In NEMO Science Museum start een nieuwe serie Miller-Urey-experimenten. In drie ‘oersoepen’ van simpele chemische elementen moeten bouwstenen van het leven ontstaan.
Van boomkikkers tot walvissen, en van zwammen tot pantoffeldiertjes. Op aarde krioelt het van het leven met een overweldigende diversiteit. Maar onder de motorkap delen alle organismen vrijwel exact dezelfde biomoleculaire machine. Enzymen zijn hetzelfde, grote delen van het DNA komen overeen, en veel organismen gebruiken dezelfde voedingsstoffen en hormonen. Wetenschappers proberen al meer dan een halve eeuw te achterhalen hoe er uit een chaotische oersoep spontaan zoveel complexiteit kan ontstaan.
Het waren de wetenschappers Stanley Miller en Harold Urey die in de jaren vijftig van de vorige eeuw lieten zien dat in een mengsel van de simpele chemische stoffen ammoniak, methaan, water en waterstof complexere chemische stoffen, zoals aminozuren, kunnen ontstaan – stoffen die essentieel zijn voor het huidige leven op aarde. Maar de aminozuren uit het inmiddels beroemde Miller-Urey-experiment zijn nog lang geen leven. Overigens hadden Miller en Urey zelf ook niet verwacht dat er na een week een boomkikker uit de oplossing zou springen, maar inmiddels is duidelijk dat het oorspronkelijke experiment beter kan. Zo kwam de samenstelling niet overeen met de atmosfeer van de jonge aarde en hielden wetenschappers geen rekening met de inmiddels breed gedragen theorie dat meteorieten complex organische materiaal uit de ruimte op een planeet kunnen bezorgen. Wetenschappers gaan het experiment nu onder verschillende omstandigheden herhalen, gebaseerd op plekken binnen én buiten het zonnestelsel waar naar leven wordt gezocht. De komende vijf jaar draaien drie proeven voor het oog van de bezoekers van NEMO Science Museum.
Meteorieten
Er blijken nogal wat manieren te zijn om een oersoep te brouwen. Annemieke Petrignani, universitair docent van de Universiteit van Amsterdam, leidt de nieuwe experimenten in NEMO en is er nog niet helemaal uit welke ingrediënten ze in haar oersoep gaat stoppen. Hoeveel CO2 voegt ze toe? Hoeveel ammoniak, een reactieve, maar ook erg bijtende stof? En zwavelverbindingen zijn als essentieel onderdeel van het leven interessant, maar zorgen ervoor dat er nog veel meer soorten verbindingen kunnen ontstaan. Omdat dit moeilijker is om te analyseren, laat ze zwavel voor nu achterwege, laat Petrignani weten.
Je kunt het oersoepexperiment eindeloos herhalen met steeds net iets andere samenstellingen en verhoudingen om te zien wat het meest vruchtbaar is, maar interessanter vindt Petrignani het testen van andere kwesties, zoals de meteorietenhypothese. “Of meteorieten een rol bij het ontstaan van leven hebben gespeeld, weten we niet. Wel is bekend dat er op deze manier tonnen aan materiaal naar de aarde werd gebracht. Het is in die zin een beetje raar om te denken dat het helemaal géén rol heeft gespeeld.”
Impressie van een meteoriet.
State Farm, CC BY 2.0 via Wikimedia CommonsWat meteorieten naar de jonge aarde bracht, is onduidelijk, maar feit is dat er bijna honderd verschillende aminozuren zijn aangetroffen op meteorieten die op aarde zijn gevonden. Petrignani wil daarom testen wat er gebeurt als je aminozuren aan een oersoep toevoegt die typisch op meteorieten voorkomen. Ook voegt ze delen van RNA toe, een soort voorloper van het DNA-molecuul dat onze genetische informatie bevat. Bouwstenen van RNA zijn ook uit de ruimte bezorgd. Als kers op de taart voegen de wetenschappers een stuk van de meteoriet toe die al jaren op dezelfde verdieping van het museum ligt, maar Petrignani geeft toe dat dit vooral ‘leuk is voor de bezoekers’. De stoffen in de oersoep kunnen een interactie aangaan met het oppervlak van de ijzermeteoriet, maar dat oppervlak is beperkt.
Ook voegen de onderzoekers minuscule kleideeltjes toe die waarschijnlijk wél invloed hebben op het experiment. Het oppervlak van de klei en kleine holtes die hier ontstaan, kunnen chemische reacties in de oersoep versnellen of zorgen dat bepaalde reacties vaker plaatsvinden. “Het mooiste zou zijn als we na verloop van tijd clustering of zogenoemde polymerisatie van moleculen zien”, zegt Petrignani. In dat laatste geval vormen meerdere kleine moleculen een keten, net als in eiwitten en DNA het geval is. “Spontane polymerisatie is al wel aangetoond, maar nooit onder natuurlijke omstandigheden.”
Andere plekken
De aarde is vooralsnog de énige plek waarvan we zeker weten dat er leven is. Maar telescopen en ruimtesondes vinden aanwijzingen dat óók op andere plekken in ieder geval condities heersen die geschikt zijn voor complexe koolstofchemie, zoals Titan, Europa, Enceladus en Venus. Dat is een ander aspect dat de wetenschappers willen onderzoeken: welke stoffen ontstaan er onder omstandigheden die níet lijken op de aarde? En zijn dat stappen richting het ontstaan van (buitenaards) leven, of juist complexe stoffen die later door meteorieten op aarde zijn bezorgd?
Het ontstaan van leven vereist extremere condities dan het voortbestaan ervan
De oersoepen komen terecht in glazen bollen van 3 liter. Naast de bol met aardachtige omstandigheden en de meteoriet wordt later dit jaar een kolf geïnstalleerd waarin de onderzoekers een broeikasplaneet simuleren. De temperatuur en de concentratie CO2 zijn er hoog. “Dit soort omstandigheden lijken een beetje op Venus nu, maar die atmosfeer konden we met 500 graden Celsius en wolken van zwavelzuur niet veilig simuleren”, zegt Petrignani. “We houden het daarom op zo’n 40 graden en verhogen de temperatuur eens in de zoveel tijd tot 80 graden. Dat klinkt als vijandige omstandigheden voor het leven, maar ook de aarde was vroeger warmer met meer CO2. Het ontstaan van leven vereist waarschijnlijk extremere condities dan het voortbestaan ervan.”
In een derde bol kijken de onderzoekers juist naar erg koude condities, zoals die heersen op de zogenoemde ijsmanen rondom Saturnus en Jupiter. Er wordt nu een dubbelwandige bol getest bij temperaturen van -40 tot -5 graden. De oersoep zal in dit experiment bevriezen en eens in de zoveel tijd ontdooien. “Ik hoop dat we hiermee wat leren over de chemie op plekken als Titan of Enceladus. Op die plekken hebben ruimtesondes en telescopen complexe organische verbindingen gedetecteerd”, vertelt Petrignani.
Overweldigend
Alle bollen bevatten straks ammoniak, methaan, stikstof en water in verschillende hoeveelheden, stoffen die de typische basiselementen bevatten van de zogenoemde koolstofchemie. Dat is het type chemie waar ook het leven op aarde gebruik van maakt. Maar waarom zouden we niet verder kijken? Er zijn immers nog zo’n honderd ándere elementen in het periodiek systeem, waarom zou het leven die niet gebruiken? Chemisch gezien kun je zeggen dat koolstofchemie of organische chemie de meest veelzijdige chemie is, maar misschien is de reden simpeler. “We zien met telescopen dat de ruimte vol zit met organisch materiaal. En niet alleen onze eigen Melkweg, het is zelfs aanwezig in andere sterrenstelsels.”.
Maar zelfs wanneer je jezelf beperkt tot organische chemie zijn de mogelijkheden van wat je precies in oersoep stopt én wat je eruit krijgt overweldigend. Waarom stoppen de wetenschappers er niet gewoon exact de ingrediënten in van de oersoep waarvan we wéten dat hij levensvatbaar was: de oersoep van de vroege aarde? Feit is dat we niet weten hoe die soep er precies uitzag, en welke andere condities, zoals weer, dag- en nachtritme en getijden, een rol speelden. “Veel dingen die ons hierover informatie kunnen geven, zijn vernietigd”, laat Petrignani weten. “Er zijn geen fossielen meer uit die tijd, en door sterke tektoniek en vulkanisme zijn organisch sporen verloren gegaan. We weten niet eens wanneer het leven precies is ontstaan, laat staan hoe. Totdat we zelf leven maken, hebben we eigenlijk geen flauw idee.”