DNA

Tijdens dit proces worden de zwakke verbindingen tussen de twee strengen in het DNA-molecuul verbroken of opengeritst.

Elke streng gebruikt dan vrije nucleotiden die aanwezig zijn in de cel, om een bijpassende streng te maken, zodat twee compleet identieke DNA-moleculen ontstaan, elk met dezelfde genetische informatie.

Om proteïnen te kunnen vormen, maakt een speciaal molecuul zich vast aan het DNA-molecuul en opent dit plaatselijk het opent de twee strengen een stukje. Bepaalde aangepaste nucleotiden die enigszins verschillen van die in het DNA lezen dat deel van het DNA af en vormen een keten. Daarna verenigingen de twee strengen zich weer en wordt het vol gende stukje van de DNA-keten geopend en afgelezen en wordt de keten weer een stukje langer. Dit proces zet zich voort tot een geheel nieuw molecuul - ribonucleïnezuur ( RNA) is gevormd dat dezelfde genetische informatie draagt als het oorspronkelijke DNA, alleen in een andere vorm gecodeerd.

Met behulp van andere moleculen, het zogenaamde tranfer-RNA, binden verschillende aminozuren die aanwezig zijn in de cel vloeistof zich aan het RNA, dat zo een mal vormt voor de vorming van een keten van aminozuren - een proteïne. Herhaling van dit proces leidt tot de vorming van een groot aantal identieke proteïnen die ieder een afdruk van dezelfde genetische code bevatten. Het grote aantal nucleïnezuren in een DNA molecuul en aminozuren in een proteïne laat een verbijsterende verscheidenheid aan mogelijke reeksen of coderingen toe voor alle mogelijke eigenschappen van een organisme. Eigenschappen zoals kleur van de ogen, voedselbehoefte, grootte en aantal ledematen of vliegvermogen zijn allemaal vastgelegd in reeksen van de juiste bouwstenen, zowel in het oorspronke lijke DNA als in het RNA en de daaruit voortvloeiende proteïnen. Op deze manier is het leven verzekerd van groei en erfelijkheid van eigenschappen, functie en voortplanting.

De details van deze processen zijn nogal ingewikkeld en behelzen onder andere factoren die hun uiteindelijke stil stand veroorzaken: de dood van een cel of van het gehele organisme.

Onze wildste fantasieën over buitenaards leven verschillen meestal weinig van hetgeen we al weten. Science-fictionwezens lijken op de een of andere manier altijd op menselijke, dier lijke of plantaardige levensvormen. Gewoonlijk ziet men leven als iets dat voortkomt in een omgeving met water, vrije zuur stof en koolstofhoudende, organische moleculen en dat al zijn energie om te groeien (indirect) onttrekt aan zonlicht. In werkelijkheid zijn er andere mogelijkheden, zoals de recent gevonden bacteriën in het 2500 meter diepe, donkere water van de Galapagos-trog, die hun energie verkrijgen uit geother mische bronnen. Er bestaan ook vele anaërobe bacteriën, waarvoor zuurstof een gif is.

Het is vrij zeker dat de aarde eens, net als de planeten Venus en Mars nu, een bijna zuurstofloze atmosfeer had en dat zuurstof op onze planeet is geproduceerd door organismen die koolzuur splitsten in zijn bestanddelen koolstof en zuurstof. Dus waren anaërobe bacteriën, die immers zuurstof produceren en afgeven, zo'n vier miljard jaar geleden waarschijnlijk de eerste levensvormen op onze planeet. Uiteindelijk vestigden zich zuurstof verbruikende organismen als de belangrijkste levensvormen.

Een levensvorm die wil blijven voortbestaan, moet een mechanisme in zich hebben dat minuscule veranderingen of mutaties toelaat. Deze kunnen de basis vormen voor aanpassing aan een veranderend milieu en zo tot vooruitgang en evolutie van de levensvorm leiden. Het is dus noodzakelijk dat de DNA moleculen toevallige mutaties of veranderingen in de volgorde van hun nucleotiden ondergaan, wil de concurrentiestrijd tussen de levensvormen door natuurlijke selectie, en een daaruit voortvloeiende evolutie, kunnen plaatsvinden.

Het is opmerkelijk dat koolstofatomen voor een grotere verscheidenheid van complexe moleculen zorgen dan de atomen van enig ander element, zoals bijvoorbeeld silicium.

We weten ook dat bepaalde elementen die belangrijk zijn voor de biologische koolstofverbindingen in gelijke mate voor komen in het zonnestelsel als elders in het heelal. De kans op leven dat niet gebaseerd is op koolstof is dus zeer gering, hoewel leven gebaseerd op een wat andere koolstofchemie denkbaar is.

In 1971 ontdekten Nobelprijswinnaar Charles H. Townes en zijn medewerkers van de universiteit van Californië in hun radio spectra voor het eerst straling van organische moleculen in de interstellaire ruimte. Inmiddels is de lijst van zulke moleculen zeer lang geworden en bevat hij vele voor het leven essentiële moleculen. Deze moleculen komen voor in dichte stofwolken in ons melkwegstelsel, die ze be schermen tegen de vernietigende ultraviolette straling van de sterren. Andere moleculen, inclusief aminozuren en nucleotiden, zijn gevonden in meteorieten die van buiten aardse oorsprong zijn.

In 1952 bootsten Harold C. Urey en Stanley L. Miller de condities na zoals die, naar men aanneemt, op aarde waren in een vroege fase van het zonnestelsel, toen er al wel organische moleculen waren maar nog geen leven. Bij deze experimenten, die later op verschillende manieren door anderen zijn herhaald, werden elektrische ontladingen geproduceerd in een vat met een mengsel van gassen die algemeen voorkwamen op de jonge aarde, zoals ammoniak, methaan, waterdamp en waterstof. Het resultaat was de vorming van bepaalde aminozuren en nucleotiden. Het blijkt dus dat de enorme elektrische ontladingen die op een aantal planeten zijn gezien, kunnen leiden tot de vorming van bepaalde bouwstenen van leven mits de juiste gassen in hun atmosferen voorkomen. Natuurlijk laten deze experimenten alleen de mogelijkheid van deze processen zien en bewijzen ze niet dat er leven op deze planeten bestaat.

Kunnen we uit al deze feiten concluderen dat er elders ook leven moet zijn? Sommige wetenschappers zijn daar vast van overtuigd, andere minder. Hoe kwamen de verschillende organische moleculen, of biologische bouwstenen, die ook in de interstellaire ruimte voorkomen, op het juiste tijd stip en de juiste manier bij elkaar om DNA, RNA en uitein delijk de complexe proteïnen te vormen? Een bevredigend antwoord is nog niet voorhanden. Vergelijk de situatie met die waarbij een groot aantal blokken waarop lettergrepen staan spontaan een lange zin gaan vormen. Vermoedelijk waren de eerste «zinnen» van ketens aminozuren en nucleo tiden veel korter dan de huidige en bevatten zij zeer weinig en mogelijk dubbelzinnige informatie. Op dit moment is een van de geliefde verklaringen voor de vorming van de lange complexe, spiraalvormige moleculen dat sommige aminozuren en nucleotiden als een dunne laag bezonken op de kleibodem van plassen. Na verloop van tijd vormden de bouwstenen die met het klei-oppervlak waren verbonden, eenvoudige ketens, die uitgroeiden tot proteïnen en andere biologische bouw stenen. Experimenten hebben aangetoond dat dit proces inderdaad mogelijk is en dat het vooral efficiënt is als de temperatuur en de hoeveelheid water periodiek veranderen op een manier die lijkt op de dagelijkse schommelingen op aarde.

Er is hoop dat dit soort onderzoek uiteindelijk alle mole culaire processen zal ophelderen die verantwoordelijk zijn voor het ontstaan van leven.

Nobelprijswinnaar Manfred Eigen en zijn collega's hebben onderzocht hoe groot de kans is op de vorming van echte genetische codes in DNA-moleculen in plaats van min of meer willekeurige ketens en wat de statistische en thermodynamische wetten van zelf-organisatie zijn die de natuurlijke selectie van prebiotische moleculen regelen. Spontaan worden lange en begrijpelijke «zinnen» gevormd als de juiste genetische moleculen stabieler zijn en zich eerder verdubbelen dan de andere. De zinnen worden dan gevormd door een wissel werking tussen eenvoudige proteïnen en nucleïnezuren. De ontwikkeling van de werking en de structuur van de genen zou dus gelijktijdig zijn opgetreden en er is dan ook geen «kip of ei»-probleem. Bovendien bestaat er een corrigerend mechanisme dat de vorming en verdubbeling van «foute» moleculen afremt.

We kunnen concluderen dat er veelbelovende onderzoekslijnen zijn die suggereren hoe niet-levende chemische moleculen onder de juiste omstandigheden tot proteïnen en levende organisme kunnen worden, hoewel er ook nog vele stukken uit de puzzel van de oorsprong van het leven ontbreken. Virussen staan op de grens van levende en niet-levende materie en blijken zich soms levend en soms niet-levend te gedragen.

Het tabaksmozaïekvirus bevat bijvoorbeeld DNA-moleculen maar geen vrije aminozuren of nucleotiden en kan zich lange tijd in een volledig inerte kristalvormige toestand be vinden. Als het echter wordt opgelost en in contact komt met bacteriën of andere cellen, injecteert het zijn DNA en vernietigt ze. Deze vernietiging vindt plaats doordat het DNA van het virus de aminozuren en nucleotiden van de cel gebruikt om proteïnen te produceren die het virus dupliceren in plaats van de bacterie zelf.

Er bestaan verschillende onderzoeksresultaten die het tijdstip van het ontstaan van leven dateren. Recent onder zoek van een bepaald gesteende in Pilbara in West-Australië toonde aan dat dit zo'n 3,4 tot 3,5 miljard jaar geleden werd gevormd door algen en mogelijk andere organismen die de bestanddelen van rotsen konden opnemen. Op dat tijdstip was de aarde ruim een miljard jaar oud. Men heeft geschat dat de aarde de eerste 400 miljoen jaar na haar vorming ongeschikt was voor leven doordat de temperatuur, druk en oppervlakte samenstelling nog niet constant waren. Hieruit blijkt dat het ruwweg een half miljard jaar heeft geduurd voordat de eenvoudigste levensvormen ontstonden. Deze organismen be stonden uit hoogstens enkele cellen, hadden waarschijnlijk geen zuurstof nodig en haalden hun «voedsel» uit de zoge naamde oersoep - het mengsel chemische verbindingen dat, naar men aanneemt, voorkwam in de eerste zeeën. In iets jongere rotsen - van 2,7 tot 2,8 miljard jaar oud - zijn georganiseerde gemeenschappen of kolonies van primitieve algen gevonden die al wat verder ontwikkeld waren en zuurstof en dus licht nodig hadden. In ongeveer 900 mil joen jaar oude gesteenten zijn organismen gevonden die al geslachtelijke verschillen vertoonden.

Er is wel geopperd dat het leven ontstond uit sporen of andere organismen die voorkwamen in interstellair of interplanetair stof en meteorieten die op aarde vielen.

Inderdaad bevatten verschillende bekende meteorieten, zoals die van Murray, Murchison en Orgueil, organische bestanddelen die iets verschillen van die op aarde. Deze suggestie verschuift het probleem van het ontstaan van leven echter alleen van de aarde naar de ruimte. Omdat het niet zeker is hoe en waar deze bestanddelen werden gevormd, vormen ze ook geen sterk bewijs voor buitenaards leven. Zo'n tien jaar geleden gingen Crick en Orgel zelfs zo ver om voor te stellen dat deze «zaden» speciaal door intelligente wezens op andere planeten naar de aarde werden gestuurd. Dit idee gaat daarom nog een stap verder, omdat het veronderstelt dat zich elders in het heelal intelligent leven in plaats van leven zonder meer, heeft ontwikkeld, voordat het leven op aarde ontstond. Er is geen bewijs vóór of tegen deze mogelijkheid en sommige wetenschappers betwijfelen of we er ooit achter zullen komen. Het sterkste tegenargument is dat er een zeer ge ringe kans is dat een DNA-molecuul de langdurige bloot stelling aan interstellaire straling zal overleven, of het moet gevangen zitten in een vrij groot vast lichaam.

Wat maakt onze planeet zo bijzonder dat zich juist hier leven kon ontwikkelen? De Engelsman Hart is door bestudering van de evolutie van de aardatmosfeer tot een voor deze vraag belangrijke conclusie gekomen. Rekening houdend met factoren zoals variatie van de zonnewarmte en de bedekkingsgraad van de hemel door wolken, heeft hij uitgerekend dat de opper vlaktetemperatuur van de aarde meer dan twee miljard jaar geleden, als gevolg van een zwak broeikaseffect, zo'n 30°C hoger was dan nu. Zou de aarde toendertijd slechts vijf procent dichter bij de zon hebben gestaan, dan was het broei kaseffect zó sterk geworden en daardoor de oppervlakte temperatuur zó ver gestegen dat leven onmogelijk zou zijn geweest. Ongeveer twee miljard jaar geleden was er door de vegetatie en de oceanen zóveel zuurstof geproduceerd en koolzuur opgenomen dat het broeikaseffect afnam; sindsdien is de temperatuur gunstig geweest voor de evolutie van leven.

Zou de aarde toen slechts één procent verder van de zon ver wijderd zijn geweest, dan zou al haar water zijn opgeslagen in gletsjers, waardoor leven zoals wij het kennen ook on mogelijk was geweest. Leven gedijt dus op aarde doordat er een wankel evenwicht bestaat tussen haar samenstelling en afstand tot de zon. Als bijvoorbeeld alle vegetatie plotse ling zou verdwijnen, zou onze atmosfeer vrijwel alle vrije zuurstof verliezen en rijk worden aan koolzuur, zoals die van Venus en Mars. Het afstandsinterval tot de centrale ster waarbinnen op een planeet een optimaal klimaat voorkomt, noemt men een leefbare zone of ecosfeer. Voor sommige sterren, zoals de zon, is de breedte van zo'n zone vrij groot; voor andere bestaat zo'n zone helemaal niet.

Deze grenzen suggereren dat een planeet zich lang genoeg in een bepaalde temperatuurzone moet bevinden, wil er leven kunnen voorkomen. Sommigen betwisten Hart's uitgangs punten en menen dat de grenzen te smal zijn. Anderen, zoals James Lovelock en Lynn Margulis, beweren dat het leven zelf, en vooral de plantenwereld, door middel van allerlei gecom pliceerde terugkoppelingen met het milieu in belangrijke mate bijdraagt aan het handhaven van een geschikt klimaat op aarde.

De vereisten voor de ontwikkeling van intelligent leven zijn veel hoger dan die voor de ontwikkeling van primitief leven. De hogere diersoorten hebben elk een zekere mate van intelligentie (hoe men die ook definieert) die afhangt van de hersencapaciteit. Wanneer de huidige mensheid is ontstaan, is niet bekend, hoewel de vondst van 1,76 miljoen jaar oude fossielen in Tanzania wijst op het bestaan van een twee voetige mensachtige die al stenen werktuigen maakte en voor zijn veiligheid en voedsel in bomen klom.

Over de waarschijnlijkheid van leven elders in het zonne stelsel is door vele wetenschappers gedebatteerd, vooral in verband met de Viking-vluchten naar Mars, waarbij ver scheidene experimenten werden uitgevoerd om het eventuele bestaan van leven daar te kunnen aantonen. Velen waren nogal optimistisch over de kans op leven op Mars, in de atmosfeer van Jupiter of op de Saturnusmaan Titan; dit optimisme berustte echter voor een groot deel op argumenten die de toets der kritiek niet kunnen doorstaan. De waarschijnlijk minimale vereisten voor leven zijn geformuleerd door Horowitz van het California Institute of Technology. Hij wees erop dat aminozuren stabiel zijn tot 475 … 575 K (200 … 300°C), dat proteïnen uiteenvallen bij een druk van meer dan 4000 atmosfeer en dat een planeet waarop leven voorkomt een gravitationeel stabiele atmosfeer moet hebben om de zeer vluchtige ontbindingsprodukten van dode organismen vast te houden voor hernieuwd gebruik. De benedengrens voor de temperatuur wordt bepaald door het vriespunt van het vloeibare medium waarin organische mole culen zich kunnen vormen en bewegen. Interessant is dat de Russische chemofysicus Goldanski heeft aangetoond, dat zelfs bij zeer lage temperaturen, bij het absolute nulpunt, nog meetbare, hoewel zeer trage proteïnevorming plaatsvindt ten gevolge van een proces dat tunneling heet. Het is echter niet zeker of dit effect veel verandert aan de boven genoemde condities voor het ontstaan en behoud van leven.

Deze condities vereisen immers een continue energiebron zoals zonlicht of een andere warmtebron.

Rekening houdend met deze overwegingen kunnen we vast stellen dat op Mercurius geen leven voorkomt, omdat de planeet een verwaarloosbare atmosfeer heeft en omdat zijn oppervlaktetemperatuur zeker in het verleden veel te hoog was. Misschien komt er leven voor in de dichte atmosfeer van Venus, hoewel deze zeer droog is en de huidige opper vlaktetemperatuur op Venus veel te hoog is. Of er in het verleden, voordat het broeikaseffect in volle sterkte op gang kwam, leven op het oppervlak van Venus voorkwam, is niet bekend. Zelfs monsters van het oppervlak zullen waar schijnlijk geen uitsluitsel kunnen geven omdat alle sporen van eventueel leven waarschijnlijk zijn uitgewist door de vermoede sterke erosie en de vulkanische activiteit. Aan de andere kant is de temperatuur van de Venusatmosfeer op hoogten tussen 30 en 70 kilometer gunstig voor leven. Het kan daar dan mogelijk voorkomen op of in deeltjes die waarschijnlijk uit zwavelzuur of stof bestaan. De belang rijkste problemen voor dit eventuele leven vormen de aanhoudende krachtige winden op Venus, de heersende verticale menging of convectie en de daaruit volgende verdamping en condensatie van de wolkdruppeltjes. Om te overleven zou een organisme zijn hoogte moeten kunnen regelen en de krachtige winden moeten kunnen trotseren. Een suggestie met een sterk tintje science-fiction was dat zulke organismen zouden lijken op kleine ballonnen die hun grootte en zweefvermogen aanpassen om op hoogten te blijven waar de temperatuur ge schikt is.

Mars was en is nog steeds voor velen de planeet met de grootste kans op leven. Naast zijn gelijkenis met de aarde zijn de belangrijkste redenen hiervoor dat hij een ijle maar niet verwaarloosbare dampkring heeft en dat zijn temperatuur niet al te ongunstig is. De mogelijkheid van vegetatie op Mars was tientallen jaren lang de voedingsbodem voor deze hoop. De dampkring bevat echter nauwelijks water en weinig stikstof, omdat deze molekulen door de zonnestraling werden ontbonden in vrije atomen die door hun kleine massa aan de zwaartekracht van Mars konden ontsnappen. Dit werd nog eens bevestigd door de biologische experimenten na de Viking landingen, waarbij geen spoor van leven werd gevonden en waarbij alle experimentele resultaten konden worden verklaard door anorganische reacties. Dit was natuurlijk een grote teleurstelling vanuit wetenschappelijk, planetologisch en emotioneel standpunt.

Toch is de fascinerende mogelijkheid dat Mars lang geleden warmer was, met vloeibaar water in overvloed - zodat toen leven mogelijk was. Als de huidige ijstijd op Mars voorbij is, kan het leven daar misschien terugkeren. Nu zijn we nog niet in staat om de werkelijke kans op het voorkomen van leven op deze planeet te schatten, maar we hebben goede hoop dat we over niet al te lange tijd bodemmonsters van Mars kunnen halen vooral van de gelaagde structuren bij de polen, die dan onder zocht kunnen worden op sporen van primitief leven.

De reuzenplaneten Jupiter en Saturnus hebben geen vast of vloeibaar oppervlak, en dus kan eventueel leven alleen voor komen in de atmosferen ervan - in de wolken, op kleine stof deeltjes of als «ballonnetjes», zoals voorgesteld voor Venus.

Zowel de atmosfeer van Jupiter als die van Saturnus heeft lagen met kamertemperaturen en beide zijn rijk aan gassen die bij elektrische ontladingen in laboratoria aminozuren en nucleotiden vormen. Toen met de beide Voyagers op beide planeten sterke elektrische stormen ontdekt werden, specu leerde men opnieuw dat er mogelijk leven is. De grootste moeilijkheid is echter hoe de diverse organische moleculen zich kunnen binden om DNA en proteïnen te vormen terwijl ze in een atmosfeer zweven. Als we de aarde als voorbeeld nemen.

zien we dat deze zeer zeldzame en ingewikkelde processen, zelfs in hun eenvoudigste vorm, een stabiele voedingsbodem, zoals de kleilagen op aarde, en duizenden, zo niet miljoenen jaren van tamelijk stabiele temperaturen vereisen. Zelfs als we aannemen dat de atmosferen van Jupiter en Saturnus vol doende stof bezitten om als stabiele voedingsbodem voor DNA molekulen te dienen, kan nog niet worden voldaan aan de tweede voorwaarde. De snelle convectie en circulatiepatronen op deze planeten - tussen lagen die zó heet zijn dat de bestanddelen voor leven zouden smelten of uiteenvallen, of zo koud dat ze vast zouden worden - suggereren dat de benodigde tempera turen slechts één dag achtereen kunnen voorkomen. Dit zou het ontstaan van zelfs de eenvoudigste levensvormen op deze twee planeten verhinderen. Een laatste argument tegen het bestaan van leven in bepaalde lagen van de atmosferen van Venus, Jupiter en Saturnus is het feit dat onze eigen atmosfeer wel vol zit met micro-organismen, maar dat deze allemaal vanaf het oppervlak zijn meegevoerd door winden en niet in de atmosfeer zelf zijn ontstaan.

Onze gegevens over Uranus en Neptunus zijn nog onzeker, maar als deze planeten een vast oppervlak hebben, moet dit in het zeer diepe, hete inwendige zijn; de buitenlagen van beide planeten vormen turbulente atmosferen, waarvoor dezelfde argumenten tegen leven gelden als bij Jupiter en Saturnus.

Pluto's zeer lage temperaturen en, chemisch gesproken, arme oppervlak sluiten elke vorm van leven uit.

Zou er leven kunnen voorkomen op de manen van de planeten? De oppervlaktetemperatuur van onze maan varieert tussen zeer koud en zeer heet, zij bezit geen dampkring en heeft deze waarschijnlijk nooit gehad. De honderden kilo's maanmonster die de Apollo-missies opleverden, tonen geen enkel teken van vroeger leven op de maan. De suggestie dat er onder de ijs achtige korsten van de Jupitermaan Europa en van de Saturnus maan Enceladus mogelijk vloeibaar water voorkomt, gaf weer een sprankje hoop op leven elders in het zonnestelsel. De argumenten hiervoor zijn echter allerminst overtuigend. Alle andere manen, met uitzondering van de opmerkelijke Saturnus maan Titan, missen een aanzienlijke atmosfeer, een voorwaarde voor leven. Dit geldt ook voor de planeto‹den: zij zijn de klein om een atmosfeer vast te houden. Er is wel een kleine kans dat sommige ervan ijsachtige kernen hebben die deels vloeibaar worden gehouden door warmte van radioactief ver val en zo misschien een geschikte omgeving voor micro organismen vormen.

Over Titan, de grootste maan van Saturnus, is lange tijd het meest gespeculeerd wat buitenaards leven betreft. Als gevolg van de Voyager-metingen zijn onze ideeën over deze maan echter drastisch veranderd. De oppervlaktetemperatuur is er veel lager dan werd verwacht en veel te laag voor hetzij water, hetzij vloeibare ammoniak. Wel kan het hoge methaangehalte van zijn atmosfeer mogelijk leiden tot poelen van vloeibaar methaan en tot de vorming daarin van een hele serie organische verbindingen. Onlangs is op Titan de aan wezigheid aangetoond van sommige van zulke verbindingen waarin stikstof voorkomt. De ontdekking van deze organische verbindingen vormt echter nog allerminst bewijs voor leven op Titan. Door de lage temperaturen moet de kans op leven ook erg laag worden geschat.

Resumerend komen we tot de in vele opzichten teleurstellende conclusie dat het zeer onwaarschijnlijk is dat er elders in het zonnestelsel leven voorkomt. Of er op Mars of op Venus ooit een of andere levensvorm heeft bestaan is een vraag die mogelijk door verder planeetonderzoek kan worden be antwoord. Ook is er een niet geheel verwaarloosbare kans dat er na de huidige ijstijd op Mars weer leven verschijnt op deze planeet, hoewel we geen idee hebben van de aard van zulk leven. Als de mensheid tegen die tijd niet is uitgeroeid door oorlog of ongecontroleerde vervuiling, is er een kans dat de interplanetaire ruimtevaart zover is ontwikkeld dat het leven van de aarde kan worden overge bracht naar Mars.