine en guanine. Maar het duurde tot afgelopen zomer eer Miller en zijn student Michael Robertson erin slaagden ook cytosine en uracil op te wekken in het vonkapparaat. (Miller: 'Niet mijn oorspronkelijke apparaat; dat is allang uit elkaar gevallenl') Samen met adenine en guanine vormen die de hoofdbestanddelen van RNA. Behalve de benodigdheden voor de vorming van eiwitten, was dus wellicht ook de RNA-lettervermicelli al in de oersoep aanwezig. Maar ook hier was het moeilijk voor te stellen hoe de losse bouwstenen ('nucleotiden') vanzelf in elkaar konden klikken. De biologen John Maynard Smith en Eörs Szathmáry sommen in hun boek The Major Transitions in Evolution de hindernissen op: ribose, het suikermolecuul dat de ruggegraat van RNA vormt, is onstabiel: het valt in een paar minuten uit elkaar; verder is er geen reden om aan te nemen dat er hoge concentraties ribose in de oersoep zaten; bovendien willen adenine en guanine zich nog wel spontaan aan ribose hechten, maar hetzelfde met cytosine en uracil lukt van geen kant. Eind jaren zeventig zag de Duitse biochemicus Giinter Wächtershäuser in dat een deel van de theoretische obstakels veroorzaakt werd door de soepmetafoor. In een waterige omgeving hebben moleculen een te grote bewegingsvrijheid, waardoor het samenklonteren tot lange ketens gewoon te onwaarschijnlijk wordt. Wächtershäuser stelde zich in plaats van een oersoep een 'primitieve pizza' voor: een plat vlak waar de oersoep-ingrediënten zich op hechtten. Doordat de bewegingsvrijheid op een plat vlak aanzienlijk kleiner is, komen de benodigde chemische 'botsingen' een stuk vaker voor--zoals auto's op de weg een grotere kans hebben om te botsen dan vliegtuigen in de lucht. Wächtershäusers favoriete pizzabodem is het goudglanzende, onoplosbare mineraal pyriet, een algemeen voorkomende verbinding tussen zwavel en ijzer. De buitenzijde van een pyrietkristalletje is positief geladen, terwijl de meeste biochemische bouwstenen negatief geladen zijn, en zich dus gemakkelijk zullen hechten op pyriet. Een aantrekkelijke bijkomstigheid van de pyriethypothese is dat de chemische reactie zichzelf in stand houdt: de energie die vrijkomt bij de groei van pyrietkristallen, komt weer ten goede aan de zich verlengende RNA-moleculen, die op hun beurt, dankzij hun negatieve lading, weer positief geladen ijzer- en zwavelatomen aantrekken. Daarnaast merkt Wächtershäuser op dat veel enzymen (ook eiwitten) vandaag de dag nog een kern hebben die bestaat uit een ijzerzwavelverbinding. Maar niet iedereen is even gecharmeerd van Wächtershäuser en zijn theorie. 'We kunnen niet zo goed met elkaar overweg', geeft Jeffrey Bada toe. 'Ik noem zijn werk altijd "papieren scheikunde". Hij schrijft duizend chemische reacties op en kiest dan alleen die formules die hem bevallen. Miller valt Bada bij: 'Ik ben alleen geïnteresseerd in reacties die echt werken. Laat hem dat eerst maar eens aantonen, dan praten we verder.' Heinekenprijs Hoe het ook zij: na veertig jaar onderzoek lijkt de conclusie onontkoombaar dat het prille aardoppervlak van vier miljard jaar geleden al gewemeld moet hebben van die twee belangrijkste bestanddelen van het hedendaagse leven, nucleïnezuren en eiwitten. En dat brengt ons bij een van de grootste kip-of-ei-problemen van de biologie. Want vandaag de dag is er een duidelijke taakverdeling: nucleïnezuren (DNA of RNA) zijn de dragers van de erfelijke code; met die code worden eiwitten gesynthetiseerd, die op hun beurt, als enzymen, alle chemische reacties in de cel katalyseren--inclusief de aanmaak van nieuwe nucleïnezuren. Eiwitten kunnen zich dus niet vermenigvuldigen zonder DNA en RNA, en vice versa. Toch lijkt het onwaarschijnlijk dat deze taakverdeling in één keer uit het niets ontstond. Welk van deze twee moleculen is als eerste op het evolutionaire toneel verschenen? En hoe slaagde het erin zich te repliceren? Een mogelijke oplossing voor dit vraagstuk werd begin jaren tachtig gevonden door de biochemicus Thomas Cech van de Universiteit van Colorado. Cech werkte aan een bepaald gen in een eencellig organisme. Dat gen bevat een intron, een stukje 'nonsens'-DNA dat tijdens de vertaling in RNA (een tussenstap in het aanmaken van het betreffende eiwit in de cel) wordt weggesneden. Dit knip- en plakwerk is typisch een klusje voor enzymen. Maar Cech toonde aan dat er in dit geval geen eiwit bij betrokken was. Het RNA deed het helemaal in zijn eentje. Zoals een arts die zijn eigen blinde darm verwijdert, kon het RNA, zonder hulp van buiten, het intron zelf verwijderen. Na een prijsvraag in Cechs lab werd besloten zulke RNA-moleculen met enzym-achtige functies voortaan ribozymen te noemen. Niet lang hierna werden ribozymen ook ontdekt bij talloze andere organismen. Het bleek dat Cech bij toeval was gestuit op een heel nieuw biochemisch fenomeen. Zijn ontdekking leverde hem wereldfaam op: in 1988 ontving hij de Heinekenprijs en het jaar daarop, samen met zijn collega Sidney Altman, kreeg hij de Nobelprijs voor chemie. Haperende hamertjes Cechs ribozymen waren gefundenes Fressen voor onderzoekers die zich met de oplossing van het kip-of-eiprobleem bezighielden. Want het bestaan van ribozymen bewees dat het allereerste RNA in principe geen enzymen nodig had voor zijn kopieeren vertaalwerk. Het kon zijn eigen replicatie verzorgen. Zo vatte het beeld post van een vroege aarde waarin RNA de scepter zwaaide. Pas later in de evolutie zouden eiwitten de belangrijkste taak bij de replicatie hebben overgenomen, en zou bij de meeste organismen DNA de belangrijkste taak als informatiedrager hebben overgenomen. De RNA-world-hypothese veroverde stormenderhand de wetenschap als het favoriete model voor de ochtenduren van de evolutie. Er was alleen één probleem: haperende hamertjes. Lang geleden, toen de typemachine nog het voornaamste hulpmiddel van schrijvers was, kwam je in schoolkranten en wijkblaadjes soms lollig bedoelde stukjes tegen, waarbij de auteur zogenaamd kampte met steeds meer weigerende hamertjes in zijn machine. Het begom meestal met eem m, waarma uum of muurduru lutturs hut bugavum, urn al gauw wurt tu tukst vollutig omluusbaar. Informatiedragers in de levende natuur, zoals RNA, hebben een vergelijkbaar probleem. Wanneer zo'n molecuul wordt gekopieerd, worden er van tijd tot lijd verkeerde bouwsteentjes in de kopie ingebouwd. Moderne organismen hebben allerlei proeflees- en reparatie-enzymen om zulke mutaties tegen te gaan, zodat het gewoonlijk maar één op de miljard keer fout gaat. Maar de allereerste RNA-moleculen hadden nog niet de beschikking over zulke slimme enzymen. Replicatie was toen nog een rommelig proces, waarbij mutaties veel vaker voorkwamen: bij minstens één op de honderd bouwstenen ging het mis. Foutloze kopieën lukten daardoor alleen maar bij korte stukjes RNA. Die allereerste RNA-moleculen zaten daarmee in een lastig parket, door de bioloog John Maynard Smith ooit de 'Catch-22 van de vroege evolutie' genoemd. Om hun replicatie een beetje betrouwbaar te krijgen, moesten ze eigenlijk een set enzymen gaan produceren die kon helpen met het kopiëren. Om de informatie voor de aanmaak van zulke enzymen op te kunnen slaan, moesten de RNA-moleculen langer worden. Maar dat was nu juist onmogelijk vanwege de slordige replicatie. Probleem. Een oplossing voor die Catch-22 is tien jaar geleden aangedragen door de Hongaar Eörs Szathmáry. Deze stelde zich voor dat afzonderlijke stukjes RNA gingen samenwerken in compartimentjes, een soort primitieve cellen. Het succes van een compartimentje hing af van welk soort oergenen erin zaten en hoe goed die met elkaar overweg konden. Alleen de combinaties waarin de oergenen met elkaar samenwerkten, overleefden en plantten zich voort. Buitenaardse bijdrage Die allereerste celletjes moeten er al vroeg bij geweest zijn. De oudste fossielen, blauwwier-achtige bacteriën ontdekt in West-Australië, leefden al 3,5 miljard jaar geleden, amper een miljard jaar na het ontstaan van de aarde. Deze zomer, op een congres in Orléans, maakte Gustav Arrhenius, een collega van Bada bij de Scripps Institution, bekend nóg oudere organismen te hebben gevonden. Samen met Australische en Britse geologen onderzocht Arrhenius koolstofbolletjes in gesteente van 3,9 miljard jaar oud. De onderzoekers vonden opvallend hoge concentraties C12, een koolstofisotoop die vooral in levende organismen veel voorkomt. Arrhenius, die zegt zijn vondst binnen enkele weken in een vooraanstaand weekblad te zullen publiceren: 'Omdat er verder niets aan te zien is, noemen we de bolletjes chemofossielen. Maar het staat vast dat het de restanten van primitieve cellen zijn.' Al met al blijft er dus maar heel weinig tijd over tussen het afkoelen van de aarde en het verschijnen van de eerste levensvormen. Voor sommigen aanleiding om te gaan twijfelen of we het ontstaan van het leven wel zo dicht bij huis moeten zoeken. En er zijn nog meer redenen om aan een buitenaardse bijdrage te denken. Bada: 'De laatste jaren plaatst men steeds meer kanttekeningen bij Millers aannames over de vroege atmosfeer. Hoewel niemand het zeker weet, is het mogelijk dat die alleen maar uit kooldioxyde en stikstof bestond, zonder ammoniak. En als je dáár een vonk doorheen jaagt krijg je niets. Helemaal niets.' Tegelijkertijd komt er steeds meer bewijs voor het bestaan van aminozuren en andere organische moleculen elders in het heelal. Tien jaar geleden ontdekte de ruimtesonde Giotto dat de komeet van Halley letterlijk zwart zag van de koolstofverbindingen, terwijl twee jaar geleden het aminozuur glycine werd gevonden in een gaswolk in het middelpunt van ons melkwegstelsel. En een meteoriet die eind 1969 uit elkaar spatte boven het Australische plaatsje Murchison, bleek aminozuren te bevatten in dezelfde samenstelling als Miller in zijn vonkapparaat had gevonden. Alles bij elkaar moet er in de kinderjaren van onze planeet heel wat organisch materiaal in de vorm van meteorieten en kometen zijn neergekomen. Schattingen lopen uiteen van duizend tot tienduizend ton per jaar. Maar is dat genoeg om het ontstaan van het leven op een hemels conto te schrijven? Miller, die nog steeds vasthoudt aan zijn resultaten, denkt van niet. 'Volgens mij is het buitenaardse aandeel te verwaarlozen. Een paar procent hooguit. Het merendeel is gewoon op aarde ontstaan.' Buckyballs Bada is daar inmiddels niet zo zeker meer van. Begin dit jaar ontdekten hij en zijn collega Luann Becker dat een twee miljard jaar oude komeetkrater in Ontario bezaaid was met zogenoemde buckyballs, bolvormige koolstofmoleculen. Ze vonden bovendien dat de buckyballs grote hoeveelheden helium bevatten, een element dat alleen in de ruimte algemeen voorkomt. Bada: 'Tot die tijd dacht ik eigenlijk altijd dat grote moleculen als buckyballs dit soort inslagen niet zouden overleven. Maar dat bleek dus wel het geval.' Bada is nu bezig met experimenten die uit moeten wijzen of aminozuren en nucleïnezuren net zo stevig zijn als buckyballs. En hoe zit het met de bolletjes die ALH84001 bevolken, de Mars-meteoriet die afgelopen zomer voor zo'n opschudding zorgde? Als dat werkelijk restanten van leven blijken te zijn, zou dan het leven op aarde oorspronkelijk van Mars kunnen komen? Bada: 'Dan zouden die beestjes zowel de lancering van Mars als de landing op aarde overleefd moeten hebben! Ik geloof er geen snars van.' KADER 1: Het kip-of-ei probleem Alle levende organismen maken gebruik van dezelfde twee soorten moleculen: nucleïnezuren en eiwitten. Nucleïnezuren zijn DNA of RNA, en fungeren als informatiedragers. Eiwitten zijn de werkpaarden van de cel. De meeste eiwitten zijn enzymen, moleculen die één bepaalde biologische reactie katalyseren. De bouwtekening van enzymen ligt opgeslagen in de nucleïnezuren, in de vorm van een gen. De vertaling van het gen en het in elkaar zetten van het enzym gebeurt door andere enzymen, evenals het kopiëren van het DNA of RNA tijdens celdelingen. Nucleïnezuren en eiwitten zijn dus van elkaar afhankelijk: zonder de één functioneert de ander niet. Theorieën over het ontstaan van het leven hebben daarom altijd geworsteld met het kip-of-ei probleem: wat ontstond er eerst, nucleïnezuur of eiwit? KADER 2: De oudere broer van ALH84001 Toen NASA afgelopen zomer bekend maakte sporen van leven te hebben gevonden in ALH84001, een meteoriet van Mars, zal sommige oudere liefhebbers van de wetenschap een ernstig gevoel van déjà vu bekropen hebben. Want precies dezelfde claims werden al eens eerder gemaakt; 35 jaar geleden om precies te zijn. In 1864 landde een meteoriet bij het Franse plaatsje Orgeuil. Franse onderzoekers, onder wie Louis Pasteur, onderzochten de elf kilo zware steenklomp en vonden opvallend grote hoeveelheden organischmateríaal. Daarna bleef het stil rond de Orgeuil-meteoriet, tot, in maart 1961, drie onderzoekers van FordhamUniversity (NewYork) en het ESSO Laboratorium bekend maakten er sporen van leven in gevonden te hebben. De onderzoekers vonden biologische moleculen. Daarnaast ontdekten ze microscopische, algachtige vormpjes', die bovendien positief reageerden op een test voor de aanwezigheid van DNA. Enkele werden alvast voorzien van botanische namen, zoals Clausisphaera fissa en Caelestites sexangulatus. De ontdekkingen veroorzaakten grote opschudding, zowel in de wetenschappelijke wereld als in de pers. Maar de opwinding duurde niet lang. In de jaren erna werden de organismen één voor één ontmaskerd als kristalletjes ijzersulfide, druppeltjes onderkoelde zwavel en zelfs ordinair stuifmeel. De DNA-test bleek onbetrouwbaar: ook steriele klei reageerde er positief op. Een en ander ontlokte aan een commentator de uitspraak: 'Wat eerst klonk als het getrippel van hemelse voetjes, blijkt slechts een aardse duimafdruk.'