Graham Cairns-Smith: “De eerste genen waren klei-kris­tallen.”

NRC Handelsblad 1-8-1985 — Over de oorsprong van het le­ven op aarde zijn vele theorieën, en zij wedijveren met elkaar in de mate waarin zij onze fantasie op de proef stellen. Tegen de tijd dat een zoeken­de zijn geloof in God opzegt (en be­sluit om de evolutie-biologie te raad­plegen om enige ontstane leemtes op te vullen) wordt het probleem nijpend. Wie zijn wij? Waartoe is alles op aar­de verschenen? En: waaruit is alles ontstaan?

***

Op die laatste vraag is nu een duide­lijk antwoord: uit klei. Dat is tenmin­ste de mening van de Engelse chemi­cus Dr. Graham Cairns-Smith uit Glasgow. Hij publiceerde hierover inJuni een artikel in Scientific American en schreef al drie verhelderende boe­ken – de derde, ‘Seven Clues to the Origin of Life, a Scientific Detective Story’ komt deze week uit. Zijn theo­rie wordt als gewaagd omschreven, maar wel serieus genomen. Toch wor­stelt Cairns-Smith met een probleem: “De biologen zien geen fouten in mijn theorie, evenmin als de geologen, en de zaak is chemisch ook in orde. Maar toch breekt hij tot. op heden niet echt door. Waarom niet? Ik weet het niet.”

Het sleutelwoord bij de theorie van Cairns-Smith is: Genetic Takeover. Dat is: in den beginne was er een an­organische genetica en die is in de loop der evolutie verdrongen door een organische vorm van erfelijkheid, met uiteindelijk het DNA-molecuul als drager van de erfelijke eigenschappen bij vrijwel alle huidige organismen. Hij zegt: de eerste genen waren kris­tallen, en klei is om verschillende re­denen een geschikt kristal om de rol van het oer-gen gespeeld te hebben.

Te laat ontdekt

Onder zijn hypothese worden de laat­ste tijd enkele wetenschappelijke stut­ten geslagen, zoals door onderzoek van Prof. Armin Weiss uit München en van Lelia Coyne van het Nasa Ames Research Centre. (zie kadertje.) New Scientist meldde daarover: “Deze re­sultaten vormen niet een bewijs voor de theorie dat leven uit klei voort­komt, maar het zijn wel noodzakelijke voorwaarden daartoe.”

Heel leuk! Genieën worden soms te laat ontdekt, dus zoek ik Cairns-Smith op in Londen, waar hij op een zonnige middag op doorreis is naar een vakan­tiebestemming in Frankrijk. We ont­moeten elkaar in het Museum van Na­tuurlijke historie.
Gezeten in de scha­duw van een reusachtige Dinosaurus (dit alles voortgekomen uit klei?!), spreekt hij snel en geïnspireerd, on­derbreekt zichzelf met onaffe bijzin­nen vol speculatie en lardeert zijn be­toog met kleine Engelse grapjes.

Toen u ging roeren in de oersoep, sloeg de gedachte van klei als voorlo­per van het leven op aarde over als een vonk, zoals bij de beroemde proeven van Miller, of was het een evolutie­proces?

“Duidelijk een evolutieproces. Bij het nadenken over het ontstaan van het leven stuitte ik– ik spreek van begin jaren vijftig toen de rol van het DNA- molecuul nog niet bekend was – steeds weer op het grote probleem: hoe stel je je een bepaald moleculair systeem voor dat zich op één of ande­re manier kan repliceren – zich kan vermenigvuldigen? Deze replicatie is mijns inziens fundamenteel.

Waarom?

“Er zijn bij de origin of life people twee richtingen te onderscheiden: de ‘genetici’ en de ‘soepmensen’. De ge­netici zijn mensen als J. B. S. Haldane die stellen dat er in de eerste plaats reproductie geweest moet zijn, een zichzelf replicerend molecuul, en daarna pas een stofwisseling, met ten­slotte een Cel.

“De soepmensen vinden hun inspiratie in het werk van A. Oparin, die precies andersom dacht. Hij stelt dat er in de oersoep eerst sprake was van een krioelende massa moleculen, die steeds ingewikkelder werden en die een soort stofwisseling tot gevolg had­den. Op een gegeven moment werd alles zo gecompliceerd dat er vanzelf een reproductie ontstond.

Ik geloof Oparin niet. Dat is voor mij een mystieke benadering. Daar is heel wat waving of hands voor nodig om je dat voor te stellen.

Zuigers

— Oparin’s theorie is als het vanzelf ontstaan van zuigers, cylinders, klep­pen en bougies die zichzelf assemble­ren tot een motor; deze motor begint te draaien en gaat een fabriek aandrij­ven waarin andere motoren worden ge­bouwd?

„Exact, dat zegt Oparin en daar ge­loof ik dus niet in. Ik was student in 1953 toen ik het verhaal van Watson en Crick las die de structuur en de functie van DNA hadden ontrafeld. Ik dacht: dat is het nou precies! Dat is de manier waarop het moet gaan.

“Ik dacht vervolgens: het zou zo aardig zijn om te zien of dit principe van zelf-replicatie ook in de anorganische wereld mogelijk zou zijn.”

— Waarom wilde u dat weten, om een soort startmotor uit te vinden die de echte motor aan de praat zou krijgen?

“O nee, ik was helemaal niet zo geïn­teresseerd in de oorsprong van het le­ven, aanvankelijk. Ik was alleen maar geïnteresseerd in de theoretische mo­gelijkheid van zo’n systeem. Pure science, gewoon voor de pret. Ik ge­bruikte het DNA-model als uitgangs­punt en wilde proberen een ander, zo simpel mogelijk replicerend systeem te bedenken.

“De belangrijkste gedachte daarbij was: wanneer je eenmaal een replicerend systeem hebt (en je hebt dus replicatoren), dan komt er een nieuw proces om de hoek kijken: en dat is evolutie door natuurlijke selectie. Zonder repli­catie geen evolutie.

“Vooropgesteld tenminste dat er bij het maken van de replica’s, de dochter-co­pieën, af en toe een fout kan insluipen zodat de dochter er iets anders uitziet dan de moeder. Een dochter die anders is dan de moe­der kan beter of minder goed zijn aan­gepast aan haar omgeving en wordt dus (in positieve of in negatieve zin) uitgeselecteerd. Dat is evolutie.

“Wanneer dit proces eenmaal op gang is zet het zich geheel autonoom voort en tenslotte ontstaan er zulke ingewik­kelde systemen dat we van leven kun­nen spreken.”

Mont Blanc

— U noemt uw klei-organismen ook levend, als ik me niet vergis.

“Het begrip ‘leven’ is moeilijk. Het is geen scherp omlijnde term, het is een kwestie van smaak. Wat is leven? Het is zoiets als hoogte. Voor iemand in het dal is die heuvel ginds tamelijk hoog, maar wanneer je op de top van de Mont Blanc staat zijn de Ardennen niet zo ‘levend’.

“Leven is dus een relatief begrip, en daarom spreek ik liever niet van the origin of life maar van de origin op replicators, of het ontstaan van orga­nismen, zo u wilt.

“Maar goed, ik raakte dus gefascineerd door dit replicatieprobleem. Ik zag een belangrijk verschil tussen de bio­logie en de andere natuurwetenschap­pen: het centrale thema in de biologie is een machine die zichzelf reprodu­ceert – een soort Von Neumann ma­chine – en die bestaat niet in de schei- of natuurkunde. Ik dacht: hoe kan ik nu een zo eenvoudig mogelijk replicerend systeem bouwen?

“In 1964 moest ik een lezing geven aan de universiteit van Glasgow en daar stelde ik het kristalmodel voor. Neem als voorbeeld een schaakbord met een onregelmatige verdeling van zwarte en witte vlakken. Wanneer op één of an­dere manier zwart zwart en wit wit zou aantrekken, zou bij de replicatie van dat schaakbord het zwart-wit pa­troon – dat kun je zien als ‘informa­tie’ – worden overgedragen. Dat is een hele simpele manier, zoals ook kristallen groeien: daarin worden ‘fou­ten’ in de kristalstructuur, die je ook als informatie kan zien, ook op de dochterkristallen overgedragen.

“Met deze aanpak kopieerde ik het principe van de DNA replicatie, maar voor de rest waren mijn ideeën op alle manieren anders. Dat zie je vaak in wetenschap: het idee, daar gaat het om, de inspiratie van een idee.”

— Hoe komt u van een schaakbord bij klei-organismen terecht?

“Ik ben naar geschikte replicatoren gaan zoeken, eerst in de organische chemie. Ik kon niets vinden. Toen heb ik in de anorganische chemie rondge­zocht en daar stuitte ik op klei. Klei voldeed aan mijn voorwaarden. Ik schreef het verhaal op in 1966, het werd gepubliceerd in een vaktijd­schrift en dat vormde de basis voor mijn eerste boek.”

— De Life Puzzle

“Ja. In dat boek beschrijf ik hoe volgens mij in de loop der evolutie het gene­tisch systeem van een anorganische naar een organische vorm is overge­schakeld: de Genetic Takeover.

“Stel je dat als volgt voor: er is een klei-kristal en dat groeit, zoals alle kristallen doen. Dat gaat wel lang­zaam, er kunnen honderden jaren pas­seren, maar het groeit en de aarde had de tijd, 4,5 miljard jaar om precies te zijn.

“Klei is goed in organische chemie. Het werkt in op bijvoorbeeld kool­dioxide, en zet dit CO2 om in mierenzuur, en misschien zelfs in formalde­hyde.”

Fantasie

— Is daar ook niet wat fantasie voor nodig – wat ‘waving of hands’ zoals u zelf zegt?

“O ja, ook wel, maar niet zoveel. Want dat klei suddert in de zon, en het klei doet iets met die energie, weet je, en dat gaat vanzelf! Daar is geen ontkomen aan!

“En als datgene, wat het klei doet, nu eens een klein voordeel heeft. Stel nu eens dat er een spoor van formaldehy­de rond het kleiorganisme aanwezig is: dat beïnvloedt de pH – de zuurgraad – en dat kan weer een positieve in­vloed op de kleisynthese hebben.

“Dat resulteert vanzelf in dé snellere aanmaak van klei die beter formalde­hyde kan maken waardoor de zuur­graad weer gunstig wordt beïnvloed. Het resultaat: de kleistructuur die CO2 omzet tot formaldehyde wordt – zie Darwin – uitgeselecteerd.

“Als er eenmaal kleiorganismen komen die uitblinken in het aanmaken van formaldehyde zullen er ook suikers ko­men. Want laten we eerlijk zijn: als er formaldehyde is, ontstaan er ook sui­kers. Dat is maar een kleine stap. En met suikers kan je veel doen. Ik zie dit proces echt voor me. Het ontstaan van het leven op aarde zie ik dan als iets heel logisch. Veel logischer dan dat geborrel in de Oparin-soep.

“Hetgeen ik zojuist schetste noem ik de ‘zwakke vorm’ van de Genetic Take-over, waarin nog allerlei Oparin-achti­ge trekjes zitten, want het gaat nog allemaal vanzelf zij het in duidelijke gestructureerde mini-soepjes in plaats van in één grote soep.”

— En u propageert de Sterke vorm van Genetic Takeover?

“Ja, die gaat een stap verder. Ik zeg: er ontstaat in de evolutie op een gege­ven moment een samenwerkingsver­band tussen deze eerste kleiorganis­men en een tweede – organische – vorm van leven. Het klei levert de structuren – noem het fenotypen – waarop bepaalde consistente systemen van organische moleculen kunnen voorkomen. Dat kunnen voorlopers van RNA of DNA geweest zijn, die zich aan de randen van het klei kun­nen hechten, of zich tussen de klei-laagjes in nestelen.

“Wanneer er in die klei bepaalde patro­nen voorkomen, zal je ook bepaalde pa­tronen – een bepaalde volgorde bij­voorbeeld – van organische molecu­len kunnen krijgen. Klei werkt dan als een template, een mal.

“Deze tweede generatie moleculen – laten we zeggen RNA – verschijnt als onderdeel van de kleiorganismen. En dan blijkt dat die samenwerking in sommige gevallen gunstig uitvalt. Het doet iets. Het maakt bijvoorbeeld de klei meer stabiel, of zoiets. Iets gun­stigs. Deze klei plant zich sneller voort.

Potentie

“De volgende stap is: het blijkt dat die organische moleculen op zich meer potentie hebben om zich voort te plan­ten. Dat gebeurt- dan en dit leidt gaan­deweg tot een organische levensvorm die de leiding van het kleiorganisme overneemt.

“Zo is het volgens mij gegaan. Je start met wat er voorhanden is, iets eenvou­digs. Zodra het vuurtje begint te smeulen beginnen ook andere dinge­tjes te branden, omdat er mogelijkhe­den worden geschapen om nieuwe or­ganische moleculen te maken. Nieuwe structuren die ontstaan, waardoor weer nieuwe moleculen gemaakt wor­den. Enzovoort.

— Maar er blijft een enorme kloof te overbruggen van deze kleisymbiose naar een compleet DNA-replicerend systeem zoals een cel. Je bouwt niet zomaar DNA, dat is zonder enzymen – en eiwitten waren er niet in de kleitijd – een reusachtig werk waar je tegenwoordig de Nobelprijs voor ontvangt.

“Zeker, maar ik geloof dat er in het begin ook een soort evolutie van appa­raten mogelijk was.

— Om zonder enzymen een DNA mole­cuul te bouwen maak je veel tussen­stappen. In een laboratorium heb je veel slangen en glaswerk nodig.

“Ik zie die eerste kleiorganismen als dingen die veel gecompliceerder wa­ren dan bijvoorbeeld een bacterie, maar dan op een heel andere manier. Zij waren gecompliceerd zoals een ouderwetse rekenmachine met tandra­deren en wielen veel gecompliceerder is dan een moderne zakrekenmachine. Zij waren gecompliceerd op een ni­veau van Low Technology. Zoals die oude rekenmachine. Of zoals in de middeleeuwen een reusachtige kathe­draal, met uitsluitend natuursteen en hout. Daar zat geen beton of staal in. Als je nu een zakrekenmachientje open maakt zie je geen tandwielen. Geen houten kralen zoals die ooit in een telraam zaten. Je ziet haast niets. Het is de stille, verraderlijke eenvoud van de High Technology.

“Als je een cel van nu openmaakt zie je geen klei, buizen of slangen. Je ziet een subtiel samenspel in feedback-loops van eiwitten en DNA. Dat noem ik biologische High Tech. En de hui­dige biologische High Tech steunt op de basis van Low Tech van vroeger, die je nu niet meer ziet.

— Waarom zien we de klei-evolutie niet overal om ons heen? Klei genoeg, zou ik zeggen.

“Vier mogelijkheden: 1- ik heb ongelijk, kristalgenen bestaan niet. 2- die genen zijn zeer schaars. 3- goede omstandigheden waarin deze genen gedijen zijn schaars. 4- geëvolueerde kleigenen komen voor maar we hebben nog nooit gezocht en herkennen ze niet. Kiest u maar uit.

— Zoekt u zelf niet? U baseert uw theorie op een paar ideeën en wat foto’s. ‘Behalve door Weiss, Coyne en nog een paar mensen wordt er nauwelijks werk aan verricht. Waarom staat u zelf niet achter de laboratoriumtafel en onderbouwt uw ideeën met harde bewijzen?

“Dat zou ik wel willen en ik zal dat ook zeker gaan doen, want ik heb nu drie boeken geschreven over het onderwerp en dat is genoeg. Maar het probleem is: zomaar zoeken heeft geen zin, want we weten nog niet goed genoeg WAT we precies zoeken moeten.

“Je kunt ook onderzoek doen zoals Weiss, maar dat is ingewikkeld onderzoek. Ik heb drie maal een subsidieaanvraag ingediend en dat is drie maal afgewezen. Het financiële klimaat in Engeland is momenteel zeer ongunstig voor dit soort onderzoek. Mijn onderzoeks-idee is gebaseerd op intuïtie – en dat legt het af tegen mensen die zeggen precies te weten wat ze gaan vinden. Helaas.

Wegener

— Maar de kans bestaat nu dat u een soort Wegener wordt: de continenten blijken uit elkaar te drijven maar 50 jaar geleden brulden de geologen van het lachen als ze dat hoorden.

“Dan had u tegen Wegener moeten zeggen dat hij in plaats van zijn theorie te verkondigen de bodem van de oceaan had moeten nameten op paleo-magnetische patronen en dat hij fossielen had moeten zoeken!

“Jazeker! Maar we hebben een kort leven. Ik heb er gewoon de tijd niet voor. Ik schrijf boeken en ik ben in de eerste plaats propagandist voor mijn ideeën. Ik zeg dat ik een juist antwoord heb op een knellende vraag.

“En ik vind dat ik beter mijn idee aan de man kan brengen dan ingewikkeld onderzoek doen in mijn eentje. In Duitsland bij Weiss staan dertig promovendi en bij Lelia Coyne staan ook tientallen onderzoekers, en die komen al nauwelijks verder. Laat staan ik alleen in Glasgow.

— Bent u niet uitgenodigd om daar een paar jaar door te brengen?

“Ja, dat is gebeurd, maar ik weet niet of ik dat moet doen.

— In uw theorie stoelt het ontstaan van leven op overdracht van informatie en verder op variaties, op ‘vergissingen’ in een kristalvorm. Een perfecte kristalvorm draagt geen informatie over. Het zijn de fouten in de structuur die wat te vertellen hebben. Is leven, dat gebaseerd is op vergissingen van de anorganische wereld, niet zelf een vergissing?

“Dat is niet geheel juist, mijns inziens. Ik geef toe, in de chemie zeggen we dat een imperfecte kristalstructuur een fout is. Maar uw bewering is hetzelfde als wanneer je zegt dat de betekenis van een tekst in de vergissingen ligt: er staan niet uitsluitend A’s geschreven. Dat is wat oneerlijk.

— Een ei maakt een nieuw ei door middel van een kip. Vindt u dat ook?

Jazeker, dat vind ik ook. Ik denk geheel in termen van genes first. Dit is de ‘genetische’ manier van denken.

— Zoals Dawkins.

Zoals Richard Dawkins. Je denkt dan: het gaat om het gen en alles wat er buiten het gen bestaat dient tot groter gemak van het gen. De reden dat wij bestaan is omdat genen ‘willen’ repliceren via ons, dat is kennelijk het beste voor ze.

Doelgericht

— Dit ruikt enigszins teleologisch, alsof evolutie doelgericht bezig is maar dat bestrijdt u impliciet!

“Het is teleologisch, dat is zo, maar het werkt! Niet omdat ik denk dat teleologie een juiste benadering is, zeker niet, maar de zaak wordt omgedraaid in de natuur: natuurlijke selectie zorgt er altijd voor dat ze gelijk krijgt. Je mag in de biologie teleologisch denken zodra natuurlijke selectie in het geding is.

“In zekere zin draait natuurlijke selectie toekomst en verleden om. Dat is heel interessant.

— ‘A strange loop’?  

“Ja, Hofstadter zou dat een strange loop noemen.

“Deze manier van denken onderscheidt me bijvoorbeeld van iemand als J. Bernal, die het begin van het leven ook in klei ziet. Maar hij is bij uitstek geen geneticus. Hij zegt: als je naar DNA kijkt, is dat toch véél te ingewikkeld om als eerste te komen en daarna pas de rest? DNA is een resultaat van evolutie, zegt Bernal.

“Nee! zeg ik dan. Mijn theorie van de Genetic Takeover lost dat probleem op. Het voegt twee verschillende dingen samen: je kan een genetic view of life hebben en je kan ook heel simpel beginnen. Als je maar overschakelt: middels genetic takeover.

— U spreekt thans over twee versnellingen: de eerste is klei en de tweede de familie RNA/DNA. Zit er geen genetische versnelling tussen?

“Er kunnen er zeker meer geweest zijn, zeker.

— U hebt vergeleken met Wegener als voordeel dat een aantal wetenschappers het met u eens zijn. Aan de andere kant: uw theorie is nooit te bewijzen zoals het uiteendrijven van de continenten, dat nu met satellieten is nagemeten.

“O zeker, veel mensen zien wat in mij. Er wordt wel degelijk naar mij geluisterd, zoals door lieden als Dawkins. Resultaten van recent onderzoek aan klei ondersteunen mijn verhaal. Maar vergis je niet, ze zijn ook gunstig voor de ideeën van Bernal.

“En dat bewijst: je kunt evolutie nu eenmaal niet bewijzen. Maar je kunt het wel aannemelijk maken. Je kunt proeven doen waaruit blijkt dat het zo gegaan kan zijn, maar wat je nooit kan doen is alles overnieuw laten gebeuren.

— Zo’n artikel als in Scientific American zal helpen u bekendheid te geven.

“Zeker, er is grote kans dat zoiets wat doet. Maar aan de andere kant, de wetenschappelijke wereld wacht af. En zoals in het geval van Wegener: er zullen zich pas volgelingen voordoen als er bewijzen op tafel komen. En dat is fair enough.”

SEVEN CLUES TO THE ORIGIN OF LIFE (A Scientific Detective Story) door A. G. Cairns­Smith, uitgegeven door Cambridge University Press.
 

— KADER

Klei-kristallen ontstaan uit siliciumo­plossingen en metaalionen, die vrijko­men uit vulkanische as en bij het verweren van rots. Er zijn meerdere soor­ten klei, zoals Kaolinieten, Illieten en Montmorillonieten.

Klei is opgebouwd uit dunne plaatjes van 10 tot 30 Angstrom dik. Een plaatje Kaoliniet bestaat uit een net­werk van aluminium atomen en OH-groepen, gebonden aan een netwerk van silicium en zuurstof.

Bij Illiet en Montmorilloniet wordt een netwerk van aluminium-OH aan beide zijden bedekt met een netwerk silicium-zuurstof. In deze structuren ko­men (door ionen-substituties: silicium kan door bijvoorbeeld aluminium wor­den vervangen) onregelmatigheden voor. Een systematisch patroon van de­ze onregelmatigheden zou als mal (template) voor organische molecu­len kunnen dienen.

Lelia Coyne van het Ames Research Centre heeft Kaoliniet-kleiën uit Cornwall beurtelings nat gemaakt, weer ge­droogd en met gammastraling belicht. Het bleek dat deze klei gedurende eni­ge tijd UV-licht kon uitstralen: een be­wijs dat er energie kan worden opge­slagen in klei. Deze energie kan be­paalde (organische) reacties doen starten of versnellen.

Armin Weiss van de Universiteit van München heeft kans gezien om bepaal­de ionen-patronen in een Montmorillo­niet-klei gedurende tientallen genera­ties van moeder naar dochter kristallen over te laten erven: een anorganisch soort erfelijkheid dus.

Genetic takeover is de sleutel tot Cairns-Smiths leven-uit-klei theorie. Eerst waren er naakte genen die zich ontwikkelden en hun onmiddellijke omgeving beheersten (zwarte rondjes). Deze eerste ‘genen’ zouden van klei geweest kunnen zijn.
In deze beheerste omgeving zouden zich nieuwe genen van een geheel ander materiaal kunnen vestigen (blauwe rondjes). Deze beginnen de omgeving ook te beheersen. De omgeving wordt tenslotte een organisme. Langzamerhand worden de eerste genen overbodig. Er blijft niets van hun aanwezigheid over.