Tussen moleculen en evolutie: het ontstaan van leven
Leven maken in het lab | Radboud Reflects Lezing en gesprek met chemicus Wilhelm Huck en filosoof Carla Rita Palmerino | Radboud Reflects Maand van de Ethiek @ Faculteit der Natuurwetenschappen, Wiskunde en Informatica van de Radboud Universiteit |Dinsdag 21 november 2017
Het creëren van kunstmatig leven in een laboratorium zal de meeste mensen doen denken aan een sciencefiction verhaal. Dit is namelijk zo complex en geheimzinnig dat het in werkelijkheid zo goed als onmogelijk is. Toch heeft onderzoek van de laatste decennia laten zien dat het creëren van leven misschien wel een stuk dichterbij is dan men zou verwachten. In het teken van de Maand van de Ethiek op de faculteit der Natuurwetenschappen, Wiskunde en Informatica ging Wilhelm Huck, hoogleraar fysisch organische chemie aan de Radboud Universiteit, in op de vraag wat leven precies is en hoe het ontstaan is. Kunnen we dit met wetenschappelijke inzichten begrijpen? En is het mogelijk om kunstmatig leven te creëren in een laboratorium? Na afloop ging hij in gesprek met Carla Rita Palmerino, hoogleraar geschiedenis van de moderne filosofie aan de Radboud Universiteit, om voor een uitverkochte zaal in LUX de mysteries achter het ontstaan van leven te ontrafelen.
De allereerste levensvorm
Dat het universum is ontstaan door de oerknal en het leven op aarde gevormd is volgens Darwins evolutionaire principes wordt door veel mensen als triviale kennis beschouwd. Met deze antwoorden menen we de grote vragen omtrent het ontstaan van leven beantwoord te hebben. Toch gaan beide theorieën voorbij aan de vraag hoe het kan dat er uit dode materie iets levends is ontstaan. De oerknal verklaart misschien wel het ontstaan van het universum, maar beantwoordt niet hoe levenloze atomen leven kunnen vormen. Ook de evolutietheorie weet hier geen passend antwoord op te vinden: weliswaar kan zij verklaren hoe verschillende levensvormen zich hebben ontwikkeld, maar hoe de eerste levensvorm ontstaan is, schiet aan haar voorbij. Om te weten hoe de eerste vorm van leven is ontstaan, kijken we naar chemische processen. “De eerste vormen van leven vinden we 3,6 miljard jaar geleden, toen atomen zich middels chemische reacties samenvoegden tot kleine moleculen, waaruit steeds grotere moleculen ontstonden en uiteindelijk leven. Maar hoe deze laatste stap precies in zijn werk gaat, is lange tijd een groot mysterie geweest”, legt Huck uit.
De ambiguïteit van leven
Alhoewel we vandaag de dag ontzettend goed zijn geworden in het nabootsen van scheikundige reacties en een goed inzicht hebben ontwikkeld in de vraag hoe de aarde er uitzag rond de tijd dat de eerste levensvormen ontstonden, is de vraag wat iets levend maakt nog steeds erg moeilijk te beantwoorden. Dit heeft twee redenen: in de eerste plaats kunnen we met de huidige inzichten binnen de natuur- en scheikunde niet verklaren wat leven precies is. Hoewel deze vakgebieden ons veel inzicht verschaffen lijkt er toch iets te missen; een zogenaamde ‘spark of life’ die verklaart waar dat levende aspect precies in zit. Aan de andere kant is de vraag wat iets levend maakt moeilijk te beantwoorden omdat het begrip leven erg ambigu is: “Leven laat zich moeilijk definiëren”, stelt Huck. “Leven is geen eigenschap, maar een proces. Leven is leven, en je herkent het als je het ziet.”
Complexe netwerken
Traditioneel gezien heeft onderzoek naar het ontstaan van leven zich gericht op welke samenkomst van moleculen de eerste levensvorm gecreëerd kan hebben. Huck houdt er in zijn onderzoek echter een andere aanpak op na: “Leven is een wirwar van chemische reacties. Het zijn niet de moleculen die het leven maken, maar juist deze chemische reacties.” We kunnen leven het beste zien als een enorm netwerk van verschillende kleine componenten die voortdurend op elkaar reageren en elkaar beïnvloeden. “Leven ontstaat in de reacties tussen de moleculen, waarmee een enorm netwerk wordt gecreëerd. We moeten daarom leren om deze netwerken beter te begrijpen.” Leven is echter geen machine: we kunnen niet zomaar alle losse onderdelen uit elkaar halen en weer in elkaar zitten zoals we dit bij bijvoorbeeld een computer kunnen doen. Als we het gaan bestuderen, functioneert het heel anders dan systemen die wij goed begrijpen. In tegenstelling tot machines laat het leven zich niet vatten in een handleiding en dat is precies wat het zo ingewikkeld maakt. Om te kunnen begrijpen hoe leven is ontstaan, moeten we ons daarom focussen op de netwerken van chemische reacties waarin het zijn oorsprong vindt.
Wisselwerkingen
Het gedrag van deze netwerken is dus erg complex, maar tegelijkertijd zien we ook dat er vaak patronen in deze chemische reacties ontstaan. Deze patronen worden ook wel oscillaties genoemd. Volgens Huck zijn zij de basis van elke moleculaire vorm van leven: “complexe netwerken kennen bepaalde motieven die steeds opnieuw terugkeren. Deze motieven zijn de sleutel tot moleculair leven.” Een goede manier om de werking van complexe netwerken te begrijpen, is om het vergelijken met een groep termieten die samen een heuvel maakt. Er is geen groot bouwplan om dit te doen, maar doordat iedere termiet zich aan enkele basisregels houdt, ontstaat er toch elke keer een grote heuvel. Dit geldt ook voor chemische complexe netwerken: er is niet één blauwdruk waarop alles gebaseerd is. In plaats daarvan gaat het juist om kleine componenten die bepaalde basisregels toepassen. De basisregel van de chemische reacties is dat er een patroon moet ontstaan dat zichzelf in stand houdt. Hiervoor is een negatieve feedback-loop nodig, een patroon waarmee de reactie zichzelf afremt, en een positieve feedback-loop, een patroon waarmee de reactie zichzelf versnelt. Doordat deze patronen elkaar afwisselen, ontstaat er een wisselwerking.
Toekomstig onderzoek
Het onderzoek dat Huck uitvoert is precies hierin geslaagd: het creëren van een netwerk dat zichzelf in stand houdt. “Oscillerende netwerken zijn de eerste stappen naar het begrijpen van complex gedrag. Deze basisnetwerken kunnen we vergroten naar complexe netwerken om te begrijpen hoe dit mogelijk tot stand kan komen. Hiervoor is echter wel veel rekenwerk nodig, aangezien we alles van tevoren moeten berekenen. Met de ontwerpprincipes die we nu hebben ontdekt, hebben we misschien wel de basis van alle levensvormen te pakken.” Toch moet er nog veel gebeuren voordat we daadwerkelijk kunstmatig leven in een laboratorium kunnen maken. Zolang het nog niet lukt om een complex netwerk na te maken en dat te kunnen begrijpen, kunnen we hier nog weinig over zeggen. Toch heeft Huck veel hoop in de toekomst: “De kennis die we opdoen kunnen we niet altijd meteen toepassen. Maar door te begrijpen hoe de netwerken in elkaar zitten, komen we een grote stap dichter bij het mysterie van het ontstaan van leven en kunnen we gaan nadenken over het creëren van kunstmatig leven.”
Door: David Leeftink
Podcast:
Wil je op de hoogte blijven van onze activiteiten? Schrijf je dan in voor de tweewekelijkse nieuwsbrief.