Het ontstaan van leven

Over het ontstaan van leven bestaan veel theorieën. Volgens de wetenschap is de aarde ongeveer 4,6 miljard jaar geleden ontstaan. Leven op aarde was toen nog niet mogelijk. Volgens de theorie die in dit artikel wordt beschreven, heeft leven er zelf voor gezorgd dat leven op aarde mogelijk werd! Dit klinkt als een kip-en-ei verhaal, maar toch is de theorie heel logisch. Wat was er nodig om dit leven tot stand te brengen? De omstandigheden die hiervoor nodig waren op deze planeet, zijn helemaal niet speciaal en hoeven zelfs niet uniek te zijn. Het enige wat nodig was, was gasmengsel uit vulkaanuitbarstingen en energie!

De atmosfeer

Toen de aarde ontstond, was leven niet mogelijk door de hoge temperatuur die er toen heerste, het ontbreken van een ozonlaag (waardoor schadelijke straling van de zon niet tegengehouden kon worden) en veel giftige stoffen. De voorwaarden voor het ontstaan van leven moesten nog gecreëerd worden.

Hoe zag deze aarde eruit? Ongeveer 4 miljard jaar geleden was de aardkorst nog vloeibaar. De kern van de aarde is (en was) heel heet. Het hete gesteente steeg naar het aardoppervlak en koelde daar af. Het afgekoelde gesteente zakte weer naar beneden. Het resultaat was een stroming van gesmolten gesteente, en dit verschijnsel heet convectie.

In de kern van de aarde zitten gassen die verantwoordelijk waren voor het ontstaan van de oeratmosfeer. Dankzij convectie was het mogelijk deze gassen naar buiten te brengen. Oeratmosfeer bestond uit een mengsel van stikstof, waterstof, waterdamp, waterstofsulfide, methaan en koolmonoxide. Deze gassen komen nog steeds vrij bij vulkaanuitbarstingen. De oeratmosfeer bevatte nog geen zuurstof.

Waterdamp in de oeratmosfeer regende op de aarde neer. Ook zijn er veel kometen op aarde ingeslagen, ook in de vorm van ijs. Dankzij de regen en de kometen van ijs zijn er oceanen ontstaan. De oceanen waren cruciaal in het ontstaan van leven op aarde.

Biogenese

Biogenese is het ontstaan van leven uit levenloze materie. In de oeratmosfeer zaten heel veel anorganische stoffen. De Amerikaan Miller is het in 1951 gelukt om uit een mengsel van ammoniak, methaan, waterstofgas en waterdamp, organische verbindingen te creëren. Dit deed hij door dit mengsel bloot te stellen aan elektriciteit. Het resultaat was dat er onder andere aminozuren en nucleotiden ontstonden. Een proefopstelling van Millers experiment vind je in Naturalis in Leiden.

De theorie is dat de gassen uit de oeratmosfeer kunnen ioniseren onder invloed van de energie uit bliksemontladingen, UV-straling, lava en botsingen met meteorieten. Zo kan er koolstof, waterstof, zuurstof en stikstof vrijkomen. Deze ionen kunnen ook met elkaar reageren, waardoor er onder andere koolhydraten, vetzuren, aminozuren en nucleotiden kunnen ontstaan. Deze stoffen vormen de basis voor al het leven op aarde!

Deze organische verbindingen kwamen terecht in de zee. Door verdamping van het water werd de concentratie van het aantal organische verbindingen groter. Hierdoor konden kleinere moleculen zich samenvoegen waardoor grotere moleculen ontstonden. Nucleotiden vormden zich bijvoorbeeld tot DNA-strengen. Dankzij basenparing is het vervolgens mogelijk dat zich langs deze strengen nieuwe strengen vormen, waardoor voortplanting mogelijk werd gemaakt. Basenparing is de binding tussen de stikstofbasen C en G, en A en T (of U, in het geval van RNA). DNA bestaat zo uit twee delen. Deze stikstofbasen worden bij elkaar gehouden met waterstofbruggen: de stikstofbasen C en G zijn verbonden met drie waterstofbruggen en de binding tussen A en T/U wordt mogelijk gemaakt door de binding met twee waterstofbruggen. Omdat A altijd met T/U koppelt en C altijd met G, is het dus mogelijk om de andere helft van de streng te reproduceren. Aangezien DNA alle processen in een cel stuurt, kon het eerste leven zich voortplanten. DNA kan zich zowel buiten als binnen een levende cel vermenigvuldigen.

De eerste vormen van leven

Van de allereerste vormen van leven zijn geen fossielen gevonden, want deze vormen van leven hadden geen harde delen. De oudste fossielen zijn 3,5 miljard jaar oud. Het is gebleken dat alle fossielen die ouder zijn dan 1,4 miljard jaar, hele simpele organismen waren. Ze waren eencellig en hadden geen celkern of organellen. Een organel is een onderdeel van een cel dat een specifieke functie heeft. Deze organismen worden prokaryoot genoemd. Ook de bacteriën die wij nu kennen zijn prokaryoot.

De eerste versies van deze prokaryote organismen verkregen hun energie uit de afbraak van organische stoffen die in het water rond dreven. Deze organismen konden dus leven zonder zuurstof. Organismen die kunnen leven in een milieu zonder zuurstof heten anaërobe organismen. Voor deze prokaryote organismen was zuurstof zelfs giftig. Het probleem was dat het aantal organische stoffen beperkt was, dus bestond het risico dat al het leven op aarde zou uitsterven.

Ongeveer 2,8 miljard jaar geleden ontstonden de prokaryote organismen die geen organische stoffen nodig hadden om te leven, en zuurstof produceerden. De huidige cyanobacteriën zijn met deze organismen te vergelijken. Organismen die zuurstof nodig hebben om te leven heten aërobe organismen. Ze leefden door middel van fotosynthese, een proces dat nog steeds plaats vindt in planten. Fotosynthese is het proces waarin koolstofdioxide, water en lichtenergie omgezet wordt in glucose en zuurstof.

Zuurstof was giftig voor de anaërobe organismen. Deze stierven dan ook ongeveer 2 miljard jaar geleden uit. Door middel van natuurlijke selectie ontstonden er uit deze anaërobe organismen, organismen die juist zuurstof nodig hebben voor de afbraak voor organische stoffen. Zo creëerden ze samen met de zuurstof producerende organismen een evenwicht.

Het ontstaan van cellen met organellen

Eukaryote cellen zijn cellen met een celkern en organellen. Eukaryote organismen zijn ongeveer 1,5 miljard jaar geleden ontstaan. Het ontstaan van deze cellen is te verklaren met de endosymbiosetheorie. Deze theorie gaat ervan uit dat grotere prokaryoten in staat waren om andere prokaryoten in zich op te nemen.

Het kernmembraan is een dubbel membraan met kernporiën. Het DNA heeft zich waarschijnlijk op een bepaald punt aan het celmembraan gehecht en het celmembraan heeft vervolgens dit DNA in het midden "geduwd". Het endoplasmatisch reticulum zou op dezelfde manier zijn ontstaan. Ook levende bacteriën van buitenaf konden op deze manier in de cel komen. Opgenomen cyanobacteriën zijn waarschijnlijk ontwikkeld naar chloroplasten (bladgroenkorrels), en opgenomen aërobe bacteriën hebben zich waarschijnlijk ontwikkeld tot mitochondriën (deze voorzien de cel van energie). Dit is een hele logische theorie, aangezien mitochondriën en chloroplasten eigen DNA bevatten. Bovendien lijkt het DNA van mitochondriën en chloroplasten meer op het DNA van nu levende bacteriën dan op het DNA in de celkern.