Zonder water zou het leven zoals wij dat kennen onmogelijk zijn. Een nieuwe studie werpt nu licht op hoe water, en meer specifiek regenwater, mogelijk een sleutelrol heeft gespeeld bij de vorming van de eerste protocelwanden zo’n 3,8 miljard jaar geleden.
De studie, uitgevoerd door wetenschappers van de Universiteit van Chicago, de Universiteit van Houston en het Chicagocentrum voor de Oorsprong van het Leven, richtte zich op zogenoemde ‘coacervaatdruppels’. Dat zijn kleine bolletjes gevuld met complexe moleculen zoals eiwitten, lipiden en RNA. Deze ‘druppels’ worden vaak beschouwd als voorlopers van de eerste cellen, maar het was tot nu toe niet bekend hoe ze evolueerden tot volwaardige cellen.
Een belangrijk probleem in het onderzoek naar deze coacervaatdruppels was dat de RNA-moleculen binnen de druppels te snel uitgewisseld werden, wat leidde tot een gebrek aan differentiatie en evolutie – essentiële voorwaarden voor het ontstaan van leven. Aman Agrawal, een van de auteurs van de studie, legt uit: “Als moleculen voortdurend uitwisselen tussen druppels, dan zullen ze er na een korte tijd allemaal hetzelfde uitzien en zal er geen evolutie zijn omdat je eindigt met identieke klonen.”
‘Huid’ van regenwater
Het nieuwe onderzoek, gepubliceerd in vakblad Science Advances, toont aan hoe dergelijke druppels er uiteindelijk mogelijk toch in zijn geslaagd om zich van elkaar te differentiëren. In hun experimenten ontdekten de wetenschappers dat coacervaatdruppels in gedestilleerd water een soort ‘huid’ ontwikkelden. Deze huid maakte de uitwisseling van RNA-moleculen tussen de druppels moeilijker. Ironisch genoeg leidde dit tot een verhoogde evolutionaire druk, omdat de beperkte uitwisseling juist de mogelijkheid voor variatie en mutatie vergrootte. Moleculen hadden nu uren of zelfs dagenlang de tijd om te evolueren, vergeleken met slechts enkele minuten wanneer de huid niet aanwezig is.
Toevallig ontdekt
De ontdekking is belangrijk om te weten hoe leven is ontstaan. Maar eigenlijk was het niet de opzet van Agrawal om onderzoek te doen naar de oorsprong van het leven. In het begin van zijn carrière testte Agrawal coacervaatdruppels in gedestilleerd water vanuit het standpunt van een ingenieur. Het idee om regenwater als model te gebruiken om de oorsprong van cellulair leven te onderzoeken, kwam pas later op tijdens een gesprek met Matthew Tirrell, een onderzoeker die uiteindelijk heeft bijgedragen aan deze nieuwe studie. Dit leidde tot verdere experimenten waarbij niet alleen gedestilleerd water, maar ook regenwater uit de Amerikaanse staat Houston werd getest. Ook tijdens deze experimenten bleek het mechanisme te werken.
Een belangrijke kanttekening is dat de exacte chemische samenstelling van het primordiale regenwater wellicht verschilt van de regen van vandaag. Ook de door Agrawal onderzochte protocellen verschillen sowieso van onze vroege voorouders 3,8 miljard jaar geleden. Toch tonen de resultaten aan dat dit fysische mechanisme wel degelijk een rol kan hebben gespeeld in de vroege stadia van het leven, zegt hij. “De moleculen die we gebruikten om deze protocellen te bouwen zijn slechts modellen tot we meer geschikte vervangers vinden. Hoewel de chemie iets anders zal zijn, blijft de fysica hetzelfde.”
Nog veel vragen onbeantwoord
Hoewel deze ontdekking licht schijnt op een van de tot nu toe onbeantwoorde vragen, blijft het ontstaan van leven op aarde nog altijd een mysterie. Het is bijvoorbeeld nog altijd niet bekend hoe de eerste RNA-moleculen ontstonden. Volgens sommige theorieën ontstonden ze spontaan vanuit een primordiale ‘soep’ van organische stoffen, aangedreven door chemische en fysische processen op aarde.
Een andere theorie suggereert dat de bouwstenen van leven niet op aarde zijn ontstaan, maar dat ze vanuit de ruimte naar de aarde zijn gekomen via meteorieten of stofdeeltjes, een hypothese bekend als panspermia. Ondersteuning voor deze theorie komt uit de ontdekking van organische moleculen, onder meer op meteorieten en in interstellaire stofwolken.
Er is nog veel onderzoek nodig om de verschillende theorieën te bevestigen of te ontkrachten. Terwijl de wetenschap steeds verder de geheimen van het leven ontrafelt, komen we echter stap voor stap dichter bij de waarheid. Toch is er geen garantie dat we dit vraagstuk ooit zullen oplossen. De ultieme oorsprong van het leven blijft misschien voor altijd een mysterie.
