Op zoek naar de klepel

bij dezen en genen

Een geothermale of hydrothermale oorsprong van leven

Er bestaat een verschil van mening tussen wetenschappers over waar zich de eerste cellen op Aarde hebben gevormd. De vraag is namelijk of ze zich eerst ontwikkelden in geothermale plassen of in zout water. Deze vraag heeft te maken met het feit dat de eerste cellen waarschijnlijk niet in staat waren hun osmose te regelen. In de huidige organismen zijn daar vrij complexe moleculen voor nodig die Natrium en Kalium in en uit de cel pompen en de eerste cellen moeten zo simpel zijn geweest dat ze nog geen beschikking hadden over deze complexe pompen.

De natrium/kalium pomp. De binnekant van de cel is negatief geladen vergeleken met de buitenkant van de cel.

Alle tegenwoordige een- of meercellige organismen beschikken over pompen die zich in het membraan van de cel bevinden. Deze pompen zijn opgebouwd uit verschillende subuniteiten van eiwitten. Ze pompen Kalium (K+) de cel in, en Natrium (Na+) de cel uit. Eiwitkanalen laten vervolgens sommige ionen passief het membraan door waarbij zich het membraanpotentiaal vormt: de binnenkant van de cel is negatief geladen ten opzichte van de buitenkant van het membraan. Het potentiaal bedraagt -60 tot -80 millivolt. Dit potentiaal staat aan de basis van transport door het membraan van andere ionen of moleculen, maar vormt ook de basis voor het actiepotentiaal in neuronen.

Het zoutgehalte (NaCl) van het milieu waarin cellen zich bevinden is gelijk aan dat van zeewater (9 promille). Ons bloed heeft dus een fysiologische waarde van 0.9 %. Maar de hoeveelheid Natrium in de cel ligt veel lager. Het omgekeerde geldt voor Kalium. Dit verschil wordt in stand gehouden door de ionenpompen.
Al de verschillende pompen (want er zijn er meer), dragen bij aan de osmose van de cel. Dat betekent dat de cel mooi rond blijft en niet ‘verschrompelt’ of uitzet en knapt.

geothermale bron

E.V. Koonin beschrijft onlangs in een artikel dat de membranen van de eerste cellen zeker nog geen ionenpompen bezaten en ze waren waarschijnlijk erg doorlatend. Om te kunnen vaststellen waar de eerste cel geboren werd keek hij naar de inhoud aan ionen in de hedendaagse cel. Om meer precies te zijn keek hij naar de eiwitten die bacteriën produceren en welke organische ionen nodig zijn voor hun functioneren. Het blijkt dat de benodigde ionen overeenkomen met welke te vinden zijn in de stagnerende plassen bij geothermische bronnen. Het gaat dan onder andere om kalium, fosfaat, zink en mangaan en een kleine hoeveelheid natrium, wat volgens hem betekent dat de cellen daar ontstaan zijn.

hydrothermale bron

Nu bestaat er al sinds zo’n 20 jaar het idee dat de eerste cellen ontstonden in of bij Hydrothermal vents, black smokers of hydrothermale bronnen. Deze onderwaterbronnen bevinden zich op grote diepte in de oceaan. Er is geen daglicht en de bacteriën die men daar tegenkomt ademen H2S in plaats van O2. Nu heeft men de interessante hypothese ontwikkeld dat de poriën in de schoorstenen van deze bronnen heel goed mini-compartementjes konden vormen voor de opeenhoping van de eerste moleculen die belangrijk zijn voor het leven (zie ook een voorgaande blog) zoals nucleotiden, waaronder ATP en vervolgens de polymeren daarvan als RNA en DNA. De wanden van deze schoorstenen bevatten ook een gradiënt aan protonen waardoor er energie beschikbaar is voor de vorming van macromoleculen. Kortom, deze compartementjes zouden fungeren als cellen. Pas daarna vormde zich het lipiden-membraan zoals alle levende cellen dat bezitten en konden de eerste cellen zich losmaken van de schoorsteen. Deze hypothese is erg belangrijk en wordt door velen omarmd. Het is mogelijk dat de eerste cellen functioneerden met het zoutgehalte van het zeewater. De ionenpompen fungeren nu als generatoren van het membraanpotentiaal, maar hun primaire functie was wellicht die van osmose. Voor de harde wand van de compartimenten is er geen regulering van de osmose nodig en konden deze ‘vaste’ cellen heel goed leven zonder osmose en ionenpompen.

Het zal vast een nieuwe discussie in gang zetten. Deze is eigenlijk al gestart tussen Koonin, voorstander van de geothermale oorsprong, en Nick Lane, voorstander van een begin in hydrothermale bronnen. Nick Lane beweert dat het verschil in concentraties in en rond de cel nu juist kenmerkend zijn van dynamisme, van leven. Een cel die in evenwicht is met zijn omgeving leeft volgens hem niet.

Uit ScienceNews.org, NatureNews. PNAS (Koonin)

 Met dank aan Rob van der Vlugt

16 Reacties op “Een geothermale of hydrothermale oorsprong van leven

  1. gusbolden mei 11, 2012 om 19:41

    Stilstaande wateren hebben wel de neiging om op een gegeven moment ‘doods’ te zijn. Er zit maar 1 ding op en dat is de poriën van de Blacksmokers onderzoeken. Wat er “toen” gebeurde, gebeurt misschien en hopelijk nog steeds. Zelf hel ik over naar de ouwe theorie van hydrothermale oorsprong; het dynamische er van. Maar (heb ik ook al eerder gezegd) dat is meer ‘theewater’ gevoel en op gevoel moet je niet afgaan. Is er een mogelijkheid om op die diepte een dergelijk onderzoek te doen. Ik vind het trouwens wel heerlijk dat een min of meer aanvaardde theorie misschien nu weer onderuit wordt gehaalt. Het houdt the little grey cells working, maar…bewijs!!! Dat is waar het om gaat. Marleen, het wordt tijd dat we ons gaan beoefenen in snorkelen en diepzeeduiken.

  2. Marleen mei 11, 2012 om 22:06

    Stripman, dat is het zeker.

  3. Marleen mei 11, 2012 om 22:23

    Gus, dat zou mooi zijn om te weten wat er toen gebeurde, want het is lastig te bepalen of de ‘cellen’ in de microporien inderdaad in staat zijn RNA of DNA of de losse nucleotiden ervan te herbergen. Het oceaanwater is nu vergeven van deze moleculen.
    Maar er is wel geprobeerd om de schoorstenen van wat dichterbij te bestuderen want zo diep snorkelen is erg leuk, maar dat breng je er niet levend vanaf, de druk is te groot. Ze hebben een schoorsteen op het droge gehaald en in het lab bestudeerd.

    https://ascendenza.wordpress.com/2010/11/04/de-vonk-voor-leven/

    Ze konden aantonen dat er electrische stroom kan ontstaan door de wand heen.

    Ik ga overigens zelf ook nog steeds voor de oude theorie en denk dat Nick Lane gelijk heeft als hij zegt dat het kenmerk van leven precies dat gebrek aan evenwicht is.

  4. gert korthof mei 14, 2012 om 08:25

    Interessant onderzoek. Ik kan de details niet beoordelen, er wordt teveel chemische en celbiologische kennis verondersteld. Maar het is belangrijk omdat nu eens niet naar erfelijk materiaal maar naar het chemische milieu van de cel wordt gekeken. En het wonderlijke, vernuftige van Koonin is dat hij zo’n onderwerp toch weer weet aan te pakken via de tools van genomics and systems biology!

    • Marleen mei 14, 2012 om 11:29

      Gert, het is inderdaad een originele aanpak. Maar het argument van Nick Lane overtuigt mij wel wat meer.
      Ik begin erg nieuwsgierig te worden naar Koonin en denk dat ik het ook maar ga lezen.

  5. peter borger mei 14, 2012 om 09:31

    Marleen, je doet net alsof er maar twee opinies binnen wetenschappers bestaan. Er zijn ook enorm veel wetenschappers, die abiogenese niet hoger achten dan datgene waar de middeleeuwse alchemisten zich mee bezighielden. Ik ben daar één van.

    Elders heb ik reeds beargumenteerd dat dit abiogenese voortkomt uit de evo-circelredenering en zeer onwetenschappelijk is. Men dient eerst uit de moleculaire bouwstenen een organisme te bouwen (nabouwen zal dat wel worden). Ze mogen van mij alles biomoleculen gewoon van de chemische industrie betrekken en / of isoleren uit microorganismen.

    Abiogenetici dienen eerst een proof of principle aan te bieden. Doen ze dat niet, dan hebben we te maken met louter storytelling in de trend van “Er was eens heel lang geleden…” Sprookjes, dus.

    Groet,
    PB

  6. peter borger mei 14, 2012 om 09:36

    Biologie is gefundeerd op Informatie. Naturalisme kan er niks mee aanvangen, want binnen deze 19e eeuwse filosofie bestaat er alleen maar materie (en energie). En daarom is de naturlaistische wetenschap vastgelopen. Dat heb ik elders ook al gemeld. Het echte probleem is dus materialisme.

    • Marleen mei 14, 2012 om 11:53

      Peter, Een mening als de jouwe wordt niet in deze discussie betrokken, aangezien die abiogenese gewoon ontkent. De wetenschappers gaan dus gewoon verder en nemen echt geen notie van dit soort ontkenningen die je geen stap verder brengen. Waarom zouden ze rekening houden met zo’n mening. Alsof die hun onderzoek zou kunnen tegenhouden.

  7. gert korthof mei 14, 2012 om 12:21

    Marleen, is het chemisch milieu van de cel van belang voor de stabiliteit en goed functioneren van dna als molecuul? bv kan dna ook functioneren bij andere pH, heeft het Kalium, Natrium, etc nodig voor haar stabiliteit?

    • Marleen mei 14, 2012 om 12:33

      Gert, dat is een goeie vraag lijkt me. Ik weet niet of Koonin en co-auteurs daar over nagedacht hebben. Ik kan het PNAS-artikel niet openen. Het enige dat ik weet is dat Kalium normaal gesproken aan de eiwitten in de cel gebonden is. Of het op die manier invloed heeft op het pH weet ik niet. Maar of dat ook zo was in de primordiale cellen is natuurlijke de vraag.
      Het is me ook niet duidelijk onder welke vorm Kalium circuleert. Als KOH ? en Natrium als NaCl.
      Ik denk dat het pH meer afhankelijk is van H+ dus van de protonenpompen, die in deze context niet aan bod komen.

    • gert korthof mei 14, 2012 om 13:11

      Marleen, als je bedenkt dat DNA = nucleïne zuur (acid), dan moet dat toch iets betekenen voor het chemisch milieu waarin dna zit? neutraal of basisch?

  8. Marleen mei 14, 2012 om 14:17

    Gert, het pH van hedendaagse cellen ligt net iets boven de 7. Deze waarde wordt blijkbaar (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0092867485902375) niet beinvloed door een variatie in de blootstelling van DNA aan het cytoplasma. (Het DNA is normaal ingepakt in nucleosomen die er de zuurtegraad wellicht van neutraliseren, maar of de primordiale cellen een manier hadden om DNA in te pakken weten we natuurlijk niet). Hoe dan ook het schijnt niet uit te maken of DNA blootgesteld wordt aan het cytoplasme, ook al kan het natuurlijk zijn dat de nucleus een ander pH heeft dan het cytoplasme.

    Ik lees hier en daar dat Zink en Nikkel DNA kan omvormen tot M-DNA. http://library.usask.ca/theses/available/etd-05312005-095957/
    Of dit van enig belang is weet ik niet. Ook omdat de eerste nucleinezuren waarschijnlijk RNA’s waren.

  9. gert korthof mei 14, 2012 om 15:45

    Marleen, als de nucleus een andere pH heeft, of een ander chemisch milieu dan moeten er ook natrium/kalium pomp eiwitten etc etc in de nucleus membraan zitten, toch?
    Verder, beschermende werking van histonen etc kan best waar zijn, maar bij replicatie en transcriptie komt dna toch bloot te liggen. etc.
    Er blijkt best wel veel te vinden te zijn over dna stability in een chemisch milieu als je gaat googelen…

  10. Marleen mei 14, 2012 om 18:33

    Gert, deze pompen in het membraan van de nucleus blijken inderdaad te bestaan, maar wat het pH van de nucleus is weet ik niet.
    http://www.mendeley.com/research/regulation-cytosolnucleus-ph-gradients-kh-exchange-mechanism-nuclear-envelope-neonatal-rat-astrocytes-1/
    Voor de context van dit blog is het onwaarschijnlijk dat er een nucleus was met DNA. Waarschijnlijk ging het eerder om een eenvoudig (met bovendien lekkend membraan volgens Koonin) cel met RNA.

    DNA komt inderdaad bloot te liggen gedurende replicatie en transcriptie. Maar het pH verandert gedurende die periode niet. Daarom gaf ik die link erbij in mijn vorige reactie. Als het intracellulaire pH rond de 7 blijft dan wordt het gerepliceerde DNA blootgesteld aan een pH van circa 7. Het lijkt me dat dat geen bedreiging vormt voor de stabiliteit van het DNA.

  11. Pingback:De proto-RNA wereld | Op zoek naar de klepel

Praat mee en laat hier uw reactie achter

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s

Zwervende gedachten

Een filosoof over argumentatie, biologie, handelingstheorie en wat hem verder invalt

Jonas Bruyneel

Literatuur/Journalistiek/Muziek

mjusicamanti.wordpress.com/

per amanti della vera musica

SangueVivo

Ancora solo un battito in più

Microplastics

INTERREG MICRO PROJECT

Scientia Salon

Philosophy, Science, and all interesting things in between

Infinite forme bellissime e meravigliose

si sono evolute e continuano a evolversi

Vita da simbionte

perché collaborare è talvolta meglio che combattere

Meneer Opinie

Altijd een mening, maar niet altijd gehinderd door kennis van zaken

The Cambrian Mammal

An evo-devo geek's scientific meanderings

Evolutie blog

bij dezen en genen

The Finch and Pea

The Public House for Science...

voelsprieten

* wonder van het alledaagse *

the aphid room

All about aphids... not simply bugs|

kuifjesimon

Just another WordPress.com site

The Amazing Comics Men

Comics by Dutch cartoonists Jan the Stripman & Wim the Mysterious Helpman

Barbara Jansma

Prenten, spotprenten en schilderijen

%d bloggers op de volgende wijze: