De oorsprong van het leven, soms aangeduid met de term abiogenese, Oorsprong van het leven – betekenis en definitie, Ensie.nl, 26-04-2020, geraadpleegd op 20 juli 2020. Gearchiveerd op 20 juli 2020. is het natuurlijke proces waarbij leven is ontstaan uit niet-levende materie, zoals eenvoudige organische verbindingen. (2010). Life from an RNA World: The Ancestor Within. Cambridge, MA: Harvard University Press. . De heersende wetenschappelijke hypothese stelt dat de overgang van niet-levende naar levende materie geen afzonderlijke gebeurtenis was, maar een evolutionair proces van toenemende complexiteit dat samenging met de vorming van organische moleculen, moleculaire zelfreplicatie, zelforganisatie, autokatalyse en de ontwikkeling van celmembranen. De overgang van prebiotische chemie naar leven is niet experimenteel waargenomen, maar er zijn verschillende mogelijke stadia van het proces voorgesteld.
Al het leven op Aarde kenmerkt zich door vier groepen biomoleculen: lipiden (membranen), koolhydraten (suikers), aminozuren (eiwitten) en nucleïnezuren (zelfreplicerend DNA en RNA). Een succesvolle theorie van abiogenese zou de oorsprong en interacties van deze biomoleculen moeten kunnen verklaren. Volgens moderne opvattingen stamt het huidige leven af van een RNA-wereld.
Het klassieke Miller–Urey-experiment uit 1952 toonde aan dat aminozuren, de chemische bouwstenen van de eiwitten die in alle levende organismen worden gebruikt, spontaan kunnen worden gesynthetiseerd uit anorganische verbindingen onder omstandigheden die overeenkomen met die van de vroege aarde. Aminozuren zijn daarnaast aangetoond in meteorieten, kometen, asteroïden en stervormende gebieden in het heelal.
Hoewel de Aarde de enige plaats is waarvan bekend is dat er leven voorkomt, stellen astrobiologen dat leven ook op andere planeten mogelijk is en daar op vergelijkbare manieren kan ontstaan. De meeste onderzoeken baseren zich op geochemisch en fossiel bewijs. De Aarde heeft een ouderdom van ongeveer 4,54 miljard jaar, en het vroegste bewijs van leven dateert van 3,8 miljard jaar geleden van gesteentes uit West-Australië.
Omschrijving Abiogenese is de natuurwetenschappelijke verklaring voor de oorsprong van het leven, dus zonder bovennatuurlijke of metafysische inbreng. Het eerste leven is ooit ontstaan als gevolg van de tegenwoordig ook voorkomende chemische en fysische processen. Deze aanname is bekend als het uniformitarianisme: de natuurkundige wetten en tegenwoordig waarneembare processen waren ook in het verleden werkzaam en vormen daarmee de sleutel om de totstandkoming van de huidige wereld na te gaan.
De term abiogenese moet niet verward worden met spontane generatie zoals men dat in de oudheid meende waar te nemen (zoals: "muizen ontstaan in graan", "maden ontstaan in rottend vlees"). Vanaf de 17e eeuw is een belangrijk principe in de biologie dat leven alleen ontstaat uit ander leven: Omne vivum ex ovo (al het leven komt uit een ei). De klassieke opvatting van spontane generatie is volgens moderne inzichten een onmogelijkheid. Maden verschijnen in rottend vlees omdat vliegen daar hun eieren hebben gelegd, muizen duiken op in graanschuren, omdat ze van elders komen, en zich in een dergelijk voedselparadijs snel voortplanten.
De vraag is echter hoe het eerste leven ooit begonnen is; het leven waar al het andere leven uit is voortgekomen. Er bestaan verschillende hypothesen van abiogenese, maar geen ervan is algemeen geaccepteerd en empirische ondersteuning is schaars. Alle hypothesen gaan uit van het feit dat de moleculen die de eerste cellen vormden werden gesynthetiseerd onder natuurlijke omstandigheden door een langzaam proces van chemische evolutie, en dat deze moleculen zich vervolgens gingen organiseren tot een ordelijk systeem met biologische eigenschappen. Het is goed om hierbij in het achterhoofd te houden dat het eerste leven nog niet te duchten had van natuurlijke vijanden of infecties, omdat die immers nog niet bestonden. Ook konden organische stoffen die als bouwsteen van het leven of als voedingsmiddel konden dienen, relatief lang blijven bestaan omdat ze immers niet opgegeten werden door voedselconcurrenten.
Huidige modellen Moleculair bioloog John Desmond Bernal stelde in 1967 een drietrapsmodel op over de ontwikkeling van niet-levende materie naar primitief leven. De drie stappen in dit model weerspiegelen in eenvoudige lijnen de basale onderzoeksthema's van de abiogenesetheorie: de vorming van biologische monomeren (eenvoudige organische verbindingen, zoals aminozuren en nucleotiden); de vorming van biologische polymeren (zelfreplicerende macromoleculen zoals RNA); de evolutie van deze moleculen naar cellen of systemen met een intern metabolisme (het eerste leven).
Bernal gaf aan dat de evolutie naar cellen begon tussen stadia 1 en 2. Hij beschouwde het derde stadium – het proces waarbij membraancompartimenten ontstaan waarin nieuwe biochemische reacties kunnen verlopen – als het moeilijkst om experimenteel vast te stellen. Modern onderzoek laat zien dat al deze drie ontwikkelingsstappen, in meer of mindere mate, reproduceerbaar zijn. (1995). At Home in the Universe: The Search for Laws of Self-Organization and Complexity. New York: Oxford University Press. .
De ontwikkeling van complexiteit door enkel chemische processen wordt chemische evolutie genoemd. Chemische evolutie is een belangrijk concept binnen de abiogenesehypothese. Verschillende onderzoeksteams hebben aangetoond dat evolutie – inclusief replicatie, variatie en natuurlijke selectie – kan plaatsvinden in populaties van moleculen. Sol Spiegelman, een Amerikaans microbioloog, maakte gebruik van deze natuurlijke selectie om het 'Spiegelman-monster' te synthetiseren: een RNA-keten van 218 nucleotiden, die geëvolueerd was uit een bacterieel RNA-molecuul van 4500 nucleotiden. Manfred Eigen bouwde voort op het werk van Spiegelman en produceerde een vergelijkbaar RNA-molecuul van slechts 48 of 54 nucleotiden; de minimale lengte van RNA die nog gerepliceerd kan worden.
Ook NASA heeft verschillende modellen opgesteld voor abiogenese-onderzoek. NASA stelt zich ten doel om interacties, intermediaire structuren en functies, energiebronnen en omgevingsfactoren te identificeren die hebben bijgedragen aan de diversiteit, selectie en replicatie van evolueerbare macromoleculaire systemen. De nadruk ligt daarbij op het in kaart brengen van welke polymeren bij de oorsprong van het leven een rol hebben gespeeld. Het ontstaan van polymeren die zichzelf kunnen repliceren, genetische informatie kunnen opslaan en eigenschappen kunnen vertonen waar selectie op kan inspelen, was vermoedelijk een cruciale stap in de emergentie van levende systemen.
Begripsgeschiedenis Charles Darwin besefte al dat er een grote vraag openstond bij zijn evolutietheorie: de herkomst van de voorouder van alle organismen. In een brief aan zijn collega J. Hooker uit 1871 speculeerde hij er wel over, (1871): "But If, and oh! what a big if!" we could conceive in some warm little pond, with all sorts of ammonia and phosphoric salts, light, heat, electricity present, that a protein compound was chemically formed, ready to undergo still more complex changes. maar naar de stand van de wetenschap toentertijd was dit probleem niet op te lossen.
Aleksandr Oparin en John Haldane waren in de jaren 20 van de twintigste eeuw de eersten die een verantwoorde hypothese opstelden voor het chemische ontstaan van de eerste 'levensmoleculen'. Beiden gingen ervan uit dat de chemische omstandigheden in het begin van de aardse geschiedenis gunstig waren voor de vorming van complexe moleculen. Oparin beredeneerde dat onder invloed van zonlicht een "oersoep" van organische moleculen kan worden gecreëerd in een zuurstofloze atmosfeer. Oparin stelde ook een proces voor om die prebiotische elementen samen te brengen in een soort protocellen: 'coacervaten'.
miniatuur|Harold Urey, docent van Stanley Miller, in een laboratorium van de Universiteit van Chicago Het beroemd geworden Miller-Urey-experiment was een eerste experimentele toetsing van deze theoretische beschouwingen. Het experiment, dat in 1953 werd uitgevoerd onder leiding van Stanley Miller en Harold Urey, toonde aan dat organische moleculen inderdaad kunnen ontstaan in een levenloze omgeving. In het experiment werd de vermoedelijke toestand van de vroege Aarde nagebootst in een laboratorium. In een mengsel van waterdamp, methaan, ammoniak en waterstofgas werden elektrische ontladingen opgewekt. Na een week bleek dat er een aanzienlijke hoeveelheid organische moleculen was ontstaan, inclusief aminozuren (de bouwstenen van eiwitten). Van de aanwezige koolstof bevond zich 10-15% in organische moleculen. Twee procent van de koolstof was gebonden (als twee verschillende aminozuren). De ene helft van de geproduceerde aminozuren was linksdraaiend, de andere helft rechtsdraaiend.
Moleculaire basis van het leven De bijna oneindige verscheidenheid van biomoleculen die aangetroffen wordt in de diverse levensvormen (bacteriën, archaea, planten, dieren en schimmels) vertoont een opmerkelijk aantal onderlinge overeenkomsten. Om een chemische verklaring van het ontstaan van leven te kunnen geven, is het belangrijk om deze relaties in wetenschappelijke termen te preciseren. Drie belangrijke kenmerken van het leven op Aarde zijn als volgt: De basis van iedere cel wordt gevormd door eiwitten en andere organische moleculen. Eiwitten bestaan uit ketens van aminozuren. Eiwitstructuren zijn voornamelijk van belang door hun katalytische en structurele functies. Een vorm van stofwisseling is onontbeerlijk voor de energievoorziening van het organisme. Door stofwisseling kan energie en materie in het organisme worden gebruikt om een stabiele, vitale toestand te handhaven (door entropie lokaal laag te houden). Leven moet zich kunnen voortplanten (zelfreplicatie). Al het leven op aarde gebruikt daarbij DNA of RNA om genetische eigenschappen door te geven aan nakomelingen. In deze nucleïnezuren, die elk een biologisch polymeer zijn van nucleotiden, staan alle codes voor de eiwitten die het individu gedurende zijn leven nodig heeft. De specifieke combinatie van eiwitcodes (genen) in het DNA bepaalt uiteindelijk de karakteristieken van het individu.
Alle genoemde kenmerken zijn essentieel voor het leven zoals wij dat kennen. De modellen voor abiogenese moeten niet alleen het ontstaan van deze kenmerken afzonderlijk verklaren, maar ook hoe deze bij elkaar hebben kunnen komen om de eerste cel te vormen.
Oorsprong van organische verbindingen Alle chemische elementen, behalve waterstof en helium, zijn in de eerste plaats ontstaan uit stellaire nucleosynthese. In 2016 maakten astronomen bekend dat de meest basale chemische bestanddelen van het leven – het koolstof-waterstofmolecuul (CH•), het koolstof-waterstof-ion (CH+) en het koolstof-ion (C+) – voornamelijk gevormd worden onder invloed van ultraviolet licht afkomstig uit sterren. Complexe moleculen, zoals organische verbindingen, vormen zich van nature door interacties tussen deze deeltjes, zowel vrij in de ruimte als op hemellichamen. Computersimulaties hebben uitgewezen dat de organische moleculen die nodig zijn voor leven, gevormd konden zijn in de protoplanetaire schijf rond de zon, nog vóór het ontstaan van de planeten. Kort na de vorming van de aarde stond het zonnestelsel bloot aan een groot aantal inslaande meteorieten: het Late Heavy Bombardment. In deze periode zouden veel organische moleculen vanuit de ruimte op aarde terecht zijn gekomen.