Biogenese of Abiogenese

De biochemische samenstelling en de opvolging van fossielen door de geologische tijd wijzen erop, dat alle organismen afstammen van één populatie cellen. De oudste sedimentgesteenten en ook het oceaanwater is al bijna 4 miljard jaar vol microbieel leven. De eerste levensvormen waren eencelligen en verschilden waarschijnlijk niet veel van sommige hedendaagse organismen die leven in hete, zuurstofloze milieus. Tot omstreeks twee miljard jaar geleden bleven eencellige organismen de enige levensvormen en ook op dit moment nog maken zij de essentie van de aardse biosfeer uit. De opvatting wint veld dat biogenese een proces is dat overal in het heelal optreedt waar de fysische omstandigheden dit mogelijk maken. In dat geval kan leven niet een uniek, tot de Aarde beperkt verschijnsel zijn. 

Daartegenover staat abiogenese: het ontstaan van levende materie uit niet-levende materie. Omdat de bouwstenen van het leven ontstaan kunnen zijn in de ruimte.  Het gaat hier over de beginperiode van de geschiedenis van het leven op aarde, de periode tussen de vorming van de planeet (ca. 4,5 miljard jaar geleden) en het eerste verschijnen van levende organismen (bijna 4 miljard jaar geleden). Het uitgangspunt daarbij is dat het eerste ‘leven’ ontstaan moet zijn als gevolg van chemische (of geochemische) en fysische processen.

De oceanen op aarde ca. 4 miljard jaar geleden

De oceanen waren samengesteld uit de zouten Na+ (natrium ionen),  Mg2+ (magnesium ionen) en SiO3 (silicaten)chloor en  H2COkoolzuur  (diwaterstofcarbonaat)HCO3-  (waterstofcarbonaat).

Als een metaalatoom met een niet-metaalatoom reageert, dan ontstaat altijd een zout

Koolzuur wordt gevormd bij het oplossen van koolstofdioxide (CO2) in water  

De Atmosfeer tijdens het Archaïcum

De zonkracht was veel minder dan nu, 3,5 miljard jaar later, maar de UV straling was vernietigend bij gebrek aan een ozonlaag.

De samenstelling van de atmosfeer na het Hadeïcum was: CO2 (koolstofdioxide), N2  (di-stikstof/stikstofgas, alledaagse stikstof), CO  (koolstofmonoxide ten gevolge van vulkaanuitbarstingen, samen met onder andere zwaveldioxide, koolstofdioxide, waterstofsulfide en koolstofdisulfide), CH4  methaan en O2 (zuurstofgas / zuurstof).

Een groot aantal van deze ingrediënten vinden we terug in de samengestelde moleculen RNA en DNA. 

Voor het kunnen ontstaan van leven zijn moleculen noodzakelijk die in staat zijn reacties te versnellen (te katalyseren), die resulteren in replicaties van zichzelf. Voor de replicatie van DNA zijn complexe enzymen met een eiwitstructuur essentieel: veel van deze eiwitten versnellen biochemische reacties,  zulke eiwitten zijn enzymen. Enzymen worden bij de eiwitsynthese gevormd in cellen van alle organismen. 

Eiwitsynthese is het proces waarbij eiwitten worden gemaakt op basis van de informatie in het DNA. Deze eiwitsynthese gebeurt in twee stappen:

  1. Transcriptie. Dit is het proces waarbij DNA wordt aflezen en hierdoor een complementaire RNA-kopie wordt gemaakt.
  2. Translatie. Dit is het proces waarbij RNA wordt afgelezen en hierdoor eiwit wordt gemaakt.

Dus voor de samenstelling van de katalyserende eiwitten is DNA én RNA nodig. Het is dus niet waarschijnlijk dat DNA de eerste zelfreproducerende molecule is geweest. RNA daarentegen is daar veel geschikter voor, omdat RNA zowel informatiedrager kan zijn als katalysator. Er is daarom een hypothese geïntroduceerd: “de RNA-wereld”. Volgens deze hypothese bestond de RNA-wereld uit primitieve organismen die RNA gebruikten voor zowel enzymatische, dus katalyserende processen als voor de opslag van erfelijke informatie. 

Ribonucleïnezuur, afgekort als RNA, is een molecuul dat, net als DNA, bestaat uit een reeks aan elkaar gekoppelde nucleotiden. Het is essentieel voor de regeling van cellulaire processen in alle bekende levensvormen.

Nucleotiden zijn de bestanddelen waaruit DNA- en RNA-moleculen zijn opgebouwd. De erfelijke informatie ligt besloten in de volgorde van de nucleotiden en deze volgorde is extreem uniek: bij mensen en dieren sowieso. Planten hebben een eigen gen-expressie van hun DNA:

Chloroplast DNA
In de kern van elke plantencel zit DNA. Minder bekend is dat onder andere de bladgroenkorrels
(chloroplasten) in de cel ook eigen DNA bevatten. Men denkt dat dit komt, omdat heel vroeg in
de evolutie chloroplasten vrij levende organismen waren, die later een samenwerkingsverband zijn
aangegaan met grotere cellen, waaruit de hogere planten zijn ontstaan: endosymbiose

Het kern-DNA verandert bij elke nieuwe generatie planten. Bladgroenkorrels planten zich niet geslachtelijk voort, maar kunnen zich alleen delen. Daardoor blijft hun DNA afgezien van een enkele mutatie steeds gelijk. Via de eicel wordt het doorgegeven aan volgende generaties. In het onderzoek wordt dit DNA vooral gebruikt om informatie
over hele langdurige processen te verzamelen. Bijvoorbeeld, de evolutionaire relaties tussen plantenfamilies.

Nucleïnezuren zijn de bouwstenen van DNA en RNA

Een nucleïnezuur is een complex biochemisch molecuul waarin een groot aantal bouwstenen, de nucleotiden, aan elkaar geschakeld zijn. 

Nucleïnezuren belichamen de genetische informatie en vormen samen het genoom en het genotype. Het genotype zorgt in wisselwerking met de omgeving voor een fenotype, het geheel van eiwitten, koolhydraten, lipiden (vetachtige stoffen)  en nucleïnezuren. 

Een nucleotide bestaat uit drie onderdelen: een (stikstof)base, een suikergroep en een fosfaatgroep.

Structuur van een nucleotide. Elke nucleotide bestaat uit een fosfaatgroep, een suiker met 5 koolstof atomen en een stikstofbase. In DNA deoxyribose, in RNA ribose

Stikstofbasen in DNA: adenine, thymine, guanine en cytosine.

Stikstofbasen in RNA adenine, guanine, cytosine en uracil de plaats van thymine)

   2

Als je structuurformules van DNA en RNA bekijkt, zie je dat al deze onderdelen/bouwstenen anorganisch samengesteld zijn!

DNA-nucleotiden bevatten de suikergroep desoxyribose, RNA-nucleotiden bevatten de suikergroep ribose. Beide suikergroepen bestaan uit een ring van vier koolstofatomen en een zuurstofatoom.

   3

De strengen van DNA en RNA bestaan naast  (desoxy)ribosen uit fosfaatverbindingen: fosfor.

   4

Nucleobasen zijn de (stikstof)basen adenine [A] cytosine [C] guanine [G] thymine [T] voor het DNA. In het RNA is thymine vervangen door uracil [U]. Deze organische basen hebben een stikstofatoom [N] in hun structuur.

Stikstof [N] koolstof [C] zuurstof [O] en (di)waterstof [H2] zijn terug te vinden in de samenstellende verbindingen van DNA en RNA moleculen. Het zijn chemische elementen, die op de Aarde zijn "ingezaaid" door kometen en meteorieten vanuit de ruimte en hebben dus niet direct met levend organisme te maken. Deze stoffen staan echter wél aan de basis van het kunnen ontstaan van planetair leven....waar dan ook in het universum. 

Tijdens de wordingsgeschiedenis van de aarde waren anorganische elementen overvloedig aanwezig om bepaalde verbindingen aan te gaan in een prebiotische chemie om organische moleculen samen te stellen. 

Organische moleculen kunnen zich verbinden met anorganische stoffen zoals koolstof, stikstof, zuurstof en waterstof. Het bleek dat dit juist de stoffen zijn die nodig waren om aminozuren te vormen, waar eiwitten uit zijn opgebouwd, en nucleobasen die de bouwstenen van RNA en DNA, en ook lipiden (vetachtige moleculen), waar celmembranen uit bestaan. Belangrijke ondersteunende elementen hierbij waren fosfor en zwavel, terwijl kooldioxide door veelvuldige vulkanische uitbarstingen, de vroege Aarde omhulde. 

Chemische reacties vinden nou eenmaal plaats volgens chemische wetmatigheden en elektrische ontladingen door (vulkanische)bliksem leverden energie voor deze chemische reacties. 

Volcanic Lightning Of Sakurajima Volcano 桜島、火山雷発生。
MP4 bestand – 11.6 MB 7 downloads

In m'n volgende blog meer hierover.

Het leven is tot stand gekomen door de interactie van stofwisseling en genetica, de interactie van het genotype (de genen) met het fenotype (wat beïnvloed wordt door de genen of de omgeving)Beide zijn gebouwd rond de chemie van de meest voorkomende elementen in het heelal. Gezien de grote verscheidenheid van chemisch mogelijke moleculen in biologische systemen, zien we slechts 'n klein deel organische moleculen welke andere reacties aannemelijk zouden moeten leiden tot de synthese van pre-biologische moleculen op de vroege Aarde. 

Bron: ABIOGENESE en BIOLOGISCHE EVOLUTIE
Victor Rasquin

Het historische experiment van Miller en Urey in 1953 veronderstelde een sterk reducerende atmosfeer, dus met zeer weinig zuurstof. Er zou vooral veel methaan (CH), ammoniak (NH3), diwaterstof (H2)en waterdamp in de atmosfeer zijn.

Carl Sagan Cosmos The Stuff Of Life
MP4 bestand – 17.5 MB 12 downloads

Nu denkt men eerder aan een atmosfeer die rijk was aan waterdamp, koolstofdioxide  CO2  en wat koolstofmonoxide CO en merkelijk minder diwaterstof H2. Dit komt doordat vulkaangassen vnl. uit eerstgenoemde stoffen bestaan. Ammoniak en methaan blijken door UV-straling te worden vernietigd. Via varianten van het experiment van Miller-Urey is men erin geslaagd met waterdamp,  CO2  en wat CO o.a. purines, pyrimidines, aminozuren en diverse suikers samen te kunnen stellen, de basisstructuren voor het DNA en RNA

Een aminozuur bestaat uit de elementen koolstof, waterstof en stikstof (soms ook zwavel).                                                                Elk aminozuur heeft een centraal koolstofatoom met daaromheen vier andere groepen: Carboxygroep, waarin een koolstofatoom met drie bindingen gebonden is aan twee zuurstofatomen: COOH /  Aminogroep (twee waterstofatomen met een stikstofatoom) H2N /  Het waterstofatoom H / een restgroep 'R')                                                                             

De restgroep bepaalt welk aminozuur het uiteindelijk wordt en dat deze hydrofiel of hydrofoob, positief of negatief geladen wordt.

In totaal komen er 28 verschillende aminozuren in de natuur voor waarvan 22 gebruikt worden om eiwitten van te maken. Omdat een eiwit uit een groot aantal aminozuren bestaat, kunnen er met 22 verschillende soorten aminozuren vele combinaties gemaakt worden. 

Het is allemaal 'ingewikkelde' chemie d.w.z. de zeer eenvoudige allereerste chemie is om het te kunnen begrijpen letterlijk ingewikkeld gemaakt.......'ns kijken of ik het weet te ontwarren om de magie van de chemie te leren kennen.....