27.1. Op zoek naar het begin Op grond van de huidige wetenschappelijke kennis wordt aangenomen dat de aarde ongeveer 4,5 miljard jaar geleden is ontstaan, en dat het allereerste leven zich vermoedelijk 3,8 miljard jaar geleden heeft ontwikkeld. De oudste goed herkenbare fossiele cellen zijn 3,5 miljard jaar oud. Uit die tijd kent men al zeker 11 verschillende soorten cellen. De omstandigheden op aarde waren in het begin allerminst rustig en aangenaam. De atmosfeer bevatte geen vrije zuurstof en was ongeschikt voor leven: zij bevatte giftige ammoniak en bestond hoofdzakelijk uit N 2 en CO 2. De bliksem was niet van de lucht, er was een intensieve ultraviolette straling, doordat er nog geen beschermende ozonlaag was gevormd. Bovendien vonden er vaak inslagen van meteorieten plaats. Toch zijn het waarschijnlijk juist deze onaangename omstandigheden geweest, die het ontstaan van leven mogelijk maakten. Het apparaat van Miller en Urey In 1953 wilden Stanley Miller en Harold Urey aantonen dat in die onaangename omstandigheden de bouwstenen van het leven zouden kunnen zijn gevormd. Zij bootsten in hun laboratorium de omstandigheden van de jonge aarde na: in een glazen apparaat deden ze water, met daarboven een gasmengsel van waterstof, ammoniak en methaan (men dacht toen dat de atmosfeer hieruit bestond). Daarin lieten ze elektrische vonken als bliksemschichten fungeren. Ze lieten het een week bliksemen. Toen was er tegen het glas een kleverig laagje afgezet, dat uit aminozuren bleek te bestaan: de bouwstenen van het leven. Dit resultaat bracht een geweldige sensatie teweeg: er was immers aangetoond dat er inderdaad vanzelf leven (tenminste de bouwstenen ervan) zou kunnen zijn ontstaan op aarde. De oerzee zou geleidelijk zijn veranderd in een oplossing van allerlei organische stoffen, een prebiontische soep, waarin het leven zou zijn ontwikkeld.
Maar DNA en RNA, minstens even essentieel als aminozuren, hoe ontstonden die dan? En er kunnen zich dan wel aminozuren vormen, maar je hebt dan nog lang geen leven. 27.1.1. Leven uit de ruimte? De Adelaarnevel gefotografeerd door de Hubble (door NASA gelanceerde ruimtetelescoop). In deze enorme nevels worden sterrenstelsels geboren. De nevels bestaan voor een belangrijk deel uit organische moleculen Aan het eind van de 19de eeuw kwam de Zweed Arrhenius (Nobelprijs voor de scheikunde 1903) met de theorie dat het leven niet op aarde is begonnen, maar met meteorieten uit de ruimte op aarde was 'gezaaid'. Door een aantal onderzoekers werd deze opvatting serieus genomen, maar de meeste wetenschappers geloofden er niet in. Dan blijft natuurlijk de vraag staan, hoe het leven ergens anders is begonnen. Ruimteonderzoek toonde kort geleden aan dat er in de ruimte enorme massa s organisch materiaal aanwezig zijn. Meteorieten blijken grote hoeveelheden organisch materiaal te bevatten. Bovendien weten we nu dat dagelijks gemiddeld dertig ton ruimtestof op aarde terecht komt, dat tot 50% organisch materiaal bevat. Uit infraroodspectrumonderzoek blijkt dat de donkere nevels die in de ruimte aanwezig zijn ook veel organische moleculen bevatten. Het apparaat waarin de omstandigheden in de ruimte worden nagebootst en waarin organische moleculen worden gevormd. Vergelijking van de infrarood absorptiespectra laat zien dat de samenstelling van het hier gevormde ijs sterk lijkt op die van het ijs in de ruimtewolken
Onderzoekers van NASA bouwden een apparaat dat doet denken aan dat van Miller en Urey, waarin de omstandigheden in de ruimte werden nagebootst: een zeer lage temperatuur (25 graden Kelvin), (bijna-)vacuüm, zeer kleine hoeveelheden van diverse gassen (zoals ze in de ruimtewolken voorkomen), sterke UV-straling en een schijfje zout, dat de rol speelt van een ruimtestofdeeltje. Er worden na verloop van tijd uiteenlopende organische moleculen gevonden, zoals ketonen, ethers, alcoholen en andere. Ook ontstaan er vetzuurachtige verbindingen, die zich in water spontaan tot blaasjes verbinden waarbinnen vaak diverse organische moleculen gevangen zitten. Je zou ze oermembranen' kunnen noemen want de membranen van cellen hebben een structuur die er sterk aan doet denken. Soms vindt men verbindingen, die sterk lijken op gedeelten van chlorofyl, die ook licht kunnen omzetten in chemische energie. Deze verbindingen zijn ook in meteorieten aangetroffen. 27.1.2. De RNA-wereld Het vanzelf ontstaan van de organische bouwstenen lijkt dus niet zo onwaarschijnlijk. Bij de hypotheses over het ontstaan van de eerste cellen bleef echter nog lang een kip-of-ei-probleem bestaan: eiwitten kunnen niet ontstaan zonder DNA en RNA, en DNA en RNA kunnen niet ontstaan zonder eiwitten (enzymen). Tot men ontdekte dat RNA ook spontaan kan ontstaan uit onder andere een bepaald soort vulkanisch gesteente; het was in het laboratorium na te bootsen. RNA is een bijzonder molecuul: het draagt enerzijds een stuk genetische code, maar er bestaat ook RNA dat zelf ook als enzym werkzaam kan zijn. Hiermee was een mogelijk antwoord gevonden op de vraag, met welke verbindingen het allereerste leven zich ooit kon handhaven. Sinds deze ontdekking spreekt men van een RNA-wereld : de allereerste levensvormen zouden hebben bestaan uit een systeem, waarin niet DNA, maar RNA de genetische code droeg, en tegelijk een rol speelde in het regelen van chemische reacties. 27.1.3. Leven op andere planeten? Vloeibaar water is een essentiële voorwaarde voor het ontstaan en voortbestaan van leven. Het lijkt er op, dat van de planeten in ons zonnestelsel alleen de aarde daar de juiste temperatuur voor heeft gehad (en nog heeft). Andere planeten in ons zonnestelsel zijn te heet (zoals Venus) of te koud (zoals Mars). Op Mars was ooit vloeibaar water aanwezig; wetenschappers achten het mogelijk dat daar ooit primitief leven is geweest. Mars is kleiner dan de aarde, de zwaartekracht is daardoor een stuk kleiner, daardoor heeft Mars waarschijnlijk veel waterdamp verloren, naast andere gassen die misschien ooit de atmosfeer daar vormden verloren. Daardoor is daar ook geen broeikaseffect dat de temperatuur binnen leefbare waarden houdt. Het onderzoek is in volle gang. Mei 2008 is de NASA-robot op Mars geland, deze zal zoeken naar mogelijke sporen van leven (zie de bron). Als er in andere zonnestelsels planeten van de juiste afmetingen op de juiste afstand van hun ster (= de zon) staan, zou daar ook leven kunnen zijn ontwikkeld. Zeker na de ontdekking van het vele organische materiaal in de ruimte, zijn exobiologen' ervan overtuigd, dat er op vele plaatsen in de ruimte leven moet zijn. De kans is echter vrijwel nihil, dat er organismen zoals wij en beschavingen zoals de onze zouden zijn ontwikkeld. Op aarde bestond het leven voor het grootste deel van de tijd - zeker drie miljard jaar - tenslotte ook alleen maar uit eencelligen. En de tijd dat er beschaving was, valt helemaal in het niet bij de totale aardgeschiedenis. Bovendien zou eventueel leven in andere zonnestelsels lichtjaren ver weg zijn, zodat er nooit sprake kan zijn van contact. 27.1.4. Toetsvragen bij 27.1 [Tip: je kunt de bron je verkleinen door uit te zoomen met ctrl- of door de paginagrootte op 50% in te stellen] In 1953 voerde Stanley L. Miller een experiment uit waarmee hij wilde aantonen dat organische stoffen uit anorganische stoffen zouden kunnen zijn gevormd. Zijn proefopstelling is weergegeven in bron 27.1.4.1. In een luchtdicht afgesloten apparaat liet hij een mengsel circuleren van de volgende vier gassen:
methaangas (CH 4 ), ammoniak (NH 3 ), waterstofgas (H 2 ) en waterdamp (H 2 O). Miller koos voor dit mengsel, omdat hij meende dat de atmosfeer ooit uit deze gassen was samengesteld. Dit mengsel werd langs elektroden gevoerd waartussen elektrische ontladingen plaatsvonden. Na een week analyseerde hij de inhoud van het apparaat en constateerde dat een groot aantal organische verbindingen, waaronder aminozuren, was ontstaan. Uit deze waarneming concludeerde Miller dat hij het ontstaan van organische stoffen uit anorganische stoffen had aangetoond. Anderen waren het niet direct met deze conclusie eens en opperden dat de organische stoffen afkomstig waren van micro-organismen die de proefopstelling hadden verontreinigd. Teneinde deze bezwaren te weerleggen herhaalde Miller het experiment met dezelfde apparatuur in de proefopstelling zoals die in de bron is weergegeven. 1. Noem een stofwisselingsproces waardoor in de tegenwoordige atmosfeer andere gassen voorkomen dan in Millers mengsel. 2. Noem drie gassen die in de tegenwoordige atmosfeer voorkomen door stofwisselingsprocessen en die in Millers mengsel ontbreken. 3. In welke vorm kunnen micro-organismen een temperatuur van 100graden Celsius, zoals die in deze proefopstelling heerste, overleven? 4. Noem twee handelingen die Miller in het controle-experiment moet hebben uitgevoerd, zodat hij de geopperde bezwaren kon weerleggen. 27.2. Van eencellig naar meercellig Hoe het leven ooit begonnen is en waar de bouwstenen vandaan zijn gekomen, uit Millers prebiontische soep', rond de black smokers' in de diepzee, of uit de ruimte, we weten het niet en zullen het misschien ook nooit weten. Wel is aannemelijk, dat bij het ontstaan van echte cellen de oermembranen' de rol kregen van begrenzing van een systeem, waarbinnen een aantal organische moleculen met elkaar een stabiel geheel vormden. Uit deze oercellen ontwikkelden zich de eerste bacteriën. Tot 1,5 miljard jaar geleden waren bacteriën de enige levensvormen op aarde. Fossielen daarvan vertonen veel gelijkenis met de Archaebacteriën zoals ze bij de black smokers' leven (zie paragraaf 26.5). Ook in andere extreme milieus zoals hete bronnen en zwavelmeren leven Archaea. Er kwamen allerlei soorten, waaronder vanaf 2,3 miljard jaar geleden de Cyanobacteriën, die in staat waren door middel van fotosynthese hun eigen organische stoffen op te bouwen. Zij produceerden in de loop van de tijd zoveel zuurstof dat de samenstelling van de atmosfeer ingrijpend wijzigde. Het mengsel van vooral N 2, CO 2 en kleine hoeveelheden H 2 S en H 2 werd geleidelijk veranderd in een mengsel van hoofdzakelijk N 2 en O 2 en een klein beetje CO 2, zoals we dat nog steeds hebben. Nadat er voldoende zuurstof in de atmosfeer was, verschenen aërobe eencellige algen en na verloop van tijd ook meercellige levensvormen. 27.2.1. Prokaryoten en Eukaryoten Bacteriën worden Prokaryoten genoemd, omdat ze geen kern bezitten. Hun DNA en RNA zit vrij in het cytoplasma. Ze bezitten ook geen andere organellen, zijn zeer klein, altijd eencellig en planten zich voort door deling; veel soorten leven anaëroob. Alle andere organismen zijn Eukaryoot: ze bezitten een kern waarin het DNA ligt, afgesloten van de rest van het cytoplasma. Eukaryoten bezitten organellen en zijn altijd aëroob.
Prokaryoten vormen Eukaryoten door endosymbiose Het feit dat Eukaryoten niet alleen in de kern DNA hebben, maar ook in de mitochondriën en (bij planten) in de chloroplasten, bracht Lynn Margulis omstreeks 1969 op de gedachte dat Eukaryoten ontstaan zouden kunnen zijn door endosymbiose (endo = in, symbiose = samenleven) van verschillende Prokaryoten. Zij veronderstelde dat bladgroenkorrels oorspronkelijk Cyanobacteriën (bacteriën met fotosynthese) waren en dat mitochondriën oorspronkelijk aërobe bacteriën waren, die door andere Prokaryoten in zich werden opgenomen. Zij werd jarenlang verguisd om haar theorie, maar toen het DNA in deze organellen grote overeenkomst bleek te vertonen met het DNA van bepaalde oude bacteriesoorten, werd haar theorie geaccepteerd. Nu wordt algemeen aangenomen, dat het inderdaad zo gegaan is: de Eukaryoten zijn de afstammelingen van combinaties van Prokaryoten. Misschien zijn ook andere organellen uit symbiotische bacteriën ontstaan, maar die hebben geen eigen DNA (meer), dus dat valt niet aan te tonen. Vanaf het begin van hun ontstaan vermeerderden de eencellige organismen zich ongeslachtelijk door mitose. Nakomelingen waren dus altijd klonen en de kans op een gunstige genetische verandering was klein. Tot er een eenvoudige vorm van geslachtelijke voortplanting ontstond. Sommige soorten ondergingen een meiose en wisselden hun haploïde kernen uit, andere versmolten eerst en voerden daarna een meiose uit. (Beide systemen komen nog steeds voor bij eencelligen.) Op deze manier kon er in een nieuwe generatie een andere combinatie van genen ontstaan, en werd de variatie binnen een soort dus veel groter. Hierdoor kon de evolutie in een stroomversnelling raken. Een paar honderd miljoen jaar later (evolutionair gezien een zeer korte periode) verschenen dan ook meercellige planten en dieren - en direct in een grote verscheidenheid. 27.2.2. De Cambrische explosie In gesteenten, die na 600 miljoen jaar geleden zijn ontstaan, worden fossielen van allerlei diersoorten gevonden, maar in oudere gesteenten niet. In de tijd van Charles Darwin (eerste helft van de 19de eeuw) kende men dit schijnbaar plotseling verschijnen van de dierenwereld al. Men dacht toen dat in die tijd het leven op aarde was ontstaan. Wij weten nu dat het leven veel eerder ontstond, maar in oudere gesteenten zijn alleen fossielen van eencelligen en enkele eenvoudig gebouwde diersoorten (die ook weer uitstierven) te vinden. Het is lang een raadsel geweest, waardoor er gedurende zo'n relatief korte tijd zo'n uitgebreide fauna
kon zijn ontstaan, want alle hoofdafdelingen van het dierenrijk, die we nu nog kennen, waren er 'opeens'. Men duidt het 'plotseling' ontwikkelen van zo veel verschillende soorten organismen aan met de Cambrische explosie. Het leven speelde zich wel nog steeds onder water af. Een reconstructie van een aantal diersoorten die zich gedurende de Cambrische explosie ontwikkelden Er zijn in de loop van de tijd verschillende verklaringen voor de Cambrische explosie bedacht: 1. Lang is gedacht dat de gesteenten van voor die tijd zo oud en zo veranderd zijn, dat we er geen fossielen meer in kunnen vinden. Later is aangetoond dat dit onjuist is, ook in oudere gesteenten vinden we fossielen, maar bijna uitsluitend eencellig. In het Precambrium leefden er nog niet veel soorten meercelligen. 2. Een wijdverbreide verklaring zegt dat alle oudere vormen nog geen harde delen hadden, waardoor ze geen fossielen vormden. Maar ook zachte dieren als kwallen vormen soms fossielen in de vorm van afdrukken. Ook die zijn zeer zeldzaam in oudere gesteenten. Uit DNA-onderzoek blijkt dat de gezamenlijke voorouder van sommige Fyla wel een miljard jaar geleden moet hebben geleefd. Dat er geen fossielen zijn bewijst niet dat er geen dieren waren, maar de kans om te fossiliseren was blijkbaar nog lang minimaal. 3. Een andere verklaring voor een snelle toename van de soortenrijkdom moeten we misschien zoeken in de ecologie. Ecosystemen die alleen uit producenten bestaan zijn altijd soortenarm. Zodra er consumenten verschijnen, ontstaat er veel meer variatie. De soortenexplosie zou ontstaan kunnen zijn, doordat (eencellige of simpele meercellige) organismen zich gingen toeleggen op het eten van andere organismen. Een goed evenwicht tussen producenten en consumenten schept ruimte voor andere consumerende soorten. 4. Bovendien was kort voor het Cambrium het gigantische oercontinent waaruit het vasteland bestond, uiteengevallen en begonnen de brokstukken, onze huidige continenten, uiteen te drijven, zodat er veel ondiepe kustwateren ontstonden. Ondiepe zeeën boden (en bieden) zeer geschikte en gevarieerde leefomstandigheden waar veel nieuwe soorten zouden kunnen zijn ontstaan. Dergelijke ecologische veranderingen zouden het evolutieproces enorm kunnen hebben versneld. Dus waarschijnlijk ging de evolutie wel sneller, maar een explosie is wel erg sterk uitgedrukt. 5. Relatief kort voor het Cambrium was er ook een grote klimaatverandering geweest: na een zeer koude periode snowball earth waarin de hele planeet bedekt was met ijs, werd het weer warmer, zodat er niches ontstonden voor veel meer levensvormen. Na het Cambrium duurde het nog meer dan honderd miljoen jaar voor het leven op het land mogelijk werd: de ozonlaag, die alle levende wezens op het land beschermt tegen al te sterke ultraviolette straling, was pas rond 400 miljoen jaar geleden dik genoeg om leven buiten het water veilig te maken.
De evolutie van planten en dieren
27.3. Het grote uitsterven Van alle soorten organismen die ooit op aarde geleefd hebben, is 99,9 % uitgestorven. Van verreweg de meeste soorten weten we niets, omdat er geen fossielen van zijn overgebleven. Naar schatting blijft een soort gemiddeld een miljoen jaar bestaan, al blijven sommige tientallen miljoenen jaren hetzelfde en verdwijnen andere veel sneller. Dat soorten uitsterven is een normaal verschijnsel, maar massaal uitsterven van grote aantallen soorten, zelfs tot 95% van alle bestaande soorten is zeer uitzonderlijk. Zulke grote uitstervingen' zijn een aantal malen voorgekomen op aarde. De bekendste is de grote uitsterving van 65 miljoen jaar geleden. Toen verdwenen plotseling de Dinosauriërs, die al 150 miljoen jaar het leven op aarde beheerst hadden en die nog in volle bloei waren. De helft van alle andere diersoorten en plantensoorten verdwenen ook. Voor de zoogdieren bleek dat achteraf gezien gunstig te zijn, want de soorten zoogdieren waren tot dat moment hoofdzakelijk beperkt tot muisgrote insecteneters. Pas nadat de Dinosauriërs verdwenen waren, kwam de evolutie van de zoogdieren en vogels goed op gang en begonnen ze de vrijgekomen nissen (= leefruimten in een ecosysteem) in te nemen. Ook de primaten, de groep waar wij bij horen begonnen zich verder te ontwikkelen. Voor het verdwijnen van de dino s heeft men de meest uiteenlopende verklaringen bedacht, zoals rupsenplagen, ziekten en ijstijden. Hoogstwaarschijnlijk werden ze het slachtoffer van de gevolgen van een gigantische meteorietinslag, die een enorme massa materiaal (stenen, stof, gruis) tot grote hoogte zou hebben doen stijgen, waardoor de hele aarde een tijdlang verduisterd werd en sterk afkoelde. Tegelijk ontstonden er vermoedelijk enorme branden, die de duisternis nog dichter maakten (as, rook). De inslag vond waarschijnlijk plaats aan de noordkant van het schiereiland Yucatan (Mexico) waar de bodem kalkachtig is. Door de inslag en door de branden zou veel CO 2 in de atmosfeer zijn gekomen, waardoor na de duisternis en koude het klimaat op aarde een tijd lang juist erg warm was door een versterkt broeikaseffect. Door de duisternis en de kou zou er lange tijd geen fotosynthese mogelijk zijn geweest, waardoor dieren verhongerden; door de zure regen zouden vervolgens veel organismen in het water zijn verdwenen. Dit alles bij elkaar zou alle Dinosauriërs en de andere soorten in korte tijd hebben uitgeroeid. Voor andere uitsterfperioden zijn andere verklaringen gegeven, maar welke met zekerheid de juiste is, valt niet te zeggen. Gigantische vulkaanuitbarstingen kunnen effecten hebben gehad die vergelijkbaar zijn met een grote meteorietinslagen. Het tegen elkaar botsen of juist uit elkaar schuiven van de bewegende continenten moeten ook voor snelle en ingrijpende klimaatsveranderingen hebben gezorgd waardoor ook veel soorten zullen zijn uitgestorven. Er zijn 6 grote uitstervingen bekend, en in de tijd waarin wij nu leven verdwijnen opnieuw soorten in een hoog tempo, en dat gebeurt mede door de activiteiten van één van de soorten die zelf het resultaat is van een lange evolutie: de mens.