De vraag naar de oorsprong van het leven houdt de mensen al bezig sinds ze voor het eerst onze plaats op aarde en in het heelal beschouwden. Het onderwerp roept vaak emoties op – ten eerste omdat we er zelf bij betrokken zijn, en ten tweede omdat biochemici nog geen volledig beeld hebben van de specifieke stappen die tot het leven op onze planeet hebben geleid.
Een niet-wetenschappelijk idee Veel mensen zijn opgevoed om bepaalde principes onvoorwaardelijk te aanvaarden, en een van die principes is dat het leven is ontstaan door toedoen van een God of goden. Het theologische of filosofische idee dat het leven uit een dergelijk bovennatuurlijk proces is voortgekomen, is een geloof. Toegegeven, het kan een heel goed geloof zijn, maar het blijft niet meer dan dat – een geloof, want er is geen ondubbelzinnige informatie, die aanvaardbaar is in een wetenschappelijk laboratorium of een rechtbank, die de schepping van het leven door een bovennatuurlijk wezen of bovennatuurlijke wezens bevestigt. Wetenschappers hebben geen duidelijke gegevens die het idee ondersteunen dat iemand of iets lang geleden al leven op de planeet Aarde heeft gedeponeerd. Bovendien hebben we geen bekende manier om experimenteel het idee te testen dat goddelijke interventie leven heeft geschapen.
De wetenschap is agnostisch als het op God aankomt – niet atheïstisch, zoals sommige mensen dat beladen woord liever verkeerd lezen – gewoon agnostisch. Afgezien van persoonlijke gevoelens of culturele overtuigingen, weten de meeste professionele wetenschappers gewoon niet wat ze van een God of goden moeten denken. We hebben gewoon geen betrouwbare gegevens waarop we een oordeel kunnen baseren.
Het geloof dat het leven plotseling is ontstaan door middel van een of ander vitalistisch proces valt buiten het domein van de moderne wetenschap. De huidige wetenschappelijke methode, die een manier van onderzoek is die gebaseerd is op beredeneerde logica ondersteund door experimentele en observationele testen, kan niet gebruikt worden om bovennatuurlijke ideeën over de oorsprong van het leven te bestuderen. Dientengevolge lijken dergelijke ideeën, die zelfs in principe onbewijsbaar zijn, voorbestemd om voor altijd overtuigingen te blijven, en dus buiten het onderwerp van de wetenschap te vallen.
Drie wetenschappelijke voorstellen Verscheidene alternatieve theorieën voor de oorsprong van het leven vereisen niet de hulp van bovennatuurlijke wezens. Elk van deze theorieën berust op natuurlijke principes en elk kan experimenteel worden getest. Deze theorieën zijn dus eerder gebaseerd op de wetenschap dan op de theologie, en slechts één ervan heeft tot nu toe de tand des tijds, de kritiek en het debat overleefd.
Ten eerste zou het leven op Aarde kunnen zijn ontstaan door middel van panspermia, wat “overal kiemen” betekent. Dit idee, ook wel exogenese genoemd, houdt in dat microscopisch kleine levende organismen vanuit de ruimte naar onze planeet zijn gekomen. Een asteroïde of een komeet, die misschien primitieve cellen of eenvoudige bacteriën bevatte, zou op een bepaald moment in het verleden op de aarde kunnen zijn gevallen, waarna zij zich over miljarden jaren hebben ontwikkeld tot de meer geavanceerde levensvormen die nu over onze planeet verspreid zijn. Van meteorieten – de brokstukken van asteroïden en kometen – is echter nog nooit aangetoond dat zij echt leven herbergen.
De grondgedachte van panspermie is dat primitief leven, dat ergens anders is ontstaan, op het aardoppervlak is afgezet door middel van een botsing met een ander object dat al leven herbergde. De meeste ruimtewetenschappers beweren echter dat onbeschermd eenvoudig leven de barre omgeving van de ruimte of de vurige duik in onze atmosfeer waarschijnlijk niet zou overleven. Hoogenergetische straling en deeltjes met hoge snelheid in de interplanetaire en interstellaire ruimte, evenals hevige wrijving en intense hitte tijdens het bewegen door de lucht, zouden bijna zeker elke vorm van leven vernietigen dat op de rug van kleine hemellichamen zou zitten. Anderzijds zouden microscopische sporen dergelijke buitenaardse omstandigheden kunnen overleven, op voorwaarde dat ze diep in de binnenkomende stenen zijn ingebed. Als biologen onlangs iets nieuws hebben geleerd over het leven, dan is het wel dat het leven zeer winterhard is en vaak in staat is om in extreme omgevingen te overleven.
(Buitenissige versies van het panspermia-idee zijn er in overvloed, misschien wel de vreemdste daarvan is dat het leven op Aarde ontstond uit het afval dat hier eonen geleden door buitenaardse reizigers werd gedumpt! Evenzo zouden buitenaardsen opzettelijk onze planeet hebben bezaaid, al was het maar uit zendingsijver. Deze en andere bizarre varianten van de panspermia-theorie hebben science-fiction schrijvers decennia lang gevoed, maar werkende wetenschappers nemen er genoegen mee om ze als echte “vuilnis-theorieën” te beschouwen.)
Een verwant aspect van panspermia is recent populair geworden – sommigen noemen het “zwakke panspermia”-waarbij alleen de ingrediënten voor leven, maar niet het leven zelf, vanuit de ruimte op Aarde worden afgeleverd. Door de vele ontdekkingen van organische moleculen in de interstellaire ruimte in de afgelopen decennia, zoals opgemerkt in de eerdere STELLAR EPOCH, hebben sommige onderzoekers voorgesteld dat niet noodzakelijkerwijs het leven zelf, maar de basischemicaliën die nodig zijn voor het leven, op aarde zouden kunnen zijn aangekomen, ingebed in kometen of asteroïden. Deze moleculen zouden dan als zaden hebben kunnen fungeren die geleidelijk leven voortbrachten via natuurlijke chemische middelen, endogenese, zoals hieronder wordt uitgelegd. Het is waar dat sommige meteorieten, vooral de koolstofhoudende chondrieten waarvan bekend is dat ze veel koolstof bevatten en afkomstig zijn van oude asteroïden, een reeks chemische stoffen bevatten, waaronder de bouwstenen van het leven, die kennelijk de pleziertocht door de atmosfeer van de Aarde hebben overleefd.
De Murchison meteoriet, die in 1969 in de buurt van Murchison, Australië, viel, is het belangrijkste voorbeeld van dit soort boliden die grondstoffen bevatten die het leven op Aarde enkele miljarden jaren geleden op gang kunnen hebben gebracht. Van andere meteorieten is aangetoond dat zij bubbelvormige organische bolletjes bevatten die lijken op de bolletjes die zijn geproduceerd in laboratoriumsimulaties van de oorsprong van het leven, die verderop in deze CHEMISCHE EPOCH worden beschreven; de meest recente is neergekomen in het Yukon Territory in Canada, enkele dagen na het begin van het nieuwe millennium. Bovendien zijn eenvoudige organische stoffen duidelijk gedetecteerd in enkele goed bestudeerde kometen, zoals Halley, Hale-Bopp en Hyakutake, die onlangs onze hemel sierden tijdens hun bezoek aan het binnenste zonnestelsel. Deze bevindingen tonen op zijn minst aan dat dergelijke moleculen die nodig zijn voor leven, denkbaar kunnen worden gevormd in een interplanetaire of interstellaire omgeving, en dat zij na hun vurige afdaling wellicht ongeschonden het aardoppervlak hebben bereikt.
Aan de andere kant stellen veel biochemici dat organische chemicaliën net zo gemakkelijk (en misschien wel gemakkelijker) inheems op Aarde kunnen zijn gevormd, zonder naar de ruimte te kijken voor antwoorden op aardse puzzels. Zelfs als het idee van panspermie op een dag een veelbelovender idee wordt voor de oorsprong van het leven op Aarde, komt het niet in aanmerking als een geldige theorie voor de oorsprong van het leven zelf. “Sterke panspermie” (waarbij intact leven op Aarde valt als manna uit de hemel) stelt de vraag naar de oorsprong van het leven alleen maar uit, en verplaatst die naar een andere, onbekende plaats in het heelal.
Een andere theorie over de oorsprong van het leven – een die rechtstreeks ingaat op de uiteindelijke oorsprong van het leven zelf – wordt spontane generatie genoemd. Hier wordt gedacht dat het leven vrij plotseling is ontstaan en zich volledig heeft ontwikkeld uit eigenaardige arrangementen van niet-leven. Dit idee was nog maar een eeuw geleden populair, maar alleen omdat mensen op het verkeerde been werden gezet door hun zintuigen. Zo verschijnen er vaak kleine wormpjes op rot afval en lijken muizen zich soms spontaan uit vuil linnen te wurmen. Dergelijke verschijnselen werden ooit geclaimd als bewijs voor de spontane generatie van nieuw leven uit de vergane resten van oud leven. Maar hoewel de waarnemingen juist waren, waren de interpretaties van die waarnemingen dat niet. Nauwelijks een eeuw geleden beseften de meeste naturalisten gewoon niet dat vliegen vaak eitjes leggen op afval, waarna de eitjes uitkomen om wormen te worden. Op dezelfde manier ontstaan muizen niet in vuile lakens, hoewel dat inderdaad de plaats kan zijn waar ze zich graag verstoppen.
De theorie van spontane generatie werd onjuist bevonden toen wetenschappers laboratoriumexperimenten zorgvuldig begonnen te controleren. Met name de 19e-eeuwse Franse scheikundige Louis Pasteur was een van de eerste onderzoekers die experimenten onder gesteriliseerde omstandigheden uitvoerde. Door speciaal ontworpen apparatuur te gebruiken, kon hij aantonen dat elk pakje lucht micro-organismen bevat naast andere ongeziene verontreinigingen. Zonder speciale voorzorgsmaatregelen en nauwkeurige inspectie komt levende materie vaak in contact met niet-levende materie, waardoor de illusie wordt gewekt dat leven plotseling ontstaat op plaatsen waar voordien geen leven had bestaan. Maar door de lucht te verhitten en zo de micro-organismen te vernietigen, ontkrachtte Pasteur grondig het idee van de spontane generatie van leven. Eenmaal gesteriliseerd en geïsoleerd, blijft lucht voor onbepaalde tijd vrij van leven, zelfs van microscopisch leven.
Een derde theorie over het ontstaan van leven staat bekend als chemische evolutie. In dit idee veranderen pre-biologische veranderingen langzaam eenvoudige atomen en moleculen in de meer complexe chemicaliën die nodig zijn om leven te produceren. De centrale premisse van de chemische evolutie, die tegenwoordig door de meeste wetenschappers wordt aangehangen, is dat het leven op natuurlijke wijze is ontstaan uit niet-leven. In die zin zijn de theorieën van de chemische evolutie en de spontane generatie vergelijkbaar, maar de tijdschalen verschillen. Chemische evolutie treedt niet plotseling op, maar verloopt geleidelijker, waarbij uit eenvoudiger structuren uiteindelijk complexe structuren worden opgebouwd. Deze moderne theorie suggereert dan ook dat het leven op aarde is ontstaan door een tamelijk langzame evolutie van niet-levende materie. Hoe langzaam en wanneer precies weten we niet.
Schattingen van de tijdschaal waarop chemische evolutie plaatsvond kunnen worden afgeleid door het bestuderen van fossielen – de verharde overblijfselen van dode organismen waarvan de skeletomtrekken of benige kenmerken bewaard zijn gebleven in oude gesteenten. Figuur 5.2 laat bijvoorbeeld zien hoe sedimentair gesteente, wanneer het vele malen wordt vergroot, duidelijk bewijs levert voor de gefossiliseerde afdrukken van oude individuele cellen – de eenvoudigst bekende vorm van leven. Radioactieve testen tonen aan dat de ouderdom van het gesteente meestal 2-4 miljard jaar bedraagt. Dit is de tijd dat de fossielen begraven zijn geweest, vermoedelijk gevangen in het gesteente terwijl het aan het stollen was, waardoor zij tot de oudste fossielen behoren die ooit zijn gevonden.
 |
FIGUUR 5.2 – De foto links, genomen door een microscoop, toont gefossiliseerde cellen die gevonden zijn in Canadees gesteente dat radioactief gedateerd is op ~3 miljard jaar oud. De overblijfselen van deze primitieve organismen vertonen concentrische bollen met semi-permeabele membranen en kleinere aanhangende sferoïden. De afbeelding rechts toont een vergrote weergave van een van deze oude cellen. De binnenwand van het fossiel heeft een doorsnede van ~10-3 cm (of 10 micron). (E. Barghoorn) |
Weten we dat de Aarde ~4,5 miljard jaar geleden is ontstaan en dat de oudste gesteenten ~4 miljard jaar geleden uit hun vroege gesmolten toestand kristalliseerden, dan concluderen we dat het leven waarschijnlijk ongeveer een miljard jaar na de vorming van de Aarde is ontstaan en <0,5 miljard jaar nadat de aardkorst voldoende was afgekoeld om leven te ondersteunen. Aangezien nog oudere, nog niet ontdekte fossielen waarschijnlijk ergens in het aardse gesteente begraven liggen, veronderstellen wij dat de meest primitieve levensvormen nauwelijks meer dan een paar honderd miljoen jaar nodig hebben gehad om zich chemisch te ontwikkelen uit niet-leven. Het is zelfs denkbaar dat ze er minder tijd voor nodig hadden, zelfs millennia of eeuwen. Aanwijzingen voor de geschiedenis en het tempo van het ontstaan van het leven zijn waarschijnlijk niet alleen in hun oude structuren (fossielen) geschreven, maar ook in de cellen en moleculen (genen) van de organismen van vandaag.