Van het begin van het heelal tot het leven van vandaag


Een wetenschappelijk Genesisverhaal.

Het begin

Zo’n 13.8 miljard geleden is niet alleen ons heelal, maar ook tijd, ontstaan uit de oerknal of het grote begin. In een flits spatte een meer dan duizelingwekkende hoeveelheid energie uiteen en vormde het universum. Slechts een fractie van dit universum werd omgezet tot wat wij materie noemen. De rest, donkere energie en donkere materie, blijven tot op de dag van vandaag fysisch totaal onbekende zaken. Het resultaat was een ruimte gevuld met een soep bestaande uit elementaire deeltjes, waarin kwantumvelden de fysische wetmatigheden bepaalden, en de eerste materie enkel bestond uit losgeslagen protonen, neutronen en elektronen. Door de gigantische hoeveelheid vrije energie aanwezig in het primaire universum was er nauwelijks samenhang tussen de aanwezige materiële deeltjes. Het heelal was in haar prille begin niets anders dan een chaotische ondoorzichtige wolk waarin alles met alles op een willekeurige wijze interageerde.

De eerste sterren

Pas 380.000 jaar na het grote begin klaarde het universum op als gevolg van de versmelting van elektronen en protonen tot neutrale waterstofatomen. Zwaartekracht begon vanaf dan een meer prominente rol te spelen en zorgde ervoor dat in sommige zones van het heelal hogere concentraties aan waterstofatomen, onderling verbonden tot waterstofgas, gevormd werden. Het waterstofgas klonterde samen tot enorme gasvormige aggregaties, waar in de kern druk en temperatuur zo hoog opliepen dat kernfusiereacties spontaan konden optreden. Waterstofatomen werden met een onvoorstelbare kracht tegen elkaar gesmakt waardoor ze samensmolten tot zwaardere heliumkernen. In grotere waterstofaggregaties liepen de druk en de temperatuur nog hoger op zodat hier de fysische voorwaarden aanwezig waren voor de vorming van zwaardere chemische elementen uit de tabel van Mendeljev. Het saldo aan restenergie uit dit kernfusiegeweld werd simultaan omgezet tot fotonen die het tot dan toe donkere universum deden oplichten. De allereerste oersterren waren uitzonderlijk heftige sterren die op het einde van hun astronomisch relatieve korte leven, als alle mogelijke energie leverende fusiereacties gestopt waren, uiteen spatten onder de vorm van supernova’s. De fenomenale krachten die gepaard gaan met deze gigantisch kosmische superontploffingen, zorgden uiteindelijk voor de vorming van de zwaarst gekende materiële elementen in het heelal.

Complexe moleculen ontstaan

Alle gevormde materie werd als gevolg van supernova explosies met astronomische snelheid doorheen het universum gekatapulteerd. Het stervormingsproces bleef zich herhalen, en door de steeds groeiende hoeveelheid aan zwaardere materie, konden er nu ook vaste hemellichamen gevormd worden, zoals planeten, kometen en manen. Op plaatsen in het heelal waar het nucleaire geweld geluwd was, zorgde de ioniserende straling, waartoe ook ultraviolet licht behoort, ervoor dat atomen geëxciteerd werden tot ionen die zich vervolgens chemisch konden combineren tot moleculen. Moleculen die zelfs de complexiteit van aminozuren konden aannemen.

De jonge Aarde

9.3 miljard jaar na het grote begin of zo’n 4.5 miljard jaar geleden, kregen onze Zon en haar planeten hun vorm. Een kosmisch akkefietje, de botsing van onze Aarde met de protoplaneet Theia, leidde tot een lichte kanteling van de rotatieas van onze planeet. Na de botsing klonterden de kleinere brokstukken samen en vormden onze Maan, die na balanceren van de onderlinge aantrekkingskrachten, terecht kwam in haar huidige baan rondom onze planeet. Deze gebeurtenis leidde op Aarde tot het ontstaan van seizoenen, getijden van oceanen en klimaatsveranderingen zoals ijstijden en perioden van globale opwarming.

Van geochemie naar biochemie

De brokstukken waaruit de Aarde werd opgebouwd, bevatten ook massa’s water. En door de hitte van de jonge Aarde kolkte er vanaf de bodem van de primaire oceanen gloeiend heet water op, dat direct afkoelde in de hoger gelegen koudere waterlagen en daardoor opnieuw zonk naar de bodem van de oceaan. Zo ontstond een constant wervelende en circulerende fysische soep, waarin spontaan een arsenaal aan de meest exotische en extreme chemische reacties optraden. In deze constante thermische circulatie, waar super heet en ijskoud elkaar voortdurend afwisselden, ontstonden er uitzonderlijke condities die de vorming van diverse zelforganiserende structuren toelieten. De massale aanwezigheid van anorganische mineralen zoals ijzer, mangaan, zink en zwavel, genereerden tezamen met de aanwezige organische moleculen, zoals aminozuren en fosfolipiden, een fysicochemische broeihaard waarin zelfs heel complexe zelforganiserende structuren tot stand konden komen. Het water beschermde daarenboven alles wat op de oceaanbodem gevormd werd, tegen de dodelijke ultravioletstraling. Miljoenen jaren lang konden duizenden uiterst complexe chemische cocktails vrij met elkaar interageren, wat mogelijk geleid heeft tot het ontstaan van de eerste en uiterst primitieve levensvormen, de prokaryotische ééncelligen.

Fotosynthese zorgt voor zuurstof in de atmosfeer

Vervolgens werden de oceanen gedurende 2.5 miljard jaar overwoekerd door een opeenvolging van verschillende diverse primitieve ééncelligen. Deze leefden initieel uitsluitend van de warmte- en chemische energie uitgestoten door de talloze onderzeese vulkanen. Aan het zeeoppervlak ontdekte het primitieve leven ook een nieuwe vorm van energie, namelijk het licht van onze Zon. Een hoogst uitzonderlijke groep van micro-organismen, de cyanobacteriën, slaagden er zelfs in om met behulp van de lichtenergie van de Zon water te splitsen in waterstof en zuurstof. De waterstof behielden ze voor zichzelf als energierijke molecule, maar de zuurstof was voor hen een afvalproduct en werd uit de oceaan in de atmosfeer gepompt. Dit wegpompen van zuurstof in de atmosfeer gebeurde zo’n 600 miljoen jaar geleden, na de strengste ijstijd die de Aarde ooit gekend heeft, zo massaal, dat het niveau aan zuurstof in de aardse atmosfeer steeg tot ver boven de huidige 21 %. Een bijkomend gevolg van deze verhoogde zuurstofconcentratie bestond uit de vorming van een ozonlaag in de bovenste atmosferische laag van de stratosfeer. Een ozonlaag is een quasi ondoordringbaar gasvormig schild tegen de dodelijke uv-stralen afkomstig van de Zon.

Meercellig leven komt tot bloei

Het leven kon vanaf dan eindelijk ook het land veroveren. De aanwezigheid van zuurstof zorgde ook voor een boost aan extra leven. Zuurstof maakte namelijk de biochemische vorming van collageen mogelijk. Een uiterst simpel eiwit met als belangrijkste eigenschap dat het cellen aan elkaar doet kleven. Cellen die vast aan elkaar kleven zijn per definitie multicellulaire organismen, waarin de individuele cellen wel verplicht zijn om met elkaar signalen uit te wisselen om te kunnen overleven als geheel. De mogelijkheden van samenklontering waren zeer divers, waardoor een ongekende veelheid aan multicellulaire levensvormen kon ontstaan. Deze veelheid in combinatie met een levensvatbaar aardoppervlak, leidde tot een enorme toename aan nieuwe fauna en flora. Een periode die gekend staat als de Cambrium-explosie.

De mens verschijnt ten tonele

Uiteindelijk bracht die evolutie zo’n 2 miljoen jaar geleden de eerste mensen voort. De mens bezit de uitzonderlijke capaciteit om te communiceren en ervaringen uit te wisselen, over de evolutionaire generaties heen, wat hem dus overduidelijk onderscheidt van alle dieren. Deze specifiek “antropogeen” gestuurde evolutie houdt naast opportuniteiten ook vele gevaren in, met als meest bedreigende, de bevolkingsexplosie. Zonder wereldwijde maatregelen stevenen we regelrecht af op de grootst denkbare catastrofe voor de mensheid.

Het is te hopen dat het menselijk intellectueel vermogen, dat nu reeds in staat is om haar eigen evolutie volledig zelfstandig, met wonderlijke technische hulpmiddelen uit te bouwen, ook in staat is om een toekomstige menselijke Apocalyps te voorkomen.

Tekst: Hugo Moors, Studiecentrum voor Kernenergie