Abiogenese

Het vroegste geclaimde leven op aarde

De vroegste geclaimde levensvormen zijn gefossiliseerde micro-organismen (of microfossielen). Ze zijn gevonden in ijzer- en silicarijke gesteenten die ooit hydrothermale bronnen waren in de Nuvvuagittuq greenstone belt van Quebec, Canada.

Deze gesteenten zijn wel 4,28 miljard jaar oud. De buisvormige vormen die ze bevatten worden in een rapport getoond. Als dit het oudste verslag van leven op aarde is, suggereert dit "een bijna onmiddellijke opkomst van leven" nadat 4,4 miljard jaar geleden oceanen werden gevormd. Volgens Stephen Blair Hedges: "Als het leven relatief snel op aarde is ontstaan... dan zou het in het heelal veel voor kunnen komen".

Vorige vroegste

Een wetenschappelijke studie uit 2002 toonde aan dat geologische formaties van stromatolieten van 3,45 miljard jaar oud gefossiliseerde cyanobacteriën bevatten. Destijds was men het er algemeen over eens dat stromatolieten de oudst bekende levensvormen op aarde waren die een verslag van hun bestaan hadden achtergelaten. Als er dus leven op aarde is ontstaan, gebeurde dat ergens tussen 4,4 miljard jaar geleden, toen waterdamp voor het eerst vloeibaar werd, en 3,5 miljard jaar geleden. Dit is de achtergrond van de hierboven besproken laatste ontdekking.

Het vroegste bewijs van leven komt uit de superkristalgordel van Isua in West-Groenland, en uit soortgelijke formaties op de nabijgelegen Akilia-eilanden. Dit komt doordat daar een hoog gehalte aan de lichtere isotoop van koolstof wordt aangetroffen. Levende wezens nemen lichtere isotopen op omdat dit minder energie kost. Koolstof die in rotsformaties terechtkomt, heeft een concentratie van elementair δ¹³ C van ongeveer -5,5. van¹² C, heeft biomassa een δ¹³ C van tussen de -20 en -30. Deze isotopische vingerafdrukken zijn in de rotsen bewaard gebleven. Met dit bewijs suggereerde Mojzis dat er 3,85 miljard jaar geleden al leven op de planeet bestond.

Enkele wetenschappers denken dat het leven misschien van planeet naar planeet is overgebracht door het transport van sporen. Dit idee, dat nu bekend staat als panspermie, werd voor het eerst geopperd door Arrhenius.

Spontane generatie

Tot het begin van de 19e eeuw geloofden veel mensen in de regelmatige spontane generatie van leven uit niet-levende materie. Dit werd spontane generatie genoemd, en werd weerlegd door Louis Pasteur. Hij toonde aan dat er zonder sporen geen bacteriën of virussen groeiden op steriel materiaal.

Darwin

In een brief aan Joseph Dalton Hooker van 11 februari 1871 stelde Charles Darwin een natuurlijk proces voor het ontstaan van het leven voor.

Hij suggereerde dat de oorspronkelijke levensvonk wellicht begon in een "warme kleine vijver, met allerlei ammoniak- en fosforzouten, licht, warmte, elektriciteit, enz. Een eiwitverbinding werd toen chemisch gevormd, klaar om nog complexere veranderingen te ondergaan". Hij legde verder uit dat "tegenwoordig dergelijke materie onmiddellijk zou worden verslonden of geabsorbeerd, wat niet het geval zou zijn geweest voordat levende wezens werden gevormd".

Haldane en Oparin

Er werd geen echte vooruitgang geboekt tot 1924, toen Alexander Oparin redeneerde dat atmosferische zuurstof de synthese van de organische moleculen verhinderde. Organische moleculen zijn de noodzakelijke bouwstenen voor de evolutie van het leven. In zijn The Origin of Life stelde Oparin dat een "oersoep" van organische moleculen kon ontstaan in een zuurstofloze atmosfeer door de inwerking van zonlicht. Deze zouden zich in steeds complexere vormen combineren tot druppels. Deze druppels zouden "groeien" door fusie met andere druppels, en zich "voortplanten" door splitsing in dochterdruppels, en zo een primitief metabolisme hebben waarin de factoren die "celintegriteit" bevorderen overleven, en de factoren die dat niet doen uitsterven. Veel moderne theorieën over de oorsprong van het leven gaan nog steeds uit van Oparins ideeën.

Rond dezelfde tijd opperde J.B.S. Haldane ook dat de prebiotische oceanen van de aarde, die heel anders waren dan de oceanen nu, een "hete verdunde soep" zouden hebben gevormd. In deze soep zouden organische verbindingen, de bouwstenen van het leven, gevormd kunnen zijn. Dit idee werd biopoiese genoemd, het proces waarbij levende materie evolueert uit zelfreplicerende maar niet-levende moleculen.

Er zijn vrijwel geen geologische gegevens van vóór 3,8 miljard jaar geleden. Het milieu in het Hadeïsche tijdperk was vijandig voor leven, maar in welke mate is niet bekend. Er was een tijd, tussen 3,8 en 4,1 miljard jaar geleden, die bekend staat als het Late Zware Bombardement. Het wordt zo genoemd omdat er toen veel maankraters zouden zijn gevormd. De situatie op andere planeten, zoals de aarde, Venus, Mercurius en Mars, moet vergelijkbaar zijn geweest. Deze inslagen zouden de Aarde waarschijnlijk steriliseren (al het leven doden), als het toen bestond.

Verschillende mensen hebben gesuggereerd dat de chemische stoffen in de cel aanwijzingen geven over hoe de vroege zeeën eruit gezien moeten hebben. In 1926 merkte Macallum op dat de anorganische samenstelling van het cytosol van de cel dramatisch verschilt van die van modern zeewater: "de cel... heeft eigenschappen die zijn overgebracht uit een verleden dat bijna net zo ver verwijderd is als de oorsprong van het leven op aarde". Bijvoorbeeld: "Alle cellen bevatten veel meer kalium, fosfaat en overgangsmetalen dan moderne ... oceanen, meren of rivieren". "Onder de anoxische, door CO₂ gedomineerde primordiale atmosfeer zou de chemie van binnenlandse bekkens bij geothermische velden [lijken op de chemie binnenin] moderne cellen".

Temperatuur

Als het leven zich ontwikkelde in de diepe oceaan, in de buurt van een hydrothermale opening, zou het al 4 tot 4,2 miljard jaar geleden kunnen zijn ontstaan. Als het leven daarentegen aan het oppervlak van de planeet is ontstaan, kan het volgens de gangbare opvatting pas tussen 3,5 en 4 miljard jaar geleden zijn ontstaan.

Lazcano en Miller (1994) suggereren dat het tempo van de moleculaire evolutie werd bepaald door de snelheid waarmee het water door de onderzeese openingen in het midden van de oceaan werd gerecirculeerd. Volledige recirculatie duurt 10 miljoen jaar, dus alle organische verbindingen die tegen die tijd zijn geproduceerd, zouden zijn veranderd of vernietigd door temperaturen van meer dan 300 °C. Zij schatten dat de ontwikkeling van een 100 kilobase genoom van een primitieve heterotrofe DNA/proteïne tot een filamenteuze cyanobacterie met 7000 genen slechts 7 miljoen jaar in beslag zou hebben genomen.

Geschiedenis van de aardatmosfeer

Oorspronkelijk had de atmosfeer van de aarde bijna geen vrije zuurstof. Gedurende een zeer lange periode is deze geleidelijk veranderd in wat hij nu is (zie Grote Oxygenatiegebeurtenis). Het proces begon met cyanobacteriën. Zij waren de eerste organismen die vrije zuurstof maakten door middel van fotosynthese. De meeste organismen hebben tegenwoordig zuurstof nodig voor hun stofwisseling; slechts enkele kunnen andere bronnen gebruiken voor hun ademhaling.

Het is dus te verwachten dat de eerste proto-organismen chemo-autotrofen waren, en geen aërobe ademhaling gebruikten. Ze waren anaeroob.

Er bestaat geen "standaardmodel" over hoe het leven is begonnen. De meeste geaccepteerde modellen zijn gebaseerd op moleculaire biologie en celbiologie:

1. Onder de juiste omstandigheden ontstaan enkele kleine basismoleculen. Deze worden monomeren van het leven genoemd. Aminozuren zijn één type van deze moleculen. Dit werd bewezen door het Miller-Urey experiment van Stanley L. Miller en Harold C. Urey in 1953, en we weten nu dat deze basisbouwstenen overal in de ruimte voorkomen. De vroege aarde zou ze allemaal hebben gehad.
2. Fosfolipiden, die lipidenbilagen kunnen vormen, een hoofdbestanddeel van het celmembraan.
3. Nucleotiden die zich zouden kunnen verbinden tot willekeurige RNA-moleculen. Dit zou kunnen leiden tot zelfreplicerende ribozymen (RNA-wereldhypothese).
4. Concurrentie om substraten zou mini-eiwitten selecteren tot enzymen. Het ribosoom is essentieel voor de eiwitsynthese in de huidige cellen, maar we hebben geen idee hoe het is geëvolueerd.
5. Vroeger zouden ribonucleïnezuren als katalysator hebben gefungeerd, maar later zijn nucleïnezuren gespecialiseerd voor genomisch gebruik.

De oorsprong van de fundamentele biomoleculen is weliswaar niet vaststaand, maar minder omstreden dan de betekenis en de volgorde van de stappen 2 en 3. De basischemicaliën waaruit het leven zou zijn ontstaan zijn:

• Methaan (CH₄ ),
• Ammoniak (NH₃ ),
• Water (H₂ O),
• Waterstofsulfide (H₂ S),
• Kooldioxide (CO₂ ) of koolmonoxide (CO), en
• Fosfaat (PO₄^3- ).
• Waterstofcyanide (HCN)

Moleculaire zuurstof (O₂ ) en ozon (O₃ ) waren zeldzaam of afwezig.

Drie fasen

• Fase 1: De oorsprong van biologische monomeren
• Fase 2: De oorsprong van biologische polymeren
• Fase 3: De evolutie van moleculen naar cellen

Bernal suggereerde dat de evolutie vroeg begonnen kan zijn, ergens tussen stadium 1 en 2.

Er zijn drie bronnen van organische moleculen op de vroege aarde:

1. organische synthese door energiebronnen (zoals ultraviolet licht of elektrische ontladingen).
2. levering door buitenaardse objecten zoals koolstofhoudende meteorieten (chondrieten);
3. organische synthese aangedreven door impactschokken.

Schattingen van deze bronnen suggereren dat het zware bombardement vóór 3,5 miljard jaar geleden hoeveelheden organische stoffen beschikbaar maakte die vergelijkbaar zijn met die welke door andere energiebronnen werden geproduceerd.

Miller's experiment en de oersoep

In 1953 voerden een afgestudeerde student, Stanley Miller, en zijn professor, Harold Urey, een experiment uit dat aantoonde hoe organische moleculen zich op de vroege Aarde konden hebben gevormd uit anorganische precursoren.

Het nu beroemde Miller-Urey experiment gebruikte een sterk gereduceerd mengsel van gassen - methaan, ammoniak en waterstof - om basische organische monomeren te vormen, zoals aminozuren. We weten nu dat gedurende meer dan de eerste helft van de geschiedenis van de aarde de atmosfeer bijna geen zuurstof bevatte.

Experimenten van Fox

In de jaren 1950 en 1960 bestudeerde Sidney W. Fox de spontane vorming van peptidestructuren onder omstandigheden die vroeg in de geschiedenis van de aarde kunnen hebben bestaan. Hij toonde aan dat aminozuren uit zichzelf kleine peptiden konden vormen. Deze aminozuren en kleine peptiden konden worden aangezet tot de vorming van gesloten bolvormige membranen, microsferen genaamd.

Sommige wetenschappers hebben speciale voorwaarden voorgesteld om de celsynthese te vergemakkelijken.

Kleiwereld

Een kleimodel voor de oorsprong van het leven werd voorgesteld door A. Graham Cairns-Smith. De kleitheorie suggereert dat complexe organische moleculen geleidelijk ontstonden op een reeds bestaand niet-organisch platform, namelijk silicaatkristallen in oplossing.

Model voor de diepe biosfeer

In de jaren zeventig stelde Thomas Gold de theorie voor dat het leven zich niet op het aardoppervlak, maar enkele kilometers daaronder heeft ontwikkeld. De ontdekking eind jaren negentig van nanobuizen (filamenteuze structuren die kleiner zijn dan bacteriën, maar die mogelijk DNA bevatten in diep gesteente) zou Golds theorie kunnen ondersteunen.

Het staat nu redelijk vast dat er op geringe diepte in de aarde (tot vijf kilometer onder het oppervlak) veel microbieel leven voorkomt in de vorm van extremofiele archaea, in plaats van de bekendere eubacteriën (die in meer toegankelijke omstandigheden leven).

Gold beweerde dat een stroompje voedsel uit een diepe, onbereikbare bron nodig is om te overleven, omdat leven dat ontstaat in een plas organisch materiaal waarschijnlijk al zijn voedsel zal opeten en zal uitsterven. De theorie van Gold was dat de voedselstroom het gevolg is van het uitgassen van primordiaal methaan uit de aardmantel.

Zelforganisatie en replicatie

Zelforganisatie en zelfreplicatie zijn het kenmerk van levende systemen. Niet-levende moleculen vertonen die kenmerken soms onder de juiste omstandigheden. Martin en Russel toonden bijvoorbeeld aan dat celmembranen die de inhoud scheiden van de omgeving en zelforganisatie van op zichzelf staande redoxreacties de meest behouden eigenschappen van levende wezens zijn. Zij stellen dat dergelijke anorganische materie de meest waarschijnlijke laatste gemeenschappelijke voorouder van het leven zou zijn.

RNA-wereld hypothese

In deze hypothese zou RNA werken als enzym en als houder van genen. Later nam DNA de genetische rol over.

De RNA-wereldhypothese stelt dat het leven op basis van ribonucleïnezuur (RNA) voorafgaat aan de huidige wereld van leven op basis van desoxyribonucleïnezuur (DNA), RNA en eiwitten. RNA kan zowel genetische informatie opslaan, zoals DNA, als chemische reacties katalyseren, zoals een enzym. Het kan pre-cellulair leven hebben ondersteund en een belangrijke stap zijn geweest naar cellulair leven.

Er zijn enkele bewijzen die dit idee ondersteunen:

1. Sommige RNA's werken als enzymen.
2. Sommige virussen gebruiken RNA voor de erfelijkheid.
3. Voor veel van de meest fundamentele onderdelen van de cel (die het langzaamst evolueren) is RNA nodig.

Metabolisme en eiwitten

Dit idee suggereert dat eiwitten eerst werkten als enzymen, die het metabolisme produceerden. Daarna begonnen DNA en RNA te werken als houders van genen.

Dit idee heeft ook enkele bewijzen die dit ondersteunen.

1. Eiwit als enzym is essentieel voor het hedendaagse leven.
2. Sommige aminozuren worden in het Miller-Urey experiment gevormd uit meer basische stoffen. Sommigen ontkennen dit idee omdat Eiwitten zichzelf niet kunnen kopiëren.

Lipiden

In dit schema komen membranen van lipidenbilagen al vroeg voor. Zodra organische chemicaliën zijn ingesloten, is complexere biochemie mogelijk.

Dit is het door Arrhenius geopperde en door Fred Hoyle ontwikkelde idee dat het leven zich elders in het universum ontwikkelde en op aarde aankwam in de vorm van sporen. Dit is geen theorie over hoe het leven is begonnen, maar een theorie over hoe het zich zou kunnen hebben verspreid. Het kan zich bijvoorbeeld verspreid hebben door meteorieten.

Volgens sommigen was het vroege Mars een betere plaats om leven te beginnen dan de vroege Aarde. De moleculen die samen het genetisch materiaal vormen, zijn complexer dan de "oersoep" van organische (op koolstof gebaseerde) chemicaliën die vier miljard jaar geleden op aarde bestond. Als RNA het eerste genetische materiaal was, dan zouden mineralen met boor en molybdeen kunnen helpen bij de vorming ervan. Deze mineralen kwamen op Mars veel vaker voor dan op aarde.

In het christendom verwerpen sommige mensen het idee van evolutie. Zij geloven dat de aarde slechts enkele duizenden jaren oud is. Dit staat bekend als Jonge Aarde Creationisme. De Bijbel vermeldt echter niet expliciet de leeftijd van de aarde, alleen dat "In den beginne schiep God de hemel en de aarde" (Genesis 1:1).

• Astrobiologie
• Vroegst bekende levensvormen