Hoe is het leven begonnen? We zullen nooit met zekerheid weten hoe de aarde er vier miljard jaar geleden uitzag, of wat voor reacties er toen tot het ontstaan van leven leidden, maar er is een andere manier om de vraag te stellen. Als we vragen “hoe kan het leven beginnen?” in plaats van “hoe is het leven begonnen?”, biedt die simpele verandering van werkwoord hoop. Het lijkt mogelijk dat we een reeks voor de hand liggende stappen in de richting van het ontstaan van leven kunnen aantonen, misschien leidend tot een synthetische versie van leven in het laboratorium. We zullen dan een bevredigend antwoord kunnen geven op de tweede vraag: Hoe kan leven op de aarde en op andere bewoonbare planeten ontstaan?
De eerste stap op weg naar leven is een fundamentele vraag die we kunnen beantwoorden: Waar komen de elementen van het leven vandaan? Kijk eens naar het vereenvoudigde periodiek systeem hieronder. Zie je de zes elementen in het groen? Dat zijn de biogene elementen.
Als je alle atomen optelt waaruit een levende cel is opgebouwd, vertegenwoordigen deze zes bijna 99% van de elementaire samenstelling van eiwitten, nucleïnezuren en celmembranen. Het leven heeft deze zes elementen wel nodig, maar het werkt alleen als de elementen tot moleculen zijn gecombineerd.
Laten we eens kijken wat er gebeurt als we twee of meer van de elementen samenvoegen in een verbinding. Koolstof en waterstof, bijvoorbeeld, worden koolwaterstoffen, en de koolwaterstofketens in celmembranen zijn een essentieel onderdeel van het leven. Als we drie elementen laten samengaan, zoals koolstof, waterstof en zuurstof, krijgen we koolhydraten zoals suiker en cellulose. Vijf elementen – koolstof, waterstof, zuurstof, stikstof en zwavel – vormen de aminozuren van eiwitten, en als we fosfor inruilen voor zwavel, vormen vijf elementen ook nucleïnezuren zoals DNA. Ook al kennen we de uiteindelijke bron van biogene elementen, we moeten ook weten hoe ze verbindingen worden, en vervolgens hoe de verbindingen voldoende complex werden om leven te laten ontstaan op de steriele Aarde vier miljard jaar geleden.
Nu kunnen we terugkeren naar de bron van de biogene elementen. Op één uitzondering na zijn de biogene elementen in al het leven op Aarde, inclusief het elementaire silicium en ijzer (waaruit de Aarde zelf is opgebouwd) gesynthetiseerd in sterren. De uitzondering is waterstof, en de enige reden waarom het op Aarde aanwezig is als een van de biogene elementen is dat de waterstof in water-H2O-het geluk had niet door de zon te worden ingevangen toen ons zonnestelsel werd gevormd. In feite maakt waterstof, in aantallen atomen, ongeveer 70 procent uit van alle atomen in het leven op aarde.
Hoe zouden de elementen van het leven afkomstig kunnen zijn van sterren? In 1946 had Fred Hoyle, een jonge Britse astronoom, een idee. Hoyle zat vol ideeën en publiceerde de meeste moedig, maar slechts één ervan heeft de experimentele en theoretische beproeving overleefd. Om zijn idee te begrijpen, moeten we ons een beetje middelbare school scheikunde herinneren. Alle materie bestaat uit atomen, en alle atomen hebben een kleine kern die bestaat uit deeltjes genaamd protonen en neutronen, die omgeven zijn door baanwolken van veel lichtere elektronen. Maar in sterren is de temperatuur zo hoog dat de elektronen eraf vallen, zodat sterren zoals onze zon bestaan uit een gas van naakte atoomkernen, meestal waterstof en helium. Waterstof is het lichtste element, met een enkel proton in de kern, en helium is het op een na lichtste element, met twee protonen en twee neutronen in de kern. Wanneer de temperatuur hoog genoeg is, ongeveer 10 miljoen graden, verbinden de waterstofatomen zich tot helium en komt een enorme hoeveelheid energie vrij. Dit is de energie die sterren doet schijnen.
Hoyle’s briljante inzicht was dat een tweede fusiereactie begint als een ster het einde van zijn leven nadert en zijn temperatuur de 100 miljoen graden nadert. Op dat moment versmelten twee heliumkernen tot beryllium, het lichtste metaalelement, dat vervolgens met een andere heliumkern kan versmelten tot koolstof. Eerdere theoretische modellen hadden al laten zien dat als er koolstof beschikbaar is in een ster, er stikstof en zuurstof kan worden gevormd in een proces dat de koolstof-stikstof-zuurstofcyclus wordt genoemd en dat de belangrijkste bron van fusie-energie is in grote, hete sterren die op weg zijn om nova’s en supernova’s te worden. Die modellen bevatten geen bron van koolstof, en dit is waar Hoyle een leemte opvulde.
Om kort te gaan, de atomen koolstof, stikstof, zuurstof, zwavel en fosfor waaruit al het leven op aarde bestaat, zijn gesmeed in sterren bij temperaturen die heter zijn dan welke waterstofbom dan ook. Als levende organismen zijn wij op geen enkele manier gescheiden van de rest van het universum. In plaats daarvan lenen we voor een paar jaar een minuscuul deel van zijn atomen en nemen die op in de voorbijgaande moleculaire structuren van cellen die de levende eenheid vormen van al het leven op aarde.
Featured image credit: “Vlindernevel in smalle band van Zwavel, Waterstof en Zuurstof” door Stephan Hamel. CC BY-SA 4.0 via Wikimedia.