Hoe het eerste leven op aarde zijn grootste bedreiging – water – overleefde

Op 18 februari volgend jaar zal een NASA-ruimtevaartuig door de atmosfeer van Mars zakken, zijn retro-raketten afvuren om zijn val te breken en vervolgens een zeswielige rover genaamd Perseverance naar de oppervlakte laten zakken. Als alles volgens plan verloopt, zal de missie landen in Jezero Crater, een 45-kilometer brede kloof in de buurt van de evenaar van de planeet die ooit een meer van vloeibaar water zou kunnen hebben bevat.

Onder de drommen aardbewoners die Perseverance toejuichen, zal John Sutherland bijzonder goed opletten. Sutherland, een biochemicus aan het MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge, UK, was een van de wetenschappers die bij NASA heeft gelobbyd om Jezero Crater te bezoeken, omdat het past bij zijn ideeën over waar het leven zou kunnen zijn ontstaan – op Mars en op Aarde.

De keuze van de landingsplaats weerspiegelt een verschuiving in het denken over de chemische stappen die een paar moleculen transformeerden in de eerste biologische cellen. Hoewel veel wetenschappers lang hebben gespeculeerd dat die baanbrekende cellen in de oceaan zijn ontstaan, suggereert recent onderzoek dat de belangrijkste moleculen van het leven, en de kernprocessen ervan, zich alleen kunnen vormen op plaatsen zoals Jezero – een relatief ondiep waterlichaam dat wordt gevoed door stromen.

Dat komt omdat verschillende studies suggereren dat de basischemicaliën van het leven ultraviolette straling van zonlicht nodig hebben om zich te vormen, en dat de waterige omgeving zeer geconcentreerd moest worden of soms zelfs helemaal moest uitdrogen. In laboratoriumexperimenten hebben Sutherland en andere wetenschappers DNA, eiwitten en andere kerncomponenten van cellen gemaakt door eenvoudige chemische stoffen op basis van koolstof voorzichtig te verhitten, ze aan UV-straling bloot te stellen en ze met tussenpozen uit te drogen. Chemici zijn nog niet in staat geweest om zo’n breed scala aan biologische moleculen te synthetiseren in omstandigheden die zeewater nabootsen.

De opkomende bewijzen hebben veel onderzoekers ertoe gebracht om het idee te laten varen dat het leven in de oceanen is ontstaan en zich in plaats daarvan te richten op landomgevingen, op plaatsen die afwisselend nat en droog waren. Deze verschuiving is niet unaniem, maar wetenschappers die het idee van een aards begin steunen, zeggen dat het een oplossing biedt voor een al lang erkende paradox: dat hoewel water essentieel is voor het leven, het ook destructief is voor de kerncomponenten van het leven.

Oppervlakke meren en plassen zijn veelbelovend, zegt David Catling, een planeetwetenschapper aan de Universiteit van Washington in Seattle. “Er is de laatste 15 jaar veel werk verricht dat die richting zou ondersteunen.”

Primordiale soep

Hoewel er geen gestandaardiseerde definitie van leven is, zijn de meeste onderzoekers het erover eens dat het verschillende componenten nodig heeft. Een daarvan is informatiedragende moleculen – DNA, RNA of iets anders. Er moet een manier zijn geweest om deze moleculaire instructies te kopiëren, hoewel het proces onvolmaakt moet zijn geweest om fouten mogelijk te maken, de kiem van evolutionaire verandering. Verder moeten de eerste organismen een manier hebben gehad om zich te voeden en te onderhouden, misschien met behulp van enzymen op basis van eiwitten. Tenslotte moet iets deze ongelijksoortige delen bij elkaar hebben gehouden, waardoor ze gescheiden bleven van hun omgeving.

Toen in de jaren ’50 het laboratoriumonderzoek naar de oorsprong van het leven serieus van start ging, namen veel onderzoekers aan dat het leven begon in de zee, met een rijke mix van op koolstof gebaseerde chemicaliën die de oersoep werd genoemd.

Dit idee werd in de jaren ’20 onafhankelijk van elkaar voorgesteld door de biochemicus Alexander Oparin, in wat toen de Sovjet Unie was, en de geneticus J. B. S. Haldane in het Verenigd Koninkrijk. Beiden stelden zich de jonge aarde voor als een reusachtige chemische fabriek, met massa’s op koolstof gebaseerde chemicaliën die in het water van de vroege oceanen waren opgelost. Oparin redeneerde dat steeds ingewikkelder deeltjes werden gevormd, culminerend in koolhydraten en eiwitten: wat hij “de basis van het leven” noemde.

In 1953 beschreef een jonge onderzoeker genaamd Stanley Miller aan de Universiteit van Chicago in Illinois een nu beroemd geworden experiment dat werd gezien als een bevestiging van deze ideeën1. Hij gebruikte een glazen kolf met water om de oceaan na te bootsen, en een andere kolf met methaan, ammoniak en waterstof om de vroege atmosfeer na te bootsen. Buizen verbonden de kolven, en een elektrode simuleerde de bliksem. Een paar dagen van verhitting en elektrische schokken waren voldoende om glycine te maken, het eenvoudigste aminozuur en een essentieel bestanddeel van eiwitten. Dit suggereerde voor veel onderzoekers dat het leven ontstond nabij het oppervlak van de oceaan.

Maar veel wetenschappers zeggen vandaag dat er een fundamenteel probleem is met dat idee: de hoeksteenmoleculen van het leven worden afgebroken in water. Dat komt omdat eiwitten, en nucleïnezuren zoals DNA en RNA, kwetsbaar zijn bij hun verbindingen. Eiwitten zijn opgebouwd uit ketens van aminozuren, en nucleïnezuren zijn ketens van nucleotiden. Als de ketens in water worden gelegd, tast het de schakels aan en breekt ze uiteindelijk. In de koolstofchemie is “water een vijand die zo rigoureus mogelijk moet worden buitengesloten”, schreef wijlen biochemicus Robert Shapiro in zijn totemistische boek Origins uit 1986, waarin hij de hypothese van de oeroceaan bekritiseerde2.

Dit is de waterparadox. Tegenwoordig lossen cellen die op door de vrije beweging van water in hun binnenste te beperken, zegt synthetisch biologe Kate Adamala van de Universiteit van Minnesota in Minneapolis. Daarom zijn populaire beelden van het cytoplasma – de substantie binnenin de cel – vaak verkeerd. “Ons wordt geleerd dat cytoplasma gewoon een zak is waarin alles zit, en dat alles rondzwemt,” voegt ze eraan toe. “Dat is niet waar, alles is ongelooflijk gestaffeld in cellen, en het is gestaffeld in een gel, niet een waterzak.”

Als levende dingen water onder controle houden, dan is de implicatie, zeggen veel onderzoekers, duidelijk. Het leven is waarschijnlijk ontstaan op het land, waar water slechts met tussenpozen aanwezig was.

Landstart

Enkele van de belangrijkste bewijzen ten gunste van dit idee doken op in 2009, toen Sutherland aankondigde dat hij en zijn team met succes twee van de vier nucleotiden hadden gemaakt waaruit RNA3 bestaat. Ze begonnen met fosfaat en vier eenvoudige op koolstof gebaseerde chemicaliën, waaronder een cyanidezout dat cyanamide wordt genoemd. De chemicaliën waren overal in water opgelost, maar ze waren zeer geconcentreerd, en voor cruciale stappen was UV-straling nodig. Dergelijke reacties konden niet diep in een oceaan plaatsvinden – alleen in een kleine poel of stroom blootgesteld aan zonlicht, waar de chemicaliën geconcentreerd konden worden, zegt hij.

Sutherland’s team heeft sindsdien aangetoond dat dezelfde starterchemicaliën, als ze subtiel anders worden behandeld, ook voorlopers van eiwitten en lipiden kunnen produceren4. De onderzoekers suggereren dat deze reacties kunnen hebben plaatsgevonden als water met cyanidezouten door de zon werd uitgedroogd, waardoor een laag droge, cyanide-gerelateerde chemicaliën achterbleef die vervolgens werd verwarmd door bijvoorbeeld geothermische activiteit. In het afgelopen jaar heeft zijn team de bouwstenen van DNA geproduceerd – iets wat voorheen ongeloofwaardig werd geacht – met behulp van energie uit zonlicht en enkele van dezelfde chemicaliën in hoge concentraties5.

Deze benadering is uitgebreid door biochemicus Moran Frenkel-Pinter van het NSF-NASA Center for Chemical Evolution in Atlanta, Georgia, en haar collega’s. Vorig jaar toonden zij aan dat aminozuren zich spontaan verbonden tot eiwitachtige ketens als ze werden uitgedroogd6. En dergelijke reacties traden eerder op bij de 20 aminozuren die tegenwoordig in eiwitten worden aangetroffen, dan bij andere aminozuren. Dat betekent dat intermitterend drogen zou kunnen helpen verklaren waarom het leven alleen die aminozuren gebruikt, uit honderden mogelijkheden. “We zagen selectie voor de aminozuren van vandaag,” zegt Frenkel-Pinter.

Nat en droog

Intermitterend uitdrogen kan er ook toe bijdragen dat deze moleculaire bouwstenen zich samenvoegen tot complexere, op leven gelijkende structuren.

Een klassiek experiment van deze strekking werd in 1982 gepubliceerd door onderzoekers David Deamer en Gail Barchfeld, destijds aan de Universiteit van Californië, Davis7. Hun doel was te bestuderen hoe lipiden, een andere klasse van lange-keten molecule, zichzelf organiseren om de membranen te vormen die cellen omgeven. Zij maakten eerst blaasjes: bolvormige klodders met een waterige kern omgeven door twee lipidelagen. Vervolgens droogden de onderzoekers de blaasjes, en de lipiden reorganiseerden zich tot een meerlagige structuur als een stapel pannenkoeken. DNA-strengen, die voorheen in het water dreven, raakten gevangen tussen de lagen. Toen de onderzoekers opnieuw water toevoegden, vormden de blaasjes zich weer, met het DNA erin. Dit was een stap in de richting van een eenvoudige cel.

“Deze nat-droog cycli zijn overal”, zegt Deamer, die nu aan de University of California, Santa Cruz, werkt. “Het is zo simpel als regenwater dat verdampt op natte rotsen.” Maar wanneer ze worden toegepast op biologische chemicaliën zoals lipiden, zegt hij, gebeuren er opmerkelijke dingen.

In een studie uit 2008 mengden Deamer en zijn team nucleotiden en lipiden met water, en onderwierpen ze vervolgens aan nat-droog cycli. Toen de lipiden lagen vormden, verbonden de nucleotiden zich tot RNA-achtige ketens – een reactie die niet zou plaatsvinden in water zonder hulp8.

Andere studies wijzen op een andere factor die een sleutelrol lijkt te spelen bij het ontstaan van het leven: licht. Dat is een van de conclusies van het team van synthetisch bioloog Jack Szostak van het Massachusetts General Hospital in Boston, dat werkt met ‘protocellen’ – eenvoudige versies van cellen die slechts een handvol chemicaliën bevatten, maar kunnen groeien, concurreren en zichzelf repliceren. De protocellen vertonen meer levensecht gedrag als ze worden blootgesteld aan omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die op het land. Uit één studie, waarvan Adamala co-auteur was, bleek dat de protocellen energie uit licht konden gebruiken om zich te delen, in een eenvoudige vorm van voortplanting9. Evenzo toonden Claudia Bonfio, nu ook in het MRC Laboratory of Molecular Biology, en haar collega’s in 2017 aan dat UV-straling de synthese van ijzer-zwavelclusters aanstuurt10, die cruciaal zijn voor veel eiwitten. Deze omvatten die in de elektronentransportketen, die helpt alle levende cellen van energie te voorzien door de synthese van het energie-opslagmolecuul ATP aan te drijven. De ijzer-zwavel-clusters zouden uiteenvallen als ze aan water werden blootgesteld, maar Bonfio’s team ontdekte dat ze stabieler waren als de clusters werden omgeven door eenvoudige peptiden van 3-12 aminozuren.

Water, maar niet te veel

Dergelijke studies hebben een impuls gegeven aan het idee dat het leven begon op een goed verlicht oppervlak met een beperkte hoeveelheid water. Er is echter nog steeds discussie over de hoeveelheid water en de rol die het speelde bij het ontstaan van leven.

Net als Deamer, stelt Frenkel-Pinter dat nat-droog cycli cruciaal waren. Droge omstandigheden boden volgens haar de mogelijkheid voor de vorming van ketenmoleculen zoals eiwitten en RNA.

Maar het simpelweg maken van RNA en andere moleculen is nog geen leven. Er moet een zichzelf in stand houdend, dynamisch systeem ontstaan. Frenkel-Pinter suggereert dat de destructieve werking van water daartoe kan hebben bijgedragen. Net zoals prooidieren zich ontwikkelden om sneller te rennen of gifstoffen af te scheiden om roofdieren te overleven, zouden de eerste biologische moleculen zich kunnen hebben ontwikkeld om de chemische aanvallen van water het hoofd te bieden – en zelfs om de reactiviteit ervan ten goede te gebruiken.

Dit jaar heeft het team van Frenkel-Pinter een vervolg gegeven aan een eerdere studie6 , waaruit bleek dat aminozuren door uitdroging spontaan aan elkaar werden gekoppeld. Het team ontdekte dat hun proto-eiwitten konden reageren met RNA, en dat beide daardoor stabieler werden in water11. In feite werkte water als een selectiedruk: alleen die combinaties van moleculen die in water konden overleven, zouden blijven bestaan, omdat de andere zouden worden vernietigd.

Het idee is dat bij elke cyclus van bevochtiging de zwakkere moleculen, of die moleculen die zichzelf niet konden beschermen door zich aan anderen te binden, werden vernietigd. Bonfio en haar team hebben dit aangetoond in een studie van dit jaar12 , waarin zij probeerden eenvoudige vetzuren om te zetten in meer complexe lipiden die lijken op die welke in moderne celmembranen worden aangetroffen. De onderzoekers maakten mengsels van lipiden en ontdekten dat de eenvoudige lipiden door water werden vernietigd, terwijl de grotere, complexere lipiden zich ophoopten. “Op een gegeven moment zou je genoeg van deze lipiden hebben om membranen te vormen,” zegt ze. Met andere woorden, er zou een Goudlokje-hoeveelheid water kunnen zijn: niet zo veel dat biologische moleculen te snel worden vernietigd, maar ook niet zo weinig dat er niets verandert.

Warme vijvertjes

Waar zou dit allemaal gebeurd kunnen zijn? Op dit punt is er een generatiekloof in het veld. Veel senior onderzoekers zijn verknocht aan het ene of het andere scenario, terwijl jongere onderzoekers vaak beweren dat de vraag wijd open ligt.

De open oceaan is niet levensvatbaar, zegt Frenkel-Pinter, omdat er geen manier is voor chemicaliën om geconcentreerd te raken. “Dat is echt een probleem,” beaamt Bonfio.

Een alternatief zee-idee wordt al sinds de jaren tachtig verdedigd door de geoloog Michael Russell, een onafhankelijk onderzoeker die voorheen werkzaam was bij het Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië. Russell stelt dat het leven is begonnen in openingen op de zeebodem, waar warm alkalisch water omhoog sijpelt uit geologische formaties daaronder. Interacties tussen warm water en gesteente zouden chemische energie leveren die eerst eenvoudige stofwisselingscycli zou aandrijven, die later chemische stoffen zoals RNA zouden gaan maken en gebruiken.

Russell is kritisch over de benadering van Sutherland. “Hij doet al deze fantastische stukjes scheikunde,” zegt hij, maar voor Russell is niets ervan relevant. Dat komt omdat moderne organismen heel andere chemische processen gebruiken om stoffen als RNA te maken. Hij stelt dat deze processen als eerste moeten zijn ontstaan, niet de stoffen zelf. “Het leven kiest heel specifieke moleculen. Maar je kunt ze niet van de bank plukken. Je moet ze van de grond af aan maken en dat is wat het leven doet.”

Sutherland stelt dat als RNA, eiwitten enzovoort eenmaal gevormd waren, de evolutie het zou hebben overgenomen en proto-organismen in staat zou hebben gesteld nieuwe manieren te vinden om deze moleculen te maken en zichzelf zo in stand te houden.

Terwijl hebben veel onderzoekers zich sceptisch uitgelaten over Russells alkalische-vent-hypothese, met het argument dat deze experimentele ondersteuning ontbeert.

Daarentegen hebben chemische experimenten die de omstandigheden aan de oppervlakte simuleren de bouwstenen van nucleïnezuren, eiwitten en lipiden gemaakt. “Niets van die synthese bestaat in die diepzee hydrothermale vent-hypothese. Het is gewoon niet gedaan, en mogelijk omdat het niet gedaan kan worden,” zegt Catling.

Frenkel-Pinter is ook kritisch over het vent-idee, omdat de moleculen waar zij mee werkt niet lang zouden overleven in die omstandigheden. “De vorming van deze protopeptiden is niet erg compatibel met hydrothermale openingen,” zegt Frenkel-Pinter.

Een mogelijke oplossing werd in mei voorgesteld door geochemicus Martina Preiner, een postdoc aan de Universiteit van Düsseldorf in Duitsland, en haar collega’s. Zij stelt dat in de rotsen onder hydrothermale bronnen, hitte en chemische reacties watermoleculen binden of uit elkaar halen – waardoor droge ruimtes ontstaan13. “Er zijn rots-water interacties die het water tot op zekere hoogte kwijtraken,” zegt ze. Af en toe sijpelt er meer zeewater binnen, waardoor er een soort nat-droog cyclus ontstaat. Dit zou het gesteente van de diepzee veel geschikter moeten maken voor de vorming van belangrijke moleculen, aldus Preiner, hoewel ze erkent dat dit nog steeds een hypothese is. “Natuurlijk moet je nog steeds de bijbehorende experimenten doen om te bewijzen dat dit bepaalde reacties kan bewerkstelligen.”

Op dit moment is dat bewijs er echter nog niet. Intussen groeit de experimentele steun voor het idee dat het leven is begonnen in kleine watermassa’s op het land.

Sutherland geeft de voorkeur aan een meteorietinslagkrater, verwarmd door de zon en door de restenergie van de inslag, met meerdere waterstromen die langs de schuine kanten naar beneden lopen, en uiteindelijk samenkomen in een poel op de bodem. Dit zou een complexe, 3D-omgeving zijn geweest met minerale oppervlakken die als katalysator konden fungeren, waar koolstofhoudende chemicaliën afwisselend in water konden worden opgelost en door de zon konden worden opgedroogd. “Je kunt met enige zekerheid zeggen dat we aan de oppervlakte moeten zijn, we kunnen niet diep in de oceaan of 10 kilometer diep in de korst zijn,” zegt Sutherland. “Dan hebben we fosfaat nodig, we hebben ijzer nodig. Veel van die dingen worden heel gemakkelijk geleverd door ijzer-nikkel meteorieten.” Het inslagscenario heeft nog een voordeel: meteorietinslagen schokken de atmosfeer, waardoor cyanide wordt geproduceerd, zegt Sutherland.

Deamer is al lang voorstander van een andere suggestie: vulkanische hete bronnen. In een studie van dit jaar betoogden hij en zijn collega Bruce Damer dat lipiden protocellen zouden hebben gevormd in de hete wateren14, zoals zijn eerdere experimenten aangaven. De nat-droog cycli aan de randen van de poelen zouden de vorming en het kopiëren van nucleïnezuren zoals RNA hebben aangedreven.

Deamer heeft verschillende experimenten uitgevoerd in moderne vulkanische hete bronnen om zijn ideeën te testen. In 2018 toonde zijn team aan dat blaasjes zich konden vormen in heet bronwater15, en zelfs nucleïnezuren konden omsluiten – maar ze zouden zich niet vormen in zeewater. Een vervolgstudie vorig jaar wees uit dat wanneer de resulterende blaasjes werden gedroogd, nucleotiden zich met elkaar verbonden tot RNA-achtige strengen16.

Om de plaats te bepalen waar het leven is begonnen, moet men het bredere beeld van de prebiotische chemie begrijpen: hoe de vele reacties in elkaar passen en onder welke omstandigheden ze plaatsvinden. Een groep onder leiding van scheikundige Sara Szymkuć, president van het start-up bedrijf Allchemy in Highland, Indiana, heeft zich aan deze gigantische taak gewaagd. Het team publiceerde in september een uitgebreide studie die een computeralgoritme gebruikte om te onderzoeken hoe een uitgebreid netwerk van bekende prebiotische reacties veel van de biologische moleculen had kunnen produceren die vandaag de dag in het leven worden gebruikt17.

Het netwerk was zeer redundant, dus belangrijke biologische verbindingen konden nog steeds worden gevormd, zelfs als meerdere reacties werden geblokkeerd. Om deze reden stelt Szymkuć dat het nog te vroeg is om een van de scenario’s voor het ontstaan van leven uit te sluiten. Dat vereist het systematisch testen van een reeks verschillende omgevingen, om te zien welke reacties waar optreden.

Buiten de Aarde

Als experimenten zoals die van Sutherland de weg wijzen naar hoe het leven op Aarde is begonnen, kunnen ze ook helpen onderzoeken waar elders in de kosmos het leven zou kunnen zijn begonnen.

Mars heeft de meeste aandacht getrokken, omdat er duidelijke aanwijzingen zijn dat het ooit vloeibaar water op zijn oppervlak had. De landingsplaats voor NASA’s Perseverance rover, de Jezero-krater, werd deels gekozen omdat het ooit een meer lijkt te zijn geweest – en de chemie zou kunnen hebben gehuisvest die Sutherland heeft bestudeerd. Hij hielp bij het schrijven van een presentatie voor NASA in 2018 onder leiding van Catling, waarin de bevindingen op het gebied van prebiotische chemie werden samengevat en advies werd gegeven over waar Perseverance zou moeten zoeken. “We presenteerden deze chemie en zeiden dat deze Jezero-krater, die degene is die ze uiteindelijk hebben gekozen, degene is waar de kans het grootst was dat deze chemie zou spelen,” zegt Sutherland.

Het zal twee maanden duren voordat Perseverance Mars bereikt – en jaren voordat de monsters die het verzamelt worden teruggebracht naar de aarde door een nog niet nader genoemde toekomstige missie. We moeten dus nog lang wachten voordat we weten of Mars leven herbergt, en of dat miljarden jaren geleden al het geval was. Maar zelfs als dat niet het geval was, zou het sporen van prebiotische chemie kunnen onthullen.

Het beste geval, zegt Catling, is dat Perseverance ingewikkelde moleculen op basis van koolstof vindt in de lagen van Martiaans sediment, zoals lipiden of eiwitten, of hun afgebroken overblijfselen. Hij hoopt ook op bewijs voor nat-droog cycli. Dit zou kunnen gebeuren in de vorm van carbonaatlagen die zich hebben gevormd toen een meer opdroogde en zich vele malen opnieuw vulde. Hij vermoedt dat “het leven niet erg ver is gekomen op Mars”, omdat we er nog geen duidelijke tekenen van hebben gezien, zoals duidelijke fossielen of koolstofrijke zwarte leisteen. “Wat we zoeken is vrij eenvoudig, misschien zelfs eerder prebiotisch dan de eigenlijke cellen zelf.”

Het zou kunnen dat Mars alleen de eerste chemische stappen naar leven heeft gezet, en niet de hele weg is gegaan. In dat geval vinden we misschien fossielen – niet van leven, maar van preleven.