Woord vooraf: Dit boek is inmiddels in het Nederlands is verschenen als Levenswerk.

Er bestaat al minstens 3,5 en misschien zelfs wel 4 miljard jaar leven op aarde. Is dat zomaar uit zichzelf ontstaan? De meeste mensen weigeren dat te geloven. Ze denken dat de stap van dood naar leven niet zonder tussenkomst van een intelligent wezen gezet kan zijn. En zoiets als een mens kan toch nooit via kleine evolutionaire stapjes ontstaan uit simpele oerbacteriën?

In dat laatste hebben ze gelijk, waarover verderop meer. Maar het ontstaan van het leven kan prima zonder schepper zijn gebeurd. Weinig mensen realiseren zich dat wetenschappers daar al veel inzicht in hebben. Ze zijn bezig met de ontrafeling van de manieren waarop dode moleculen zich organiseren tot zelfreproducerende eenheden. Leven is dat nog niet, maar kan er een voorstadium van zijn geweest. De erfelijkheidsmoleculen RNA en DNA kwamen pas later.

We weten hoe het zit
De lange ontwikkeling daarna heeft via simpele bacteriën tot steeds complexere wezens geleid en uiteindelijk de verbijsterende biodiversiteit van vandaag mogelijk gemaakt. Ook van die lange weg is al veel bekend. Voor het eerst in de geschiedenis van onze planeet weten we hoe het zit, schrijft de Britse biochemicus Nick Lane in zijn boek Life Ascending, dat vorige maand de Royal Society science book prize heeft gewonnen.

Natuurlijk kennen we nog niet het hele verhaal, dat weet Lane beter dan wie ook, maar de afgelopen tientallen jaren is de kennis wel enorm gegroeid. De biochemicus neemt zijn lezers bij de hand voor een tocht langs de hoogtepunten van de kennis over het leven.

In tien hoofdstukken belicht hij wat volgens hem de grootste uitvindingen van de evolutie zijn, namelijk het ontstaan van het eerste leven, DNA, fotosynthese, de complexe cel, seks, beweging, zien, warmbloedigheid, bewustzijn en… de dood. Hij houdt het zo toegankelijk mogelijk. Toch is het pittige kost, en moet je als lezer soms goed blijven opletten om niet in verwarring te raken van alle biologische vaktermen. Het is het absoluut waard.

Allerbelangrijkste omwenteling
Ik zal hier maar één van die uitvindingen bespreken, namelijk degene waarvan Lane zelf schrijft dat hij ‘misschien de allerbelangrijkste omwenteling in de geschiedenis van de aarde’ heeft bewerkstelligd: het ontstaan van de complexe cel. Toevallig heeft Lane daar vorige maand ook een wetenschappelijk artikel over gepubliceerd in Nature, samen met zijn collega William Martin. Het is een stuk compacter, maar gaat tegelijk ook wat dieper op de details in.

Het draait om iets wat ongeveer 1,9 miljard jaar geleden gebeurd moet zijn, toen de aarde uitsluitend bevolkt was door bacteriën. Plotseling verscheen een nieuwe levensvorm op het toneel, de voorouder van vrijwel alle levende wezens die je met het blote oog kunt zien. De bacteriën leven tot op de dag van vandaag ook gewoon door. Maar ze blijven altijd klein en vormen nooit meercellige wezens. Blijkbaar kunnen ze dat niet.

Bacteriën zitten namelijk gevangen in een evolutionair dal, betoogt Lane. De weg naar een grotere omvang en een complexere inhoud is aan alle kanten afgesneden. Dat is een kwestie van energie. De machinerie om die energie te maken, zit in de membranen van een cel. Een basale bacterie heeft die alleen aan de buitenkant: het vlies wat ‘m bij elkaar houdt. Dat is prima zolang hij klein blijft, maar wordt bij toenemende grootte steeds problematischer, omdat zijn inhoud sneller toeneemt dan zijn oppervlakte. Een reuzenbacterie zou energie tekort komen.

Gevoelige machinerie
Nu kan hij natuurlijk ook van binnen extra membranen ontwikkelen, opgevouwen in de cel. Dat kunstje beheersen sommige bacteriën al zo'n twee miljard jaar. Toch lost dat het probleem niet op. De machinerie die bruikbare energie produceert, moet snel kunnen reageren op veranderingen. Daarvoor is het essentieel dat onderdelen zonder tijdverlies kunnen worden bijgemaakt. En dat betekent dat het erfelijk materiaal altijd onder handbereik moet zijn, plus de apparatuur die het kan aflezen.

Om efficiënt te zijn, heeft een bacterie heel compact erfelijk materiaal, met weinig onzin ertussen. Hij kan dus best extra kopieën maken en dan wat groter worden. Dat kan ver gaan: er is zelfs een soort die al zijn DNA in 200.000-voud heeft uitgevoerd. Maar het onderhoud van het extra DNA, en de randapparatuur kost ook weer energie. Het trouw kopiëren van al het DNA kan een bacterie daarom wel groot maken, maar niet ingewikkeld. Want voor complexe interne structuren heb je een omvangrijkere set DNA nodig. Zo’n uitgebreide DNA-collectie honderdduizenden keren kopiëren, kost veel meer energie dan het ooit kan opleveren.

Kan een bacterie dan niet alleen bepaalde stukken DNA in veelvoud maken, en de rest niet? Nee, schrijft Lane, blijkbaar is er iets dat daar een stokje voor steekt. En dus blijven de bacteriën vastzitten in hun evolutionaire modderkuil.

Pantoffeldiertje
En dan nu de hamvraag: waarom kan zoiets als een pantoffeldiertje dan wél vijftienduizend keer zo groot worden als een normale bacterie, en het vijfduizendvoudige aan energie genereren? Als je binnenin die cel kijkt, zie je dat het pantoffeldiertje veel ingewikkelder in elkaar zit dan welke bacterie dan ook. Met name opvallend zijn de mitochondriën, celonderdelen die verdacht veel op bacteriën lijken.

Dat is geen toeval. Het zijn in feite tamme bacteriën die al 1,9 miljard jaar niet meer buiten zijn geweest. Ze hebben bijna geen eigen DNA meer; dat is in de loop der tijd verdwenen. Toch hebben ze nog wel wat eigen genen: precies het DNA dat nodig is voor de energievoorziening.

Het moet zo gegaan zijn, schrijft Lane: een oerbacterie kwam in een andere oercel terecht en wist zich daar te vermenigvuldigen. In het begin was deze nieuwe levensvorm nog niet veel efficiënter dan andere, maar gaandeweg kon hij groter worden en profiteren van het feit dat hij extra DNA kon onderhouden zonder dat meteen in veelvoud te moeten maken, met alle kosten van dien. Dat gaf speelruimte voor experimenten, want het meezeulen van DNA dat niet direct nuttig was, werd niet hard afgestraft. Dankzij spontane veranderingen ontstonden er nieuwe, nuttige genen. En zo werd de cel steeds complexer.

De samenwerking tussen twee cellen heeft zich ontpopt tot de grootste revolutie uit de geschiedenis van het leven, omdat het een weg uit het evolutionaire dal bood. Een eenmalige gebeurtenis, waaraan wij mensen ons bestaan danken. Natuurlijk waren daar nog allerlei andere doorbraken voor nodig. Wie daar meer over wil weten, moet het boek van Nick Lane lezen. Binnenkort ook in een Nederlandse vertaling verkrijgbaar, heb ik gehoord uit betrouwbare bron.

Elmar Veerman

Nick Lane: ‘Life Ascending – The ten great inventions of evolution’, Profile Books, Londen.

Nick Lane en William Martin: ‘The energetic of genome complexity’, Nature, 21 oktober 2010