Zoektocht naar bouwstenen van leven Kennislink.nl, april 2009 Het

Zoektocht naar bouwstenen van leven
Kennislink.nl, april 2009
Het ontstaan van leven is moeilijk te begrijpen. De scheikundigen Miller en Urey maakten in 1953 een oersoep,
waarin zij na een week aminozuren (bouwstenen van leven) vonden. Nu weten we dat de luchtlaag rond de
jonge aarde op een aantal punten niet helemaal te vergelijken is met deze oersoep. Sommige wetenschappers
denken daarom dat het leven op aarde elders in het heelal is ontstaan. In 2010 gaat het Miller-Urey
experiment de ruimte in om deze theorie te testen.
Het ontstaan van leven is moeilijk te begrijpen, er is immers geen mens bij aanwezig geweest. De wetenschap geeft ons wel
aanwijzingen, bijvoorbeeld over de vorming van aminozuren (bouwstenen van leven). Science Center NEMO herhaalt de
komende jaren de beroemde proef van scheikundigen Miller en Urey en in 2010 gaat dit experiment ook de ruimte in. Op die
manier hopen wetenschappers nog meer over het ontstaan van leven te weten te komen.
Waar komt het leven op aarde vandaan? Met die vraag worstelde de jonge onderzoeker Stanley Miller in 1953, toen hij
afstudeerde in het laboratorium van scheikundige en Nobelprijswinnaar Harold Urey. Samen bedachten de twee een
eenvoudige, maar baanbrekende manier om hierachter te komen: door de omstandigheden van de jonge aarde nauwkeurig na te
maken, hoopten ze dat er vanzelf iets zou gebeuren. Miller en Urey gingen er vanuit dat het leven op aarde opgebouwd moet zijn
uit de levenloze materie die er toen al was. Dat idee noemen we chemische evolutie.
Stanley Miller in zijn lab. Afbeelding: University of California, San Diego
Vonk
De opstelling die Miller en Urey bedachten, zit eigenlijk heel eenvoudig in elkaar. In een afgesloten glazen bol bevindt zich een
mengsel van methaan (CH4), waterstof (H2), ammoniak (NH3) en water (H2O). Dit mengsel komt volgens de twee
scheikundigen grotendeels overeen met de samenstelling van de luchtlaag (atmosfeer) rond de jonge aarde. Twee elektroden
zorgen ervoor dat met regelmaat een elektrische vonk, vergelijkbaar met bliksem bij een onweersbui, door het reactiemengsel
heen gaat. Op die manier bleken aminozuren helemaal vanzelf te ontstaan. Nou ja, vanzelf…
Om vanuit de vier stoffen uit de vroege atmosfeer tot nieuwe moleculen te komen, zijn scheikundige reacties nodig. Maar die
verlopen bijna nooit vanzelf. Om compleet nieuwe stoffen te kunnen krijgen, is in het begin vaak energie nodig – óók als er bij de
reactie zelf energie vrijkomt. Op de jonge aarde bliksemde het veel, precies het soort zetje dat nodig is om stoffen uit het
reactiemengsel met elkaar te laten reageren.
Schematische weergave van de opstelling van het Miller-Urey experiment. Klik op de afbeelding voor een grotere versie
Door de glazen bol met het reactiemengsel te verwarmen, versnelden Miller en Urey de reacties die er in optraden. Ze lieten het
experiment een week lang onaangeroerd en maakten daarna de bol open. Tot hun vreugde ontdekten ze dat daarin een enorme
hoeveelheid nieuwe stoffen zat. Hiertussen vonden Miller en Urey minstens vijf verschillende aminozuren. Toen wetenschappers
in 1998 een overgebleven buisje van dit experiment met nieuwe metingen nauwkeuriger bekeken, bleken er zelfs tweeëntwintig
verschillende aminozuren te zijn ontstaan!
Volgende stap
Miller en Urey waren zo blij dat ze aminozuren vonden, omdat dit de ´bouwstenen van leven´ zijn. Je hebt aminozuren namelijk
nodig om grotere onderdelen, zoals eiwitten, te bouwen. Een eiwit ontstaat altijd door een aaneenschakeling van een aantal
aminozuren. Zo’n aaneenschakeling kan alleen gemaakt worden als er niet teveel zuurstof (O2) in de omgeving aanwezig is.
Zuurstofdeeltjes kunnen de verbinding tussen losse aminozuren steeds opnieuw verbreken. In de atmosfeer van de jonge aarde
en in het Miller-Urey experiment was dan ook weinig zuurstof aanwezig.
Het
eerste
echte
leven
De eerste levensvormen (die 3,8 miljard jaar geleden ontstonden) konden heel goed zonder zuurstof. Sterker nog: het was in
hoge concentraties zelfs giftig voor ze. Het gaat om blauwalgen die uitsluitend leefden van zonlicht en stikstofverbindingen en
zuurstof produceerden als afvalproduct. In eerste instantie werd zuurstof opgenomen in rotsen, zeeën en oceanen, maar kwam
uiteindelijk ook in de atmosfeer terecht. Dit gaf leven, dat voor de ademhaling afhankelijk is van zuurstof, de kans om zich te
ontwikkelen. Het nieuwe leven verdrong blauwalgen voorgoed naar plekken met weinig zuurstof. Tijdens een hete zomer kan in
stilstaand water zuurstoftekort ontstaan en dan zie je blauwalgen nog weleens opduiken. Blauwalgen bestaan natuurlijk niet
alleen uit een serie aan elkaar gekoppelde aminozuren. Het zijn complete cellen. Om zulk leven te maken, moeten moleculen
zichzelf kunnen kopiëren. Dat kopiëren geeft uiteindelijk ook de mogelijkheid tot voortplanting en erfelijkheid. De moleculen
pakken zich samen in iets wat lijkt op een waterdruppeltje. Dit druppeltje schermt de moleculen af van hun omgeving, waardoor
een primitieve cel ontstaat. Het belangrijkste kenmerk van zo’n cel is dat het een min of meer zelfstandige eenheid is met z’n
eigen interne huishouding (stofwisseling), die anders is dan de stofwisseling van zijn omgeving.
Miljard jaar
Helaas weten we nu dat de atmosfeer van de jonge aarde op een aantal punten niet helemaal te vergelijken is met het MillerUrey experiment. Onze planeet ontstond ongeveer 4,5 miljard jaar geleden. Er was toen veel vulkanische activiteit en
tegenwoordig weten we dat bij vulkaanuitbarstingen met name koolstofmonoöxide (CO), koolstofdioxide (CO2), stikstof (N2) en
waterdamp (H2O) vrijkomen. Wetenschappers denken dan ook dat dit de stoffen zijn die in de atmosfeer van de jonge aarde
aanwezig waren. Het experimentele mengsel dat Miller en Urey samenstelden, reageert sterker dan de hierboven beschreven
atmosfeer van de jonge aarde. Herhaling van het experiment met koolstofmonoöxide (CO), koolstofdioxide (CO2), stikstof (N2)
en waterdamp (H2O) levert nauwelijks aminozuren op. Eigenlijk is dat ook niet zo vreemd, want de jonge aarde heeft bijna een
miljard jaar de tijd gehad om leven te maken in plaats van een week.
Kraamkamers in het heelal
Andere wetenschappers denken dat het eerste leven misschien niet op de aarde zelf ontstond, maar ergens anders in het heelal.
Sterrenkundigen hebben namelijk de afgelopen jaren een flink aantal van dezelfde stoffen als uit het Miller-Urey experiment
gevonden, maar dan in de ruimte. Vaak gebeurde dit in een gaswolk waarin nieuwe sterren gevormd worden (een wolk
interstellaire materie). In deze ‘kraamkamers’ van het heelal gebeuren een heleboel dingen waar we eigenlijk maar weinig vanaf
weten. Hoewel het duidelijk is dat er in deze wolken ingewikkelde moleculen gevormd worden, is de oorzaak daarvan nog een
groot raadsel. De dichtheid van de gaswolk is namelijk zo laag dat het bijna nooit voorkomt dat twee deeltjes dicht genoeg bij
elkaar in de buurt komen om met elkaar te reageren.
Dit is Messier 82, een voorbeeld van een gaswolk waarin nieuwe sterren gevormd worden.Afbeelding: Hubble/NASA
De oplossing van dit raadsel is misschien te vinden in zeldzame stofdeeltjes die door de gaswolk zweven. De piepkleine
stofdeeltjes zijn brokjes silicium of koolstof en vormen allemaal bij elkaar ongeveer één procent van de gaswolk. Het stof helpt
waarschijnlijk bij de vorming van moleculen: deeltjes kunnen namelijk aan de stofjes blijven plakken, waardoor de kans dat ze
met elkaar reageren veel groter wordt. Om erachter te komen hoe dat precies gaat en of dat kan verklaren dat er ingewikkelde
moleculen tevoorschijn komen, moet nog flink wat onderzoek worden verricht.
Ruimte experiment
In 2010 gaat het Miller-Urey experiment daarom ook de ruimte in. Daar zal een wolk interstellaire materie worden nagemaakt.
In deze kunstmatige gaswolk zitten siliciumbrokjes die erg lijken op de stofjes die in werkelijkheid in de ruimte voorkomen. De
onderzoekers zullen de gaswolk flink laten afkoelen om de extreem koude omstandigheden in de ruimte na te bootsen. Omdat
processen in de ruimte meestal vele duizenden jaren duren, kiezen de ontwikkelaars van het ruimte-experiment ervoor om
vonken door de gaswolk heen te schieten. Zo komt de reactie sneller op gang en zijn de resultaten beter zichtbaar. Doordat er in
de ruimte geen zwaartekracht is, verwachten wetenschappers dat chemische reacties daar een beetje anders verlopen dan hier
op aarde. Ook het resultaat van dit experiment wordt dus spannend!
Vanaf 23 april 2009 is de tentoonstelling ‘Zoeken naar leven’ in NEMO open voor publiek. Kijk op de website van Science Center
NEMO voor meer informatie en openingstijden.