Abiogenese

Moderne opvattingen over abiogenese

De moderne abiogenese hypothesen zijn grotendeels gebaseerd op dezelfde principes als de Oparin-Haldane theorie en het Miller-Urey experiment. Er zijn echter subtiele verschillen tussen de diverse modellen die zijn opgesteld om de progressie van abiogene molecule tot levend organisme te verklaren, en verklaringen verschillen over de vraag of complexe organische moleculen eerst zelf-replicerende entiteiten werden zonder metabolische functies of eerst metaboliserende protocellen werden die vervolgens het vermogen ontwikkelden om zichzelf te repliceren.

De habitat voor abiogenesis is ook onderwerp van discussie geweest. Hoewel er aanwijzingen zijn dat leven kan zijn ontstaan uit niet-leven in hydrothermale bronnen op de oceaanbodem, is het mogelijk dat abiogenese elders plaatsvond, zoals diep onder het aardoppervlak, waar nieuw ontstane protocellen kunnen hebben geleefd op methaan of waterstof, of zelfs aan de kust van de oceaan, waar proteinoïden kunnen zijn ontstaan uit de reactie van aminozuren met hitte en vervolgens als celachtige eiwitdruppels in het water terecht zijn gekomen.

Sommige wetenschappers hebben voorgesteld dat abiogenese meer dan eens plaatsvond. In één voorbeeld van dit hypothetische scenario ontstonden verschillende soorten leven, elk met een verschillende biochemische architectuur die de aard weerspiegelt van de abiogene materialen waaruit zij zich ontwikkelden. Uiteindelijk echter verkreeg het fosfaatgebaseerde leven (“standaard” leven, met een biochemische architectuur waarvoor fosfor nodig is) een evolutionair voordeel boven al het niet-fosfaatgebaseerde leven (“niet-standaard” leven) en werd daardoor het meest verspreide type leven op Aarde. Dit idee bracht wetenschappers ertoe het bestaan af te leiden van een schaduwbiosfeer, een levensondersteunend systeem bestaande uit micro-organismen met een unieke of ongebruikelijke biochemische structuur, dat ooit op Aarde kan hebben bestaan, of mogelijk nog steeds bestaat.

Zoals het Miller-Urey experiment aantoonde, kunnen organische moleculen zich vormen uit abiogene materialen onder de beperkingen van de prebiotische atmosfeer van de Aarde. Sinds de jaren 1950 hebben onderzoekers ontdekt dat aminozuren spontaan peptiden (kleine proteïnen) kunnen vormen en dat belangrijke tussenproducten in de synthese van RNA-nucleotiden (stikstofhoudende verbindingen gekoppeld aan suiker- en fosfaatgroepen) kunnen worden gevormd uit prebiotisch uitgangsmateriaal. Dit laatste bewijs kan de RNA-wereld-hypothese ondersteunen, het idee dat er op de vroege aarde een overvloed aan RNA-leven bestond dat door prebiotische chemische reacties tot stand was gekomen. RNA is namelijk niet alleen drager en vertaler van genetische informatie, maar ook een katalysator, een molecuul dat de snelheid van een reactie verhoogt zonder zelf verbruikt te worden, wat betekent dat één enkele RNA-katalysator meerdere levende vormen zou kunnen hebben voortgebracht, hetgeen voordelig zou zijn geweest tijdens de opkomst van het leven op Aarde. De RNA wereld hypothese is een van de belangrijkste zelf-replicatie-eerst concepties van abiogenesis.

Sommige moderne op metabolisme gebaseerde modellen van abiogenesis incorporeren Oparin’s enzym-bevattende coacervaten, maar suggereren een gestage progressie van eenvoudige organische moleculen naar coacervaten, specifiek protobionten, aggregaten van organische moleculen die enkele kenmerken van leven vertonen. Uit protobionten zijn vermoedelijk vervolgens prokaryoten ontstaan, eencellige organismen die geen afzonderlijke kern en andere organellen bezitten wegens de afwezigheid van interne membranen, maar wel in staat zijn tot metabolisme en zelfreplicatie en vatbaar zijn voor natuurlijke selectie. Voorbeelden van primitieve prokaryoten die vandaag de dag nog op aarde te vinden zijn, zijn onder andere archaea, die vaak in extreme omgevingen leven met omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die van miljarden jaren geleden, en cyanobacteriën (blauwalgen), die ook in onherbergzame omgevingen gedijen en van bijzonder belang zijn om de oorsprong van het leven te begrijpen, gezien hun fotosynthetische capaciteiten. Stromatolieten, afzettingen gevormd door de groei van blauw-groene algen, zijn ’s werelds oudste fossielen, daterend van 3,5 miljard jaar geleden.

Er blijven nog veel onbeantwoorde vragen over abiogenesis. Experimenten moeten de volledige overgang van anorganische materialen naar structuren als protobionten en protocellen nog aantonen en in het geval van de voorgestelde RNA-wereld moeten belangrijke verschillen in mechanismen voor de synthese van purine- en pyrimidinebasen die nodig zijn voor de vorming van complete RNA-nucleotiden nog worden opgelost. Bovendien beweren sommige wetenschappers dat abiogenese niet nodig was, en in plaats daarvan suggereren zij dat het leven op Aarde werd geïntroduceerd via een botsing met een buitenaards object dat levende organismen herbergt, zoals een meteoriet die eencellige organismen bevat; de hypothetische migratie van het leven naar de Aarde staat bekend als panspermia.

Onderzoek naar abiogenese heeft veel baat gehad bij astrobiologie, het vakgebied dat zich bezighoudt met het zoeken naar buitenaards leven (leven buiten de Aarde) en met het begrijpen van de voorwaarden die nodig zijn voor het ontstaan van leven. Astrobiologisch onderzoek van de maan Titan bijvoorbeeld, die een atmosfeer heeft zonder vrije zuurstof, heeft aangetoond dat daar complexe organische moleculen aanwezig zijn, waardoor wetenschappers een glimp kunnen opvangen van de vorming van biologische materialen in een prebiotische habitat die lijkt op die van de vroege Aarde.

Kara Rogers