Onlangs blokletterde de site van het laatste nieuws : ‘curiosity vindt tekenen van leven op mars’. Dit naar aanleiding van het feit dat de marsrover water, chloor en zwavel had gevonden in een bodemmonster op de planeet mars. Daarenboven zou ook een ‘methaan’achtige stof gevonden zijn waarvan nog niet zeker was of ze effectief van mars afkomstig was, dan wel of ze met de marsrover was meegekomen.
Dergelijke moleculen kunnen inderdaad als bouwstenen van het leven (zoals we dat kennen op aarde) beschouwd worden, maar het is op zijn minst kort door de bocht, om daaruit te besluiten dat dit ‘tekenen van leven’ op mars zijn. Het is immers al langer gekend dat in kometen en meteorieten dergelijke bouwstenen aanwezig kunnen zijn en op die manier op hemellichamen terecht kunnen komen. Hoe de combinatie van dergelijke bouwstenen uiteindelijk tot leven aanleiding kan geven, is het grootste mysterie alle tijden. Met andere woorden : hoe kan uit dode materie leven ontstaan. Wetenschappers spreken van abiogenese…Wie deze vraag kan beantwoorden, staat iets dichter bij het antwoord op de vraag : ‘hoe groot is de kans op buitenaards leven ,hoe ziet het er uit en waar moeten we zoeken?’ De wetenschap van de ‘astrobiologie’ of ‘exobiologie’ (= de studie van buitenaards leven) is een fictieve of hypothetische wetenschap. Inderdaad, buiten op aarde, is nog nooit met zekerheid, leven aangetoond. Niet slecht dus voor een wetenschap waarmee ondertussen tal van wetenschappers en schrijvers hun brood verdienen. En het enige voorbeeld van leven, waaruit we enorm veel kunnen leren, en waardoor we de kans op buitenaards leven eventueel beter kunnen inschatten, vinden we dus hier op aarde. Is aards leven representatief voor ‘buitenaards leven’? Misschien niet, maar we hebben niets beter.
Water en koolstof
En dat aards leven in essentie gebaseerd is op vloeibaar water en koolstof, lijkt geen toeval. Beide bouwstenen hebben zulke unieke chemische en fysische eigenschappen dat ze, met de huidige kennis van zaken, het meest geschikt lijken als bouwstenen voor leven. Je zou kunnen denken dat wij zijn als een kind dat opgroeit in een boomgaard dat gaandeweg overtuigd is van het feit dat alle kinderen een boomgaard nodig hebben om op te groeien.
Maar laten we eens de unieke eigenschappen van water bekijken! Chemische reakties verlopen het best binnen een temperatuursbereik van 0 tot 100°C en laat dit nu net het traject zijn waarbinnen water in vloeibare fase is. De vaste vorm van water, ijs dus, blijft drijven. Indien het net andersom was, dan zouden bij extreme koude, alle oceanen volledig van onder tot boven dichtvriezen. Nu vormt het oppervlakte-ijs een isolerend deken dat het onderliggende water beschermt tegen bevriezing. Tijdens ijstijden zou een omgekeerde situatie vlug leiden tot een ‘sneeuwbal aarde’. Doordat water ‘polair’ is (molecule is als geheel neutraal, maar er zitten tegengestelde ladingen op de 2 uiteinden), lossen eiwitten, aminozuren, suikers en zouten, heel makkelijk op in water. Vetten daarentegen lossen heel moeilijk op.
Is er een alternatief voor water mogelijk dat leven zou kunnen gebruiken elders in ons heelal? Laten we eens kijken naar titan, de grootste maan van saturnus. Bij een temperatuur van -200°C is water zo hard als rots. Maar op titan vinden we methaanmeren op het oppervlak en wetenschappers denken dat onder het oppervlak zeeën van ammoniak en water terug te vinden zijn. Methaan en ammoniak zijn juist vloeibaar bij deze lage temperaturen. Het grote verschil met water is echter dat deze stoffen apolair zijn, met andere woorden vetten lossen daar juist heel makkelijk in op. Aangezien aardse celmembranen hoofdzakelijk uit vetten bestaan, zouden deze desintegreren in ammoniak en methaan, waardoor de inhoud van aardse cellen weg zou lekken. Niet ideaal dus, tenzij leven op titan gebaseerd zou zijn op vetten in plaats van eiwitten en aminozuren.
Naast water, vormt koolstof de ‘ruggegraat’ van het leven op aarde. Silicium wordt regelmatig naar voor geschoven als alternatief element voor koolstof. Nochtans is ook hier koolstof weer de eerste optie gezien het gemak waarmee koolstof bindingen aangaat met tal van andere elementen. Denken we maar aan CO2, een belangrijk broeikasgas. Terwijl CO2 heel mobiel is, ligt SiO2 als ‘kiezel’ te zonnen op het strand. Reactief is anders…
Hoe komen wetenschappers er trouwens bij om bepaalde elementen naar voor te schuiven als alternatief voor deze die op aarde als bouwstenen voor leven gebruikt worden? Daarvoor moeten we even kijken naar de tabel van Mendeljev, het periodiek systeem van elementen, een verzameling van alle gekende en theoretisch mogelijke stoffen die in ons heelal kunnen voorkomen. De elementen zijn er van links naar rechts gerangschikt volgens toemenend atoomgetal, dat betekent dat ze telkens 1 proton in de kern meer hebben. Met andere woorden, ze worden zwaarder van links naar rechts. En wat blijkt : in die volgorde vertonen ze een intrinsieke systematiek : de verticale rijen vertonen gelijke chemische en fysische eigenschappen. Zo zal het element silicium onder dat van koolstof komen te staan en als alternatief in aanmerking komen.
Oorspronkelijk bevatte de kosmos trouwens alleen het eenvoudigste element: waterstof, bestaande uit 1 proton in de kern. Het is dit waterstof die zich in donkere moleculaire gaswolken samentrekt en een ster laat geboren worden, die gedurende enkele miljarden jaren straling uitzendt door een kernfusiereactie waarbij helium wordt gevormd. Tijdens de doodstrijd van de ster, miljarden jaren later, zal de temperatuur in de stervende ster zodanig oplopen dat zwaardere elementen zoals koolstof worden geproduceerd. Afhankelijk van de begingrootte van de ster, zullen ook stoffen als zuurstof en ijzer worden gevormd. In die zin mogen we stellen dat het calcium in onze botten, het ijzer in ons bloed én het koolstof overal aanwezig in ons lichaam, gevormd werd in ontplofte sterren. ‘We are made in heaven’.
Maar wat is ‘leven’?
We vinden in de betere wetenschappelijke literatuur tal van voorwaarden waaraan leven zou moeten voldoen. Geen enkele definitie is sluitend én is door het leven zelf (mensen dus)gemaakt, en dus niet onbevooroordeeld. En altijd zal er wel ergens een ‘levensvorm’ zijn die er van tussenvalt, juist omdat ze (zelfs op aarde) zo ‘exotisch’ is. Een voorwaarde die we echter in alle definities terugvinden is ‘voortplanting’. Zonder zich te vermenigvuldigen, kan geen enkel organisme zich handhaven. Alles vergaat tot stof en as, en hoe primitief ook, alles vervalt uiteindelijk tot zijn samenstellende atomen.
Voortplanting vraagt een ‘blauwdruk’, een ‘code’ waarin alle kenmerkende eigenschappen vervat zitten, die op een of andere manier aan de nakomelingen moeten worden doorgegeven. Die code van aards leven zit vervat in het DNA of RNA. En zo is bepaald dat alles wat geen DNA of RNA bevat, niet valt onder de term ‘leven’. Van de primitiefste bacterie tot de mens, allen hebben DNA of RNA als informatie-drager. Het voorspelt de vorm van onze neus en de kleur van onze ogen. DNA codeert voor eiwitten in ons lichaam. Inderdaad wordt alles in ons lichaam beheerst door eiwitten: onze weefsels zijn opgebouwd uit eiwitten van allerlei aard, hormonen zijn eiwitten die ons lichaam reguleren, enzymes zijn eiwitten die chemische reacties in gang zetten en onderhouden of onze voeding helpen verteren.
Suikers en vetten kunnen via chemische reakties, geregeld door die eiwitten, aangemaakt worden of we nemen ze op via onze voeding. Eiwitten zijn gemaakt uit kleinere onderdelen : de aminozuren, kleinere legoblokjes die in verschillende ‘kleuren en formaten’ bestaan. En doordat ze in verschillend aantal en volgorde samen een eiwit vormen, zijn talloze combinaties mogelijk. Een eiwit kan je ook niet zomaar beschouwen als een korte of lange keten aminozuren: het heeft ook een driedimensionele structuur, door de verschillende ladingen rolt de streng zich op als een soort kluwen en onder andere die driedimensionele structuur zal voor zijn uniek karakter en werking zorgen. En nu wordt het onvermijdelijk een beetje technisch, maar we doen ons best om het ook voor de leken onder ons verstaanbaar te houden!
DNA codeert dus voor die eiwitten die een bacterie, een spons of ons lichaam nodig heeft. DNA ziet eruit als een ladder, waarbij de zijsteunen gemaakt zijn van bepaalde moleculen, namelijk een suiker- en fosfaatgroep. Dit zorgt voor de stabiliteit van de molecule, anders valt ze uiteen. De sporten van de ladder zijn de ‘basen’ en zij zullen telkens per drie coderen voor een aminozuur. Elke base kunnen we voorstellen als een letter, en zo zal de combinatie U A G bijvoorbeeld staan voor een bepaald aminozuur……, en zo wordt de hele DNA ladder afgelezen in een gespecialiseerd ‘orgaantje’ in de cel en uiteindelijk omgezet in alle aminozuren die dan aan elkaar gelijmd worden tot het specifiek eiwit.
Het aflezen van de code en vertalen in aminozuren en uiteindelijk eiwitten, is al een hele ingewikkelde machinerie op zich! Er is zelfs een ‘afdeling’ in die celfabriek voorzien die het eiwit in zijn juiste driedimensionele structuur ‘plooit’! Het DNA zit in de kern van de cel en er wordt een soort eenstrengige copie gemaakt , die men RNA noemt, en dat in een ander deel van de cel wordt afgelezen. Als ik belangrijke papieren naar een of ander ministerie moet opzenden, dan houd ik de originelen bij en zend een copie op…ze zouden maar eens verloren moeten gaan. Zo ook gaat dit binnen de cel. Ge ziet dat DNA en RNA complexe structuren zijn en dat de hele fabriek van het leven waarop de voortplanting is gebaseerd, niet zo simpel is. En toch : de meest primitieve bacteriën op aarde gebruiken DNA. Het vreemde is dat er op aarde geen echt simpeler voorstadium van DNA of RNA bij levende wezens te vinden is. Waar is de ‘missing link’ Waren de goden dan toch kosmonauten? Hoe kan zo’n ingewikkeld systeem van voortplanting in godsnaam uit het niets zijn ontstaan? Urey Miller voegde waterstofgas, methaan, water en ammoniak (stoffen die geacht werden de samenstelling te vormen van de aardse primitieve atmosfeer) samen in zijn laboratorium, verwarmde dit en liet daarop elektrische ontladingen los. Hij kreeg suikers, vetten en bepaalde simpele eiwitten, maar geen DNA! Het lijkt erop dat het triljoenen keer simpeler is een auto te demonteren in zijn allerkleinste onderdelen, die in een container te stoppen, eens goed te schudden om uiteindelijk een perfect werkend voertuig te hebben. Misschien zijn de voorwaarden die leven mogelijk maken, nooit op aarde aanwezig geweest en is leven inderdaad elders ontstaan?
Of gebruikt buitenaards leven een andere code ? En is er überhaupt een code nodig?
Exotisch leven op aarde
Zo ontdekte men in 1959 in bij een kannibalenstam in Papoea- New- Guinea een onbekende ziekte waarbij stamleden op vroege leeftijd stierven en waarbij dementie en stoornissen in de motoriek de symptomen waren. Het was bij deze stam gebruikelijk de hersenen van de overledenen op te eten, in de hoop de wijsheid over te nemen. Het bleek echter dat er op die manier ook iets besmettelijks werd overgedragen dat oorzaak van de ziekte was.
Uiteindelijk kwam aan het licht dat dit besmettelijk ‘organisme’ een simpel eiwit was! Iets wat weliswaar als bouwsteen van leven wordt beschouwd, maar in wezen gewoon dode materie is. Het bewuste eiwit zet zicht vast op een ander menselijk eiwit in de hersenen en ‘vervormt’ het normaal eiwit in dezelfde configuratie van het abnormale. Het vervormde eiwit wordt op zijn beurt besmettelijk en zal andere gezonde eiwitten ‘aanvallen’. Na een tijd zullen de hersenen niet meer normaal functioneren…
Deze abnormale eiwitten worden prionen genoemd en er zijn reeds verschillende ziekten gekend die overgedragen worden door deze prionen, een ervan is de ‘dolle koeziekte’. Prionen worden niet als leven beschouwd….toch hebben ze er alle schijn van en kunnen ze zich (weliswaar op hun manier) ‘voortplanten’. Zouden we trouwens ‘buitenaards’ leven als ‘leven’herkennen als ze zich op zo’n bizarre manier zou manifesteren?
Aardse virussen bestaan gewoon uit een streng DNA of RNA omgeven door een capsule van eiwit en hebben een cel nodig om zich voort te planten. Ze ‘injecteren’ hun genetisch materiaal in een bacterie of een dierlijke cel, net zoals een koekoek eieren in het nest legt van een andere vogel. De cel is zich van geen kwaad bewust en begint naar hartelust het geïnjecteerde DNA te copiëren en vertaalt dat naar de eiwitten van het virus. De cel maakt dus virussen aan, en tekent daardoor zijn eigen doodsvonnis en dat van andere cellen van het lichaam. Een verhaal dat zijn plaats vindt in de betere SF-film ! Ook virussen vallen niet onder ‘leven’ omdat ze zich niet onafhankelijk kunnen voortplanten. Virussen balanceren tussen dode en levende materie!
Kwam leven van elders?
En als het leven nu eens niet op aarde is ontstaan, maar elders, zoals reeds gesuggereerd? In1984 werd in het zuidpoolgebied de fameuze Marssteen ALH84001 gevonden. Daar werd in 1996 een ‘gefossileerde’ bacterie in aangetroffen, een bewering die later terug in twijfel werd getrokken. Volgens wetenschappers zou die steen bij een inslag van een meteoriet op mars 16 miljoen jaar geleden weggecatapulteerd zijn geweest, een zwervend bestaan hebben geleid, om dan 13 000 jaar geleden op aarde te belanden.
Vroeger dacht men dat een dergelijke steen onmogelijk de druk en hitte van de inslag kon overleven, laat staan dat hij de wrijving van de aardse atmosfeer kon trotseren. Nu weet men dat het inwendige van meteorieten ter grootte van een kiezelsteen niet volledig smelt als ze onder een gepaste hoek de atmosfeer binnentreden. Wellicht kunnen thermofielen dus deze trip overleven! (thermofielen zijn bacteriën die heel hoge temperaturen kunnen weerstaan, meer zelfs, ze voelen er zich kiplekker bij). Even vermelden dat in dat opzicht de maan het grootste nabijgelegen museum is! Talloze brokstukken van de vroege aarde, die op die manier tijdens het ‘late heavy bombardment’ van het aardoppervlak zijn weggeblazen, zijn wellicht ongeschonden op de maan terug te vinden. Te meer omdat de maan geen atmosfeer heeft en omdat de maan vroeger veel dichter bij de aarde stond. Misschien vinden we daarin bewijs van nog primitievere levensvormen dan diegene die we momenteel op aarde kennen. Ken jij een betere reden om terug naar de maan te gaan?
Maar niet alleen bacteriën kunnen onder de thermofielen gerekend worden! Wat te denken van het beerdiertje…een beestje van 0,5 tot 1,5mm, met kop en poten…dat temperaturen kan overleven tussen -250 en + 250°C, waarbij het diertje als het ware ‘verschrompelt’ en in een soort winterslaap, cryptobiose genoemd, gaat. Deze beertjes hebben in 2007 deelgenomen aan een ruimte-experiment waarbij ze grotendeels in staat waren het vacuum, de koude en de straling van de ruimte te overleven. Beschut in een ijzige komeet zouden deze organismen aan panspermia kunnen doen!
Terug naar ons DNA……of hoe zou leven op aarde uit dode materie kunnen zijn ontstaan?
Toen ik klein was, en aan mijn ouders vroeg waar de kindjes vandaan kwamen, bleven ze mij het antwoord schuldig en ontweken handig de vraag… Ik kan U geruststellen, ik weet het ondertussen al, maar… op dezelfde manier reageren wetenschappers op de vraag hoe het leven en dus DNA is ontstaan. In eerste instantie draaien ze rond de pot, brengen enkele vage hypothesen naar voor die aan alle kanten rammelen, om uiteindelijk toe te geven dat ze het eigenlijk niet weten…… Toch is het interessant enkele beschouwingen dienaangaande te maken.
Eerst en vooral denken geleerden dat niet DNA, de dubbele streng, maar eerder RNA, de enkelvoudige streng oorspronkelijk als opslag werd gebruikt voor de code van het leven. En dit omwille van volgende reden….zoals reeds vermeld fungeren eiwitten ook als katalysatoren van chemische reakties : ze steken chemische reakties in gang, versnellen of vertragen ze….naargelang de behoefte in ons lichaam. Om DNA te maken zijn een heleboel van die chemische reakties nodig, waarbij die specifieke eiwitten een rol spelen. Om dus DNA te maken, hebben we eiwitten nodig, maar om die eiwitten te maken, hebben we het DNA nodig dat de instructies geeft hoe die eiwitten moeten opgebouwd worden. We zitten met een kip of het ei-probleem….. Nu blijkt het RNA (het eenstrengige, ietwat gemodificeerde DNA) zowel de functie van informatiedrager àls van katalysator van tal van chemische reakties te kunnen vervullen. De vroege aarde zal dus wellicht een RNA-wereld zijn geweest. Dat maakte het RNA natuurlijk kwetsbaarder…het is veiliger het DNA als informatiedrager, veilig te bewaren in de celkern, en daarvan een copie te maken (het RNA) dat dan kan afgelezen worden, om te weten hoe de eiwitten moeten gefabriceerd worden. Maar hoe ontstond dan RNA? RNA kan ontbonden worden in ‘nucleotiden’, deeltjes bestaande uit een suiker-en fosfaatgroep en een base. Dat hebben we al besproken. Nu blijkt dat bepaalde kleisoorten heel goed, van nature uit, deze nucleotiden kunnen binden. Op die manier zouden ze dicht bij elkaar kunnen komen om een lange keten nucleotiden te vormen, dus een RNA keten. Maar de vorming van nucleotiden vergt enorm veel energie…dus hoge temperaturen, maar dat zal bij de vroege aarde wellicht niet het probleem geweest zijn. Nadeel is dan weer dat verbindingen die veel energie vergen, ook onstabiel zijn, zeker in een wereld waar nog geen ozonlaag gevormd was door zuurstofvormende bacteriën (De ozonlaag beschermt ons tegen de UV-straling).
Koren op de molen dus voor de wetenschappers die beweren dat het leven ontstond ter hoogte van de ‘black smokers’, warmwatergeisers van 400°C in de diepzee…in een héét én beschermd milieu. Ter hoogte van deze hydrothermale bronnen zijn kokers ontstaan door de neerslag van mineralen. Rond deze kokers floreert een heel ecosysteem. Onderaan de ladder staan primitieve bacteriën die hun energie halen uit de oxidatie van zwavel : chemische energie. Het zijn de extremofielen. Deze bacteriën zijn in de loop van miljarden jaren niet geëvolueerd! Na verloop van tijd zouden dus talloze korte en langere RNA-ketens gevormd kunnen zijn, bestaande uit nucleotiden. Die RNA-ketens coderen voor ‘willekeurige’ eiwitten, want alles is toevallig en in willekeurige volgorde op zijn plaats gekomen. Maar dan begint de natuurlijke selectie te spelen!
Als bijvoorbeeld sommige van die geproduceerde eiwitten de vorming van ‘vetdruppeltjes’ triggeren, waarbinnen het RNA zich veilig voelt, dan is de eerste oercel mét celmembraan geboren. Stel dat dus bepaalde van die eiwitten nu net die chemische reakties katalyseren die nodig zijn daarvoor ! Dan…is het selectiemechanisme van Darwin een feit geworden….Net die RNA-ketens die ‘toevallig’ coderen voor de ‘juiste’ eiwitten, blijven zich handhaven op de vroege aarde. De evolutiewedloop is begonnen….en we zijn er met zijn allen het resultaat van. Mooi niet ? Neen…toch niet, ook hier rammelt dit verhaal…. Ten eerste : het woord toevallig blijkt zo toevallig te zijn, dat ik er me niet goed bij voel…maar ik kan hier nog mee leven, want we kijken niet op een miljoen jaar min of meer op de geologische tijdschaal van de aarde.
Maar wat erger is : we zijn iets essentieels uit het oog verloren: hoe is die complexe machinerie ontstaan die de code op het RNA omzet in aminozuren en dus eiwitten ? Is die machinerie los van het ontstaan van RNA ontstaan ? Net zoals een virus gewoon een pakketje RNA of DNA is, en een cel nodig heeft voor de omzetting naar eiwitten? Tijd voor een extra hypothetisch, ongelofelijk ‘toevallig’ verhaal?
Zullen we er God toch maar bijroepen?
