Het ontstaan van het leven kent geen getuigen. Er zijn nooit gesteente
gevonden die ons opheldering geven over de eerste 700 miljoen jaren van
onze aardgeschiedenis. Dat is de periode tussen het samenklonteren van
onze planeet, zo’n 4.5 miljard jaar geleden ,ook tijdens deze periode ontstond
de zon, en de oudste ons bekende gesteente, Groenlandse Isua-formatie.
Deze werd 3.8 miljard jaar geleden afgezet.
Ergens in die eerste tijdsspanne was de aarde zover afgekoeld dat het water uit de atmosfeer condenseerde en alle laagte in de jonge aardkorst vulde met een oeroceaan. Het leven moet vrij snel daarna zijn ontstaan, dit getuigt het Groenlandse Isua-gesteente. De daarin aangetroffen stoffen kunnen op grond van hun koolstofisotopen, als gevolg van fotosynthetische processen zijn ontstaan.
Dit fotosyntheseproces is de eerste getuigenis van leven op aarde. Zolang
er geen gesteente ouder dan 3.8 miljard jaar worden gevonden, zal men het
ontstaan van het leven niet nauwkeurig kunnen dateren.
De zuurstofproducerende organisme van de Isue-formatie, hoogstwaarschijnlijk
blauwgroene algen ofwel cyanobacteriën , waren de chemische samenstelling
van de oeroceaan en de toenmalige atmosfeer reeds aan het veranderen. Immers,
de allervroegste atmosfeer bestond voornamelijk uit stikstof en edelgassen,
met sporen van water, koolstofdioxide en methaan.
De meeste wetenschappers vermoeden dan in de jonge aardatmosfeer de koolstofdioxydeconcentraties veel hoger was dan tegenwoordig. Zonder het daardoor veroorzaakte en heden ten dage zo gevreesde broeikaseffect, zou de aarde een vroegtijdige vriesdood zijn gestorven. De straling van de jonge zon was veel minder intens dan die nu is.
De vroegste levensprocessen en het ontstaan van veel gesteente uit deze
periode laten zich daarmee veel beter verklaren.
Om de levensvlam te ontsteken zou één minireactievat met daarin de juiste, voor reproduktie nodige DNA -hoeveelheid, toereikend zijn geweest. De natuur stond hiervoor ongeveer 500 miljoen jaar experimenteren te beschikking.
Mogelijk gebruikten de oercellen voor hun stofwisseling uitsluitend
abiotisch geproduceerde organische moleculen. De uitvinding van de fotosynthese
kort na het ontstaan van het leven was een ongeëvenaard succes, anders
was de levensvlam uit brandstofgebrek gedoofd.
De eerste fotosynthetische organisme waren waarschijnlijk cyanobacteriën.
Deze bezitten, zoals alle bacteriën, geen echte celkern en kunnen,
net zoals planten, via fotosynthese zuurstof produceren. Door symbiose
zijn veel ingewikkelder organisme ontstaan.
Leven is een buitengewoon zeldzaam verschijnsel en dat het ontstaan
ervan afhangt van een reeks samenhangende factoren of toevalligheden. Er
zijn echter ontdekkingen gedaan en experimenten verricht die erop wijzen
dat de bouwstenen voor het leven, organische moleculen zoals aminozuren,
heel gemakkelijk gevormd kunnen worden en dat niet alleen onder nagebootste
omstandigheden van de primitieve Aarde, maar ook onder de onaardse omstandigheden
in de ruimte.
In 1951 zetten Harold C .Urey en Stanley L. Miller een reeks befaamd geworden laboratoriumproeven op, om te onderzoeken of energiebronnen die aanwezig kunnen zijn geweest op de primitieve Aarde, blikseminslag, schokgolven van meteoren, ultraviolette straling, warmte, de synthese van organische stoffen uit de veronderstelde gassen van de oeratmosfeer op gang kunnen hebben gebracht. Ze namen aan dat de oeratmosfeer zuurstofloos was en grotendeels bestond uit waterstof, methaan, ammonia en water. Ze kozen voor elektrische ontladingen als energie bron. Al na een week ontstonden er aldehyde, vetzuren en aminozuren. Onder de laatste waren er vier die essentieel zijn voor het leven. Andere mengsels van gassen, met koolstofmonoxide, kooldioxyde en stikstof, waarvan men het later aannemelijk achtte dat zij in de aardse oeratmosfeer voorkwamen, bleken net zo produktief te zijn.
Sidney W .Fox ,experimenteerde met droge mengsels van zuivere aminozuren bij temperaturen van 130 °C. Er ontstonden binnen enkele uren eiwitachtige polymeren. Deze bleken in een geconcentreerde waterige oplossing bij hoge temperaturen kleine bolletjes ( protocellen) te vormen die de afmetingen van een bacterie hadden en een grenslaag vormden die op een dubbelgelaagde membraan leek. Ze bleken onder bepaalde omstandigheden ook te kunnen groeien en zich zelfs door knoopvorming te kunnen delen. Preparaten van zulke protocellen bleken de afbraak van glucose te kunnen katalyseren of te fungeren als enzymen. Ook andere onderzoekers hebben met protocellen geëxperimenteerd.
Natuurlijk is zo’n protocel nog geen levend wezen, maar de experimenten laten wel zien dat op leven lijkende gedrag kan ontstaan uit fysisch-chemische processen die zich hebben voorgedaan in de oeratmosfeer van de Aarde.
Hoyle en Winckramasinghe zijn er zelfs zeker van dat de organische bouwstoffen
en zelfs virussen en bacteriën via kometen en meteorieten op Aarde
terecht zijn gekomen. Nu zijn er tal van aanwijzingen dat meteorieten organische
moleculen bevatten, zoals alcoholen en vetzuren. Er zijn zelfs onderzoekers
die DNA-structuren hebben ontdekt in meteorieten, maar dat is tot op heden
nog niet bevestigd. Bovendien zijn er zeer recent bacteriën gevonden
in de nabijheid van zwavelbronnen op de oceaanbodem , op een diepte van
2650 meter, bij een temperatuur van 250 °C en een druk van 250 atmosfeer.
Dit wijst er alweer op dat het verschijnsel leven onder heel extreme omstandigheden
kan voorkomen.
Hoewel veel van onze kennis over het ontstaan van het zonnestelsel
en van het leven nog op vermoedens berust, zou het wel kunnen dat leven
niet echt zeldzame verschijnselen zijn.
Op Venus is het heet genoeg om lood te doen smelten. Mars is kouder dan de zuidpool. Maar op aarde zijn de condities al 3.5 miljard jaar precies goed om te leven . Ligt dat aan de aarde of ligt dat aan het leven zelf ? De Gaia -hypothese geeft een mogelijk antwoord op die vraag.
De aarde bruist van het leven. Dat is niet verwonderlijk: de lucht is goed in te ademen, temperatuur en druk zijn precies goed en de atmosfeer schermt ons af van de uv-straling, die ons buiten de aarde in enkele minuten zou roosteren. Ontstond deze aanpassing tussen leefmilieu en leven doordat het leven zich schikte naar de condities die het aantrof ? Of veranderde het leven het aardse milieu zo dat het leefbaar werd en bleef ?
Dat het leven zich aanpaste moet een deel van
de verklaring vormen, maar kan niet het hele verhaal zijn. We weten dat
veel omstandigheden die wij en andere organismen nodig hebben om te overleven,
gecreëerd worden door levende wezens. Planten bijvoorbeeld produceren
zuurstof door middel van fotosynthese, het proces waarmee ze zonlicht omzetten
in chemische energie voor hun groei. Zonder fotosynthese zou de lucht geen
zuurstof bevatten. Bijna alle stikstof en koolstofdioxide die zich heden
ten dage in de atmosfeer bevindt is van biologische oorsprong, al zijn
deze gassen ook van vulkanen afkomstig. Het kan niet anders of organismen
hebben het milieu geleidelijk veranderd en zich tegelijkertijd aangepast.
Zonder leven zou de aardse atmosfeer zijn zoals
die van Mars of Venus, met veel koolstofdioxide en zonder zuurstof. Ook
de temperatuur zou waarschijnlijk anders zijn. Het broeikaseffect van gassen
in de atmosfeer houdt de aarde warm, doordat de gassen de energie invangen
die de aarde uit het zonlicht absorbeert en weer uitstraalt. Sommige gassen
zijn daar beter in dan andere. Aangezien het mengsel van gassen op aarde
anders zou zijn zonder leven, zou dat eveneens gelden voor de temperatuur.
Onze planeet zou gemakkelijk te heet kunnen zijn voor enige vorm van leven(zoals
Venus) of te koud (zoals Mars). Ondanks het feit dat de zon gedurende een
lange periode steeds heter is geworden en de aarde door een groot aantal
kolossale meteorieten is getroffen, gedijt leven hier toch al onvoorstelbaar
lang- zeker zo'n drieëneenhalf miljard jaar.
Toen er drieëneenhalf miljard jaar geleden voor het eerst leven op aarde verscheen, leek de planeet totaal niet op de aarde zoals we die nu kennen. De planeet had zich nog maar net gevormd uit een wolk van gas en stof. Rampzalige inslagen van planetesimalen, meteorieten van tientallen kilometers doorsnede, kwamen nog steeds geregeld voor. We weten niet met zekerheid hoe de atmosfeer precies was samengesteld, maar deze bestond voornamelijk uit koolstofgassen, waarschijnlijk vooral koolstofdioxide maar wellicht ook methaan. Zuurstof bevatte de atmosfeer zeker niet.
Ook de zon was anders. Aangenomen dat deze zich op dezelfde wijze heeft ontwikkeld als andere sterren van haar formaat en samenstelling, moet de zon 25 tot 30 % minder heet zijn geweest dat nu. Als je de zon nu zover zou kunnen temperen, zou de aarde afkoelen en zouden de oceanen bevriezen. We weten zeker dat dit niet is gebeurd sinds het leven verscheen, aangezien bijna alle levensvormen temperaturen boven het vriespunt nodig hebben om te kunnen gedijen. Warmbloedige dieren, die hun eigen lichaamstemperatuur reguleren, ontwikkelden zich pas betrekkelijk kort geleden.
De gangbare verklaring voor deze paradox is dat het broeikaseffect van de vroege aarde sterker was, waarschijnlijk vanwege de grote hoeveelheid koolstofdioxide in de atmosfeer. In de loop der tijd daalde het gehalte aan broeikasgassen en is de zon feller gaan schijnen, zoadat de temperatuur aan het oppervlak aangenaam is gebleven voor het leven. Hierin zien wij een bewijs van een gaiaans regelmechanisme. Het leven op deze planeet regelt actief de temperatuur en bewerkstelligt hierdoor een natuurlijk evenwicht.
Het tweede denkbeeld is dat van herstel. Als de aarde een vreedzame plaats was, was er geen behoefte aan Gaia. Maar het is niet vredig op aarde. De planeet wordt voortdurend gebombardeerd door steen fragmenten vanuit de ruimte. Bijna alle stenen zijn klein en verbranden als vallende sterren in de atmosfeer, maar enkele zijn groot genoeg om de grond te bereiken.
Tegenwoordig zou zo eens in de honderd miljoen jaar een planetesimaal de aarde kunnen treffen (zie foto Shoemacher onlangs op Jupiter), waarbij genoeg stof en gas in de atmosfeer zou worden geslingerd om het grootste deel van de planeet te verduisteren. Men vermoedt dat deze kosmische botsingen enorme schade aanrichten, waarbij een reusachtige hoeveelheid leven wordt weggevaagd.
De aarde is waarschijnlijk meer dan eens door
planetesimalen geraakt en men veronderstelt dat de meest recente inslag
heeft geleid tot het uitsterven van de dinosauriërs, 65 miljoen jaar
geleden. Er is geen reden om aan te nemen dat botsingen met planetesimalen
in het verre verleden minder vaak voorkwamen.
Dit betekent niet dat de planeet onveranderd is
gebleven. Na elke catastrofe spelen andere soorten een hoofdrol, zodat
ook het nieuwe leefmilieu verandert.
Mensen die het gaiaans denken bekritiseren zeggen dat er geen mechanisme bestaat dat het systeem zelf tot ontwikkeling kan hebben gebracht. Evolutie van soorten vindt plaats ten gevolgen van concurrentie, zowel tussen individuen als tussen genen. Genen bepalen de karakteristieken van een organisme en worden doorgegeven aan de nakomelingen. Genen die hun eigen drager helpen overleven, zullen bijdragen tot succes en een verdere verspreiding. Genen die andere organisme helpen ten koste van hun drager, zullen geneigd zijn uit te sterven.
Er zijn voorbeelden van dit zelfopoffering gedrag
bij organismen die andere schijnbaar bevoordelen ten kosten van zichzelf.
Maar ogenschijnlijk zelfopoffering gedrag resulteert in werkelijkheid meestal
in concrete voordelen. Een chimpansee, die bij zijn medechimpansees parasieten
uit de vacht verwijdert, lijkt een dienst te verrichten zonder dat daar
iets tegenover staat. Het dier benadrukt hiermee echter dat hij deel uitmaakt
van de groep, waar hij, als het op eten en paren aankomt, van afhankelijk
is. Dus hoewel het gedrag op het eerste gezicht zelfopoffering lijkt, is
het feitelijk uit eigenbelang en draagt het bij aan de verspreiding van
de genen die aan het gedrag ten grondslag liggen.
Tegenstanders voeren aan dat Gaia vereist dat zich een zelfopoffering gedrag op mondiale schaal heeft ontwikkeld, met organismen die over de hele wereld samenwerken voor hun gemeenschappelijk voordeel. Maar het is moeilijk in te zien hoe de evolutieprocessen tot dit resultaat zouden kunnen leiden. Wat is er bijvoorbeeld te doen tegen een organisme dat "vals speelt" en geen inspanning levert ten behoeven van dit grote systeem, maar de andere al het werk laat opknappen? Deze profiteur zal meer energie overhouden voor zijn eigen directe overleving en als gevolg daarvan meer nakomelingen voortbrengen. Zijn genen zullen overleven ten koste van meer zelfopofferende organisme en met de samenwerking zal het snel gedaan zijn.
De mens is het enige organisme op aarde dat op een of andere manier vals is beginnen te spelen. Daarom zal hij ook spoedig uit het systeem gaan verdwijnen.
Als er regulerende mechanismen op mondiale schaal bestaan, dan toont dit argument dat die niet kunnen zijn ontstaan via het evolutie proces, door natuurlijke selectie die op het niveau van individuele genen werkt. Maar hoe dan wel ?
Lovelock en zijn medestanders hebben geopperd
dat deze mechanismen misschien niet tot " ontwikkeling" zijn gekomen in
de zin waarin biologen dat woord gebruiken. Ze voeren aan dat regulerend
gedrag zich gewoonweg ontwikkelde als een eigenschap van de complexe processen
tussen organismen en hun omgeving.
Als tweede mogelijkheid is geopperd dat het gewoon toeval zou kunnen zijn dat het leven op aarde al drieëneenhalf miljard jaar stand heeft gehouden. Stel je eens voor dat er oorspronkelijk miljoenen planeten zoals de aarde waren, verspreid over het heelal, en dat zich op deze planeten, steeds snel na hun ontstaan, leven ontwikkelde. We zouden kunnen veronderstellen dat na drieëneenhalf miljard jaar alle planeten op een paar na, misschien op één na, levenloos zijn geworden. Alleen op die ene planeet is genoeg tijd verstreken om intelligente dieren tot ontwikkeling te laten komen. Deze dieren kijken terug op de geschiedenis van hun eigen planeet en concluderen, zonder zich bewust te zijn van de vernietiging op andere planeten, dat er een bepaald principe moet bestaan, Gaia genaamd, dat het leefmilieu geschikt heeft gehouden voor leven. Ze zouden het natuurlijk bij het verkeerde eind hebben: ze waren vergeten dat als het leven was uitgestorven, zij nooit tot ontwikkeling zouden zijn gekomen om zich deze vraag überhaupt te stellen.
Dit argument is onmogelijk te ontzenuwen, maar
het is niet zozeer een argument tegen Gaia als wel een waarschuwing tegen
het redeneren op grond van foutieve veronderstellingen . Het systeem dat
de Gaia-hypothese veronderstelt zou kunnen bestaan, maar het lange voortbestaan
van het leven op aarde is daar op zich geen bewijs van. Om de hypothese
te bevestigen of te verwerpen moeten we bekijken of de regulatie - en herstelprocessen
die de hypothese voorstelt in werkelijkheid bestaan.
Een van de gevolgen van de Gaia- hypothese is
dat wetenschappers de mechanismen die het milieu op aarde reguleren nauwkeuriger
zijn gaan bestuderen. Het is nog te vroeg voor theorieën over deze
mechanismen, maar de twee onderstaande hypothesen geven een goed voorbeeld
van de complexiteit van de processen op aarde en illustreren hoe moeilijk
het is om die te bestuderen. Geen van beide berust expliciet op de Gaia-hypothese
, mar ze zijn alle twee in zekere mate geïnspireerd door het "gaiaanse"
denken.
We nemen aan dat de hoeveelheid koolstofdioxide in de atmosfeer de temperatuur op aarde gedurende haar geschiedenis heeft gereguleerd . Als Gaia werkelijk bestaat dan zouden we verwachten dat atmosferische koolstofdioxide onder biologische controle stond. Het leven zou moeten proberen meer koolstofdioxide uit de atmosfeer te verwijderen als de temperatuur stijgt om zo een stabiliserende invloed uit te oefenen.
Gedurende miljoenen jaren is de hoeveelheid koolstofdioxide in de lucht bepaald door de mate waarin het vrijkomt uit vulkanen en de mate waarin het aan de lucht wordt onttrokken bij de chemische verwering van rotsen die siliciumdioxide bevatten.
Verwering is het proces waarbij materialen langzaam eroderen ten gevolge van chemische en fysische processen. Noch verwering, noch vulkanische erupties brengen klaarblijkelijk leven met zich mee, dus hoe kan het leven de hoeveelheid koolstofdioxide in de atmosfeer dan reguleren ?
De verwering van silicaatmineralen, die bijvoorbeeld in graniet worden aangetroffen, vindt plaats in de grond en daarbij wordt koolstofdioxide verbruikt. Planten en micro-organismen , zoals bacteriën, absorberen koolstofdioxide uit de lucht en pompen het via hun wortels of door rotting de grond in. Zodoende bevat de bodem ongeveer veertig keer zoveel koolstofdioxide als de lucht, wat de verwering versnelt. Daardoor komt er uiteindelijk meer koolstofdioxide in de bodem terecht en minder in de atmosfeer. Tenslotte wordt koolstof vastgelegd in de vorm van carbonaatgesteenten, zoals kalksteen.
Wat zou er gebeuren als de zon heter wordt ?
Een temperatuurstijging op aarde zou waarschijnlijk een uitbreiding van de tropengordel veroorzaken, ten koste van de poolgebieden. Dit zou een verhoging betekenen van de biologische activiteit op aarde en de hoeveelheid koolstofdioxide die in de grond wordt gepompt. Als gevolg daarvan zou er koolstofdioxide uit de atmosfeer worden weggenomen, waardoor het broeikaseffect zou afnemen en de oorspronkelijke temperatuurstijging de neiging zou hebben af te nemen.
Dit is een "gaiaans" mechanisme om de temperatuur
te reguleren, in de zin dat de effectiviteit ervan afhangt van de aanwezigheid
van leven.
In een wolk begint elk waterdruppeltje zijn leven
met de condensatie rond een microscopisch klein deeltje van hygroscopisch
materiaal, ofwel een condensatiekern. Als er een tekort is aan condensatiekernen,
zoals soms gebeurt in een zeer heldere lucht, vormen zich wolken met minder
maar grotere waterdruppels. Zijn er ruim voldoende condensatiekernen, dan
zullen er veel kleine wolkendruppeltjes zijn. Kleinere druppels vormen
wittere wolken. Die reflecteren op hun beurt meer zonlicht terug de ruimte
in en koelen zo de aarde. Zodoende bestaat de kans dat het klimaat van
de hele planeet kan worden veranderd door het aantal condensatiekernen
dat voorkomt in de atmosfeer.
Mogelijk is boven grote delen van de oceanen het dimethylsulfide-gas dat wordt afgegeven door juist onder het wateroppervlak zwevende algen, de voornaamste bron van condensatiekernen. Het gas ontwijkt uit de oceanen. Eenmaal in de atmosfeer zet zonlicht dimethylsulfide om in zuren die condensatiekernen vormen.
Wetenschappers hebben berekend dat de algen meer zwavel vrijmaken in de vorm van dimethylsulfide dan alle elektrische centrales op aarde samen. De verspreiding van condensatiekernen is boven grote delen van de oceanen min of meer in overeenstemming met de dimethylsulfideproduktie.
Volgens de" wolk-algen"- theorie , hebben de algen grote invloed op de temperatuur op aarde door hun effect op de witheid van wolken. De emissie van dimethylsulfide helpt zo om de planeet koel te houden. Het is daarmee een Gaia-achtige regulator.
Maar zelfs als de algen de mondiale temperatuur
op deze manier beïnvloeden, is het niet duidelijk hoe sterk hun invloed
is en of dit een regulerend mechanisme is. We weten niet of algen meer
of minder dimethylsulfide produceren als de temperaturen stijgen. Om het
hele systeem te laten neigen tot stabilisatie van de temperatuur , moet
de wolk-algenterugkoppeling negatief zijn: de dimethylsulfideproduktie
en de witheid van wolken zouden dus moeten toenemen wanneer de temperaturen
wereldwijd stijgen.
Recente metingen, uitgevoerd in antarctisch ijs
met een ouderdom tot vijftienduizend jaar, wijzen op het tegenovergestelde.
Terwijl de temperatuur aan het einde van de laatste ijstijd toenam, lijkt
de hoeveelheid van dimethylsulfide afgeleide zwavel in de atmosfeer te
zijn gedaald. Dit zou betekenen dat door de relatie tussen wolken en algen
de wereldtemperatuur tot destabilisatie neigt. Dit lijkt onverenigbaar
met Gaia. Het is echter wel mogelijk dat plotselinge opwarming aan het
einde van de ijstijd een tijdelijk defect van de normale regulatoren weerspiegelt.
Het ontstaan van leven is vreemd aan de bestaande natuurwetten waar
orde naar chaos universeel is. Leven doet juist het tegenovergestelde,
van chaos naar orde, waarbij de orde buiten het systeem afneemt, zolang
dit systeem in beweging is (deze energie komt van buiten het systeem) is
er leven, bij het sterven van het systeem gaat de orde terug naar chaos
en wordt deze energie weer vrijgegeven. Een organisme de naam zegt het
zelf, is een symbiose van miljarden soorten cellen , waarbij de individuele
cel ondergeschikt is aan het algemeen belang van de organisatie.
Ook onze aarde is een levend dynamisch organisme.
