Naar de content

'Wij zijn gewoon het resultaat van chemie'

John Sutherland over de chemische oorsprong van leven

eak/kkk via Pixabay.com, CC0

Eenvoudige chemische reacties leverden op de jonge aarde de bouwstenen voor het eerste leven. De Britse chemicus John Sutherland bootst die reacties experimenteel na. “Wij denken maar al te graag dat we bijzonder zijn.”

2 oktober 2017

John Sutherland (1962) is hoogleraar Chemical origins of molecular biology aan het MRC Laboratory of Molecular Biology dat een onderdeel is van de Universiteit van Cambridge. Hij probeert via experimentele chemie de synthese te ontrafelen van moleculen die essentieel zijn voor cellulaire processen, voordat het eerste leven (‘prebiotisch’) er was. Sutherland wordt internationaal gezien als een pionier op het terrein van de prebiotische chemie.

 MRC, met toestemming

Ooit waren wij er niet. En al onze evolutionaire voorgangers evenmin. Er was een tijd dat er op aarde geen enkel leven was. Maar er waren wel allerlei chemische elementen en kleine moleculen aanwezig. Er was ook een atmosfeer met gassen, er was water, er waren rotsen en vulkanen en er was energierijke straling van de zon. Een prima omgeving voor talloze chemische reacties. Maar welke moleculen ontstonden daardoor en hoe hebben die reacties uiteindelijk geleid tot een eerste primitieve vorm van leven?

Dat zijn de vragen die de Britse chemicus John Sutherland wil beantwoorden. Hij doet dat door het ontwerpen van chemische experimenten die, zoals dat zo mooi heet, ‘prebiotisch plausibel’ zijn. Met andere woorden: chemische reacties die zeer waarschijnlijk op de heel vroege aarde, vóórdat er leven was, konden plaatsvinden.

In tegenstelling tot de meeste chemici die uitgaan van hoe je iets kunt maken, werkt Sutherland precies andersom. “Ik kijk naar de stoffen en omstandigheden die beschikbaar waren en probeer dan experimenteel te achterhalen wat dat oplevert.” NEMO Kennislink sprak Sutherland in Groningen tijdens het symposium Fundamentals of life in the universe, georganiseerd door het Origins Center.

Waarom is het beter om niet vanuit het product terug te redeneren? We willen toch graag weten hoe de bouwstenen van leven ooit zijn gevormd?

“Het is belangrijk om te beseffen dat er geen plan was om tot die specifieke bouwstenen te komen. Chemische reacties vonden plaats en die leverden moleculen en daaruit is op een moment het eerste leven ontstaan. Die noemen we nu de bouwstenen van het leven, maar het zijn gewoon moleculen die aanwezig waren.”

Artist impression van een jonge planeet.

 NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC) via Wikimedia Commons, publiek domein

“Ik denk daarom dat het veel zinvoller is om uit te gaan van de grondstoffen en omstandigheden die beschikbaar waren op de jonge aarde en te kijken welke producten daar op een eenvoudige en chemisch logische manier uit ontstaan. Wat het makkelijkst wordt gevormd, daarvan krijg je het meest. We weten inmiddels dat er heel veel verschillende chemische reacties mogelijk zijn onder prebiotische omstandigheden. Op aarde en daarbuiten. In de interstellaire ruimte en in meteorieten zijn tal van verschillende organische moleculen aangetroffen, maar bijna allemaal in heel lage concentraties.”

“Dat brengt het probleem op de selectie, want hoe zijn dan enkele moleculen uit die brij aan mogelijkheden zo belangrijk geworden? Ik denk daarom dat leven niet is ontstaan door een selectieproces van specifieke moleculen uit een enorm aanbod, maar vanuit een veel kleinere set die in grotere hoeveelheden voorhanden waren. De reden dat deze moleculen belangrijk zijn geworden voor leven is simpelweg omdat ze er waren en leven hier uit kón ontstaan.”

In je onderzoek staat het gas waterstofcyanide, HCN, centraal als grondstof. Waarom is dat een zinvolle grondstof voor prebiotische chemie?

“HCN is een heel stabiel, zeer robuust molecuul. Dat is belangrijk, omdat de materie op de vroege aarde heel wat moest doorstaan. Er waren doorlopend inslagen van meteorieten en de meeste organische moleculen overleven zo’n botsing niet. Bovendien weten we dat HCN veelvuldig voorkomt in kometen en dat het ook onder invloed van uv-licht in de interstellaire atmosfeer gevormd wordt. Het is zeer aannemelijk dat HCN op de jonge aarde aanwezig was en dat is ook breed geaccepteerd binnen het _Origins of Life_-veld.”

Bij de zuidpool van Saturnus’ maan Titan draait een grote wolk waterstofcyanide (HCN). Opname gemaakt tijdens de Cassini-Huygens missie.

NASA/JPL-Caltech/ASI/University of Arizona/SSI/Leiden Observatory and SRON

Maar aanwezigheid alleen is niet genoeg.

“Klopt, maar er zijn goede chemische redenen waarom HCN ook echt als grondstof heeft gefungeerd. Om organische moleculen te maken heb je een bron van koolstof nodig. Veel onderzoekers hebben geprobeerd om scenario’s uit te werken waarin koolstofdioxide, CO2, die bron is. Dat was ook aanwezig, maar het is ongelooflijk moeilijk om CO2 te reduceren [zuurstof vervangen door waterstof, red.] en te gebruiken als grondstof voor andere verbindingen. HCN reageert wel goed en gemakkelijk, dat maakt HCN een veel logischer startpunt dan CO2.”

“Bovendien breng je met HCN ook meteen een ander belangrijk element in het spel, namelijk stikstof [de N in HCN, red.]. Ook stikstof is essentieel voor leven en met HCN sla je twee vliegen in een klap. Je hebt zowel koolstof als stikstof beschikbaar in een reactieve vorm.
Wij hebben daarom HCN als startpunt genomen voor onze experimenten, zonder vooraf te bepalen wat we wilden maken. We hebben simpelweg gekeken wat er vanuit HCN kan ontstaan onder verschillende omstandigheden zoals die waarschijnlijk op de jonge aarde golden.”

“Toen bleek dat we een set producten kregen die bijna identiek is aan de moleculen die we als de bouwstenen van leven zien. Zoals aminozuren waar eiwitten uit zijn opgebouwd, nucleobasen die de bouwstenen van RNA en DNA vormen en lipide-achtige moleculen waar celmembranen uit bestaan. Dat zijn dus allemaal de natuurlijke, logische producten die je krijgt uit HCN.”

In het lab kun je afgesloten experimenten onder steeds weer andere omstandigheden uitvoeren, maar hoe vertaal je dat naar een open omgeving? Hoe kan HCN tot verschillende producten in werkbare hoeveelheden leiden als alles met elkaar in contact kan komen en weer verder kan reageren?

“Op de jonge aarde waren de omstandigheden niet overal hetzelfde. Verschillen in samenstelling van het gesteente, temperatuur, concentraties aan zouten in water, blootstelling aan straling en beschikbare mineralen zorgen allemaal voor lokaal verschillende condities. Als je dan waterstroompjes hebt met daarin opgelost HCN en die stroompjes gaan over verschillend terrein waaruit ook weer stoffen oplossen en ze worden blootgesteld aan verschillende condities, dan krijg je verschillende productstromen. Als die vervolgens bij elkaar komen, kunnen zich weer iets complexere moleculen vormen.”

Dus die scheiding in afzonderlijke stromen is een cruciale stap geweest?

“Ja, ik denk het wel. Dat kun je in mijn ogen ook afleiden uit de samenstelling van meteorieten die op aarde zijn ingeslagen. Daarin vind je een ongelooflijke verzameling organische moleculen die we ook op aarde hebben. En waarvan wij hebben laten zien dat ze uit HCN gevormd kunnen worden. Dat zegt wel iets over het universele karakter van die chemische reacties.”

“Wat je in die meteorieten aantreft is volgens mij wat je krijgt als je geen scheiding in afzonderlijke stromen hebt, maar alles in dezelfde waterige omgeving reageert. Dan krijg je ook aminozuren en nucleobasen, maar ook nog zoveel andere moleculen, dat ze helemaal verdwijnen in de ruis. Eigenlijk krijg je dan een onwerkbare puinhoop.”

Is volgens jou HCN de enige mogelijke grondstof waaruit het leven zoals we dat nu kennen, heeft kunnen ontstaan?

“Daar heb ik natuurlijk veel over nagedacht, maar ik zie geen goed alternatief. Welke andere grondstof kan onder die omstandigheden ook overgaan in een werkbare set producten? Misschien hebben we iets gemist, dan kan altijd, maar ik laat het graag over aan diegenen die denken dat het niet HCN is geweest om te laten zien dat een andere grondstof ook plausibel is. Het is een gut feeling, dat geef ik toe, maar ik denk echt dat het onwaarschijnlijk is dat het anders zit. HCN levert een prachtige, chemisch goed verklaarbare set moleculen die ook nog eens vrijwel identiek is aan de set die essentieel is voor leven. En verder niets. Dat is bijna griezelig.”

Ons bestaan is dus een freak incident? Er was toevallig HCN en de omstandigheden waren precies goed?

“Chemische reacties vinden plaats volgens de chemische wetmatigheden. Uit die reacties kwamen levende systemen voort die na miljoenen jaren evolutie, uiteindelijk de mens opleverden. En wij zijn zo onder de indruk van onszelf dat we terugkijken naar ons ontstaan en denken dat het wel freaky moet zijn. Maar dat is het niet, het is gewoon chemie. Voor veel mensen is het echter moeilijk te verteren dat ook wij het resultaat zijn van gewone chemische reacties die gewone moleculen opleveren. We denken maar al te graag dat wij heel bijzonder zijn.”

ReactiesReageer