Wanneer het gaat om de oorsprong van het leven, om de fundamentele bouwstenen van het leven, dan gaat de aandacht al snel naar DNA. Nu is dat zeker een ongelofelijke ‘uitvinding’ van de evolutie, die terecht veel aandacht krijgt in wetenschap en de media. Maar het beeld dat van DNA wordt geschetst zet helaas bijna iedereen op het verkeerde been. DNA wordt de ‘blauwdruk van het leven’ genoemd, alsof het een soort bouwtekening is, of een computerprogramma dat precies beschrijft hoe een mens gebouwd moet worden, of een komkommerplant, of een blauwe vinvis, of een lieveheersbeestje, of… Een foutje in het DNA betekent dat er ergens een foutje in de constructie wordt gemaakt, waardoor het organisme niet correct werkt.

Een fout ergens in het DNA betekent dus dat een bepaald recept niet meer klopt. Dat hoeft helemaal geen probleem te zijn. Zo zijn er bijvoorbeeld recepten die nooit meer gebruikt worden, dus als daar een foutje in zit merkt niemand dat. En er zijn foutjes die niet erg zijn. Als je een deeg maakt en er staat dat je bloem in een kom moet doen, en dan boter erbij en dan eieren, dan is het niet erg als je de volgorde door elkaar haalt. Maar als er in plaats van ‘bloem’ ‘bloemen’ zou staan dan gaat de taart niet lukken.

En zo is het ook met leven. Het meest fundamentele aan het leven is de motor, hetgene dat alle processen in een lichaam aandrijft, hetgene dat alle processen in een cel aandrijft. En dat is de zogenaamde celademhaling. Een ongelofelijk complexe reeks chemische reacties die weer een onderdeel is van het hele proces van afbraak van glucose (suiker) in onze cellen waarbij energie vrijkomt.

De simpele reactie waar het allemaal om draait is

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ ⇒ 6 CO₂ + 6 H₂O + 38 ATP + warmte

C₆H₁₂O₆ is glucose, de simpelste vorm van suiker, daar gaan voor één molecuul 6 moleculen zuurstof bij en aan het eind komen er 6 moleculen koolstofdioxide uit, 6 moleculen water, 38 ‘eenheden’ energie (ATP) en een beetje warmte. Maar die simpele pijl daartussen is eigenlijk een complex proces dat bestaat uit drie stappen:

1.       glycolyse: het splitsen van het glucose-molecuul in twee gelijke stukken pyruvaat. Hierbij komen al 2 ‘eenheden’ energie vrij

2.       de citroenzuurcyclus: het afbreken van elk van de twee pyruvaat-moleculen in losse C-atomen die gekoppeld worden aan zuurstof-atomen die uit water worden vrijgemaakt

3.       de oxidatieve fosforilering: in de vorige twee stappen zijn 24 waterstof-atomen (H) losgemaakt uit het glucose-molecuul, die nu gekoppeld worden aan zuurstof-atomen (O) uit zuurstof. Daarbij worden maar liefst 36 ATP-moleculen gemaakt

In dit youtube-filmpje wordt het hele proces in animatie getoond.

Nu is natuurlijk de logische vraag: waar komt de suiker vandaan die aan het begin nodig is? (En eigenlijk zouden we ons ook af moeten vragen waar de zuurstof vandaan komt en waar de koolstofdioxide en het water naar toe gaan.) Het antwoord is hetzelfde als het antwoord op de vraag waar de benzine vandaan komt waar onze verbrandingsmotoren op draaien: van planten. Planten hebben een mechanisme ontwikkeld dat fotosynthese heet waarin de reactie precies de andere kant op loopt:

6 CO₂ + 6 H₂O ⇒ C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

De oplettende lezer zal opmerken dat de reactie niet precies het omgekeerde is van de vorige; de ATP en warmte ontbreken. Dat houdt in dat er energie nodig is om deze reactie op gang te houden. Die energie komt van zonlicht en die geven we scheikundig/natuurkundig weer als fotonen. Planten hebben een manier gevonden om de energie van die fotonen op te vangen en te gebruiken om de watermoleculen te splitsen, waarna de H-tjes aan de C-tjes gebouwd kunnen worden. Ook dit is een heel complex proces met meerdere onderdelen, dat in dit youtube-filmpje wordt getoond.

Eigenlijk is de situatie in planten nog een stukje complexer omdat ze niet alleen maar energie opnemen om er suikers mee te bouwen, maar ook zelf energie nodig hebben om de processen in hun cellen te laten draaien.

Voor degenen die het voor elkaar hebben gekregen de filmpjes helemaal uit te kijken – en misschien ook wel voor degenen die dat niet is gelukt – is wel duidelijk dat beide processen behoorlijk ingewikkeld zijn. Hoe kunnen die in hemelsnaam ‘zomaar’ zijn ontstaan? Het antwoord is natuurlijk dat ze net zo min ‘zomaar’ zijn ontstaan als onze verbrandingsmotor. Die heeft een hele ‘evolutie’ achter de rug. Als we het idee van motor wat ruimer opvatten – een machine die energie omzet naar arbeid – kunnen we veel verder terug dan de stoommotor en vallen bijvoorbeeld ook de water- en windmolen hier onder. Op eenzelfde manier moeten we terug kijken waar de processen in onze cellen vandaan gekomen kunnen zijn. Daarbij lopen we wel tegen een probleem aan. Net zoals er in onze moderne wereld eigenlijk geen stoommachines meer in normaal gebruik zijn, omdat de verbrandingsmotor veel gemakkelijker is in het gebruik, heeft de natuur de voorgangers van onze stofwisseling al heel lang geleden afgeschaft. Het vinden van sporen daarvan is dan ook heel lastig, en daar is de wetenschap dan ook nog lang niet uit. Wat weten of vermoeden we op dit moment?

In de animaties valt (misschien) op dat zowel in de fotosynthese als in de celademhaling een cyclus zit. Dat doet vermoeden dat er in een veel simpeler eerder stadium van leven misschien één cyclus is geweest die zowel vooruit als achteruit kon draaien. Vooruit betekent in dit geval energie erin en (een vorm van) suiker eruit, achteruit betekent dan suiker erin en energie er weer uit.

Met zo’n cyclus en de aanwezigheid van water, kooldioxide en een energiebron kun je dus suikers en zuurstof maken en die kun je dan weer verbranden om de energie weer vrij te maken. Maar om de cyclus te laten draaien heb je enzymen nodig: eiwitten, machientjes, houdertjes die de moleculen op de juiste manier bij elkaar brengen of uit elkaar slopen. En waar komen die eiwitten dan vandaan?

Maar met alleen een motor kom je nog niet zo ver, ook niet als die in een carrosserie – een cel – zit. Met een simpele reactie die energie kan opslaan en losmaken in een afgesloten ‘belletje’ heb je nog geen leven. Hoe komen we van chemie naar biochemie? Wat maakt van scheikunde leven?

Die vraag blijkt verrassend moeilijk te beantwoorden. Om tot een antwoord te komen moeten we namelijk eerst precies definiëren wat het verschil is tussen een serie chemische reacties en leven. Volgens de Dikke van Dalen is leven de “toestand van organische wezens of stoffen”, organisch betekent dan weer “van planten of dieren” en een dier is “een levend wezen” en zo zijn we in een cirkeltje rond gedraaid. Maar de Dikke van Dalen voegt nog iets toe aan de omschrijving van leven, namelijk “(tegenstelling: dood zijn)”. Dit lijkt heel flauw of filosofisch, maar blijkbaar is een essentieel kenmerk van leven dat het eindig is. Dat betekent dat leven zichzelf moet voortplanten, en daarvoor moet het iets doorgeven. Wat er dan precies doorgegeven moet worden is ook alweer wat lastig precies te definiëren. Maar hier krijgen we een beetje hulp van de wiskunde (toch weer de basis waarop je altijd terug kunt vallen 😉). Welke vorm het in de fysieke wereld ook heeft, in de wiskundige beschrijving gaat het om het doorgeven van informatie. En om informatie door te kunnen geven moet je het ergens kunnen vastleggen (opschrijven) en weer kunnen ophalen (lezen). En daar komt dan toch DNA om de hoek, het grote receptenboek van Moeder Natuur. De manier die de evolutie heeft gevonden om informatie op te slaan en door te kunnen geven is het ‘opschrijven’ in DNA.

En DNA is niets meer of minder dan een serie nucleotiden, de stofjes die in het experiment van Miller en Urey niet gevonden waren. Zoals te zien in het plaatje bestaat DNA uit maar vijf verschillende elementen: waterstof (H, witte bolletjes), zuurstof (O, rode bolletjes), stikstof (N, blauwe bolletjes), koolstof (C, zwarte bolletjes) en fosfor (P, gele bolletjes). In het plaatje is het niet zo makkelijk te zien maar een deel van het DNA hebben we al eerder gezien, of in ieder geval iets wat er heel erg op lijkt.

In het plaatje van DNA is te zien dat er naast de ‘A’ nog drie andere letters zijn: ‘T’ voor thymine, ‘C’ voor cytosine en ‘G’ voor guanine. Lastige namen voor telkens bijna hetzelfde stofje. De namen slaan telkens op het rechterdeel van het molecuul. De linkerkant is telkens een fosfaat, het middendeel een suikerring (zwart met rood en wit). De rechterkanten zien er uit als in het plaatje.

Het bijzondere is nu dat deze stofjes twee-aan-twee aan elkaar passen als puzzelstukjes. In het plaatje van DNA is te zien dat T en A aan elkaar passen en C en G. De moleculen komen niet vast aan elkaar te zitten maar vormen zogenaamde ‘waterstofbruggen’. Dat komt omdat waterstofatomen aan het uiteinde van de basen een beetje afgestoten worden door de rest van het molecuul en dan ‘vreemd gaan’ met een stikstof- of zuurstofatoom van het andere molecuul. Doordat de waterstofatomen in de base-paren (A-T en C-G) precies een tegenoverliggend stikstof- of zuurstofatoom kunnen vinden is de verbinding vrij stevig. Maar het is geen echte moleculaire verbinding, dus met een beetje moeite zullen de base-paren elkaar weer loslaten. En zo vormt het DNA een soort grote ritssluiting, die opengeritst kan worden door de base-paren van elkaar los te maken. En nu komt de grote truc! Omdat A alleen samengaat met T en C alleen past op G kun je van elk van de losgeritste strengen weer een heel nieuw DNA-molecuul maken door de passende lettertjes erop te plakken. En dus kun je in een serie van A-, C-, G- en T-basen informatie schrijven die je kunt kopiëren en doorgeven. Een ongelofelijk slimme methode die pas in de jaren 50 ontrafeld werd door Watson en Crick.

James Watson en Francis Crick kregen de Nobelprijs voor chemie voor hun dubbele helix-model van DNA (een gedraaide trap waarvan de treden gevormd worden door de basen-paren) samen met Maurice Wilson, een natuurkundige die met röntgen-kristallografie onderzoek deed naar de structuur van DNA. Het drietal gaf later toe dat de inspiratie voor hun model – dat het juiste bleek te zijn – een foto was die Rosalind Franklin, een vrouwelijke collega van Wilson, met röntgen-kristallografie had gemaakt. De erkenning voor het belang van het werk van Franklin kwam helaas pas 3 jaar nadat ze was overleden.

James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkens en Rosalind Franklin

Dus nu hebben we een manier om energie op te slaan en weer vrij te maken, en we hebben een manier om informatie op te slaan en weer uit te lezen. Daarmee hebben we de twee fundamentele processen die nodig zijn voor leven te pakken. En de stofjes die daar voor nodig zijn, dat zijn dus de fundamentele bouwstenen van het leven. Tenminste… dat zijn ze hier op aarde. De vraag is of het ook met andere stofjes zou kunnen, waardoor leven op een andere planeet bijvoorbeeld met heel andere stofjes zou kunnen werken. Die vraag is nog niet helemaal beantwoord, maar het antwoord lijkt te zijn dat dat niet kan. In detail zouden nucleotiden, suikers, eiwitten enzovoort misschien kunnen verschillen, maar het is simpelweg niet mogelijk om bijvoorbeeld de koolstofatomen te vervangen door iets anders. De verbindingen zouden dan zo anders worden dat het hele kaartenhuis instort.

De zoektocht naar leven buiten onze aarde begint altijd met het zoeken naar een planeet met vloeibaar water. Wat is daar nou zo bijzonder aan? Wat maakt dat we denken dat zonder vloeibaar water het leven niet kan ontstaan? Het blijkt dat het hele simpele stofje water ongelofelijk bijzonder is. Één zuurstof- (O) met twee waterstof- (H) atomen blijkt een unieke combinatie. Zuurstof heeft 6 protonen en zes electronen en waterstof heeft van allebei één. Nu gaat het om de electronen. Die zijn graag met z’n tweeën, ze vormen graag een electronen-paar. Die van waterstof zijn dus heel erg op zoek naar een maatje, en dat is de reden dat waterstofgas bestaat uit moleculen van telkens twee waterstofatomen aan elkaar. Hun electronen vormen een paar en ‘plakken’ zo de twee atomen aan elkaar vast. In de combinatie met zuurstof wil waterstof graag een paar vormen met een electron van zuurstof, maar dat gaat niet want zuurstof heeft al netjes 3 paar. Als de twee waterstof-atomen – die toch al aan elkaar zitten – samenwerken kunnen ze één van die paren opsplitsen en elk een electron inpikken om een paar mee te vormen. Zuurstof vindt dat prima, want nu ontstaan er 4 paren, en dat zijn twee paren van paren, ofwel een paar van paren van paren (2x2x2). En dat is fijner dan een paar van paren en een los paar (2x2 + 2). Iedereen blij dus.

Ondanks dat we nu een proces hebben om energie op te slaan en weer vrij te maken, en een manier om informatie op te slaan en door te geven, blijft er bij velen van ons tot het gevoel knagen dat we daarmee niet het ‘leven’ in de vingers hebben. Het voelt toch alsof we een motor hebben en een stuur, en uiteindelijk een hele auto mooie auto kunnen bouwen… maar het wordt geen levend wezen. Is er dan toch een ‘levensvonk’ die tot nu toe ongrijpbaar is voor de wetenschap?

Erwin Schrödinger is helaas vrijwel alleen onder natuurkundigen wereldberoemd en dan nog vrijwel alleen vanwege zijn kat, of eigenlijk vanwege een gedachtenexperiment met een kat. In een poging om de vreemde wereld van de quantummechanica uit te leggen – volgens de zogenaamde Kopenhagen-interpretatie – bedacht Schrödinger het volgende:

Stel je voor dat een kat in een doos zit, met daarbij een flesje met een giftige stof. Het flesje is op ingenieuze wijze verbonden aan een mechanisme dat op een volstrekt willekeurig moment het flesje breekt, waardoor de kat helaas zal overlijden. (Voor de dierenliefhebbers, het is maar een gedachtenexperiment. Noch Schrödinger, noch een andere natuurkundige heeft dit ooit in werkelijkheid gedaan.) Pas op het moment dat je de doos openmaakt zul je er achter komen of de kat nog in leven is of al dood. Zolang je de doos niet openmaakt zou je kunnen zeggen dat – voor zover je als waarnemer weet – de kat zowel dood als levend is. Pas op het moment dat je de doos openmaakt ‘dwing’ je het systeem in één van beide toestanden.

Dit is natuurlijk heel vreemd, maar het is nog steeds één van de beste manieren om de vreemde situatie in de quantumwereld te beschrijven waarin een systeem (een molecuul, atoom of iets anders heel erg kleins) zich in meerdere toestanden tegelijk kan bevinden. Pas wanneer het systeem bemeten wordt ‘kiest’ het één bepaalde toestand. Dit heet quantum superposition en wordt in collegezalen over de hele wereld uitgelegd aan de hand van ‘Schrödinger’s cat’.

Interessant detail is dat Watson en Crick (die van het dubbele helix-model van DNA) de lezingen van Schrödinger hebben gevolgd en dat het ze heeft geïnspireerd om te gaan werken aan het vinden van de structuur van DNA. Watson heeft in 1953 nog een bedankbrief geschreven aan Schrödinger.

Maar het wanordelijke gedrag van moleculen vormt een groot probleem in de biologie. Als we een heel stuk terug gaan in mijn verhaal naar de celademhaling en de fotosynthese, dan lijken die processen in de animaties heel netjes te verlopen. Maar in de biologische werkelijkheid bewegen de moleculen net zo chaotisch als die van het gas waarover ik het net had. En de perfecte volgorde van processen waarbij moleculen van het ene enzym naar het andere worden overgedragen vind plaats temidden van een zee aan andere moleculen die door een cel heen ‘dwarrelen’. Nog erger wordt het als we kijken naar electronen die moeten worden overgedragen. In de animaties bewegen die netjes van het ene punt naar het andere, ze wachten netjes op hun beurt en bewegen op het juiste moment in de juiste richting. In de echte wereld vliegen die electronen als ongeleide projectielen alle kanten op. Om ze op de juiste plek te krijgen is een kracht nodig en zo’n kracht kost energie. En die energie is nu net hetgene waar door levende cellen heel zuinig mee omgesprongen moet worden. Het aansturen van de electronen en moleculen zoals getoond in de animaties zou zoveel energie kosten dat het leven helemaal niet op gang kon zijn gekomen. En nu net voor dit probleem bood de quantumfysica volgens Schrödinger de oplossing.

Iets vergelijkbaars geldt ook voor de moleculen die de onderdelen in de reactie doorgeven en daarvoor bewegingen moeten maken in de animatie. In de quantumwereld hoeven ze die beweging niet te maken omdat ze meerdere vormen tegelijk kunnen hebben. Net als Schrödinger’s kat in zijn beroemde gedachtenexperiment (zie het stukje over Schrödinger’s cat) tegelijk levend en dood kon zijn, kunnen moleculen meerdere vormen tegelijk hebben. Dat is vooral belangrijk bij eiwitten die een belangrijke rol spelen in reacties als de citroenzuurcyclus, maar ook bijvoorbeeld het binden en loslaten van zuurstof door hemoglobine. Een eiwit moet om zijn functie uit te voeren vaak van vorm veranderen, en in de klassieke mechanica is daar een kracht voor nodig die energie kost. In de quantumwereld is dat niet nodig omdat het molecuul meerdere vormen tegelijk kan hebben. Maar dan rijst de vraag hoe bijvoorbeeld hemoglobine zuurstof vrij kan geven als er een vorm is waarin het het zuurstofmolecuul vast blijft houden. De theorie is dat een reactie van zuurstof, die mogelijk is doordat er een toestand van het hemoglobinemolecuul is waarin de zuurstof los wordt gelaten, geldt als een soort van meting. De reactie ‘neemt’ het hemoglobinemolecuul ‘waar’ in de ‘open’ stand. En die waarneming ‘dwingt’ het molecuul tot een keuze uit de quantumtoestand, namelijk de open toestand.

Qauntumbiologie is een nieuw vakgebied dat sinds Erwin Schrödinger al veel inzichten heeft opgeleverd en mogelijke antwoorden biedt op veel vragen. Welke antwoorden de juiste zijn zal in veel gevallen nog moeten blijken en experimenten zijn ongelofelijk lastig, niet in de laatste plaats omdat de quantumwereld zo volledig anders is van wat wij kennen en ons kunnen voorstellen. Maar het antwoord op de vraag wat leven nu anders maakt dan scheikunde, zou wel eens kunnen zijn dat het leven een manier heeft gevonden om gebruik te maken van de wondere wereld van de quantummechanica. En als die verbinding verbroken wordt, dan wordt leven gereduceerd tot scheikunde. Hebben we daarmee het geheim van het leven dan eindelijk ontsluierd? Ik denk het niet. Zelfs als mocht blijken dat deze theorie waar is, dan hebben we het raadsel van het leven alleen ingeruild voor de vele raadselen van de quantumwereld. In ieder geval blijft er voor de komende generaties nog genoeg te onderzoeken en vooral om ons over te verbazen.