Er is nog steeds zoveel dat we niet begrijpen over de oorsprong van het leven op aarde.

De definitie van leven zelf is een bron van discussie onder wetenschappers, maar de meeste onderzoekers zijn het eens over de fundamentele ingrediënten van een levende cel. Water, energie en een paar essentiële elementen zijn de voorwaarden voor het ontstaan ​​van cellen. De exacte details over hoe dit gebeurt blijven echter een mysterie.

Recent onderzoek heeft zich geconcentreerd op het proberen in het laboratorium de chemische reacties na te bootsen die het leven vormen zoals wij dat kennen, in omstandigheden die plausibel waren voor de vroege aarde (ongeveer 4 miljard jaar geleden). Experimenten zijn steeds complexer geworden dankzij de technologische vooruitgang en een beter begrip van de vroege omstandigheden op aarde.

Maar in plaats van wetenschappers samen te brengen en het debat te beslechten, heeft de opkomst van experimenteel werk geleid tot veel tegenstrijdige theorieën. Sommige wetenschappers denken dat het leven ontstond in diepzeehydrothermale bronnen, waar de omstandigheden voor de nodige energie zorgden. Anderen beweren dat warmwaterbronnen op het land voor een betere omgeving zouden hebben gezorgd, omdat de kans groter is dat ze organische moleculen uit meteorieten vasthouden. Dit zijn slechts twee mogelijkheden die momenteel worden onderzocht.

Hier zijn vijf van de meest opmerkelijke ontdekkingen van de afgelopen vijf jaar.

Reacties in vroege cellen

Welke energiebron dreef de chemische reacties aan de oorsprong van het leven aan? Dit is het mysterie dat een onderzoeksteam in Duitsland heeft geprobeerd te ontrafelen. Het team verdiepte zich in de haalbaarheid van 402 reacties waarvan bekend is dat ze enkele van de essentiële componenten van het leven creëren, zoals nucleotiden (een bouwsteen van DNA en RNA). Ze deden dit met behulp van enkele van de meest voorkomende elementen die op de vroege aarde gevonden konden worden.

Er wordt aangenomen dat deze reacties, aanwezig in moderne cellen, ook het kernmetabolisme vormen van LUCA, de laatste universele gemeenschappelijke voorouder, een eencellig, bacterieachtig organisme.

Voor elke reactie berekenden ze de veranderingen in vrije energie, die bepalen of een reactie kan doorgaan zonder andere externe energiebronnen. Het fascinerende is dat veel van deze reacties onafhankelijk waren van externe invloeden zoals adenosinetrifosfaat, een universele energiebron in levende cellen.

De synthese van de fundamentele bouwstenen van het leven had geen externe energieboost nodig:het was zelfvoorzienend.

Vulkanisch glas

Het leven is afhankelijk van moleculen om informatie op te slaan en over te brengen. Wetenschappers denken dat RNA-strengen (ribonucleïnezuur) de voorlopers van DNA waren bij het vervullen van deze rol, omdat hun structuur eenvoudiger is.

De opkomst van RNA op onze planeet heeft onderzoekers lange tijd in verwarring gebracht. Recentelijk is er echter enige vooruitgang geboekt. In 2022 genereerde een team van medewerkers in de VS stabiele RNA-strengen in het laboratorium. Ze deden dit door nucleotiden door vulkanisch glas te laten gaan. De strengen die ze maakten waren lang genoeg om informatie op te slaan en over te dragen.

Vulkanisch glas was aanwezig op de vroege aarde, dankzij frequente meteorietinslagen in combinatie met een hoge vulkanische activiteit. Er wordt ook aangenomen dat de nucleotiden die in het onderzoek zijn gebruikt, destijds in de geschiedenis van de aarde aanwezig waren. Vulkanisch gesteente had de chemische reacties kunnen faciliteren waarbij nucleotiden tot RNA-ketens werden samengevoegd.

Hydrothermische ventilatieopeningen

Koolstoffixatie is een proces waarbij CO₂ krijgt elektronen. Het is noodzakelijk om de moleculen te bouwen die de basis van het leven vormen.

Om deze reactie te bewerkstelligen is een elektronendonor nodig. Op de vroege aarde was H₂ zou de elektronendonor kunnen zijn. In 2020 toonde een team van medewerkers aan dat deze reactie spontaan zou kunnen optreden en zou kunnen worden aangewakkerd door omgevingsomstandigheden die vergelijkbaar zijn met diepzee-alkalische hydrothermale ventilatieopeningen in de vroege oceaan. Ze deden dit met behulp van microfluïdische technologie, apparaten die kleine hoeveelheden vloeistoffen manipuleren om experimenten uit te voeren door alkalische ventilatieopeningen te simuleren.

Deze route komt opvallend overeen met de werking van veel moderne bacteriële en archaeale cellen (eencellige organismen zonder kern).

De Krebs-cyclus

In moderne cellen wordt koolstoffixatie gevolgd door een cascade van chemische reacties die moleculen assembleren of afbreken, in ingewikkelde metabolische netwerken die worden aangestuurd door enzymen.

Maar wetenschappers debatteren nog steeds over hoe metabolische reacties zich ontvouwden vóór de opkomst en evolutie van die enzymen. In 2019 heeft een team van de Universiteit van Straatsburg in Frankrijk een doorbraak bereikt. Ze toonden aan dat ferro-ijzer, een type ijzer dat overvloedig aanwezig was in de vroege aardkorst en de oceaan, negen van de elf stappen van de Krebs-cyclus kon aandrijven. De Krebs-cyclus is een biologische route die in veel levende cellen aanwezig is.

Hier fungeerde ferro-ijzer als elektronendonor voor koolstoffixatie, wat de cascade van reacties aanstuurde. De reacties produceerden alle vijf de universele metabolische voorlopers:vijf moleculen die van fundamenteel belang zijn voor verschillende metabolische routes in alle levende organismen.

Bouwstenen van oude celmembranen

Het begrijpen van de vorming van de bouwstenen van het leven en hun ingewikkelde reacties is een grote stap voorwaarts in het begrijpen van het ontstaan ​​van leven.

Maar of ze zich nu in warmwaterbronnen op het land of in de diepzee ontvouwden, deze reacties zouden zonder een celmembraan niet ver zijn gegaan. Celmembranen spelen een actieve rol in de biochemie van een primitieve cel en de verbinding ervan met de omgeving.

Moderne celmembranen zijn meestal samengesteld uit verbindingen die fosfolipiden worden genoemd en die een hydrofiele kop en twee hydrofobe staarten bevatten. Ze zijn gestructureerd in dubbellagen, waarbij de hydrofiele koppen naar buiten wijzen en de hydrofobe staarten naar binnen wijzen.

Onderzoek heeft aangetoond dat sommige componenten van fosfolipiden, zoals de vetzuren waaruit de staarten bestaan, zichzelf kunnen assembleren tot dubbellaagse membranen onder verschillende omgevingsomstandigheden. Maar waren deze vetzuren aanwezig op de vroege aarde? Recent onderzoek van de Universiteit van Newcastle, Verenigd Koninkrijk, geeft een interessant antwoord. Onderzoekers hebben de spontane vorming van deze moleculen nagebootst door H₂-rijke vloeistoffen, die waarschijnlijk aanwezig waren in oude alkalische hydrothermale bronnen, te combineren met CO₂ -rijk water dat lijkt op de vroege oceaan.

Deze doorbraak komt overeen met de hypothese dat stabiele vetzuurmembranen hun oorsprong zouden kunnen hebben in alkalische hydrothermale ventilatieopeningen en zich mogelijk kunnen ontwikkelen tot levende cellen. De auteurs speculeerden dat soortgelijke chemische reacties zich zouden kunnen voordoen in de ondergrondse oceanen van ijzige manen, waarvan wordt aangenomen dat ze hydrothermale ventilatieopeningen hebben die vergelijkbaar zijn met die op aarde.

Elk van deze ontdekkingen voegt een nieuw stukje toe aan de puzzel van de oorsprong van het leven. Ongeacht welke ervan juist blijken te zijn, voeden tegenstrijdige theorieën de zoektocht naar antwoorden.

Zoals Charles Darwin schreef:‘Valse feiten zijn zeer schadelijk voor de vooruitgang van de wetenschap, omdat ze vaak lang blijven bestaan:maar valse opvattingen, als ze door enig bewijs worden ondersteund, doen weinig kwaad, want iedereen schept er een heilzaam plezier in om hun onwaarheid te bewijzen; is gedaan, de weg naar fouten is gesloten en de weg naar de waarheid is vaak tegelijkertijd geopend."

Aangeboden door The Conversation

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.