Het ontstaan van het leven: een theoretische en een praktische benadering

In de laatste Nature verscheen een bespreking van het nieuwste boek van Stuart Kauffman A World Beyond Physics: The Emergence and Evolution of Life  over het ontstaan van het leven, en een onderzoek naar de chemie voorafgaand aan het ontstaan van het leven. Elders vond ik een nieuwe benadering om het leven te definiëren.

Stuart Kauffman is een theoretisch bioloog zoals er maar weinigen zijn. Hij is een bioloog, maar benadert het leven als een fysicus en wiskundige. De fysische benadering houdt in dat het leven bestaat uit dode atomen en moleculen, maar méér is dan atomen en moleculen. Tegelijk is het leven gebonden aan natuurkundige wetten. Want niets kan tegen die natuurwetten ingaan. 
De wiskundige benadering bekijkt het leven als een oneindig kleine deelverzameling van de oneindige grote hoeveelheid mogelijke configuraties van moleculen. Kauffman zet het verschijnsel leven in een groter perspectief dan biologen doorgaans doen. Ik weet niet hoeveel nieuws er in dit boek staat, want ik heb het nog niet gelezen. Zijn eerste boek over dit onderwerp verscheen in 1995.

De praktische, chemische benadering vinden we samengevat in het Nature News and Views artikel 'A possible non-biological reaction framework for metabolic processes on early Earth' in Nature, 1 mei. De onderzoekers gaan uit van de meest fundamentele moleculen die het leven gebruikt en stellen de vraag: hoe ver kom je met puur chemische reacties waarvoor géén enzymen (biologische katalysoren) en géén ATP (energiedrager die alleen in cellen voorkomt) nodig zijn? Met andere woorden: prebiotic chemistry. Het verschil tussen chemische en bio-chemische reacties. Dus ongeveer de vraag die Kauffman zich ook stelt, maar dan met behulp van experimentele chemie in de reageerbuis.

Dit is heel sterk: ze starten met het absoluut minimum aantal van drie atomen: C, H, O en daaruit ontstaan spontaan 5 belangrijke koolstof verbindingen (C). Twee daarvan ontstaan zonder ATP en de andere ontstaan met behulp van ijzer (Fe2+) als katalysator. Op deze manier kunnen ze alle reactieproducten produceren die in de biochemie bekend staan als de Krebs cyclus en de glyoxylate cyclus. Twee essentiële reactienetwerken die in al het leven voorkomen. Later voegen ze nog een abiotische stikstofverbinding (N) toe en zo ontstaan er 4 aminozuren. Als je dan nog abiotische verbindingen van S en P toevoegt krijg je een voorloper van een fundamenteel biochemische energie metabolisme.

Deze benadering is typisch een bottom-up methode. Het experiment lijkt eigenlijk zo elementair dat het net zo goed 10 of 20 of 30 jaar geleden uitgevoerd had kunnen worden zou je denken. Misschien ligt 'het geheim' van dit experiment in de omstandigheden waarin de reacties plaatsvinden, o.a. een temperatuur van 70 graden en ijzerhoudend water ('hydrothermal environment'). Technisch lijkt mij dat niet echt moeilijk te realiseren.

Tenslotte nog kort een interessant artikel over de definitie van het leven. Het is uit 2011, maar ik kende het nog niet. Tot nu toe waren de definities gericht op het classificeren van leven en niet-leven in twee elkaar uitsluitende categorieën. Iets is levend of niet. Er bestaat niets daartussen. Maar de auteurs van het artikel Prebiotic chemistry: A fuzzy field daarentegen hebben een 'scale of livingness' (mate van 'levendheid') voorgesteld. Dus de mate waarin iets levend is. Zeer interessante en nieuwe aanpak geïnspireerd door fuzzy logic. Dit is een winstpunt omdat je hierdoor geen geforceerde 'onnatuurlijke' classificatie meer krijgt. De Life index = 1 voor bacteriën, planten en dieren (niet verrassend!); Life index = 0 voor rotsen, water, abiotische verbindingen, etc. (niet verrassend!) en de Life index van ribosomen, genomen, membranen, chloroplasten en mitochondria ligt tussen 0 en 1. 

Mitochondriën zijn interessant omdat (1) ze zelfstandig replicerende eenheden zijn, (2) een membraan hebben (3) DNA bevatten, (4) ribosomen, eiwitsynthese, etc. Dit maakt ze tot intracellulaire parasitair levende eenheden. Vergelijkbaar met andere parasieten die in het lichaam van een organisme leven. De Life Index zou hoog moeten zijn, misschien zelfs 1.  [1]

Het wordt pas interessant in het grijze grensgebied tussen leven en niet-leven. De winst ligt vooral in de classificatie van pre-biotische systemen. Denk ook aan Artificial Life. Overigens bestaat het gevaar dat je met Life index = 1 een 'begging the question' probleem krijgt: je hebt nog steeds criteria nodig om te bepalen waarom de Life index = 1 voor planten en dieren. Dit is de eerste conceptuele verbetering van de aanpak van de door mij zeer bewonderde en onovertroffen definitie van het leven van Tibor Ganti. Hij geeft gedetailleerde en universele criteria voor leven, maar bij hem was alles te classificeren in leven of niet-leven.

Noten

1. deze paragraaf toegevoegd op dinsdag 7 mei.

Bronnen

• Het nieuwe boek van Kauffman is besproken in Nature 1 mei: 'The new physics needed to probe the origins of life'. De inleiding is gratis te lezen op amazon (Look Inside).
• In 1995 verscheen Kauffman's boek At Home in the Universe. The Search for Laws of Self-Organization and Complexity. Dat heb ik besproken op mijn WDW website in 1998.
• A possible non-biological reaction framework for metabolic processes on early Earth is het gratis redactionele artikel over het onderzoek.
• Het originele research artikel is: 'Synthesis and breakdown of universal metabolic precursors promoted by iron' in Nature.
• De 5 C-verbindingen zijn: acetate, pyruvate, oxaloacetate, succinate and α-ketoglutarate.
• De publicatie over een nieuwe definitie van het leven is: Prebiotic chemistry: A fuzzy field, April 2011.  Zie de paragraaf: 4. On the conventional scale of “livingness.” 
• Zie mijn review van Tibor Ganti op mijn WDW website. Ik moet die pagina nog aanvullen met dit nieuwe concept. En er nog eens goed over na denken hoe ik dit ga integreren!
• "In fuzzy logic, an object A can be member of various fuzzy classes with, for each class, an index, which defines its level of membership. In the cases of the fuzzy classes “living” and “non living”, an object A will be characterized by a life index (li) equal to 1 if A is only in the class “living” and by a li of 0 if it only belongs the class “non living”. In all other situations, the li of A will be a number between 0 and 1."

 

Vorige blogs over dit onderwerp

• Een nieuwe definitie voor 'leven', blog 15 July 2014
• en verder alle blogs in de categorie:

 

Plaatsen van commentaren

Ik heb moderatie en woordverificatie voor comments op dit blog uitgezet. Desondanks moet U plaatjes beoordelen bij het inzenden van comments. Dat is niet om U te plagen! Ik kan dat niet uitzetten. Google dwingt dat af. Zie het als 'betaling' voor een gratis blog. Wordt U daar gek van, stuur het comment dan per email en dan plaats ik het.