By: Astrobiology Magazine staff
Is it alive?
A crystal can grow, reach equilibrium, and even move in response to stimuli, but lacks what commonly would be thought of as a biological nervous system.
Image Credit: National Ignition Facility Programs
How to define “life” is a sweeping question that affects whole branches of biology, biochemistry, genetics, and ultimately the search for life elsewhere in the universe.
Vergeleken we de semantische taak met het oude Hindoe-verhaal over het identificeren van een olifant door elk van de zes blinde mannen alleen de staart, de slurf of de poot te laten aanraken, dan kan het antwoord van een bioloog dramatisch verschillen van het antwoord van een theoretisch natuurkundige.
Hoewel er in eerste instantie enige overeenstemming mogelijk is. Levende wezens zijn over het algemeen complex en sterk georganiseerd. Zij hebben het vermogen om energie uit de omgeving op te nemen en deze om te zetten voor groei en voortplanting. Organismen neigen naar homeostase: een evenwicht van parameters die hun interne omgeving bepalen. Levende wezens reageren, en hun stimulatie bevordert een reactie-achtige beweging, terugslag, en in geavanceerde vormen, leren. Het leven is reproductief, want er is een vorm van kopiëren nodig om evolutie mogelijk te maken via mutatie en natuurlijke selectie van een populatie. Om te groeien en zich te ontwikkelen moeten levende wezens in de eerste plaats consumenten zijn, want groei omvat het veranderen van biomassa, het scheppen van nieuwe individuen, en het afwerpen van afval.
Om als levend wezen te worden aangemerkt, moet een wezen aan enige variatie voor al deze criteria voldoen. Een kristal bijvoorbeeld kan groeien, een evenwicht bereiken en zelfs bewegen als reactie op stimuli, maar mist wat gewoonlijk wordt gezien als een biologisch zenuwstelsel.
Hoewel een “heldere lijn”-definitie nodig is, geven de grensgevallen de definitie van leven een duidelijk grijs en vaag karakter. In de hoop de werkdefinitie op zijn minst terrestriaal te beperken, lijken alle bekende organismen een op koolstof gebaseerde chemie te delen, afhankelijk te zijn van water, en fossielen achter te laten met koolstof- of zwavelisotopen die wijzen op een huidig of vroeger metabolisme.
Hoewel deze tendensen een rijke verzameling kenmerken opleveren, is er kritiek op uitgeoefend omdat ze de geschiedenis van het leven zelf negeren. Terrestrisch wordt het leven ingedeeld in vier biologische families: archaea, bacteriën, eukaryoten, en virussen. Archaea zijn de recent gedefinieerde tak die vaak in extreme omgevingen overleeft als afzonderlijke cellen, en zij delen kenmerken met zowel bacteriën als eukaryoten. Bacteriën, vaak prokaryoten genoemd, hebben over het algemeen geen chlorofyl (behalve cyanobacteriën) en geen celkern, en zij gisten en respireren om energie te produceren. Tot de eukaryoten behoren alle organismen waarvan de cellen een celkern hebben – dus de mens en alle andere dieren zijn eukaryoten, evenals planten, protisten en schimmels. De laatste groep omvat de virussen, die helemaal geen cellen hebben, maar fragmenten van DNA en RNA die zich parasitair voortplanten wanneer zij een compatibele gastheercel infecteren. Deze classificaties verduidelijken de grote puzzel van het bestaande leven, maar geven nauwelijks een definitieve definitie.
Het definiëren van leven krijgt een meer betoverend karakter wanneer het wordt uitgebreid tot buiten de biosfeer van de aarde. De recente toevoeging van extremofielen (archaea) aan de levensboom onderstreept de notie dat leven wordt gedefinieerd door wat we kennen, wat we eerder hebben gezien, en vaak wat we hebben weten te domesticeren in een laboratorium petrischaal.
Astrobiology Magazine zocht de mening van een expert over deze belangrijke vraag bij Dr. Carol Cleland, die filosofie doceert aan de Colorado University in Boulder en lid is van NASA’s Astrobiology Institute. Tijdens haar sabbatical in Madrid, Spanje, bij het Centro de Astrobiologia (CSIC-INTA), deelde zij haar gedachten over de kracht van definities om wetenschap en filosofie vorm te geven.
Interview met Carol Cleland
“Ik ben geïnteresseerd in het formuleren van een strategie voor het zoeken naar buitenaards leven die het mogelijk maakt om de grenzen te verleggen van onze op de aarde gerichte concepten van leven.” -Carol Cleland
Image Credit: University of Colorado
Q: Wat is uw mening over pogingen om “leven” te definiëren?
In een recent artikel in Origins of Life and Evolution of the Biosphere betogen Christopher Chyba en ik dat het een vergissing is om te proberen ‘leven’ te definiëren. Dergelijke pogingen weerspiegelen fundamentele misverstanden over de aard en de kracht van definities.
Definities vertellen ons iets over de betekenissen van woorden in onze taal, in plaats van dat ze ons iets vertellen over de aard van de wereld. In het geval van het leven zijn wetenschappers geïnteresseerd in de aard van het leven; zij zijn niet geïnteresseerd in wat het woord “leven” toevallig betekent in onze taal. Waar we ons echt op moeten concentreren, is het bedenken van een voldoende algemene theorie van levende systemen, in tegenstelling tot een definitie van “leven”.
Maar om een algemene theorie van levende systemen te kunnen formuleren, is meer nodig dan een enkel voorbeeld van leven. Zoals blijkt uit de opmerkelijke biochemische en microbiologische overeenkomsten, heeft het leven op aarde een gemeenschappelijke oorsprong. Ondanks zijn verbazingwekkende morfologische diversiteit vertegenwoordigt het aardse leven slechts één enkel geval. De sleutel tot het formuleren van een algemene theorie van levende systemen is het onderzoeken van alternatieve mogelijkheden voor leven. Ik ben geïnteresseerd in het formuleren van een strategie voor het zoeken naar buitenaards leven, die het mogelijk maakt om de grenzen te verleggen van onze aardse concepten van leven.
Q: Zou u in de categorie van wat “levend” is, wat u de “grensgevallen” noemt, uitsluiten – virussen, zichzelf replicerende proteïnen, of zelfs niet-traditionele objecten die enige informatie-inhoud hebben, zich reproduceren, consumeren, en sterven (zoals computerprogramma’s, bosbranden, etc.)?
Dit is een complexe vraag. Taal is vaag, en alle termen hebben te maken met grensgevallen. Is een ongehuwde twaalfjarige jongen een “vrijgezel”? Hoe zit het met een achttienjarige? Hoeveel haren zijn er nodig om een “kale” man te veranderen in een man die “niet kaal” is? 20 of 100 of 1000 haren? Het feit dat er grensgevallen zijn – dat we geen precieze grens kunnen trekken – betekent niet dat er geen verschil is tussen een vrijgezel en een getrouwde man, of een kale man en een man die niet kaal is. Deze moeilijkheden vertegenwoordigen geen diepgaande moeilijkheden; zij vertegenwoordigen slechts het feit dat taal een zekere mate van flexibiliteit heeft. Ik denk dus niet dat entiteiten als virussen erg interessante uitdagingen vormen voor definities van “leven”.
Aan de andere kant denk ik niet dat het definiëren van “leven” een erg nuttige bezigheid is voor wetenschappers, omdat het ons niet zal vertellen wat we eigenlijk willen weten, namelijk “wat is leven”. Een wetenschappelijke theorie van het leven (wat niet hetzelfde is als een definitie van leven) zou in staat zijn om deze vragen op een bevredigende manier te beantwoorden.
Als analogie: de middeleeuwse alchemisten classificeerden veel verschillende soorten stoffen als water, waaronder salpeterzuur (dat “aqua fortis” werd genoemd). Zij deden dit omdat salpeterzuur veel van de zintuiglijke eigenschappen van water vertoonde, en misschien wel het belangrijkste, het was een goed oplosmiddel. Pas met de komst van de moleculaire theorie konden wetenschappers begrijpen waarom salpeterzuur, dat veel van de eigenschappen van water heeft, desondanks geen water is. De moleculaire theorie verklaart duidelijk en overtuigend waarom dit het geval is: water is H2O — twee waterstofatomen en één zuurstofatoom. Salpeterzuur heeft een andere moleculaire samenstelling.
Een goede theorie van het leven zou hetzelfde doen voor de gevallen die u noemt, zoals computerprogramma’s. Het louter definiëren van “leven” op zo’n manier dat je favoriete niet-traditionele “levende” entiteit er deel van uitmaakt, komt dit project helemaal niet ten goede.
Vraag: Wat is uw favoriete theorie over hoe leven op aarde kan zijn ontstaan – kleikristallen, RNA-wereld, membranen, of een andere optie?
Freeman Dyson, grondlegger van de “dubbele oorsprongstheorie.”
Image Credit: Trustees of Dartmouth College
Ik heb de indruk dat alle theorieën over de oorsprong van het leven op twee grote hindernissen stuiten. De grootste is de verklaring van de oorsprong van het complexe samenwerkingsschema tussen proteïnen en nucleïnezuren – de gecontroleerde productie van zelfreplicerende katalytische systemen van biomoleculen. Alle populaire beschrijvingen van de oorsprong van het leven lijken mij dit probleem uit de weg te gaan. In plaats daarvan concentreren zij zich op de andere hindernis: het produceren van aminozuren en nucleotiden, en deze te laten polymeriseren tot proteïnen en nucleïnezuren (meestal RNA). Maar het lijkt mij dat geen van hen ons een erg bevredigend verhaal heeft gegeven over hoe dit is gebeurd.
Alle scenario’s die zijn voorgesteld voor het produceren van RNA onder plausibele natuurlijke omstandigheden missen experimentele demonstratie, en dit omvat de RNA wereld, kleikristallen, en vesicle accounts. Niemand is in staat geweest om RNA te synthetiseren zonder de hulp van eiwit-katalysatoren of nucleïnezuur-sjablonen, en bovenop dit probleem komt nog de breekbaarheid van het RNA-molecuul.
Maar ik denk nog steeds dat het ernstiger probleem de volgende fase van het proces is, het coördineren van eiwitten en RNA via een genetische code tot een zichzelf replicerend katalytisch systeem van moleculen. De kans dat dit toevallig gebeurt (gegeven een willekeurig mengsel van eiwitten en RNA) lijkt astronomisch klein. Toch lijken de meeste onderzoekers aan te nemen dat als zij de onafhankelijke productie van eiwitten en RNA onder natuurlijke primordiale omstandigheden kunnen verklaren, de coördinatie op de een of andere manier vanzelf zal gaan.
Als ik een favoriete theorie zou moeten kiezen, dan zou dat Freeman Dyson’s theorie van de dubbele oorsprong zijn, die uitgaat van een aanvankelijke eiwitwereld die uiteindelijk een RNA-wereld voortbracht als bijproduct van een steeds verfijnder metabolisme. De RNA-wereld, die begint als een verplichte parasiet van de eiwitwereld, produceert uiteindelijk het coöperatieve schema, en daarmee het leven zoals we dat nu kennen. Ik vind het goed dat deze uiteenzetting probeert om te gaan met de oorsprong van het coöperatieve schema.
Q: Denkt u dat er meerdere oorsprongen van leven kunnen zijn geweest, of dat leven van ergens anders naar de Aarde kan zijn gekomen?
Het meer dan één keer ontstaan van leven uit niet-levend materiaal zou elders dan op Aarde kunnen voorkomen, maar het zou ook op Aarde kunnen zijn voorgekomen. Het is mogelijk dat er buitenaards leven bestaat en dat al het leven desondanks een gemeenschappelijke voorouder heeft. Wetenschappers denken nu dat microben interplanetaire reizen kunnen overleven door zich in te nestelen in meteoren die ontstaan door inslagen van asteroïden op planetaire lichamen die leven bevatten. Met andere woorden, wij zouden allemaal van marsmannetjes kunnen afstammen — of marsmannetjes, als ze bestaan, zouden een gemeenschappelijke voorouder met ons kunnen delen! Kortom, de ontdekking van buitenaards leven alleen garandeert niet dat het leven meer dan één oorsprong had.
Q: Denkt u, als een van de grote mysteries en uitdagingen in de wetenschap, dat we de oorsprong van het leven door experimenten kunnen bepalen?
Ik hoop het! Maar totdat we een adequate theorie van het leven hebben die de formulering van de juiste experimenten kan sturen, zal het moeilijk zijn om dat te zeggen. Ik veronderstel dat het altijd mogelijk is dat leven geen natuurlijke categorie is, en dat er dus geen universele theorie van het leven kan worden geformuleerd. Maar ik betwijfel het.
Het is ook mogelijk dat het leven op aarde het produkt is van een zeer complex historisch proces, dat te veel toevalligheden met zich meebrengt om gemakkelijk toegankelijk te zijn voor definitief experimenteel onderzoek. Een voldoende algemene theorie van het leven zou dit echter duidelijk maken. Bovendien is historisch onderzoek heel goed in staat om empirisch bewijs te verkrijgen dat dit soort historische vragen kan oplossen – bewijs dat net zo overtuigend is als het bewijs dat door klassiek experimenteel onderzoek wordt geleverd! Dus zelfs als we in het laboratorium geen leven kunnen produceren uit niet-levend materiaal, betekent dat nog niet dat we nooit zullen weten hoe het leven op Aarde is ontstaan.
Wat is de volgende stap?
De Europese Ruimtevaartorganisatie zal in de vroege zomer van 2003 een Marsmissie lanceren. De huidige plannen zijn om met de lander, Beagle 2, biologische experimenten uit te voeren om te zoeken naar bewijzen voor leven op Mars. Een voorbeeld van hoe de definitie van leven direct vorm kan geven aan de verkennende wetenschap is dat de wetenschappelijke lading van de Beagle 2 de gemeenschappelijke kenmerken zal onderzoeken waarvan wordt aangenomen dat ze op leven duiden. Zo zal de Beagle 2 bijvoorbeeld zoeken naar de aanwezigheid van water, de aanwezigheid van carbonaatmineralen, het voorkomen van organische resten, en isotopenfractionering tussen organische en anorganische fasen. Elk van deze factoren zal een aanwijzing geven voor de waarschijnlijkheid van leven op Mars, wanneer deze wordt afgezet tegen de heersende milieuomstandigheden, zoals temperatuur, druk, windsnelheid, UV-flux, oxidatiepotentieel en stofomgeving.
Afbeelding van Cleland, Chyba (2002): “Er bestaat geen algemeen aanvaarde definitie van ‘leven’. Voorgestelde definities stuiten op problemen, vaak in de vorm van robuuste tegenvoorbeelden. Hier gebruiken we inzichten uit filosofisch onderzoek naar taal om te beargumenteren dat het definiëren van ‘leven’ op dit moment een dilemma oplevert dat vergelijkbaar is met het dilemma waarmee degenen werden geconfronteerd die ‘water’ wilden definiëren voordat er een moleculaire theorie bestond. Bij gebrek aan een analoge theorie over de aard van levende systemen, is een eindeloze controverse over de definitie van leven onontkoombaar.”
Cleland, Carol E.; Chyba, Christopher F., Origins of Life and Evolution of the Biosphere, v. 32, Issue 4, p. 387-393 (2002).