Wat zijn de ingrediënten van het leven?

Van de machtigste blauwe vinvis tot de meest minuscule paramecium, het leven zoals wij dat kennen neemt dramatisch verschillende vormen aan. Toch zijn alle organismen opgebouwd uit dezelfde zes essentiële elementaire ingrediënten: koolstof, waterstof, stikstof, zuurstof, fosfor en zwavel (CHNOPS).

Waarom deze elementen? Om daar achter te komen, ging Life’s Little Mysteries te rade bij Matthew Pasek, biogeochemicus aan de Universiteit van Zuid-Florida.

“Allereerst gaat koolstof gemakkelijk verbindingen aan met andere koolstofatomen. Dit betekent dat het enorme ketens vormt die fungeren als een mooi skelet voor andere atomen om zich aan te binden,” zei Pasek. Met andere woorden, koolstofatomen zijn de perfecte bouwstenen voor grote organische moleculen. “Dit leidt tot complexiteit.”

Maar wat verklaart de andere vijf chemische ingrediënten van het leven? “Eén ding dat stikstof, waterstof en zuurstof goed maakt, is dat ze overvloedig aanwezig zijn,” zei Pasek. “Ze vertonen ook zuur-base-effecten, waardoor ze zich kunnen binden met koolstof om aminozuren, vetten, lipiden en de nucleobasen te maken waaruit DNA en RNA zijn opgebouwd.”

“Zwavel zorgt voor elektronenshuffle,” vervolgde Pasek. “In principe helpen sulfiden en sulfaten met hun overschot aan elektronen bij het katalyseren van reacties. Sommige organismen gebruiken selenium in plaats van zwavel in hun enzymen, maar niet veel.”

Last but not least, fosfor, meestal te vinden in het molecuul fosfaat, is van vitaal belang voor de stofwisseling, omdat polyfosfaat moleculen zoals ATP (adenosine trifosfaat) in staat zijn om een enorme hoeveelheid energie op te slaan in hun chemische bindingen. Als de binding wordt verbroken, komt de energie vrij; doe dit vaak genoeg, bijvoorbeeld in een groep spiercellen, en je kunt je arm bewegen.

Laat vorig jaar ontdekten NASA-wetenschappers de enige bekende uitzondering op de fosforvereiste in een arsenicumrijk Californisch meer. Ze vonden een stam microben die in staat zijn om arseenatomen te vervangen door fosfor in hun moleculen wanneer de voorraden fosfor laag zijn. Arseen is chemisch vergelijkbaar met fosfor, waardoor het giftig is voor de meeste levensvormen omdat het metabolische routes verstoort.

Samengevat: “Op een paar uitzonderingen na, is wat je nodig hebt voor leven CHNOPS, plus een scheutje zout en een paar metalen,” zei Pasek. “Natuurlijk moeten die ingrediënten wel in de juiste bindingsstructuur zitten, maar dat lijkt van nature voor te komen. Aminozuren ontstaan spontaan, net als suikers en lipiden en nucleobasen.”

Dat is waar, tenminste, op aarde. Om de noodzakelijke moleculaire structuren te kunnen vormen, moet een planeet precies op de juiste afstand van zijn zon staan, en mag het niet te warm of te koud zijn om vloeibaar water te hebben. Een overvloed aan water helpt ook, omdat het dan makkelijker is voor de ingrediënten om zich te verplaatsen en tegen elkaar aan te botsen om interessante verbindingen te vormen. De zwaartekracht moet ook precies goed zijn. Tenslotte kan een scheutje bliksem de broodnodige energie leveren om een reactie te katalyseren die uiteindelijk zal leiden tot de productie van de complexe moleculen aminozuren, eiwitten, vetten, koolhydraten, RNA en DNA die zich lenen voor de productie van leven. Tenminste, zoals wij het kennen.

• Hoe is het leven op Aarde ontstaan?
• Arsenicum-etende Bacteriën openen nieuwe mogelijkheden voor buitenaards leven.
• Extremofielen: World’s Weirdest Life

Heeft u een vraag? Stuur ons een e-mail en wij zoeken een expert die het kan oplossen.

Volg Natalie Wolchover op Twitter @nattyover