Leven zoeken in Eindhovense oersoep
Lees meer- Onderzoek
- 15/01/2018
Leven zoeken in Eindhovense oersoep
Met een glazen bol kun je niet alleen in de toekomst kijken, maar ook in het verleden. Door in die bol leven proberen te creëren, kun je namelijk wellicht iets leren over hoe het leven ooit is ontstaan. Die zoektocht naar de oorsprong van het leven valt niet los te zien van de vraag wat leven eigenlijk ís - en wat de toekomst van het leven ons zal brengen. Die grote kwesties zijn verbonden aan een klein - maar langdurig - experiment van universiteitshoogleraar Bert Meijer en wetenschapsmuseum NEMO.
Vijf jaar lang stond een glazen bol, gevuld met water, methaan, ammoniak en waterstof in een vitrine in het Amsterdamse wetenschapsmuseum NEMO. Tussen twee als een soort duivelshoorntjes door het glas gestoken elektrodes sprongen al die tijd met de regelmaat van de klok vonkjes, in een poging om bliksem te simuleren. Die uitbarstingen van elektrische energie waren drieënhalf miljard jaar geleden namelijk wellicht de drijvende kracht bij het ontstaan van de eerste organische moleculen - de bouwstenen van het leven zoals we dat op aarde kennen.
De glazen bol vormde een publieksexperiment, een illustratie van het type experiment dat begin jaren vijftig beroemd is gemaakt door pioniers Stanley Miller (destijds promovendus) en zijn begeleider Harold Urey (die in 1934 een Nobelprijs had gekregen voor de ontdekking van deuterium). In het experiment van Miller en Urey werden na een week vijf verschillende aminozuren gevonden - de bouwstenen van eiwitten. Latere analyses, waarvan sommige pas na de dood van Miller in 2007, wezen uit dat er minstens 25 verschillende aminozuren waren gevormd. Een indrukwekkend aantal, aangezien er in de natuur maar twintig voorkomen.
Al in 2009 werd op initiatief van Rob van Hattum, wetenschappelijk directeur van NEMO, en Bert Meijer, hoogleraar Organische Chemie aan de TU/e, een eerste versie van het experiment gestart. In aanvulling op het experiment in NEMO, waar het oersoepje naar planning vijf jaar onaangeraakt zou blijven, werden aan de TU/e enkele experimenten gepland onder variërende omstandigheden. Omdat er al snel iets mis ging met de kolf in NEMO - de hals brak - en de experimenten aan de TU/e volgens Meijer toch te veel werk bleken, werd in 2012 een nieuwe poging gewaagd - alleen in NEMO dit keer.
Onze vijf jaar komt heel aardig overeen met de week van het originele experiment
Als publieksexperiment was het uiteraard bedoeling dat de oersoep in NEMO langer zou blijven staan dan de week van Miller en Urey. Ook werd gekozen voor veel mildere omstandigheden, vertelt Bert Meijer in NEMO. “Je wilt niet weten aan welke eisen zo’n tentoonstelling voor kinderen moet voldoen. Maar Miller en Urey verwarmden hun soep tot bijna honderd graden. Als je bedenkt dat de chemische reactiesnelheid grofweg verdubbelt voor elke tien graden temperatuursverhoging, en je weet dat de opstelling hier ’s avonds en ’s nachts uit wordt gezet, dan komt onze vijf jaar heel aardig overeen met de week van het originele experiment.”
Oersoep onder de loep
In het voorjaar van 2017 werd de opstelling in NEMO ontmanteld en teruggebracht naar Eindhoven, waar de inhoud werd onderzocht op de aanwezigheid van aminozuren. De analyse van de inhoud - de ingrediënten - van de NEMO-oersoep werd toebedeeld aan twee masterstudenten Scheikundige Technologie; Marle Vleugels en Martin van Son. Zij deden dit in de vorm van een student-assistentschap. Een gewichtige opdracht, maar toen ze de bol na vijf jaar openden, stond er géén kring van wetenschappers om hen heen om te zien of ze het wel goed deden, vertelt Van Son. “Marle en ik hadden voldoende ervaring in het lab, onder meer als student-assistent in de groep van Bert Meijer. We hebben uiteraard zo steriel mogelijk gewerkt. Eerst hebben we de elektroden losgeschroefd en toen met een lange, holle naald de vloeistof uit de bol gehaald. Die vloeistof hebben we onder een beschermende atmosfeer in verschillende kleine potjes bewaard.”
Om uitsluitsel te kunnen geven over eventuele bouwstenen van leven die zich in de oersoep hadden gevormd, moesten Vleugels en Van Son een hele reeks meettechnieken loslaten op de monsters die ze hadden genomen.
Behalve de vloeistof, waarin dus mogelijk aminozuren te vinden waren, onderzochten Vleugels en Van Son ook de aanslag die zich op de elektrodes had gevormd, en de stof die was neergeslagen in de vloeistof - oorspronkelijk zuiver water, maar na vijf jaar bruinig en troebel. “Het gas hebben we niet onderzocht, alle interessante stoffen zouden in het water moeten zitten, hoewel we dus ook benieuwd waren naar de vaste stoffen: de aanslag en neerslag.”
Gebruikte onderzoeksmethodes
X-ray photoelectron spectroscopy
Die vaste stoffen onderzochten de studenten met XPS (X-ray photoelectron spectroscopy). Bij deze techniek wordt de stof onderworpen aan röntgenstraling en wordt gekeken naar de elektronen die daarbij vrijkomen. “We hebben gekeken naar de elementen koolstof, stikstof, zuurstof en wolfraam - het materiaal waarvan de elektroden gemaakt waren”, legt Van Son uit. “We konden zien dat de elektrodes geoxideerd waren, en dat er organische stoffen waren gevormd - wellicht aminozuren.
Fourier-transform Infraroodspectroscopie
Ook uit een analyse met Fourier-transform Infraroodspectroscopie (FTIR) bleek dat er verschillende stoffen in de neerslag zaten, waaronder waarschijnlijk silica uit het glas. Dat is ook wel logisch, want ammoniak kan glas langzaam oplossen.”
Nuclear Magnetic Resonance
Uit een NMR-spectrum (Nuclear Magnetic Resonance) was vervolgens te zien dat er vrijwel zeker meerdere organische moleculen waren gevormd, waaronder zeer waarschijnlijk het aminozuur glycine - het aminozuur dat ook door Miller en Urey al in de grootste hoeveelheden was gevonden. Van Son: “We zagen veel pieken in het spectrum, maar als je niet precies weet waar je naar zoekt, dan is NMR niet de meest geschikte techniek.”
Massaspectroscopie
Daarom besloten de studenten om nóg een meettechniek los te laten op de oersoep: massaspectroscopie. Hierbij worden geïoniseerde moleculen met een elektrisch veld versneld richting een detector. Is dat veld te zwak, dan buigt de baan van de moleculen door de zwaartekracht te ver naar beneden door, waardoor ze de detector missen. De sterkte van het magneetveld waarbij ze de detector raken, is daardoor een maat voor de massa van de moleculen - en indirect voor de samenstelling.
Chromatografie
Maar voor je aan massaspectroscopie kunt beginnen, moet je eerst de te onderzoeken moleculen van elkaar zien te scheiden. “Dat doe je met chromatografie, waarbij je de moleculen in een oplosmiddel door een kolom met silica stuurt”, legt Van Son uit. Elk molecuul doet dat in zijn eigen tempo, zodat ze zich aan het einde van de kolom elk op hun eigen plek bevinden.
Derivatiseren
Maar ook daar was nog een extra stap voor nodig: het zogeheten derivatiseren van de moleculen. “Aminozuren kun je niet makkelijk detecteren met bijvoorbeeld UV-licht, en dat wilden we wel. Daarom hebben we een stof toegevoegd die oplicht onder UV-licht, en die bindt aan de aminegroep die elke aminozuur bevat. Zo selecteerden we meteen ook de mogelijke aminozuren.”
De aldus gescheiden moleculen gaven in de massaspectrometer hun identiteit bloot: inderdaad waren in NEMO de aminozuren glycine, alfa-alanine en bèta-alanine gevormd, net als in het originele experiment. “Daarnaast hebben we ook een kleine hoeveelheid 4-aminoboterzuur gevonden, een aminozuur dat niet in de natuur voorkomt en zelfs een stapje complexer is dan die andere drie aminozuren!”
Nieuwe soep in drievoud
Het NEMO-experiment is dus geslaagd; blijkbaar kunnen aminozuren ook onder heel milde omstandigheden ontstaan. En er zijn aanwijzingen dat er misschien nog wel meer biologisch relevante moleculen zijn gevormd, zoals stoffen die in celmembranen voorkomen. Daar gaat nu een afstudeerder mee aan de slag, laat Bert Meijer weten. Voordat die uitkomsten eventueel worden gepubliceerd, moest het experiment wat hem betreft worden herhaald, “zoals met elk wetenschappelijk experiment gedaan hoort te worden”.
Dat nieuwe oersoepexperiment is inmiddels van start gegaan. Wederom in NEMO, maar nu in drievoud. Daar staan nu namelijk drie kleinere glazen bollen. Een kopie van het originele NEMO-experiment, een bol waaraan klei is toegevoegd, en een waar de elektrodes zijn vervangen door UV-licht - zo kan worden onderzocht of een andere energiebron dan elektriciteit (de ‘bliksem’) ook volstaat.
Voor de klei is gekozen omdat dergelijke anorganische stoffen wellicht een rol hebben gespeeld in het ontstaan van leven, legt Van Son uit. “We hebben gekozen voor een zuivere vorm van kaolien, een witte klei die ook wel als chemische grondstof wordt gebruikt. Helemaal schoon dus - geen klei uit eigen tuin, want daar zit natuurlijk al veel organisch materiaal in.”
Opnieuw zullen we vijf jaar moeten wachten voor we meer weten, maar in de tussentijd leren hele generaties kinderen - en volwassenen - in NEMO iets over wat we denken te weten over het ontstaan van leven. En misschien weten we over vijf jaar zelfs meer dan ooit…
Wat ís leven?
Hoewel de kenners het in het algemeen wel eens zijn over of iets leeft of niet, is het nog verbazingwekkend lastig om een sluitende definitie te formuleren. Vaak wordt een zevental criteria genoemd: voortplanting (door celdeling of geslachtelijk), stofwisseling (energie en bouwstenen onttrekken aan de omgeving), organisatie (in cellen, weefsels en organen), groei, mogelijkheid tot aanpassing aan de omgeving, reageren op prikkels, en homeostase (vermogen om een intern milieu te reguleren).
Toch is het niet zo simpel. Vuur, bijvoorbeeld, voldoet aan veel van bovenstaande criteria, maar zouden we niet snel levend noemen. Onvruchtbare dieren, zoals kruisingen van nauw verwante soorten, bijvoorbeeld paarden en ezels (muildier en muilezel), leven echter ontegenzeggelijk. Virussen zijn een randgeval: ze kennen geen stofwisseling, maar wel DNA of het verwante RNA als genetisch materiaal. Ze zijn ‘familie’ van alle levende organismen, maar biologen beschouwen virussen zelf niet als levend.
Dan is er nog de kwestie over de aardse oorsprong van het leven. Er is geen bewijs dat de eerste levensvormen die drieënhalf miljard jaar geleden op aarde opdoken ook daadwerkelijk op onze planeet zijn ontstaan. Het lijkt mogelijk dat primitieve levensvormen vanuit elders in het heelal via meteorieten op aarde terecht zijn gekomen. Daarmee vervalt de vraag hoe het leven ooit is ontstaan natuurlijk niet, maar zouden de omstandigheden waaronder dit gebeurde wel eens heel anders kunnen zijn dan we altijd hebben gedacht. De oersoep zou weleens een heel exotisch soepje geweest kunnen zijn.
Discussie