Pizza versus oersoep

Marianne Heselmans 18 april 1996 NRC

Het leven begon op het gesteente pyriet, zegt de Duitse chemicus Günter Wächtershaüser, en niet in een 'oersoep'. Zijn theorie heeft inmiddels flink wat aanhangers.

Vierenhalf miljard jaar geleden werd de aarde geboren. Een half miljard jaar later was er water waarin binnen tweehonderd miljoen jaar eencellige wezens rondzwommen. Hoe kon het leven zich zo snel ontwikkelen?

In 1938 veronderstelde chemicus A.L. Oparin dat de eerste oceaan een soort 'oersoep' was van water met eenvoudige organische moleculen. Hierin zouden eens, bij toeval, organismen zijn gevormd. Later wisten andere chemici met nagebootste oersoepen, oerluchten en bliksemschichten inderdaad een indrukwekkende hoeveelheid bouwstenen van eiwitten en het erfelijk materiaal RNA te maken.


De theorie is echter niet overtuigend. Onder de titel 'Geen soep voor starters' noemt het biochemisch blad TIBS in (Trends in Biochemistry Science) september 1995 de tekortkomingen: essentiële biomoleculen zijn uit oersoepen nog niet gevormd. Bovendien steunen veel experimenten op reducerende oerluchten met methaan of waterstof. Dat stemt niet overeen met recente geochemische gegevens, volgens welke de oerlucht bestond uit kooldioxide, koolmonoxide en stikstof.

TIBS haalt een alternatief scenario aan, in 1988 gepubliceerd door Günter Wächtershaüser. Zijn ideeën hebben de laatste jaren flink aan populariteit gewonnen. De gezaghebbende evolutiebiologen J.M. Smith en E. Szathmary zijn er in hun boek 'The major transitions in evolution' (1995) erg positief over. Volgens de auteurs biedt de 'pizza-theorie' de oplossing voor een aantal tekortkomingen van de 'soeptheorie'.

Zonder televisie

In het dagelijks leven is Wächtershäuser jurist in München, gespecialiseerd in patenten op chemische uitvindingen. Levend zonder televisie werkt hij 's avonds en in het weekend aan zijn theorie. Zijn vrouw helpt hem bij de afwerking van de publicaties. Een chemicus in Straatsburg doet experimenten voor hem.

Op een onlangs in Wageningen georganiseerd biochemisch symposium was Wächtershäuser slotspreker. Daar erkende hij dat hij altijd moeite heeft gehad met de soeptheorie. Het is erg onwaarschijnlijk dat kleine moleculen die vrij zweven in een oerzee, grote biomoleculen vormen. Volgens de thermodynamische wetten streven immers alle moleculen naar zoveel mogelijk bewegingsvrijheid. Waarom zouden kleine moleculen in een oerzee dit opgeven door samen te gaan in één groot biomolecuul?

In april 1978 komt de Duitser tot de ontdekking dat het leven wellicht op een vast oppervlak is ontstaan. Gebonden aan zo'n oppervlak zijn moleculen beperkt in hun bewegingsvrijheid
. In een model waarin moleculen langzaam bewegen over een gesteente, is samenvoeging tot grotere moleculen veel waarschijnlijker. Maar welk gesteente diende als oppervlak?

Na negen jaar studie kwam Wächtershaüser tot een gesteente dat aan alle chemische eisen voldoet om biomoleculen te formeren: het glanzend goudgele, en veel voorkomend gesteente pyriet of ijzerdisulfide (FeS), een verbinding van ijzer en zwavel die ondanks zijn hardheid makkelijk verweert en verkorrelt. Het positief geladen pyriet bindt een aantal uit de biochemie bekende, negatief geladen biomoleculen. Het bindt deze zo dat ze zich wel kunnen bewegen, maar niet van het gesteente afraken.

Zeker zo belangrijk is de levering van energie en reducerende kracht, nodig voor het synthetiseren van biomoleculen. De soeptheoretici stellen zich voor dat de eerste RNA-organismen energie kregen door moleculen uit de oersoep te eten. Wächtershaüser ging uit van zogeheten oppervlakte-organismen, die de energie voor molecuulsynthese haalden uit een bepaalde chemische reactie. Bij de vorming van pyriet - uit ijzersulfide (FeS) en waterstofsulfide (HS) - blijkt zoveel energie vrij te komen dat kooldioxide gemakkelijk wordt gebonden tot grotere organische zuren. En laat deze pyrietvorming nu ook net de nodige reducerende kracht, de nodige elektronen voor de synthese van biomoleculen, kunnen leveren.

In 1988 publiceerde Wächtershaüser zijn theorie: 'De onderzoekers die al jaren experimenteerden volgens de soeptheorie zagen er niets in', herinnert hij zich in de lounge van het Internationaal Agrarisch Centrum te Wageningen. 'Dat is ook wel te begrijpen, want acceptatie zou hun werk minder belangrijk maken. Maar de onderzoekers die werkten aan de zijlijn van deze vragen, zoals biochemici die enzymen onderzoeken, zijn enthousiast. Door hen word ik regelmatig uitgenodigd.'

De chemische experimenten die de Duitse advocaat uitvoerde zijn veelbelovend. 'We merken dat je pyriet kunt gebruiken voor een heleboel biochemische reacties. Met pyriet maakten we uit nitraat ammonia, een bouwsteen van eiwitten. Niemand heeft nog eerder ammonia weten te krijgen onder primitieve condities. We kregen met pyriet ook enorme opbrengsten amides, die de bindingen vormen tussen twee aminozuren.'

Wächtershaüser maakt aannemelijk dat de binding van kooldioxide tot organische zuren op pyriet, verliep via een variant op de bekende citroenzuurcyclus. Nu breken organismen via de citroenzuurcyclus organische zuren juist áf tot kooldioxide, om energie te krijgen. De primitieve oppervlakte-organismen gebruikten de omgekeerde route voor molecuulsynthese, zoals sommige moderne bacteriën ook doen.

Toen de vermaarde wetenschapsfilosoof Karl Popper nog leefde, was Wächtershaüser gewend zijn ideeën met hem te bespreken. In zijn publikaties - en dat is vrij ongebruikelijk voor chemici - wijdt hij namelijk ook altijd uit over de aard van zijn onderzoek.

Speculatieve theorieën over het ontstaan van het leven moeten biologische feiten uit het heden kunnen verklaren, stelt Wächtershäuser. Daarnaast moet de theorie zo gedetailleerd zijn dat ze uitnodigt tot experimenten. 'Theorieën die chemische experimenten kunnen voorspellen zijn het beste', licht hij toe. 'Maar als alle chemische experimenten bevestigend zijn wil dat niet zeggen dat de theorie waar is. Chemische experimenten antwoorden niet op de biologische vraag hoe leven is ontstaan. Een theorie antwoordt daar beter op, naarmate ze meer biologische feiten kan verklaren.'

De pyriet-theorie verklaart meer biochemische feiten: 'De biochemie wordt gedetermineerd door enzymen die reacties katalyseren. In veel van deze enzymen is het reactie-centrum een ijzerzwavelverbinding. Dat verwijst naar het pyriet, dat ook een ijzerzwavelverbinding is. Het eiwit is er later omheen gebouwd. Je ziet ook dat bacteriën die onder de veronderstelde oeromstandigheden leven - hoge temperatuur, geen zuurstof - de meeste enzymen hebben met ijzerzwavelverbindingen erin.'

Wächtershäuer veronderstelt dat biochemische routes op pyrietkristallen beginnen met het vormen van organische zuren, en dat de routes steeds ingewikkelder worden, steeds meer zijtakken krijgen. Net zolang tot ze ook vetten maken. Al snel verdringen zich dan op een korreltje pyriet zoveel vetten, dat ze losraken en rond het uiteenvallend kristalletje een primitieve membraan vormen. Wanneer uiteindelijk ook energie-drager ATP en elektronendonor NADH worden gemaakt, kunnen reacties buiten pyrietvorming. Ze raken één voor één los van de ijzerzwavelverbinding: een proto-cel ontstaat.

Wächtershaüser: 'Ik kan met mijn theorie ook verklaren waarom membranen aan de binnenkant negatief zijn en aan de buitenkant positief. De negatieve groepen zaten aan het positieve pyrietdeeltje. En waarom zijn er zoveel biomoleculen met zwavelatomen? Omdat in de pyrietchemie zwavel zo'n belangrijke rol speelt.'

'De soeptheorie ziet het ontstaan van leven als toevallig', vergelijkt Wächtershäuser. 'Als je opnieuw met een soep start, moet je maar afwachten of het weer gebeurt. Mijn theorie is deterministisch. Wanneer de juiste omstandigheden er eenmaal zijn - water, waterstofsulfide, ijzersulfide, koolstofdioxide, stikstof, hoge temperatuur - vormen zich onherroepelijk biomoleculen, altijd volgens hetzelfde pad. En die reacties verlopen bijzonder snel: binnen dagen of weken hebben zich deze moleculen gevormd. Ik denk dat er nog steeds plaatsen op aarde zijn waar leven op pyriet ontstaat. Het is alleen niet te meten, want er zitten altijd micro-organismen op die zich met de biomoleculen voeden. Het proces is ook niet makkelijk in een laboratorium na te bootsen; je moet precies de goede omstandigheden vinden zoals druk, zuurgraad en mineralen. Een hele puzzel.'

Wächtershaüser gaat er vanuit dat alles wat over evolutie wordt gezegd, fout is. De wetenschapsgeschiedenis leert dat de meeste theorieën er naast zaten. Dus ook zijn eigen theorie en zelfs Darwin's theorie, wordt op een dag verworpen.

'Darwin's theorie gaat niet over het ontstaan van het leven, hoewel zijn boek zo heet. Het beantwoordt de vraag hoe de ene soort in de andere overgaat. Daarbij stelt hij selectie en competitie centraal. Individuen vechten om dezelfde bronnen. Wie beter is overwint, en dankzij isolatie kan een populatie gunstige eigenschappen voor zichzelf houden en een eigen soort vormen. Deze biologische selectie heb ik niet nodig. Tot er cellen zijn met een genetische machine, is er geen isolatie en geen competitie. Er is maar één vorm van leven. Natuurlijk, het ene molecuul kan zich beter op pyriet handhaven dan het andere, maar dat is chemische selectie. Biologische selectie begint pas als cellen zich isoleren. Ze worden complexer, krijgen meer mogelijkheden, en daarmee wordt ook toeval belangrijker. Zo begint het leven met determinisme, en eindigt het met toeval.'