Hoofdstuk 1: oorsprong van het leven
Inleiding
Wat is leven ?
- Leven is een speciale vorm van materie, die in een bepaald stadium tijdens de historische
ontwikkeling (van die materie) ontstaan is
- Een reeks van elkaar beïnvloedende processen, die steeds geassocieerd zijn met en die plaats
grijpen in een ingewikkelde organisatie van materialen, die we protoplasma noemen
Kenmerken die levende wezens gemeen hebben:
- Beweging: kunnen zich voortbewegen
- Gevoeligheid: reageren op prikkels
- Ontwikkeling: alle meercellige organisme zijn ontwikkeld uit een eencellig stadium en
bereiken het volwassen stadium via groei
- Dood: elk levend wezen sterft ooit
- Complexiteit: zijn opgebouwd uit complexe moleculen en structuren
Algemene eigenschappen die we terug vinden bij alle gekende levende wezens en alleen bij hen
- Een cellulaire organisatie: alle organisme zijn samengesteld uit één of meerdere cellen
- Groei en metabolisme: alle levende wezens nemen energie op en gebruiken deze voor
gecontroleerde groei in een proces dat we metabolisme noemen
Autotrofe organisme halen de energie hiervoor uit de fotosynthese en heterotrofe bekomen
de energie door autotrofe te consumeren
- Voortplanting: de continuïteit van het leven bestaat uit de voortplanting
- Homeostasis: Het behouden van een vrij stabiele inwendige toestand in een organisme
- Erfelijkheid: alle levende wezens hebben een genetisch systeem waarbij kenmerken worden
overgeërfd van ouders op nakomelingen
Waar en hoe ontstond het leven?
- Panspermieleer: het leven kent een extra-terrestrische oorsprong. De Aarde is in het
verleden gekoloniseerd vanuit de ruimte door levensvormen van elders uit het heelal.
- Het leven kan het best benaderd worden door:
o Het op verschillende niveaus te beschrijven: morfologie, systematiek, …
o Te analyseren: fysiologisch, biochemisch, moleculair, …
o Het met elkaar in verband te brengen en te vergelijken: evolutie, fylogenie, ecologie, …
De unieke eigenschappen van koolstof
Levende wezens zijn opgebouwd uit chemische elementen
- Er zijn een aantal essentiële elementen die heel vaak voorkomen
o C, H, O, N, P en S vormen de basis voor het leven op aarde
o Deze atomen gaan covalente verbindingen met elkaar aangaan
- Andere elementen komen ook voor, maar in mindere mate
o Ze zijn vaak aanwezig onder de vorm van ionen en vervullen vaak een belangrijke functie
binnenin de actieve centra van enzymes
- Koolstof is een heel belangrijk atoom
o C heeft de unieke eigenschap verschillende covalente bindingen aan te kunnen gaan met
andere elementen en met zichzelf (komt door zijn elektronenconfiguratie)
o Ze kunnen ook meervoudige bindingen vormen (steviger)
o Heeft een tetraëder structuur
, - B, N, Si en P kunnen ook meervoudige bindingen vormen maar door hun ongunstige
elektronenconfiguratie zullen ze niet bijdragen tot de vorming van lange hoofd- en zijketens
o Zo heeft Si ook 4 valentie-elektronen, maar wel een schil meer dan C. Hierdoor kunnen
de kernen van de atomen niet dicht genoeg bij elkaar komen
- Dit alles wil niet zeggen dat andere elementen dan C niet belangrijk zijn
Ook heteronucleaire bindingen kunnen zeer stabiel zijn
o Ze zijn minder stabiel dan C, maar zijn wel heel belangrijk
o Ze laten toe dat macromoleculen kunnen splitsen en nieuwe macromoleculen vormen
Polymeren
- De polymeren bestaan uit een aaneenschakelingen van verschillende monomeren
o Eiwitten: peptide binding + aminozuren
o Nucleïne zuren: fosfoliëster verbinding + nucleotiden
o Polysachariden: glycosidische verbinding + monosachariden
Waar komt er actief leven voor ?
- Leven komt voor in de biosfeer
o Hier is er zuurstof
o Hier is er water in een vloeibare toestand (afhankelijk van de temperatuur)
- Niet-actieve levensvormen (ingekapselde) kunnen ook daarbuiten voorkomen
Waarom is leven in de biosfeer ?
- Extreme temperaturen op aarde zijn beperkt en hierdoor is er in de meeste gebieden op
aarde leven terug te vinden
o We hebben ene goede afstand tot de zon
o We hebben een atmosfeer (doordat de densiteit van de aarde groot genoeg is)
o Door de draaibeweging van de aarde, ontvangt elk deel zonenergie
Door de snelheid ervan is de nachtelijke afkoeling niet te groot
o Onder de temperatuur op aarde kan water voorkomen in zijn vloeibare
o Het weersysteem zorgt voor voortdurende circulaties van oppervlakte water in de lucht
Extremofielen
- Extremofielen leven in extreme omstandigheden
o Barofiel: leven onder extreme drukvoorwaarden
o Halofielen: leven in hoge zoutconcentraties
o Acidofoelen en alkalofielen: leven bij extreme pH voorwaarden
o Thermofielen: leven bij extreem hoge temperaturen
o Psychrofielen: leven bij extreme koude temperaturen
- Organisme die leven onder normale omstandigheden noemen we mesofiele
Cosmische evolutie – prebiotische era
1. 4,6 miljard jaar geleden: ontstaan hemellichamen uit kosmische stofwolk
2. 3,9 miljard jaar geleden: vorming dunnen korst rond de aarde, kern is nog vloeibaar
3. Condensatie waterdamp
4. Energie-ontlading door bliksem, erosie door water
5. Vrijkomen van gassen, uitstoot vulkanen
6. Atmosfeer wordt gevormd (was oorspronkelijk giftig voor ons)
Er was geen vrije zuurstof aanwezig
, Gedurende heel de pre-biotische tijd was de aarde omgeven door een atmosfeer die heel
reducerend was. Nu hebben we een oxiderende atmosfeer.
Chemische evolutie
Ontstaan van belangrijke moleculen
- Met de gevormde energie (hitte, energie zon, ...) op aarde konden koolstoffen gaan reageren
en verbinden. Door toeval zijn er zo een aantal moleculen ontstaan
- In 1983 zijn Miller en Urey er in geslaagd om een opstelling te maken die de vroegere oer-
atmosfeer nabootst
o Is een gesloten systeem dat bestaat uit een buis die 2
kamers met elkaar verbindt
o In de onderste kamer zit water (oersoep) dat wordt
verwarmd, waardoor er waterdamp ontstaat
o In de bovenste kamer met gas (oer-atmosfeer) worden
elektroden gebracht die energie leveren (bliksem)
hierdoor worden er een aantal moleculen gevormd.
o De gassen en moleculen gaan door de buizen naar de
condensor waar ze afkoelen. Zo ontstaat er terug water
met daarin opgeloste stoffen
o Hierna gaan ze dit water aftappen en zien ze dat er
verschillende moleculen worden gevormd
Tonen dus aan dat het mogelijk is om eenvoudige moleculen te vormen in de vroegere
omstandigheden. De vroeger zeeën vormde dus een waterige soep waaruit de moleculen van
het leven zijn ontstaan
Ontstaan van de eerste cellen
- Veel moleculen hebben de eigenschap om zich in water te verzamelen, zo kunnen ze
microsferen vormen = coacervaten
- Eenvoudige coacervaten zijn waarschijnlijk ontstaan door het zich verenigen van lipiden of
eiwitten in de oersoep
o Er ontstaan bolletjes met een buiten en binnenkant. Wanneer je bolletjes bij elkaar
brengt klitten ze samen.
- Coacervaten hebben een aantal eigenschappen gemeen met levende cellen
o Wanneer lipiden worden toegevoegd vormen ze een buitenste begrenzing bestaande uit
2 lagen
o Ze groeien door opname van meer moleculen
o Planten zich voort door middel van knopvorming
o Hebben enzymen die ze gebruiken om een metabolisme te realiseren: ze nemen
molecule op, zetten die om naar iets anders en scheiden die terug af
- Coacervaten die het best in staat waren moleculen en energie uit de zeeën op te nemen
hebben het langste geleefd
Microsferen die moleculen konden gebruiken om te groeien en zich eventueel zelfs op te
splitsen in “dochter-microsferen” met dezelde eigenschappen waren bevoordeeld
o Zo werden er op den duur eigenschappen verworven en doorgegeven en ontstond dus
het leven
, Ontstaan van de eerste levende wezens
- Buiten de theorie van de coacervaten zijn er ook nog een hele reeks andere theoriën die het
ontstaan van het leven verklaren
Generatio spontanea:
- Zeggen dat levende wezens konden ontwikkelen uit levenloze stof
Zelf-replicerende RNA-moleculen
- Men vermoed dat RNA de eerste replicator was en RNA kon ook katalytisch werken
- RNA-wereld: de vorming van RNA moet zich op grote schaal hebben voorgedaan
o In de oersoep waren voldoende nucleotiden aanwezig
o Nucleotiden ondergaan een spontane polymerisatie via een condensatiereactie
o In de waterrijke oersoep waren deze reacties nogal moeilijk omdat er een
remmingssysteem ontstaat op enzymatische reacties wanneer er producten worden
gemaakt die al in overmaat aanwezig zijn (water)
o De polymerisatie kon wel plaatsgrijpen in droge, organische bezinksels die ontstonden bij
heet uitdrogen van ondiepe poeltjes
- RNA is katalytisch en kon de aminozuren aan elkaar rijgen tot eiwitten
o De eiwitten hadden een betere katalyserende functie en namen deze van RNA over
- Later werd er ook een stevigere vorm van RNA gevormd, namelijk DNA
- Zo ontstond uiteindelijk een primitieve cel LUCA
o Is een agglomeraat van vele moleculen, waarbij de genetische informatie werd bewaard
door het DNA, de functionele werking werd verzorgd door eiwitten en het RNA vormde
de verbinding tussen beide
De vroegste cellen
- De eerste organismen zijn de prokaryoten
o Ze bestaan uit 1 cel, zonder inwendige structuur of uitwendige aanhangsels
o Hebben geen kern met erfelijk materiaal
o Tot de prokaryoten behoren de huidige bacteriën
o Ze verdwenen in de loop van de evolutie of bleven beperkt tot kleine groepjes
- Na een tijd worden de essentiële componenten in de oersoep schaars. Hierdoor wordt het
belangrijk dat organisme zelf substanties gaan opbouwen uit meer abundante precursoren
o Zo ontstonden energie-producerende metabolische ‘pathways’ die een tijdelijke
oplossing boden voor de energie crisis
- De pathways gingen wel weer andere energierijke verbindingen consumeren waardoor eer
weer een probleem ontstond
o Om dit op te lossen zal de fotosynthese ontwikkelen. De fotosynthese kon gebruik
maken van een onuitputtelijke bron: het zonlicht. Ze capteerde de zonne-energie en
legde deze vast in chemische bindingen met behulp van pigmenten
o voedsel + 02 + … ATP + CO2
- Door de fotosynthese werd er zuurstof gemaakt die werd afgegeven aan de atmosfeer
o Vandaar de overgang van een reducerende naar een oxiderende atmosfeer
o Stromatolieten zijn gefossiliseerde resten van kolonies cyanobacteriën die buiten
zuurstof ook kalk produceerde
