- Waar bestaat het uit?
- De oorsprong van het leven: theorieën
- Theorie van spontane generatie
- Weerlegging van spontane generatie
- Pasteur's bijdragen
- Panspermia
- Chemosynthetische theorie
- Miller en Urey experimenteren
- Polymeervorming
- Verzoening van de resultaten van Miller en Pasteur
- RNA-wereld
- Huidige opvattingen over de oorsprong van het leven
- Biogenese en abiogenese termen
- Referenties
De abiogénesis verwijst naar het aantal processen en stappen waaruit de eerste levensvormen op aarde ontstonden, inerte monomere startblokken, die met het verstrijken van de tijd hun complexiteit konden vergroten. In het licht van deze theorie is leven onder de juiste omstandigheden ontstaan uit niet-levende moleculen.
Het is waarschijnlijk dat nadat abiogenese eenvoudige levenssystemen had voortgebracht, de biologische evolutie ertoe leidde dat alle complexe levensvormen die tegenwoordig bestaan, ontstaan.
Bron: pixabay.com
Sommige onderzoekers zijn van mening dat abiogeneseprocessen minstens één keer in de geschiedenis van de aarde moeten hebben plaatsgevonden om het hypothetische organisme LUCA of de laatste universele gemeenschappelijke voorouder (van het acroniem in het Engels, laatste universele gemeenschappelijke voorouder) te doen ontstaan, ongeveer 4 miljard geleden jaren.
Er wordt gesuggereerd dat LUCA een genetische code moet hebben die is gebaseerd op het DNA-molecuul, dat met zijn vier basen gegroepeerd in tripletten, codeerde voor de 20 soorten aminozuren waaruit eiwitten bestaan. Onderzoekers die de oorsprong van het leven proberen te begrijpen, bestuderen de abiogeneseprocessen die aanleiding gaven tot LUCA.
Het antwoord op deze vraag is alom in twijfel getrokken en is vaak gehuld in een waas van mysterie en onzekerheid. Om deze reden hebben honderden biologen een reeks theorieën voorgesteld die variëren van het ontstaan van een oersoep tot verklaringen met betrekking tot xenobiologie en astrobiologie.
Waar bestaat het uit?
De theorie van abiogenese is gebaseerd op een chemisch proces waarbij de eenvoudigste levensvormen voortkwamen uit levenloze voorlopers.
Aangenomen wordt dat het abiogeneseproces continu heeft plaatsgevonden, in tegenstelling tot de opvatting van een abrupt ontstaan bij een gelukkige gebeurtenis. Deze theorie gaat dus uit van het bestaan van een continuüm tussen niet-levende materie en de eerste levende systemen.
Evenzo wordt een reeks gevarieerde scenario's voorgesteld waarin het begin van leven zou kunnen plaatsvinden door anorganische moleculen. Deze omgevingen zijn over het algemeen extreem en verschillen van de huidige omstandigheden op aarde.
Deze veronderstelde prebiotische condities worden vaak in het laboratorium gereproduceerd om te proberen organische moleculen te genereren, zoals het beroemde Miller en Urey-experiment.
De oorsprong van het leven: theorieën
De oorsprong van het leven is sinds de tijd van Aristoteles een van de meest controversiële onderwerpen voor wetenschappers en filosofen. Volgens deze belangrijke denker zou ontbindende materie dankzij de spontane werking van de natuur in levende dieren kunnen worden omgezet.
Abiogenese in het licht van het aristotelische denken kan worden samengevat in zijn beroemde uitdrukking omne vivum ex vivo, wat betekent "al het leven komt voort uit het leven".
Vervolgens heeft een vrij groot aantal modellen, theorieën en speculaties geprobeerd de omstandigheden en processen die tot het ontstaan van het leven hebben geleid, op te helderen.
De meest opmerkelijke theorieën, zowel vanuit historisch als wetenschappelijk oogpunt, die hebben geprobeerd de oorsprong van de eerste levende systemen te verklaren, zullen hieronder worden beschreven:
Theorie van spontane generatie
In het begin van de 17e eeuw werd gepostuleerd dat levensvormen konden ontstaan uit levenloze elementen. De theorie van spontane generatie werd algemeen aanvaard door de denkers van die tijd, aangezien het de steun had van de katholieke kerk. Zodoende konden levende wezens zowel uit hun ouders als uit niet-levende materie ontkiemen.
Een van de beroemdste voorbeelden die worden gebruikt om deze theorie te ondersteunen, zijn het verschijnen van wormen en andere insecten in rottend vlees, kikkers die uit modder kwamen en muizen die uit vuile kleren en zweet kwamen.
Er waren zelfs recepten die de creatie van levende dieren beloofden. Om bijvoorbeeld muizen te maken van niet-levend materiaal, moesten tarwekorrels gecombineerd worden met vuile kleren in een donkere omgeving en verschijnen er in de loop van de dagen levende knaagdieren.
Voorstanders van dit mengsel voerden aan dat menselijk zweet op kleding en de fermentatie van tarwe de drijvende krachten waren achter de vorming van leven.
Weerlegging van spontane generatie
In de zeventiende eeuw werden gebreken en hiaten opgemerkt in de verklaringen van de theorie van spontane generatie. Pas in 1668 bedacht de Italiaanse natuurkundige Francesco Redi een geschikt experimenteel ontwerp om het af te wijzen.
In haar gecontroleerde experimenten plaatste Redi fijngesneden stukjes vlees gewikkeld in mousseline in steriele containers. Deze potten waren goed afgedekt met gaas, zodat er niets met het vlees in aanraking kon komen. Het experiment bevatte ook een andere set potten die niet waren afgedekt.
In de loop van de dagen werden alleen wormen waargenomen in de potten die onbedekt waren, omdat de vliegen vrij konden binnendringen en de eieren konden leggen. Bij de afgedekte potten werden de eieren direct op het gaas gelegd.
Evenzo ontwikkelde de onderzoeker Lazzaro Spallanzani een reeks experimenten om de premissen van spontane generatie te verwerpen. Om dit te doen, maakte hij een reeks bouillons die hij langdurig kookte om alle micro-organismen die daar zullen leven te vernietigen.
Voorstanders van spontane opwekking beweerden echter dat de hoeveelheid warmte waaraan de bouillons werden blootgesteld buitensporig was en de "levenskracht" vernietigde.
Pasteur's bijdragen
Later, in 1864, trachtte de Franse bioloog en chemicus Louis Pasteur een einde te maken aan de postulaten van spontane generatie.
Om dit doel te bereiken, vervaardigde Pasteur glazen containers die bekend staan als "zwanenhalsflessen", omdat ze lang waren en gebogen aan de uiteinden, waardoor het binnendringen van micro-organismen werd voorkomen.
In deze containers kookte Pasteur een serie bouillon die steriel bleef. Toen de nek van een van hen werd gebroken, raakte deze besmet en vermenigvuldigden zich micro-organismen in korte tijd.
Het door Pasteur verstrekte bewijs was onweerlegbaar en slaagde erin een theorie die meer dan 2500 jaar duurde, omver te werpen.
Panspermia
In het begin van de 20e eeuw schreef de Zweedse chemicus Svante Arrhenius een boek met de titel "The Creation of Worlds", waarin hij suggereerde dat leven uit de ruimte kwam via sporen die bestand zijn tegen extreme omstandigheden.
Logischerwijs was de theorie van panspermia omgeven door veel controverse, behalve dat het niet echt een verklaring gaf voor het ontstaan van het leven.
Chemosynthetische theorie
Bij het onderzoeken van Pasteur's experimenten is een van de indirecte conclusies van zijn bewijs dat micro-organismen zich alleen ontwikkelen uit anderen, dat wil zeggen dat leven alleen uit leven kan voortkomen. Dit fenomeen werd "biogenese" genoemd.
Vanuit dit perspectief zouden de theorieën van chemische evolutie naar voren komen, geleid door de Rus Alexander Oparin en de Engelsman John DS Haldane.
Deze opvatting, ook wel de Oparin-Haldane chemosynthetische theorie genoemd, stelt voor dat de aarde in een prebiotische omgeving een atmosfeer zonder zuurstof had en rijk aan waterdamp, methaan, ammoniak, kooldioxide en waterstof, waardoor deze zeer reductief is.
In deze omgeving waren er verschillende krachten zoals elektrische ontladingen, zonnestraling en radioactiviteit. Deze krachten werkten in op anorganische verbindingen, waardoor grotere moleculen ontstonden, waardoor organische moleculen ontstonden die bekend staan als prebiotische verbindingen.
Miller en Urey experimenteren
In het midden van de jaren vijftig slaagden de onderzoekers Stanley L. Miller en Harold C. Urey erin een ingenieus systeem te creëren dat de veronderstelde oeroude condities van de atmosfeer op aarde simuleerde door de Oparin-Haldane-theorie te volgen.
Stanley en Urey ontdekten dat onder deze "primitieve" omstandigheden eenvoudige anorganische verbindingen kunnen leiden tot complexe organische moleculen die essentieel zijn voor het leven, zoals aminozuren, vetzuren en ureum.
Polymeervorming
Hoewel de bovengenoemde experimenten een plausibele manier suggereren waarop biomoleculen die deel uitmaken van levende systemen zijn ontstaan, suggereren ze geen enkele verklaring voor het polymerisatieproces en de toegenomen complexiteit.
Er zijn verschillende modellen die deze vraag proberen te verhelderen. De eerste betreft vaste minerale oppervlakken, waar het grote oppervlak en silicaten kunnen dienen als katalysatoren voor koolstofmoleculen.
Diep in de oceaan zijn hydrothermale ventilatieopeningen een geschikte bron van katalysatoren, zoals ijzer en nikkel. Volgens laboratoriumexperimenten nemen deze metalen deel aan polymerisatiereacties.
Ten slotte zijn er in de oceaansleuven hete poelen, die als gevolg van verdampingsprocessen de concentratie van monomeren kunnen bevorderen en de vorming van meer complexe moleculen bevorderen. De hypothese van de "oersoep" is op deze aanname gebaseerd.
Verzoening van de resultaten van Miller en Pasteur
Volgens de volgorde van de ideeën die in de vorige paragrafen zijn besproken, hebben we dat Pasteur's experimenten ontdekten dat leven niet voortkomt uit inerte materialen, terwijl het bewijs van Miller en Urey aangeeft dat dit wel het geval is, maar op moleculair niveau.
Om beide resultaten met elkaar te verzoenen, moet in gedachten worden gehouden dat de samenstelling van de aardatmosfeer tegenwoordig totaal verschilt van de prebiotische atmosfeer.
De zuurstof die in de huidige atmosfeer aanwezig is, zou werken als een "vernietiger" van de moleculen in vorming. Er moet ook rekening mee worden gehouden dat de energiebronnen die zogenaamd de vorming van organische moleculen veroorzaakten, niet langer aanwezig zijn met de frequentie en intensiteit van de prebiotische omgeving.
Alle vormen van leven die op aarde aanwezig zijn, zijn samengesteld uit een reeks structurele blokken en grote biomoleculen, eiwitten, nucleïnezuren en lipiden genaamd. Met hen kun je de basis van het huidige leven "bewapenen": cellen.
In de cel wordt het leven bestendigd, en op dit principe is Pasteur gebaseerd om te bevestigen dat elk levend wezen uit een ander, reeds bestaand wezen moet komen.
RNA-wereld
De rol van autokatalyse tijdens abiogenese is cruciaal, daarom is een van de bekendste hypothesen over de oorsprong van leven die van de RNA-wereld, die een vertrek veronderstelt van enkelketenige moleculen met het vermogen tot zelfreplicatie.
Deze notie van RNA suggereert dat de eerste biokatalysatoren geen moleculen van proteïne-aard waren, maar eerder RNA-moleculen - of een vergelijkbaar polymeer - met het vermogen om te katalyseren.
Deze aanname is gebaseerd op de eigenschap van RNA om korte fragmenten te synthetiseren met behulp van annealing die het proces stuurt, naast het bevorderen van de vorming van peptiden, esters en glycosidebindingen.
Volgens deze theorie werd voorouderlijk RNA geassocieerd met enkele cofactoren zoals metalen, pyrimidinen en aminozuren. Met de vooruitgang en toenemende complexiteit van het metabolisme, ontstaat het vermogen om polypeptiden te synthetiseren.
In de loop van de evolutie werd RNA vervangen door een chemisch stabieler molecuul: DNA.
Huidige opvattingen over de oorsprong van het leven
Momenteel wordt vermoed dat het leven is ontstaan in een extreem scenario: oceanische gebieden nabij vulkanische openingen waar de temperatuur 250 ° C kan bereiken en de atmosferische druk 300 atmosfeer overschrijdt.
Dit vermoeden komt voort uit de diversiteit van levensvormen die in deze vijandige regio's worden aangetroffen en dit principe staat bekend als "hete wereldtheorie".
Deze omgevingen zijn gekoloniseerd door archaebacteriën, organismen die in staat zijn om te groeien, zich te ontwikkelen en zich voort te planten in extreme omgevingen, waarschijnlijk zeer vergelijkbaar met prebiotische omstandigheden (inclusief lage zuurstofconcentraties en hoge CO 2 -waarden ).
De thermische stabiliteit van deze omgevingen, de bescherming die ze bieden tegen plotselinge veranderingen en de constante stroom van gassen zijn enkele van de positieve eigenschappen die de zeebodem en vulkanische ventilatieopeningen geschikte omgevingen maken voor het ontstaan van leven.
Biogenese en abiogenese termen
In 1974 publiceerde de gerenommeerde onderzoeker Carl Sagan een artikel waarin het gebruik van de termen biogenese en abiogenese werd verduidelijkt. Volgens Sagan zijn beide termen ten onrechte gebruikt in artikelen die betrekking hebben op verklaringen over de oorsprong van de eerste levende vormen.
Een van deze fouten is het gebruik van de term biogenese als zijn eigen antoniem. Dat wil zeggen, biogenese wordt gebruikt om de oorsprong van leven te beschrijven vanuit andere levende vormen, terwijl abiogenese verwijst naar de oorsprong van leven uit niet-levende materie.
In die zin wordt een hedendaagse biochemische route als biogeen beschouwd en is een prebiologische metabole route abiogeen. Daarom is het noodzakelijk om speciale aandacht te besteden aan het gebruik van beide termen.
Referenties
- Bergman, J. (2000). Waarom abiogenese onmogelijk is. Creation Research Society Quarterly, 36 (4).
- Pross, A., en Pascal, R. (2013). De oorsprong van het leven: wat we weten, wat we kunnen weten en wat we nooit zullen weten. Open Biology, 3 (3), 120190.
- Sadava, D., en Purves, WH (2009). Leven: de wetenschap van de biologie. Panamerican Medical Ed.
- Sagan, C. (1974). Over de termen 'biogenese' en 'abiogenese'. Origins of Life and Evolution of Biospheres, 5 (3), 529-529.
- Schmidt, M. (2010). Xenobiologie: een nieuwe levensvorm als het ultieme hulpmiddel voor bioveiligheid. Bioessays, 32 (4), 322-331.
- Serafino, L. (2016). Abiogenese als theoretische uitdaging: enkele reflecties. Journal of theoretische biologie, 402, 18–20.