Samenvattingen · BiologieNL · VWO

Ontstaan van het leven

Hoe het leven op aarde is ontstaan en zich in de diepe tijd heeft ontwikkeld. Je bestudeert de chemische evolutie op de vroege aarde (met het Miller-Urey-experiment), het ontstaan van de eerste cellen (protobionten en de RNA-wereld), de endosymbiosetheorie voor het ontstaan van de eukaryote cel, en de geologische tijdschaal met de grote overgangen in de geschiedenis van het leven.

4 Onderdelen~13 min leestijd4 VaardighedenNiveau Standaard 2 · Verdieping 2

T·212121 / 21

Examenprofiel

De chemische evolutie op de vroege aarde beschrijven (o.a. Miller-Urey)Hypothesen over de eerste cellen (protobionten, RNA-wereld) toelichtenDe endosymbiosetheorie onderbouwenDe geologische tijdschaal en de grote overgangen lezen

Operatoren:beschrijfleg uitverklaaronderbouwinterpreteer

basisniveau

Voor het CE beschrijf je de hoofdlijnen van het ontstaan van het leven en de endosymbiosetheorie.

verhoogd niveau

Verdieping ligt in de moleculaire hypothesen (RNA-wereld) en de details van de vroege evolutie.

Diepte

Tekst

Inhoud · 4 onderdelen

Ontstaan van het leven

De vroege aarde en chemische evolutie#

Standaardchemische evolutieoeratmosfeerMiller-Ureyorganische moleculen

Chemische evolutie

Afb. 1Afb. 1 — Chemische evolutie: uit anorganische gassen ontstaan met energie (bliksem, uv) eenvoudige organische moleculen, die zich tot macromoleculen opbouwen.

De aarde is ongeveer 4,6 miljard jaar oud, en het leven is er niet plotseling geweest maar geleidelijk ontstaan uit levenloze materie — een proces dat men chemische evolutie noemt. De vroege aarde verschilde sterk van nu: er was nog geen vrije zuurstof in de atmosfeer, wel gassen als methaan, ammoniak, waterstof, waterdamp en koolstofdioxide, en er was volop energie in de vorm van bliksem, uv-straling en vulkanische warmte. Onder deze omstandigheden konden uit de eenvoudige anorganische stoffen de eerste organische moleculen ontstaan (afbeelding 1).

Het klassieke bewijs hiervoor is het Miller-Urey-experiment (1953). Miller en Urey bootsten de veronderstelde oeratmosfeer na in een gesloten opstelling met de genoemde gassen en water, en lieten er elektrische ontladingen (bliksem) doorheen gaan. Na enige tijd bleken zich in het mengsel organische moleculen te hebben gevormd, waaronder aminozuren — de bouwstenen van eiwitten. Het experiment toonde aan dat de bouwstenen van het leven spontaan uit anorganische stoffen kunnen ontstaan als er maar energie is, zonder dat daar leven voor nodig is.

De zo gevormde organische moleculen hoopten zich volgens de hypothese op in het water van de vroege zeeën, de „oersoep”, waar ze verder konden reageren. Uit de eenvoudige moleculen (aminozuren, suikers, basen) konden grotere macromoleculen (eiwitten, nucleïnezuren) worden opgebouwd, mogelijk geholpen door de concentratie aan mineraaloppervlakken of in poeltjes die opdroogden. Deze stapsgewijze opbouw — van gassen naar kleine organische moleculen naar macromoleculen — is de chemische evolutie die aan het eigenlijke leven voorafging.

Belangrijk is dat dit wetenschappelijke hypothesen zijn, onderbouwd door experimenten en waarnemingen, maar niet met zekerheid te reconstrueren, omdat het zo lang geleden gebeurde en er geen directe sporen van bewaard zijn. Het Miller-Urey-experiment maakt aannemelijk dat de eerste stap mogelijk was; over de precieze omstandigheden en de vervolgstappen bestaan verschillende modellen. Bij dit onderwerp hoort dus een eerlijke wetenschappelijke houding: de chemische evolutie is een goed onderbouwd, maar niet definitief bewezen verhaal over het ontstaan van de bouwstenen van het leven.

Uitgewerkt voorbeeld

De betekenis van Miller-Urey

Leg uit wat het Miller-Urey-experiment aantoonde en waarom de afwezigheid van zuurstof daarbij van belang was.

De opzet
Miller en Urey bootsten de zuurstofarme oeratmosfeer (methaan, ammoniak, waterstof, waterdamp) na en lieten er elektrische ontladingen (bliksem) doorheen gaan.
Het resultaat
Er vormden zich organische moleculen, waaronder aminozuren — de bouwstenen van eiwitten — uit uitsluitend anorganische uitgangsstoffen.
Rol van de zuurstofarme atmosfeer
Zuurstof zou de gevormde organische moleculen weer hebben afgebroken (geoxideerd); juist doordat er geen zuurstof was, konden ze zich vormen en ophopen.

Resultaat: Miller-Urey toonde dat de bouwstenen van het leven spontaan uit anorganische stoffen kunnen ontstaan bij voldoende energie; de zuurstofarme atmosfeer was nodig omdat zuurstof die moleculen zou hebben afgebroken.

Veelgemaakte fouten

Denken dat de vroege aarde al vrije zuurstof had; de oeratmosfeer was zuurstofarm, wat de vorming van organische stoffen juist mogelijk maakte.
Het Miller-Urey-experiment lezen als bewijs dat er leven ontstond; het toonde aan dat de bouwstenen (o.a. aminozuren) spontaan kunnen ontstaan, niet dat er leven werd gemaakt.

Actieve herhaling

Leg uit wat het Miller-Urey-experiment aantoonde over het ontstaan van de bouwstenen van het leven, en waarom het feit dat de oeratmosfeer geen zuurstof bevatte hierbij van belang was.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie VWO — ontstaan van het leven (College voor Toetsen en Examens (CvTE))

De eerste cellen#

VerdiepingprotobiontRNA-wereldprokaryootzelf-replicatie

Van moleculen naar de eerste cel

Afb. 2Afb. 2 — Van macromoleculen via protobionten (afgrenzing) en de RNA-wereld (zelf-replicatie) naar de eerste prokaryote cellen.

Van losse macromoleculen naar een echte cel is een grote stap; twee kenmerken moesten daarvoor samenkomen: een afgrenzing van de omgeving en een vermogen tot zelf-replicatie (afbeelding 2). De afgrenzing verklaart men met protobionten: bolletjes die vanzelf ontstaan wanneer bepaalde moleculen (zoals vetachtige stoffen) in water samenklonteren tot een blaasje met een membraanachtige buitenkant. Zo'n blaasje scheidt een binnenmilieu van de omgeving af — een eerste, primitieve celgrens — en kon organische moleculen insluiten en concentreren.

Het tweede kenmerk, de zelf-replicatie, verklaart men vaak met de hypothese van de RNA-wereld. In de moderne cel bewaart DNA de informatie en voeren eiwitten (enzymen) de reacties uit, maar dat stelt een kip-en-eiprobleem: DNA heeft eiwitten nodig om afgelezen te worden, en eiwitten worden gecodeerd door DNA. RNA biedt een uitweg, want RNA kan beide: het draagt erfelijke informatie én sommige RNA-moleculen werken als enzym. In de RNA-wereld zou RNA dus zowel de informatie als de katalyse hebben verzorgd en zichzelf hebben kunnen kopiëren, voordat DNA en eiwitten die taken later overnamen.

Wanneer een zelf-replicerend molecuul (RNA) omsloten raakte door een protobiont, ontstond iets dat de kenmerken van leven begon te vertonen: een afgegrensd systeem dat zichzelf kon kopiëren en waarvan de kopieën konden variëren en geselecteerd worden. Vanaf dat moment kon de natuurlijke selectie op deze pre-cellen werken — de overgang van chemische naar biologische evolutie. De eerste echte cellen waren eenvoudige prokaryoten: cellen zonder kern, vergelijkbaar met de huidige bacteriën.

De vroegste sporen van cellulair leven zijn ongeveer 3,5 tot 3,8 miljard jaar oud. Lange tijd bestond het leven uitsluitend uit zulke prokaryoten. Een cruciale gebeurtenis was de opkomst van fotosynthetiserende bacteriën (cyanobacteriën), die met de fotosynthese zuurstof gingen produceren; daardoor liep de zuurstofconcentratie in de atmosfeer geleidelijk op. Deze „zuurstofrevolutie” veranderde de aarde ingrijpend en maakte later de aerobe dissimilatie en complexer leven mogelijk. Ook hier geldt: dit zijn wetenschappelijke hypothesen, sterk maar niet definitief, over gebeurtenissen van miljarden jaren geleden.

Uitgewerkt voorbeeld

Waarom een RNA-wereld?

Leg uit waarom de RNA-wereld-hypothese het ontstaan van zelf-replicerende cellen goed kan verklaren, met het kip-en-eiprobleem van DNA en eiwitten.

Het kip-en-eiprobleem
In de moderne cel heeft DNA eiwitten (enzymen) nodig om afgelezen te worden, maar die eiwitten worden juist door het DNA gecodeerd — geen van beide kan zonder de ander ontstaan zijn.
De dubbelrol van RNA
RNA kan zowel erfelijke informatie dragen als (in bepaalde vormen) als enzym reacties versnellen — het kan dus beide functies vervullen.
De oplossing
In een RNA-wereld verzorgde RNA zelf de informatie én de katalyse en kon het zichzelf kopiëren; DNA en eiwitten namen die taken pas later, efficiënter, over.

Resultaat: Omdat RNA zowel informatie draagt als katalyseert, doorbreekt het het kip-en-eiprobleem van DNA en eiwitten en kan het het ontstaan van de eerste zelf-replicerende systemen verklaren.

Veelgemaakte fouten

De eerste cellen als eukaryoten voorstellen; de eerste cellen waren eenvoudige prokaryoten (zonder kern).
Denken dat er altijd al zuurstof was; de zuurstof kwam pas later door fotosynthetiserende bacteriën (cyanobacteriën).

Actieve herhaling

Leg uit waarom de hypothese van een RNA-wereld aantrekkelijk is om het ontstaan van de eerste zelf-replicerende cellen te verklaren, en gebruik daarbij het kip-en-eiprobleem van DNA en eiwitten.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie VWO — de eerste cellen (College voor Toetsen en Examens (CvTE))

Endosymbiose en het ontstaan van eukaryoten#

Verdiepingendosymbiosemitochondriumchloroplasteukaryoot

De endosymbiosetheorie

Afb. 3Afb. 3 — Endosymbiose: een gastheercel neemt een aerobe bacterie op (wordt mitochondrium) en, bij planten, een cyanobacterie (wordt chloroplast).

Nadat het leven lang alleen uit prokaryoten (cellen zonder kern) bestond, ontstonden de eukaryoten: cellen met een kern en met organellen zoals mitochondriën en (bij planten) chloroplasten. Voor het ontstaan van die organellen bestaat een sterk onderbouwde verklaring: de endosymbiosetheorie (afbeelding 3). Volgens deze theorie zijn de mitochondriën en chloroplasten afkomstig van vrijlevende bacteriën die ooit door een grotere gastheercel zijn opgenomen en daarin zijn blijven leven in een blijvende samenwerking (endosymbiose = „samen binnenin levend”).

Het verloop is als volgt. Een grotere gastheercel nam een kleinere, aerobe bacterie op zonder haar te verteren; de opgenomen bacterie leverde de gastheer energie via de aerobe dissimilatie, en de gastheer bood de bacterie bescherming en voedingsstoffen. Deze wederzijds voordelige samenleving werd blijvend, en de opgenomen bacterie ontwikkelde zich tot het mitochondrium. Bij de voorouders van de planten en algen werd bovendien een fotosynthetiserende bacterie (cyanobacterie) op dezelfde manier opgenomen; die werd de chloroplast. Zo verklaart de theorie het ontstaan van beide energie-organellen.

Er is opvallend veel bewijs voor deze theorie, dat je moet kunnen benoemen. Mitochondriën en chloroplasten hebben een eigen, cirkelvormig DNA, los van het kern-DNA — net als bacteriën. Ze hebben eigen ribosomen die op die van bacteriën lijken. Ze zijn omgeven door een dubbele membraan, passend bij het inslikken van een cel (een binnenmembraan van de bacterie, een buitenmembraan van de gastheer). En ze delen zich zelfstandig binnen de cel, net als bacteriën. Al deze kenmerken zijn precies wat je verwacht als deze organellen ooit zelfstandige bacteriën waren.

Het ontstaan van de eukaryote cel was een grote overgang in de evolutie: eukaryoten zijn groter en complexer dan prokaryoten en vormden de basis voor het latere meercellige leven (planten, dieren, schimmels). De endosymbiosetheorie is een mooi voorbeeld van hoe een aanvankelijk gewaagde hypothese door een reeks onafhankelijke waarnemingen (eigen DNA, eigen ribosomen, dubbele membraan, zelfstandige deling) tot een breed aanvaarde verklaring is geworden — en van hoe samenwerking tussen organismen (mutualisme) een sleutelrol in de evolutie kan spelen.

Uitgewerkt voorbeeld

Bewijs voor endosymbiose

Noem drie waarnemingen aan mitochondriën die de endosymbiosetheorie ondersteunen en leg per waarneming uit waarom ze past bij een bacteriële oorsprong.

Eigen DNA
Mitochondriën bevatten een eigen, cirkelvormig DNA, los van het kern-DNA — net als bacteriën, die ook een ringvormig DNA hebben.
Eigen ribosomen
Ze hebben eigen ribosomen die sterk op die van bacteriën lijken, wat past bij een oorsprong als zelfstandige bacterie met eigen eiwitsynthese.
Dubbele membraan en deling
Ze zijn omgeven door een dubbele membraan (passend bij het inslikken van een cel) en delen zich zelfstandig binnen de cel, net als bacteriën.

Resultaat: Het eigen cirkelvormige DNA, de bacterie-achtige ribosomen en de dubbele membraan met zelfstandige deling wijzen er alle op dat mitochondriën ooit vrijlevende bacteriën waren — precies wat de endosymbiosetheorie voorspelt.

Veelgemaakte fouten

Denken dat de kern ook door endosymbiose ontstond; de theorie verklaart vooral de mitochondriën en chloroplasten.
Het bewijs voor de theorie niet kunnen noemen; let op het eigen DNA, de eigen ribosomen, de dubbele membraan en de zelfstandige deling van deze organellen.

Actieve herhaling

Noem drie waarnemingen aan mitochondriën die de endosymbiosetheorie ondersteunen, en leg per waarneming uit waarom ze past bij een oorsprong als vrijlevende bacterie.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie VWO — endosymbiose (College voor Toetsen en Examens (CvTE))

De geologische tijdschaal#

Standaardgeologische tijdschaaldiepe tijdgrote overgangenfossielen

De geologische tijdschaal

Afb. 4Afb. 4 — De geologische tijdschaal (in miljoen jaar geleden) met de grote overgangen: het leven is oud, complex leven pas laat, de mens zeer recent.

De geschiedenis van het leven speelt zich af over enorme tijdspannen — de diepe tijd — die je met de geologische tijdschaal ordent (afbeelding 4). De aarde ontstond ongeveer 4,6 miljard jaar geleden, de eerste cellen zo'n 3,5 tot 3,8 miljard jaar geleden. Meercellig en complex leven is pas veel later verschenen: een groot deel van de geschiedenis van het leven bestond uitsluitend uit micro-organismen. Deze schaal helpt je de volgorde en de duur van de grote gebeurtenissen te overzien en te beseffen hoe kort de mens er in verhouding is.

Enkele grote overgangen (mijlpalen) markeren de tijdschaal. Na het ontstaan van de eerste prokaryoten kwam de zuurstofproductie door cyanobacteriën op gang, waardoor de atmosfeer geleidelijk zuurstofrijk werd. Vervolgens ontstonden de eukaryoten (door endosymbiose), en daarna het meercellige leven. Relatief laat, ongeveer 540 miljoen jaar geleden, nam de verscheidenheid aan dierlijke bouwplannen sterk toe. Nog veel later verschenen planten en dieren op het land, en pas heel recent, op de schaal van de aarde, de mens.

De tijdschaal wordt onderbouwd met fossielen en met dateringsmethoden. Fossielen — versteende resten of afdrukken van organismen — laten zien welke soorten in welke perioden leefden, en hun opeenvolging in de gesteentelagen toont de volgorde: oudere fossielen liggen doorgaans in diepere lagen. Met radioactieve dateringsmethoden (die de vervalsnelheid van bepaalde stoffen in het gesteente gebruiken) kan men de ouderdom van de lagen bepalen. Zo krijgt de geschiedenis van het leven een betrouwbare tijdas.

De geologische tijdschaal maakt de evolutie concreet: ze laat zien dat de huidige verscheidenheid het resultaat is van een miljarden jaren durend proces van ontstaan, uitsterven en vernieuwen. Ze verbindt alle voorgaande onderwerpen — de chemische evolutie, de eerste cellen, de endosymbiose, de soortvorming en de biodiversiteit — tot één verhaal in de tijd. Bij een examenvraag over de tijdschaal orden je de grote gebeurtenissen in de juiste volgorde en besef je de verhoudingen: het leven is oud, complex leven jong, en de mens een zeer recente verschijning.

Uitgewerkt voorbeeld

Grote gebeurtenissen ordenen

Zet in de juiste volgorde met hun ouderdom: eerste eukaryoten, ontstaan van de aarde, eerste prokaryote cellen, meercellig leven.

Oudste eerst
De aarde ontstond ongeveer 4,6 miljard jaar geleden; dat is het beginpunt.
Eerste cellen
De eerste prokaryote cellen verschenen ongeveer 3,5 tot 3,8 miljard jaar geleden, gevolgd door de eerste eukaryoten ongeveer 1,8 tot 2 miljard jaar geleden.
Complex leven
Meercellig leven kwam veel later op, ruwweg vanaf 600 miljoen jaar geleden.

Resultaat: Volgorde: ontstaan aarde (~4,6 mld) → eerste prokaryoten (~3,5-3,8 mld) → eerste eukaryoten (~1,8-2 mld) → meercellig leven (~600 mln jaar geleden).

Veelgemaakte fouten

De verhoudingen in de tijd verkeerd inschatten; complex en meercellig leven is er pas heel laat, na miljarden jaren enkelcellig leven.
De volgorde van de grote overgangen omdraaien (bijv. eukaryoten vóór de prokaryoten plaatsen).

Actieve herhaling

Zet de volgende gebeurtenissen in de juiste volgorde op de geologische tijdschaal en geef bij benadering hun ouderdom: eerste eukaryoten, ontstaan van de aarde, eerste prokaryote cellen, meercellig leven.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie VWO — geologische tijdschaal (College voor Toetsen en Examens (CvTE))

Referenties en bronnen

Bronnen

College voor Toetsen en Examens (CvTE)

Examenprogramma biologie VWO — ontstaan van het leven

Ontstaan van het leven

Kernpunten

De betekenis van Miller-Urey

Kernpunten

Waarom een RNA-wereld?

Kernpunten

Bewijs voor endosymbiose

Kernpunten

Grote gebeurtenissen ordenen

Bronnen

Ontstaan van het leven

Kernpunten

De betekenis van Miller-Urey

Kernpunten

Waarom een RNA-wereld?

Kernpunten

Bewijs voor endosymbiose

Kernpunten

Grote gebeurtenissen ordenen

Bronnen