Ouderdom van het heelal

Voor zover we momenteel weten is het heelal 13,7 miljard jaar oud, en ontstond het uit de oerknal (de "big bang"). De Belgische astronoom George Lemaître stelde in1927 dat het heelal uitdijt, wat aangetoond werd door de roodverschuiving van ver verwijderde sterrenstelsels. Twee jaar later bewees de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble dat sterrenstelsels zich van ons verwijderen met een snelheid die proportioneel is met hun afstand. Het is alsof alle sterrenstelsels zich bevinden op het oppervlak van een ballon die steeds verder opgeblazen wordt: hoe verder ze van ons weg staan, hoe sneller ze zich van ons verwijderen. Dit impliceert dus dat er ooit een begin geweest moet zijn, en in 1931 poneerde Lemaître dat het heelal begonnen moet zijn met de explosie van een oeratoom (de big-bang theorie).
Voor de jonge-aarde creationisten is de ouderdom van het heelal een groot probleem. Volgens hen is de schepping slechts 6000 jaar geleden gebeurd (om precies te zijn op 23 oktober in het jaar 4004 voor Christus). Voor het feit dat we melkwegen kunnen zien die zich bijna 14 miljard lichtjaar van ons weg bevinden, hebben ze een eenvoudige "wetenschappelijke" verklaring. Volgens hen was de lichtsnelheid in het verleden meerdere miljoenen maal groter dan deze momenteel is, en is deze stelselmatig afgenomen tot de huidige "lage" waarde van 300.000 km/sec. Het licht van deze verre melkwegen dateert dus ook niet van 14 miljard jaar geleden, maar slechts van een paar duizend jaar geleden. Voor deze stelling is er natuurlijk geen bewijs. Een afname van de lichtsnelheid, waarbij die ieder volgend jaar maar één duizendste meer zou zijn van deze van het voorgaande jaar, zou ons zeker opgevallen zijn.

Ouderdom van de aarde

De ouderdom van de aarde (en van het zonnestelsel) wordt momenteel gesteld op 4,57 miljard jaar. Een ster zoals de zon is ontstaan uit een moleculaire wolk, die zich onder de invloed van de zwaartekracht verder samentrok. Bij dit samentrekken verhoogt de druk en de temperatuur. Is de massa van de moleculaire wolk groot genoeg (minstens 8% van de massa van de zon), dan leidt deze verhoogde druk en temperatuur tot kernfusie van waterstof tot helium. De energie die daarbij opgewekt wordt vormt een tegenkracht voor de samentrekkende zwaartekracht, zodat de ster zijn zelfde grootte kan behouden. Een ster met een grootte van onze zon blijft ongeveer 10 miljard jaar in deze situatie (we zijn dus ongeveer halfweg). Hoe zwaarder de ster, hoe sneller de waterstof opgebruikt zal zijn.
Is de waterstof grotendeels opgebruikt, dan begint de heliumkern van de ster te krimpen, en de verbranding van de nog resterende waterstof verplaatst zich naar een schil rond de kern. De ster zwelt op en wordt een rode reus (honderden keer groter dan ze oorspronkelijk was, maar met een veel lagere oppervlaktetemperatuur). De zon kan dit ca 2 miljard jaar uithouden.
Is de heliumkern van de ster zover gekrompen (onder invloed van de zwaartekracht) dat de temperatuur van de kern 100 miljoen graden Celsius bereikt, dan volgt een nieuw kernfusieproces waarbij het helium in de kern omgezet wordt in koolstof en zuurstof. Dit proces levert veel minder energie op dan de omzetting van waterstof in helium, maar verloopt veel sneller. Resultaat is dat de ster gedurende een korte tijd (100 miljoen jaar) heel veel energie uitstraalt.
Is ook het helium omgezet, dan betekent dit voor een ster als onze zon het einde. Voor sterren die 10 maal of meer zwaarder zijn dan onze zon is het eindpunt nog niet bereikt. Door de zwaartekracht wordt de kern steeds compacter en heter, en krijgen we nog bijkomende fusieprocessen (koolstof, neon, zuurstof, silicium). Het eindproduct is ijzer en nikkel: verdere kernfusie is niet meer mogelijk, daar deze meer energie kost dan oplevert. Het leven van deze ster is nu ten einde: daar er geen tegenkracht meer is voor de samentrekkende zwaartekracht krijgen we een plotse ineenstorting van de kern van de ster (implosie). Bij deze implosie wordt zoveel zwaartekrachtdruk op de kern uitgeoefend, dat de ijzeratomen met een kettingreactie alsnog fuseren tot zwaardere elementen, tot uranium toe. De schokgolf van de implosie, en de neutrino’s die bij deze implosie gevormd worden, zorgen ervoor dat de hele ster explodeert: we hebben een supernova, die in het hele heelal te zien is.
Ons zonnestelsel is dus niet gelijk met het heelal ontstaan, maar is opgebouwd uit tweede- of derdehands materiaal. Het materiaal waaruit de aarde en de binnenplaneten gevormd zijn (de zwaardere elementen) worden immers alleen gevormd bij de implosie van deze zware sterren, en wordt door de explosie ervan naar alle richtingen geblazen. Uit zo'n wolk van gas en stof, die overbleef na de explosie van één of meerdere supernova's, is ons zonnestelsel gevormd.

Hoe kennen we de ouderdom van ons zonnestelsel? De oudste meteorieten en maanstenen zijn 4,5 miljard jaar oud. Geologen noemen dit eerste tijdperk op aarde het Hadeïcum, en dit loopt van 4,5 miljard tot 3,8 miljard jaar geleden. De aardkorst was toen vloeibaar en zeer heet, en convectiestromingen brachten gesmolten gesteente naar het oppervlak, waar het afkoelde en terug naar beneden zakte. Er was een constant bombardement van meteorieten. De atmosfeer was sterk reducerend, en bestond vooral uit waterdamp, vrije waterstof en zeer veel koolstofdioxide. Vrij snel moeten er al oceanen met vloeibaar water gevormd zijn, ondanks de oppervlaktetemperatuur van ca 230 °C, wegens de hoge druk die de CO2-atmosfeer uitoefende. De oudste gevonden zirkonen hebben een ouderdom van 4,4 miljard jaar.
Na dit Hadeïcum kwam het Archeïcum, dat gesteld wordt op 3,8 tot 2,5 miljard jaar geleden. De oudste rotsen op aarde dateren van 3,8 miljard jaar geleden (Isua in West-Groenland), alhoewel nog oudere rotsen gevonden zijn (Acasta-gneis in Canada van 4,03 miljard jaar oud). De aarde had toen nog een sterk reducerende atmosfeer met methaan, ammoniak en andere gassen (geen zuurstof, die dodelijk zou zijn voor het toenmalige leven). Al het toen bestaande leven was ééncellig. De oudste gevonden fossielen zijn 3,5 miljard jaar oud, en zijn cyanobacteriën (deze bestaan nu nog in een geëvolueerde vorm, en zijn een van de grootste en belangrijkste groep bacteriën op aarde). Ze leven in water, gebruiken fotosynthese (waardoor zuurstof vrijkomt) en maken hun eigen voedsel aan. Het chloroplast, wat we in planten vinden, is feitelijk een cyanobacterie, die vroeger met de plantcel in symbiose leefde en later door deze plantcel opgenomen is.

Aminozuren

Alle levende wezens hebben een stofwisseling (metabolisme) die opgebouwd is uit eiwitten (proteïnen). Eiwitten op hun beurt zijn opgebouwd uit aminozuren, en al het leven op aarde is gevormd met 20 verschillende aminozuren. Het "alfabet" van het leven bestaat dus uit 20 letters (de aminozuren), waaruit alle woorden (de eiwitten) gevormd zijn. Een aminozuur is in principe een molecule, die aan de ene kant een aminegroep heeft, en aan de andere kant een carboxylgroep. Er zijn honderden aminozuren, en ook in de techniek en in de industrie spelen aminozuren een grote rol (de zoetstof Aspartaam bijvoorbeeld is een dipeptide van twee aminozuren). Maar we hebben het hier alleen over de 20 alfa-aminozuren die de bouwstenen van het leven vormen. Deze aminozuren hebben centraal een koolstofatoom (C). Koolstof is vierwaardig, en we zouden het kunnen voorstellen alsof deze molecule 4 "armpjes" heeft waaraan iets kan vastgehaakt worden. Bij de simpele aminozuren, die de letters van het leven vormen, hebben drie van deze armpjes altijd dezelfde inhoud: - een enkel waterstofatoom (H). - een aminegroep (NH2) aan de ene zijde. - een hydroxylgroep (COOH) aan de andere zijde. De inhoud van het vierde armpje (tegenover het waterstofatoom) wordt aangeduid met "R" (restgroep), en verschilt dus per aminozuur. Het vormt de nuttige lading, de "payload" van het aminozuur.

Het speciale aan aminozuren is dat ze aan elkaar gekoppeld kunnen worden tot een samengesteld molecule (een peptide), dat dan aan zijn uiteinden terug een aminegroep en een hydroxylgroep overhoudt. Aan deze peptide kan dus weer een volgend aminozuur gekoppeld worden, zodat een in principe onbeperkt lange peptidenketting bekomen kan worden. Bij het aan elkaar koppelen reageert de carboxylgroep COOH met de aminegroep NH2, en vormt een peptidebinding NH, onder afsplitsing van een watermolecule (H2O). Is de peptidenketting klaar, dan dient deze nog driedimensionaal gevormd te worden tot een eiwit. De functie van een eiwit wordt immers bepaald door zijn driedimensionale vorm. Ziekten zoals de gekke-koeien ziekte worden veroorzaakt door eiwitten die opgebouwd zijn uit de juiste aminozuren (dus de peptidenketting is correct), maar die een foutieve vorm aangenomen hebben.

Ontstaan van aminozuren

In 1953 voerde Stanley Miller een beroemd experiment uit, waarbij hij simuleerde wat er bij het ontstaan van de aarde gebeurd kon zijn. Hij maakte een gasatmosfeer aan, die bestond uit water, methaan, ammoniak en waterstof (maar geen zuurstof), bracht dit op hoge temperatuur en liet dit circuleren door een kamer waarin electrische vonken gevormd werden (om bliksem te simuleren). Na een week bleek dat verschillende aminozuren en andere organische moleculen gevormd waren. Ondertussen is dit experiment ontelbare keren herhaald met wisselende gasmengsels. Zo heeft men 17 van de 20 aminozuren kunnen vormen, en ook de basen die nodig zijn om RNA te vormen (wel urasil, dat een base is voor RNA, maar geen thymine, dat de overeenkomstige base is voor DNA). Nochtans is het experiment van Miller achterhaald, omdat het gasmengsel geen koolstofdioxide bevatte, en de hele vorming van organische stoffen niet plaatsvindt in de aanwezigheid van koolstofdioxide. Nochtans gaf het experiment van Miller de wetenschappelijke wereld een schok, omdat het aantoonde dat aminozuren en organische bouwstoffen spontaan kunnen ontstaan uit anorganische elementen, iets wat men vóór zijn experiment als onmogelijk beschouwde. Aminozuren zijn ook gevonden in meteorieten, samen met purinen en pyrimidinen (de basen die gebruikt worden in RNA en DNA) en andere organische stoffen. Het is bekend dat ook in de interstellaire ruimte organische bouwstoffen voorkomen, en verschillende experimenten zijn dan ook uitgevoerd waarbij men uitging van een mengsel van de anorganische stoffen die in de ruimte voorkomen (ammoniak, koolstofmonoxide, methanol, water, HCN), deze bracht op de temperatuur van de ruimte (dus tegen het absolute nulpunt aan) en onderwierp aan een intense ultraviolette straling. Ook bij deze experimenten werden aminozuren en andere organische moleculen gevormd. Is het leven dus ontstaan op aarde, of is de aarde "besmet" geworden met leven dat in de ruimte ontstond en met meteorieten hierheen getransporteerd werd? We weten het niet. Feit is dat de bouwstenen van het leven gemakkelijk gevormd kunnen worden uit anorganisch materiaal.

De RNA-wereld

De stofwisseling van alle levende organismen is opgebouwd uit eiwitten. Eiwitten worden gemaakt op basis van de informatie die opgeslagen is in het DNA, en vertaald wordt naar RNA. Maar om DNA of RNA aan te maken zijn er eiwitten nodig. Dus zitten we met een kip-en-ei verhaal: zonder eiwitten geen DNA, zonder DNA geen eiwitten. Hebben we dan toch een Schepper nodig? Het eerste leven dat ontstond is ondertussen al lang uitgestorven (of, anders gezegd, geëvolueerd naar het huidige leven). Hoe het eruitzag is dus onbekend, maar het staat wel vast dat het heel wat primitiever was dan het huidige, sterk geëvolueerde leven. DNA is een verdere evolutie van RNA (om de genetische informatie op een betrouwbaarder manier op te slaan) en bestond toen nog niet. Een ribozym is een RNA-molecule met een enzymatische activiteit. Een ribozym bevat dus informatie (een bouwplan om een eiwit aan te maken) en is tegelijk een enzym (kan dus een eiwit aanmaken). In het huidige leven vinden we ribozymen nog terug als onderdelen van het ribosoom (de fabriekjes binnen de cel die eiwitten aanmaken).

Maar kan een ribozym zichzelf aanmaken? In de natuur hebben we er nog geen gevonden. In het laboratorium kan men echter ribozymen aanmaken die oligonucleotiden (korte stukken RNA) kunnen assembleren tot exacte kopies van zichzelf. Er is dus RNA, dat niet alleen in staat is om eiwitten aan te maken, maar ook om van zichzelf kopies te maken. Het eerste leven zal dus begonnen zijn als een RNA-wereld. Later in de ontwikkeling is specialisatie opgetreden, waarbij eiwitten de basis vormden voor de stofwisseling, en de genetische code veilig opgeslagen werd in het DNA. In het huidige leven treedt RNA nog steeds op als tussenpersoon tussen de bouwplannen, opgeslagen in het DNA, en de fabrieken (de ribosomen die de eiwitten aanmaken). Het is nog steeds de RNA die zorgt dat het hele mechanisme blijft draaien.
In mei 2009 hebben onderzoekers van de University of Manchester de resultaten van een onderzoek gepubliceerd, waarbij ze erin geslaagd zijn twee van de basisbouwstenen voor RNA aan te maken op basis van enkelvoudige organische bouwstoffen, die aanwezig waren in de atmosfeer van die vroege wereld. Met de bouwstoffen cyanamide, cyanoacetyleen, glycolaldehyde en glyceraldehyde zijn ze erin geslaagd via vier transformaties de RNA-bouwstenen cytosine en uridine aan te maken (waarbij deze transformaties optraden bij heel normale omstandigheden van druk en temperatuur). Belangrijk is ook dat de uitgangsbouwstoffen reacties aangingen met een tussenproduct van een van deze transformatiestappen, waardoor een omgekeerde reactie niet meer kon plaatsvinden (eens de RNA-bouwsteen aangemaakt, kon die niet meer terug worden afgebroken). Het onderzoek loopt nog verder (er dient nog aangetoond te worden hoe de andere RNA-basisbouwstenen aangemaakt kunnen worden), maar wordt reeds nu beschouwd als een grote stap vooruit in de pre-biotische scheikunde.

Kalium en Natrium

Het leven ontstond in zee, en organismen die op het land leven kunnen dit alleen maar doen door een "interne zee" met zich mee te dragen (de vloeistof binnen de cel). Deze vloeistof, waarmee iedere levende cel gevuld is, heeft nog steeds een pH-waarde en een osmotische druk die gelijken op deze van het zeewater, en bevat hoge concentraties aan kalium en natrium. Merkwaardig genoeg is deze concentratie van kalium en natrium volledig verschillend van deze van het huidige zeewater (zelfs bij organismen die in zee leven).
Levende cellen hebben voor hun werking een hoge concentratie kalium-ionen nodig (K+), en importeren dus voortdurend kalium van de buitenwereld. Zonder deze hoge kalium-concentratie kunnen geen eiwitten aangemaakt worden, niet omdat kalium nodig is voor het mechanisme dat eiwitten aanmaakt, maar wel omdat hierdoor de juiste chemische omgeving gemaakt wordt waarin dit mechanisme kan werken. De simpelste uitleg hiervoor is dat het mechanisme om eiwitten aan te maken ontstond in een kalium-omgeving. Eens dat het er was, kon het niet meer gewijzigd worden. Zo werkt de natuur: steeds voortbouwen op wat reeds uitgevonden is.
Echter, het mechanisme om eiwitten aan te maken ontstond vooraleer de eerste cel gemaakt was, en wel in een systeem dat geen celwanden had, geen ionenpompen om de concentratie aan kalium en natrium op peil te houden, geen inwendige structuur om de cel bijeen te houden. Immers, al deze structuren zijn gemaakt van sterk ontwikkelde eiwitten, en deze waren er nog niet. Met andere woorden: het hele mechanisme moet onstaan zijn in een omgeving met een hoge concentratie aan kalium, en een lage concentratie aan natrium. Dit was de samenstelling van de eerste zeeën, nadat de aarde gevormd was. Deze eerste zeeën, die rijk waren aan kalium, evolueerden later naar de huidige zeeën, die rijk zijn aan natrium, net zoals de eerste atmosfeer, die rijk was aan methaan en reducerende gassen, maar geen zuurstof bevatte, evolueerde naar de huidige atmosfeer met 21% zuurstof. Omdat de omgeving veranderde, maar het interne mechanisme hetzelfde bleef, moest de cel hierop reageren door een celwand aan te maken om zich af te scheiden van de nu vijandige omgeving. En naarmate de omgeving minder kalium en meer natrium ging bevatten, moest deze celwand versterkt worden, en moesten ionenpompen komen om het teveel aan natrium af te voeren.

Energie voor de cel

Cellen hebben energie nodig om hun processen te onderhouden. Deze energie wordt gemaakt door het afbreken van een organische molecule (uit voedsel) tot ATP. ATP is het energiekarretje van alle levende cellen, wat aantoont dat al het leven uit dezelfde bron ontstaan is (net als de genetische code, die ook dezelfde is voor alle cellen). ATP (zie tekening) heeft drie fosfaatgroepen. Als de derde fosfaatgroep verwijderd wordt door hydrolise, dan wordt een grote hoeveelheid energie vrijgemaakt (typisch 7,3 kcal/mol). ATP wordt hierbij omgezet in ADP. Door de energie die we uit voedsel halen, wordt ADP omgezet in ATP, en de energie die in deze ATP opgeslagen is kan op de plaats waar ze nodig is weer uit het ATP gehaald worden door het terug om te zetten in ADP. Voor de vorming van ATP wordt in een eerste stap glucose (dat we uit voedsel halen) omgezet in pyrodruivenzuur (de glycolyse-stap). Deze stap heeft voor zijn werking geen zuurstof nodig. Daarna kunnen we twee richtingen uit: - verbranding (indien zuurstof aanwezig is): we krijgen dan de citroenzuurcyclus en de oxidatieve fosforylering. Deze verbranding gebeurt in de mitochondrie, en is zeer efficiënt. Uiteindelijk wordt 40% van de in de glucose aanwezige energie omgezet in ATP. - Gisting (indien geen zuurstof aanwezig is): het pyrodruivenzuur wordt dan omgezet naar ethanol (alcoholische gisting) of lactose (melkzuurgisting). Gisting heeft een veel lager rendement, waardoor maar een klein deel (2 tot 2,5 %) van de aanwezige energie in ATP omgezet wordt.

Bij glycolyse wordt een suikermolecule (glucose) in tien stappen veranderd in 2 moleculen pyrodruivenzuur. Dit proces verloopt zonder gebruik van zuurstof. Bij de eerste stappen kost dit energie (2 ATP-moleculen), maar uiteindelijk worden 4 ATP-moleculen gevormd, zodat de netto winst in deze stap 2 ATP-moleculen is.
De citroenzuurcyclus begint met het bij de glycolyse aangemaakte pyrodruivenzuur, en kan alleen plaatsvinden als er zuurstof aanwezig is. De cyclus telt 8 stappen, en zet uiteindelijk het pyrodruivenzuur om in koolstofdioxide, ATP-moleculen en energie. De meeste chemische energie wordt opgenomen door transportmoleculen (NADH en FADH2), en wordt doorgegeven aan de derde cyclus, de oxidatieve fosforylering.
Oxidatieve fosforylering vindt alleen plaats als er zuurstof aanwezig is. De energie van de transportmoleculen wordt gebruikt om een “ATP-generator” aan te drijven, die dan tot wel 30 ATP-moleculen aanmaakt.

Wat we hieruit moeten onthouden, is dat "verbranding" (omzetting in de aanwezigheid van zuurstof) een veel hoger rendement oplevert dan "gisting" (omzetting zonder aanwezigheid van zuurstof). Toen het leven ontstond in de primitieve wereld was er geen zuurstof in de atmosfeer aanwezig, en kon de primitieve cel dus geen gebruik maken van verbranding. Het is pas nadat de atmosfeer zuurstof begon te bevatten, en de cel een mechanisme kreeg om hiermee om te gaan, dat ineens veel meer energie beschikbaar was voor processen in de cel, waardoor nieuwe mogelijkheden ontstonden.

De zuurstofcrisis

De oudste fossielen die we terugvinden (3,5 miljard jaar oud) zijn deze van de cyanobacteriën, in het nederlands "blauwalgen" genaamd (nogal misleidend, want het zijn helemaal geen algen of planten, maar bacteriën). Het zijn eencellige organismen, die zich aaneen kunnen koppelen tot lange draden. Ze zijn de uitvinders van de fotosynthese, waarbij ze koolstofdioxide (CO2) en water binnenhalen, en deze met het zonlicht als energiebron omvormen tot suiker. Daarbij wordt zuurstof afgescheiden als een afvalproduct. De chloroplasten in plantencellen waren vroeger cyanobacteriën, die eerst in symbiose met deze cel leefden en later door deze cel als organellen binnengehaald zijn. De zuurstof, die het afvalproduct vormde van deze cyanobacteriën, vormde eerst geen groot probleem. In het begin werd het opgenomen door de oceanen en door metalen, die daarmee oxiden vormden (roest). Maar ongeveer 2,3 miljard jaar geleden was de opnamecapaciteit hiervan verzadigd, en begon deze zuurstof in de atmosfeer terecht te komen. Dit was een groot probleem, want zuurstof (hun afvalproduct) was giftig voor de primitieve cyanobacteriën, en toen het gehalte zuurstof in de atmosfeer begon te stijgen stierven deze dan ook massaal af. Hierdoor werd er minder zuurstof geproduceerd, en nam het zuurstofgehalte weer af, waardoor een evenwicht ontstond. Deze zuurstofvergiftiging had echter grote gevolgen. Er konden nu heel nieuwe reacties optreden tussen enerzijds de zuurstofrijke atmosfeer en oceanen, en anderzijds de rotsen, klei en zand op de kusten. Ongeveer 1,7 miljard jaar geleden hadden sommige cellen geleerd hun voordeel te doen met deze zuurstof, en hadden ze een verbrandingsproces ontwikkeld om ATP aan te maken. Hierdoor kwam veel meer energie beschikbaar, en gaf dit nieuwe mogelijkheden voor de biologische ontwikkeling. De cellen die ongeveer 1,7 miljard jaar geleden dit verbrandingsproces ontwikkelden, zijn de voorlopers van de mitochondriën (organellen in alle eukaryotische cellen). Afstammelingen ervan bestaan momenteel nog als de Rickettsia (parasieten, die zich alleen in het cytoplasma van eukaryote cellen kunnen handhaven en vermenigvuldigen, en bij mensen ziekten zoals vlektyfus veroorzaken). Deze nieuwe cellen hadden immers een groot probleem: ze konden wel efficiënt ATP aanmaken en hadden dus een massa energie tot hun beschikking, maar wat moesten ze met al die energie doen, en hoe kregen ze genoeg voedsel binnen om het proces in gang te houden? Een oplossing vonden ze door in symbiose te gaan leven met een andere cel, waarbij de andere (anaerobe) cel het voedsel verschafte en de energie afnam. Deze samenwerking bleek zo succesvol dat ze uiteindelijk opgenomen werden door hun gastcel, en zo een organelle gingen vormen. Zowel de mitochondrie als de chloroplast zijn momenteel organellen van de eukaryotische cel, maar hebben nog steeds hun eigen DNA en maken zelf hun eigen specifieke eiwitten aan.

Soorten levende wezens

Traditioneel werden levende wezens ingedeeld in twee grote groepen: de prokaryoten (die geen celkern hebben) en de eukaryoten (die wel een celkern hebben). In 1977 bewees Carl Woese dat er drie grote groepen zijn. Uit de LUCA (Last Universal Common Ancestor, of de laatste voorouder voor het leven in verschillende groepen uiteenviel) splitsten zich eerst de eubacteria af (de bacteriën). De overblijvende groep ontwikkelde zich verder, en splitste later nogmaals in twee: de archaea en de eukaryoten. Zowel Archaea als Eubacteria zijn prokaryoten, en hebben dus geen celkern. Nochtans is de verwantschap tussen de archaea en de eukaryoten groter dan deze tussen de archaea en de bacteriën.
Op een gegeven ogenblik in de ontwikkelingsgeschiedenis van de levende cel lagen er een aantal zaken reeds vast (de genetische code was bepaald, energie werd overgedragen onder de vorm van ATP), maar moesten er nieuwe beslissingen genomen worden. Hoe beschermen we ons tegen de wijzigende samenstelling van de oceanen (die minder kalium en meer natrium gingen bevatten), hoe gaan we om met onze beperkte energie, waarmee gaan we ons voeden? Sommige organismen kozen voor simpelheid en efficientie, en hieruit ontwikkelden zich de bacteriën. Een bacterie is een "simpel" organisme: in zijn evolutie heeft het gekozen voor efficiency, voor het weggooien van alles wat als ballast beschouwd kon worden. Een bacterie is dus ééncellig, heeft geen celkern, heeft een vaste celwand, cirkelvormig DNA dat alleen bestaat uit genen, en waarvan de genen alleen bestaan uit exons. Het is geen "primitief" organisme, verre daarvan: het is een sterk geëvolueerd organisme dat uitsluitend gericht is op efficiency en het zo zuinig mogelijk gebruiken van de beperkte energievoorraad. Vergelijk het met de ontwikkeling van de computer: eerst kamervullende, trage, energieverslindende bakbeesten, die nu geëvolueerd zijn naar de op een batterij werkende, snelle laptop.
De overlevingsstrategie van bacteriën en eukaryoten is ook compleet verschillend. Bacteriën zullen zich snel vermenigvuldigen als er overvloedige voedselbronnen zijn, en reageren op wijziging van de omgeving met een vast mechanisme dat al miljoenen jaren onveranderd is. Eukaryoten kunnen een efficient gebruik maken van voedselbronnen, maar kunnen ernstige crisissen slechts overleven door zich grondig aan te passen met gesofistikeerde anatomische wijzigingen. De prijs van deze veelzijdigheid is een hoog uitsterfniveau: de gemiddelde levensduur van een diersoort is maar 4 miljoen jaar.

Toen de samenstelling van de oceanen veranderde van sterk kaliumhoudend naar natriumhoudend, dienden de cellen zich hiertegen te beschermen. De primitieve cel kreeg eerst een flexibele celwand, maar dit bleek na een tijd niet voldoende te zijn. Een mogelijkheid bestond erin de celwand te verstevigen en stijver te maken. Dit is de richting die de bacteriën opgingen. Het stijver maken van de celwand gaf echter als gevolg dat grotere moleculen niet meer de celwand konden passeren. Als voedsel kwamen dus alleen nog de kleinere organische moleculen in aanmerking, en later alleen nog de anorganische moleculen. Deze stijve celwand verhinderde het celmembraan op te zwellen door het osmotisch effect van natrium, maar sneed de bacteriën ook af van de grotere en meer energierijke voedselbrokken. Ze moesten het dus zien te klaren met een beperkte hoeveelheid energie. Het RNA, dat toenertijd nog primitief was en uit evenveel rommel als functionerend RNA bestond, werd uitgezuiverd, en alles wat niet absoluut noodzakelijk was werd buitengegooid. Een bacterie heeft dus één chromosoom met cirkelvormig DNA, dat alleen bestaat uit echte informatie zonder ballast. Als eiwitten gevormd dienen te worden, wordt er een transcriptie gemaakt van dit DNA en wordt er dadelijk begonnen met de translatie ervan, in de meeste gevallen zelfs terwijl de transcriptie nog bezig is, en de RNA-streng nog vastzit aan het DNA. Dit kan bij bacteriën, omdat er geen celkern is (er dient dus geen transport te gebeuren van de celkern naar het cytoplasma) en er zijn geen introns die uitgesplist moeten worden. Het gevolg daarvan is dat er geen tijd en geen ruimte is voor een wijziging van het transcript, en er zijn ook geen introns waarvan RNA gemaakt kan worden om de vorming van het eiwit te beïnvloeden. Allemaal heel efficiënt, maar wel met het gevolg dat de evolutie van bacteriën bijna stilligt, want er kan niets meer gewijzigd worden. Bacteriën doen dus ook niet aan sexualiteit: voortplanting gebeurt door deling, genoverdracht verloopt horizontaal (door fysiek contact van de twee bacteriën, of door besmetting met een bacterieel virus). Aangezien horizontale genoverdracht zowel kan plaatsvinden tussen bacteriën van dezelfde soort als tussen bacteriën van verschillende soort, kunnen eigenschappen (zoals immuniteit) snel overgedragen worden.
Nog iets opmerkenswaardig: door de vaste celwand, die slechts kleine moleculen doorlaat, zijn bacteriën gedwongen zich te voeden met anorganische stoffen. Van "consumenten" van organisch materiaal zijn ze dus "producenten" van organisch materiaal geworden. Immers, een bacterie is een organisme, en als dusdanig organisch materiaal, en dus voedsel voor andere niet-bacteriële organismen.

De oercellen die niet de ontwikkelingsweg van de bacterie kozen, ontwikkelden zich verder. Een tweede grote afsplitsing kwam later tussen de archaea (de oerbacteriën) en de eukaryoten. Typisch voor eukaryoten is de opname van de mitochondrie als organelle (en van de chloroplast in planten). De archaea deden dit niet, en werden feitelijk weggeconcureerd. Zij overleven momenteel dus ook alleen op plaatsen waar eukaryoten niet kunnen leven: bij zeer hoge temperaturen zoals in geysers of in black smokers, of bij zeer koude temperaturen, en in omgevingen die te zuur, te zout of te alkalisch zijn voor eukaryoten. Een aantal wordt gevonden in moerassen, rioolwater en in het darmstelsel (waar ze methaan aanmaken). Het zijn ééncellige organismen gebleven van 0,1 tot 15 micrometer groot, alhoewel ze zich tot draden kunnen samenvoegen. Ze hebben een celkern, maar toch ringvormig DNA. Transcriptie en vertaling lijken op deze van eukaryoten (niet op deze van bacteriën) maar ze hebben wel een eigen soort ribosoom om de eiwitten aan te maken. Ze zijn onschadelijk, in die zin dat er geen archaea bekend zijn die ziekten bij de mens veroorzaken. Archaea zijn geen "mislukte" evolutie, maar ze hebben toch wel de boot gemist toen het er op aankwam de mitochondrie binnen te halen en over te schakelen op de verbranding als energiebron. Daarom moeten ze zuinig zijn, hebben ze ringvormig DNA, en beschikten ze niet over de ontwikkelingsmogelijkheden van de groep die later de eukaryoten geworden zijn.

Eukaryoten: extravagant en flexibel

Eukaryoten hebben zich heel anders ontwikkeld dan bacteriën. Door de opname van mitochondriën kunnen ze beschikken over veel energie, en kunnen ze dus processen ontwikkelen die op het eerste zicht extravagant en verspillend lijken. Hoe beschermden zij zich tegen de wijziging van de samenstelling van de oceanen? Waar de bacteriën een stijve celwand ontwikkelden, bleven zij hun flexibele celwand behouden, maar verstevigden deze door een intern net van verstevigingslijnen op te bouwen. Dit "cytoskelet" wordt gevormd door drie soorten filamenten (strengen of draden): microfilamenten, microtubuli (in feite buisjes) en intermediaire filamenten. Men kan het beter beschouwen als "spieren" dan als een "skelet", want het kan heel verschillende driedimensionale vormen aannemen. Het is alsof een dier de ene keer de vorm van een vogel zou kunnen aannemen, en dan weer de vorm van een slang, of dat dezelfde spieren de ene keer een hand zouden kunnen vormen en een andere keer een staart.
De noodzaak voor een flexibele celwand heeft ook een andere oorzaak. Naarmate het leven vorderde, kwamen fysiek grotere voedselbronnen beschikbaar (bv een levende of afgestorven bacterie). Om deze grotere brokken binnen te kunnen halen was een soort "mond" nodig. Een flexibel cytoskelet maakt dit mogelijk (kijk bijvoorbeeld naar de macrofagen). Voor de bacteriën, met hun stijve buitenwand, waren deze voedselbronnen onbereikbaar.
De filamenten van dit sketet zijn in voortdurende staat van aanmaak en ontbinding: aan de ene kant worden monomeren toegevoegd, aan de anderde kant worden ze afgebroken. Wordt er sneller toegevoegd dan afgebroken, dan wordt het filament langer, anders wordt het korter. Het organisme investeert dus enorme hoeveelheden energie, niet in het bouwen van een structuur, maar in het instabiel maken van deze structuur. We zien dus een enorm verschil tussen het zuinig gebruik van energie van de bacterie, en de voortdurende verspilling van energie van een eukaryote.
Wat is de noodzaak van deze energieverspilling? Laten we eerst opmerken dat een filament alleen onstabiel is indien het niet verankerd is. Eens dat het verankerd is, is het wel stabiel. Een microtubulus start vanuit een centrosoom, en het andere einde ervan kan korter of langer worden tot het een tweede verankeringspunt in het cytoplasma vindt. Vindt het dit echter niet, dan wordt de microtubulus zeer snel ontmanteld, en wordt een nieuwe gebouwd die een verankeringspunt in een andere richting gaat zoeken.
Dat dit snelle bouwen en ontmantelen noodzakelijk is, wordt bijvoorbeeld gedemonstreerd bij de celdeling. Hier dienen de microtubuli zich te verankeren aan centromeren (het punt waar de twee DNA-moleculen van een verdubbeld chromosoom aan elkaar zitten), zodat de chromosomen naar de tegengestelde kant van de cel getrokken kunnen worden. Centromeren zijn echter zeer klein, en hun verdeling binnen de celruimte is volledig willekeurig. Een centromeer zoeken is dus zoiets als het zoeken van de naald in de hooiberg, en het is juist dit mechanisme van dynamische instabiliteit dat toelaat deze centromeren te vinden, en ze zeer snel te vinden.
De logica van deze dynamische instabiliteit wordt dus duidelijk: het laat het cytoskelet toe structuren te bouwen, gebaseerd op een zoekstrategie. Met andere woorden: het aantal verschillende structuren dat het cytoskelet kan maken hangt alleen af van de keuze van ankermoleculen, en is dus in principe onbeperkt. Het zijn dus de ankermoleculen die de ruimtelijke vorm van de cel bepalen, en de bewegingen die de cel kan uitvoeren. Het cytoskelet is uitgevonden in de tijd van de eencellige eukaryoten, en is in de hele evolutie gebruikt om steeds andere structuren te maken (neuronen, spieren, noem maar op). Dynamische instabiliteit is dus een strategie om een eindeloze stroom van verschillende cellen te maken, met slechts één gemeenschappelijk mechanisme en een paar verschillende ankermoleculen.

Het celmembraan van een bacterie kan vergeleken worden met een "huid", omdat het structuren bevat die de nodige moleculen gaan aanmaken op de plaats waar ze nodig zijn (net zoals de cellen van onze huid zichzelf vernieuwen). Eukaryoten gebruiken een heel ander mechanisme. De onderdelen voor de celwand worden binnen in de cel gemaakt als blaasjes die naar de celwand opstijgen en daar in de celwand ingebouwd worden. Bestaande delen van de celwand maken zich daarentegen los, en dalen als blaasjes naar binnen in de cel, om daar gerecycleerd te worden. De celwand wordt dus constant vernieuwd door twee stromen blaasjes: opstijgende blaasjes met nieuwe celwand, en dalende blaasjes met te recycleren celwand. Weer eens vinden we bij eukaryoten een extravagant en duur systeem, terwijl dit veel simpeler zou kunnen gemaakt worden, zoals bacteriën aantonen.
Toch kunnen we de zaak in een breder perspectief bekijken, en kijken naar de verkeersregeling in de cel. De blaasjes voor de celwand worden gemaakt in het Golgi apparaat, samen met blaasjes met een heel andere bestemming. Het Golgi-apparaat is betrokken in de eindwijziging van verschillende moleculen, die verschillende bestemmingen hebben. Indien al deze moleculen ieder een eigen pad naar hun bestemming zouden krijgen, met een eigen verkeersregeling, zou de cel een ongelofelijk ingewikkeld verkeersmechanisme moeten hebben. Nu gebeurt dat heel simpel: het Golgi-apparaat maakt blaasjes aan en voorziet deze met twee verschillende eindbestemmings-merkers: eentje voor blaasjes met eiwitten die bestemd zijn voor buiten de cel, en eentje voor blaasjes met een bestemming binnen de cel. Indien het blaasje helemaal geen eindbestemming-merker heeft, dan is het per default bestemd voor de celwand zelf. We krijgen dus een heel simpel mechanisme: één apparaat en twee merkers geeft de mogelijkheid om zowel een enorm aantal specifieke producten naar hun eindbestemming te brengen, als om de celwand continu te vernieuwen.

Bacteriën hebben één enkel cirkelvormig chromosoom, terwijl eukaryoten verschillende chromosomen hebben met een lineaire structuur, waaraan dan nog grote hoeveelheden structurele eiwitten gekoppeld zijn om deze DNA-draden in een compacte ruimte te kunnen herbergen. Iedere DNA-molecuul is gemiddeld een duizendmaal langer dan het enkele chromosoom van een typische bacterie. Dit is weer zo'n eukaryotische extravaganza: een ingewikkelde structuur om massa's DNA in een beperkte ruimte (de celkern) op te slaan, terwijl het overgrote gedeelte van dit DNA blijkbaar alleen maar rommel is vanuit een genetisch standpunt.
Daar de eerste cellen in een RNA-wereld ontstonden, en veel van het RNA op een willekeurige manier tot stand kwam, zal het toenmalig genoom zowel functioneel als rommel-RNA gehad hebben. Bij de evolutie konden dus twee verschillende strategieën gebruikt worden: gooi al dat niet-functionerend RNA weg, of hou het bij. De eerste mogelijkheid heeft de bacteriën laten ontstaan: heel gestroomlijnde organismen, met maximale efficiency en maximale simpelheid. Alles wat mogelijkerwijze weggegooid kon worden werd bij bacteriën ook weggegooid, alles wat simpeler kon werd simpeler gemaakt, met als gevolg dat de evolutie van bacteriën zo goed als stilstaat.
Genen van een bacterie bevatten ook alleen maar exons, terwijl de eukaryotische genen zowel exons als introns bevatten. Nog niet zo lang geleden dachten we dat deze introns ook rommel waren, maar nu weten we dat ze noodzakelijk zijn. Ze bevatten niet de code om het eiwit aan te maken, maar bepalen wel welke exons gekozen moeten worden in het aanmaakvoorschrift. Door dus exons wel of niet te kiezen, kan een gen coderen voor verschillende soorten eiwitten. Wat eerst verspilling leek, blijkt later een hoogefficiënte manier te zijn.
Zo weten we momenteel nog zeer weinig over het niet-coderend gedeelte van het eukariotisch DNA, zodat we nog niet veel kunnen zeggen over de functie (of het gebrek van functie) ervan. In 1994 lieten Mantega en zijn collega's twee bekende formules uit de informatietheorie los op het genoom. Deze formules waren de wet van Zipf en de redundancyregel van Shannon. Hieruit bleek dat de statistische eigenschappen van het niet-coderend DNA veel dichter bij deze van de natuurlijke talen lagen dan de statistische eigenschappen van het wel coderend gedeelt (de genen). Dit zou kunnen betekenen dat het niet-coderend gedeelte van het DNA mogelijk transport-informatie of andere informatie bevat, maar dan wel geschreven in een verschillende taal, die we nog niet kunnen lezen.

Samenvattend kunnen we zeggen dat de primitieve cel, die de weg van de veelzijdigheid gekozen heeft, nu geëvolueerd is tot de wereld van de eukaryoten (dit zijn de protisten, de zwammen, de planten en de dieren). Door geen gegevens weg te gooien, en door steeds voor flexibele structuren te kiezen, is deze cel de weg opgegaan naar de meercelligheid en de grote verscheidenheid van levende vormen. Ze heeft dit echter slechts kunnen doen door de mitochondrie in haar cel op te nemen, waardoor ze haar voedsel zeer efficient kon omzetten in energie. En deze energie had ze nodig om haar flexibele structuren, die heel veel energie kosten, op te bouwen.

Ontwikkeling van de mens

De primaten zijn een van de oudste overlevende zoogdiersoorten, en de oorsprong ervan ligt ca 60 miljoen jaar geleden. De familie “mensapen” (hominoidea) bestaat uit de geslachten homo (de mensen), pan (chimpansee en bonobo, afgesplitst 5 tot 7 miljoen jaar geleden), gorilla (afgesplitst 8 tot 10 miljoen jaar geleden), pongo (twee orang-oetang geslachten, afgesplitst 13 tot 16 miljoen jaar geleden) en de vier gibbon-geslachten (afgesplitst 15-19 miljoen jaar geleden). Mensapen hebben 48 chromosomen (= 24 paar), de mensen 46 (= 23 paar). Chromosomenpaar 2 bij de mens is een samenvoegsel van twee verschillende chromosomenparen bij de mensapen.
Het verschil in DNA tussen mens en chimpansee is zeer klein (98 tot 99 percent van het DNA is identiek). De chimpansee heeft een gen dat codeert voor een enzym dat de chimpansee beschermt tegen de ziekte van Alzheimer (de mens heeft dit gen niet). Meer dan 30 genen bij de chimpansee, die voor de geurzin instaan, blijken bij de mens inactief te zijn. Anderzijds heeft het FOXP2-gen, dat in verband staat met taalontwikkeling, bij de mens een snelle evolutie doorgemaakt, en bij de chimpansee niet.

In de evolutie van het geslacht “Homo” ontstond eerst het geslacht “australopithecus” (4 tot 2 miljoen jaar geleden), dat opgevolgd werd door het geslacht “homo” (2 miljoen jaar geleden). In het geslacht “homo” hebben we eerst “homo habilis” (2,5 tot 1,75 miljoen jaar geleden), dan de “homo erectus” (1,75 tot 0,25 miljoen jaar geleden), daarna de “homo neanderthalensis” en de “homo sapiens” (ca 250.000 jaar geleden). In de evolutie zien we dat we eerst leerden rechtop lopen, en dat daarna een grotere schedelinhoud kwam.
In het geslacht "australopithecus", dat zich een vier miljoen jaren geleden in Oost-Afrika ontwikkelde, hebben we feitelijk af en toe rechtop lopende mensapen (ze brachten nog steeds een gedeelte van hun tijd in bomen door). De schedelinhoud (400 cm3) is vergelijkbaar met mensapen, de lengteverhouding van armen en benen lag nog steeds dichter bij deze van de mensapen dan deze van de huidige mensen, de mannetjes waren nog dubbel zo groot als de vrouwtjes. Het geslacht is een 2,6 miljoen jaar geleden uitgestorven, na een klimaatswijziging waarbij het klimaat op het Oost-Afrikaanse hoogland koeler en droger werd, waardoor de bestaande biotopen verdwenen.

Homo Habilis leefde reeds in de nadagen van de australopithecus, en was de eerste soort met typisch menselijke eigenschappen (deze zijn: grotere hersenen, gebruik van zelf vervaardigde gereedschappen en het eten van dierlijk voedsel). Hij was een vleester (feitelijk een aaseter: als de andere dieren klaar waren met het opeten van een prooi, mocht de homo habilis nadien de mergpijpen uitzuigen). Een toename van het hersenvolume was slechts mogelijk door het eten van dierlijk voedsel: hersenen verbruiken veel energie, en dierlijke vetten en eiwitten bevatten veel geconcentreerder energie dan plantaardig voedsel. Het hersenvolume nam toe tot 800 cm3, hij had lange vingers en beweeglijke duimen, en kon dus zelf zijn eerste gereedschappen aanmaken (gewoon stenen tegen elkaar slaan zodat er scherpe afslagen ontstonden). Hij leefde in Oost en Zuid Afrika. We hebben wel een hoop schedels en botfragmenten, maar een volledig skelet is nog niet ontdekt.