Streven. Jaargang 24

[p. 70]

Cellen zonder ouders
Geert Verschuuren S.J.

De droom der alchemisten heeft plaats gemaakt voor een nieuwe droom: dat biologen ooit zelf leven zullen kunnen maken. Toch ligt deze droom in het verschiet van huidige wetenschappelijke ontwikkelingen. Helaas is het vraagstuk vaak vertroebeld door andere dan wetenschappelijke overwegingen: religieuze principes schenen soms de mogelijkheid hiertoe bij voorbaat te moeten uitsluiten; anti-religieuze doctrines dreigden het vraagstuk soms al te gemakkelijk te simplificeren.

Toch blijft de uitspraak staan dat de wetenschap ooit erin zal slagen het ontstaan van het leven hier op aarde begrijpelijk te maken en daardoor wellicht opnieuw tot stand te brengen. Vele lezers zullen misschien sceptisch staan tegenover deze aanspraken van de natuurwetenschap. Dat vraagt vooraf een korte beschouwing over de achtergronden van de natuurwetenschappen.

Aftasten van de natuur

De natuurwetenschap voor-onderstelt een aantal dingen. Zo meent zij dat al het waarneembare om ons heen in principe voor haar toegankelijk is - dus ook het leven. Zij mag de hele natuur aan een soort ondervraging onderwerpen, door met haar ‘verlengde’ zintuigen het nog onbekende te achterhalen in het experiment. Daardoor zijn er geen feitelijke grenzen, want de technieken ontwikkelen zich. Maar door ondervraging alléén kom je er nooit achter wat de vragensteller zélf denkt, waaruit zijn vragen geboren zijn, welke indruk hij al van zijn object heeft. Er liggen dus geen feitelijke, maar wel principiële grenzen - namelijk dat de vraagstelling slechts aspecten van het object betreft en dus nooit het object volledig blootlegt; de experimenten zijn, met andere woorden, beperkte middelen om achter de werkelijkheid te komen.

Van de natuurwetenschap kunnen we nu zeggen dat zij zowel algemeen als abstract is; dat wil zeggen dat zij de totále zintuigelijke werkelijkheid als haar object heeft, maar steeds vanuit een bepááld gezichtspunt. Als we nu

[p. 71]

maar aannemen dat al het materiële een eenheid vormt, dan behoort ook het leven in zijn materiële uitingen tot het terrein van de natuurwetenschappen. Dan zijn er ook uitspraken mogelijk over hoe het leven opgebouwd is - en misschien ook hoe het ontstaan is -, maar natuurlijk niet over wat leven in wezen is. Professor van Melsen heeft hierover behartenswaardige dingen gezegd, onder andere dat het leven op zích niet zo mysterieus is, maar veeleer de héle werkelijkheid waarop de natuurwetenschap vanwege haar eenzijdige, abstracte karakter uiteindelijk geen vat heeft.

De natuurwetenschap benadert het leven dus als een structuur die fysisch en chemisch te onderzoeken is. Toch wordt een levend organisme als iets bijzonders gezien, want een aparte tak van de natuurwetenschappen, de biologie, houdt zich met deze fysisch-chemische structuur bezig. Waarin dat bijzondere - nog steeds natuurwetenschappelijk gezien - schuilt, is moeilijk te zeggen. Over het algemeen zijn de chemische bouwstoffen van een levend organisme veel ingewikkelder; veelal zijn het macro-moleculen. Lange tijd dacht men dat één van de eenvoudigere stoffen, ureum (CO(NH₂)₂) dat in de urine uitgescheiden wordt, iets met dat mysterieuze leven te maken had. Doch in 1828 kon men het zelf samenstellen. Achteraf zeggen we dat de natuurwetenschap inzake de opbouw van chemische structuren ook geen feitelijke grenzen kent; nu kunnen we al eiwitten maken, waarom dan bijvoorbeeld ook niet de erfelijkheidscode van een levend wezen.

De nieuwe wereld van de cel

Maar wat is dan de ingewikkelde bouw van een organisme? Een vereenvoudiging van het probleem werd mogelijk, toen men ontdekte dat alle levende wezens uit één of meer cellen opgebouwd zijn. De vraag is nu: wat is het kenmerkende van een levende cel?

1. Op de eerste plaats moet de cel geïsoleerd zijn van haar omgeving. Er moet binnen deze omheining, een omringend membraansysteem, een interne bestendigheid heersen. Alleen die stoffen die de cel nodig heeft, moet het van buiten kunnen opnemen, en eventuele afvalprodukten weer kunnen uitscheiden. Het functioneren van de cel blijkt ook hier weer afhankelijk te zijn van enkele fysisch-chemische factoren, zoals temperatuur, concentratie van ionen enz.. Over de structuur van het isolerend membraansysteem krijgen we steeds meer duidelijkheid.

2. Binnen de cel heerst een voortdurende bedrijvigheid. Stoffen van buiten moeten omgebouwd worden tot eigen bouwstoffen zoals specifieke eiwitten (= stofwisseling). Andere moeten in een soort verbrandingsproces afgebroken of geoxydeerd worden, om daardoor energie voor vele werkzaam-

[p. 72]

heden te onttrekken (= energiewisseling). De chemie der levende systemen is vooral chemie van ingewikkelde moleculen, maar ze gedragen zich volgens dezelfde scheikundige regels. Deze moleculen hebben vaak een skelet dat bestaat uit een reeks aan elkaar gekoppelde koolstofatomen (C), terwijl bij eiwitmoleculen ook regelmatig stikstofatomen (N) zijn opgenomen. Hieronder staan alleen de skeletten van enkele organische stoffen afgebeeld, om hun regelmaat en omvang te laten zien:

De ‘skelettten’ van enkele organische stoffen

Een wezenlijk deel van de stofwisseling in levende planten of dieren wordt gevormd door het opbouwen of afbreken van dergelijke ketens. Tijdens de opbouw van deze scheikundige bindingen wordt er chemische energie opgeslagen. Tijdens de afbraak of oxydatie van het molecule kan de scheikundige energie overgedragen worden op nieuwe bindingen in de cel, of eenvoudig afgegeven worden als vrije energie en in de vorm van warmte. Nu veranderen stoffen in het algemeen niet zo spontaan; daarvoor zijn ‘machines’ nodig die we in de cel enzymen noemen. Ook over deze stoffen heeft de verstrekkende methode van de natuurwetenschappen veel opgehelderd. Het zijn eiwitten die bestaan uit een lange keten van aminozuren (soms wel 3000). Er bestaan in de natuur iets meer dan 20 aminozuren, die in wezen eenzelfde opbouw hebben:

[p. 73]

Uit deze 20 bouwstenen kan de cel nu duizenden verschillende eiwitten maken, door deze aminozuren in alle mogelijke rangschikkingen aaneen te schakelen; aldus:

Het aantal aminozuren en hun onderlinge volgorde bepalen hoe het enzym werkt - dus welke stof in de cel omgezet zal worden. Het bijzondere van het afgesloten cel-milieu is, dat het over verschillende ‘lopende-band-systemen’ beschikt om de noodzakelijke eindprodukten af te leveren.

3. Maar wat bepaalt nu dat de cel over de juiste enzymen beschikt en dat een eventuele ‘dochteronderneming’ weer hetzelfde functioneert? Er moet, met andere woorden, een programma klaarliggen waarin de opdrachten uitgewerkt staan, én dit programma moet gekopieerd kunnen worden om aan nieuwe cellen door te geven. In verband met levende wezens noemen we dit programma altijd de erfelijkheid. Daarom lijken kinderen zo op hun ouders en splitst een tyfus-bacterie zich in twee nieuwe, die ook weer tyfus-bacterie zijn. Hoe dat in wezen zit, is te verklaren door het feit dat de erfelijke code bepaalt welke aminozuren er aan elkaar gekoppeld worden, bijgevolg welke eiwitten er komen, oftewel hoe de cel zal gaan functioneren.

Die code is eveneens scheikundig te benaderen. Het blijkt een soort letterschrift te zijn: met 4 letters (eigenlijk vier scheikundige stoffen) kunnen 64 woorden van 3 letters gevormd worden; dat is meer dan voldoende om

[p. 74]

elk van de aminozuren (± 20) te kunnen coderen. Voor de liefhebbers staat hierboven de opbouw van zo'n stukje code getekend: de 4 basische stoffen zitten in groepjes van drie als uitsteeksels gekoppeld aan een soort streng van suikers en fosfaten. Zo'n lange keten wordt DNA genoemd en vormt het belangrijkste bestanddeel van de chromosomen, waarin dan ook de erfelijkheid van elke cel vervat blijkt te liggen.

Een structuur die leeft

Deze drie eigenschappen - membraanisolatie, een patroon van chemische reacties en een kopieerbare code voor vorm en functie - mogen we gerust kenmerkend noemen voor elk levend systeem; overigens beantwoorden virussen daar niet helemaal aan. De scheikundige en ruimtelijke structuur van de cel bepaalt dus het functioneren en regelt dat zelf. Kortom, leven is een bepaalde materiële structuur die dynamisch is in haar functies en zelfregulatie bezit. Ieder zal begrijpen dat de structuur in dit verband van essentieel belang is. Als dan ook bacteriën die vooraf zo diep ingevroren waren dat alle stofwisselingsprocessen stil stonden, door onderzoekers van achter het IJzeren Gordijn weer tot leven gebracht worden, dan klinkt hun pretentie ‘leven gemaakt te hebben’ ons wel erg naïef in de oren.

Hoe is echter die structuur ooit in het verleden ontstaan? Overdracht via DNA is een onvoldoende verklaring, want onze planeet is er niet van eeuwigheid af. De biologie als natuurwetenschap mag ook niet berusten in een niet-wetenschappelijke, bovennatuurlijke uitleg. Zelfs als er een generatio spontanea zou zijn, zoals in het verleden lange tijd gedacht is, dan zou nog onderzocht moeten worden waarom wormen nu juist uit slijk ontstaan. Met name biologen van formaat hebben het ons niet gemakkelijk gemaakt. Pasteur heeft overtuigend aangetoond dat een steriele voedingsbodem zonder verontreiniging steriel blijft. De patholoog Virchow, en eigenlijk ook Mendel, hebben erop gewezen dat cellulaire organismen alleen maar van bestaande organismen kunnen afstammen in een onafzienbare en ononderbroken reeks.

Toch moeten we aannemen dat leven - als het er niet altijd geweest is - ooit uit anorganische materie ontstaan is, want natuurwetenschap bedrijven betekent dat we voor elke materieel gegeven een natuurwetenschappelijke verklaring mogelijk achten. De enige oplossing lijkt dat de uitspraken van Pasteur en Virchow weliswaar juist zijn, maar alleen onder de huidige omstandigheden. Twee aspecten zijn evenwel bij het ontstaan van het leven anders geweest: er was nog geen leven dat nú overal zijn invloed doet gelden, én het fysisch-chemische milieu was anders.

In 1936 al heeft de Rus Oparin deze aspecten aangesneden. Het eerste

[p. 75]

probleem waarmee we geconfronteerd worden, is de aanwezigheid van organische verbindingen, waartoe o.a. de koolhydraten als belangrijke energiebron en de aminozuren gerekend worden. Momenteel zijn het voornamelijk de groene planten die met behulp van ingewikkelde enzymcomplexen en zonneënergie energie-rijke organische verbindingen synthetiseren uit eenvoudige stoffen (=fotosynthese, fig. op p. 76). Maar dan kunnen deze stoffen nooit aan het leven voorafgegaan zijn - tenzij de omstandigheden gunstig waren voor het ontstaan van gereduceerde, energie-rijke koolstofverbindingen die vooral waterstof in plaats van zuurstof aan zich gekoppeld hebben. Dit lijkt toch aannemelijk, omdat onze primitieve atmosfeer weinig vrije zuurstof bevatte, zodat oxydatie van koolstof zelden voorkwam. Verder was er waarschijnlijk veel koolstof (C), waterstof (H₂) en stikstof (N₂) aanwezig in eenvoudige verbindingen als: oceaanwater (H₂O), methaan (CH₄), ammoniak (NH₃).

Dat hieruit, zonder enzymen, toch grotere complexen gevormd kunnen worden, moet verband houden met de sterke ultraviolette straling, die beter tot het oceaanoppervlak doordrong vanwege het ontbreken van een ozonlaag (O₃).

Proeven die op dit gebied gedaan zijn, bevestigen deze vermoedens. De Amerikaan Miller probeerde de oeratmosfeer na te bootsen in een buizenstelsel, waarin elektrische ontladingen plaatsvonden op een mengsel van waterdamp, methaan en ammoniak. Bij latere analyse bleken er ‘spontaan’ 9 aminozuren gevormd te zijn, waarvan de twee eenvoudigste als volgt eruit zien:

Daarmee is de stap naar eiwit-achtige peptide-bindingen weliswaar nog niet gezet. Doch Fox bewees dat droge verwarming van twee aminozuren tot een peptide-verbinding kan leiden (fig. p. 73).

Uit deze proeven blijkt al dat onder bijzondere omstandigheden, zoals die waarschijnlijk in de oeratmosfeer heersten, niet elke chemische verbinding statistisch even waarschijnlijk is; atomen kennen onderling verschillende affiniteiten. Ook het identiek verdubbelen van scheikundige structuren, zogenaamde polymerisatie, is in de scheikunde niet zo vreemd. Het vastkoppelen en loshaken is bij de koolhydraten belangrijk, het verdubbelen treedt op bij eiwitten en DNA-ketens¹.

1 Zeer onlangs hebben astronomen in wolken tussen de sterren blauwzuur (HCN) aangetroffen. Voordien was in sterrenwolken al formaldehyde (HCHO) ontdekt. Hoewel ook Miller na zijn proef deze verbindingen kon aantonen, zouden deze laatste ontdekkingen erop kunnen wijzen dat belangrijke organische verbindingen niet zozeer in de oeratmosfeer van onze planeet, maar al vóór haar ontstaan gevormd zouden zijn.

[p. 76]

Temidden van een levenloze wereld

Zodra er eenmaal complexe structuren ontstaan zijn, is het denkbaar dat eiwitten zich concentreren in zogenaamde coacervaat-druppels; afscherming van het omringende, homogene oceaanmilieu door een omhulsel van vetachtige moleculen zou een soort membraansysteem kunnen opleveren. Oparin merkt op dat deze kleine eenheden voor energie afhankelijk waren van omringende organische verbindingen. Eenheden die ‘toevallig’ over de optimale enzymen beschikten, konden het meest efficiënt energie aan de omgeving onttrekken. Ze zouden nog meer in het voordeel zijn als ze het ‘geheim’ van deze enzym-structuren in code, dus in DNA, konden bewaren en overdragen. Aldus zou het principe van natuurlijke selectie, zoals Darwin dat voor alle leven aannam, ook hier al gelden - want ook hier ontbrak het niet aan tijd. Het voordeel van een concentratie van eiwitten is bovendien dat succesvolle reacties gekoppeld kunnen worden en aldus directer en efficiënter verlopen.

We moeten dan ook aannemen dat de eerste organismen hun energie direct uit organische verbindingen betrokken - zoals gistcellen en melkzuurbacteriën dat bijvoorbeeld nu nog doen. Pas later, toen deze voorraad

Fotosynthese = opbouw van suikers

laatste ontdekkingen erop kunnen wijzen dat belangrijke organische verbindingen niet zozeer in de oeratmosfeer van onze planeet, maar al vôôr haar ontstaan gevormd zouden zijn.

[p. 77]

uitgeput dreigde te raken, zijn bepaalde organismen zich gaan specialiseren in het opbouwen van energie-rijke verbindingen met behulp van enzymen en zonlicht (= fotosynthese). Zij gebruikten daarvoor het afval van hun voorgangers, en voorzagen andere organismen zo van koolhydraten, eiwitten en zuurstof. Toen er in hoge mate vrije zuurstof in onze atmosfeer kwam, kon de energie-onttrekking aan de koolhydraten vollediger, en dus efficiënter worden. Voor dieren die zich zouden gaan specialiseren in het voortbewegen, was deze extra energie via de ademhalingsketen erg welkom.

Zoals we in de energie-voorziening een geleidelijke vooruitgang mogen waarnemen, zo geldt hetzelfde voor de bouw van de cel - want steeds weer test het leven nieuwe vormen. De meest primitieve celsystemen die we nu nog aantreffen als parasieten en in riolen, en die waarschijnlijk vanaf het ontstaan van het leven weinig verder geëvolueerd zijn, bezitten slechts de meest elementaire bestanddelen: een celwand, erfelijke fragmenten en eiwitten, waarvan er meer dan 40 als enzymen functioneren. Een uitbreiding in de samenstelling van de cel kwam er dankzij het ontstaan van nieuwe structuren voor fotosynthese, enzymcomplexen enz.. Pas bij de ‘echte’ cellen van meercellige organismen vinden we een afzonderlijke kern en een apart membraansysteem waarin de energie-rijke verbindingen systematisch en volledig benut worden.

Maar zo langzamerhand zijn we in een volledig andere situatie beland. Het toenemend gehalte aan zuurstof werkt een spontaan ontstaan van gereduceerde koolstofverbinden tegen. De ozon-laag remt ultraviolette straling, die nu minder gewenst zou zijn gezien de kwetsbaarheid van de erfelijkheidscode en het verlaten van het beschermende oceaanmilieu. Eventuele organische verbindingen krijgen geen kans zich te groeperen, omdat ze door alom tegenwoordige (micro-)organismen afgebroken of

[p. 78]

benut worden. Pasteur en Virchow hebben dus toch gedeeltelijk gelijk gehad. Toch hopen we ooit ‘kunstmatig’ die allereerste levensstappen te kunnen herhalen. De natuurwetenschap bewijst dan alleen dat het kán, uiteraard niet dat het historisch ook precies zo heeft plaatsgevonden.

Historisch gezien weten we alleen uit vulkanische resten in Swaziland dat er 3,4 miljard jaar geleden waarschijnlijk al primitieve organismen op onze planeet waren. 2,1 Miljard jaar geleden moeten er al wiertjes geweest zijn. Om enig idee te geven van het verdere verloop en van de omvang van de perioden waarmee de evolutie haar werk in de wereld van het levende verricht, dient de volgende tabel:

	1.300	miljoen	seksuele voortplantingswijze
	700		eerste dieren
cambrium	500		gewervelden
	300		amfibieën
	250		reptielen
	200		zoogdieren
tertiair	80		primaten (halfapen en apen)
kwartair	1		mensachtigen (Afrika)
	0,01		eerste landbouwers in Klein Azië

Literatuur voor liefhebbers:

D. Coult, Moleculen en cellen, Prisma-Comp., 67, 1970.

L. Engel, De nieuwe erfelijkheidsleer, Pantoskoop, Amsterdam, 1969.

M. Jeuken, Grondslagen der biologische wetenschap, in Studium Generale, Rotterdam, 1970.

A.v. Melsen, Evolutie en Wijsbegeerte, Aula, 160, Utrecht.

A. Oparin, Life, lts Nature, Origin and Development, London, 1957.

Ch. Kuyper, Evolutie van de cel, in Natuur en Techniek, december 1967.

G. Verschuuren, Materie en geest, asymptoten in de wetenschap?, in Algemeen Nederlands Tijdschrift voor Wijsbegeerte, juli 1967.