De wereld onder water vormt een klein universum op zich, even onbereikbaar als het grote Universum om ons heen. Maar, waar Leonardo in voorgaand bericht spreekt van the unobservability of the observable universe, een begrip dat we op deze plaats al zijn tegen gekomen bij de discussie over het laatste boek van Andreas Wagner, zou je, zoals David Gallo laat zien, kunnen spreken van the observability of the unobservable depths. Daar zouden zomaar puzzelstukjes op hun plaats kunnen gaan vallen. Onderzoekers hebben hierop recent wezenlijke vooruitgang geboekt.
De oceaanruggen zijn rijk aan hydrothermale bronnen. In een TED-talk uit 1998, vertoont David Gallo een film waarin deze hydrothermale bronnen te zien zijn (zie onderaan dit bericht). Deze kunnen verdeeld worden in twee soorten: de black smokers en de alkaline bronnen. Het water dat uit de black smokers omhoog komt is zeer heet tot wel 400°C en heeft een hoge zuurtegraad (pH rond 4.5). De alkaline bronnen daarentegen zijn veel koeler van 40 – 90°C en het water dat er uit omhoog borrelt is, zoals de naam al aangeeft basisch (rond pH 10).
David Gallo vertelt in zijn talk dat er het vermoeden bestaat dat het eerste leven hier ontstaan is. Nu zijn er steeds meer onderzoekers bezig deze hypothese te onderzoeken. Een bekend wetenschapper die zich daarmee bezighoudt is Nick Lane. Hij gebruikt in zijn lab reactors waarin de condities van deze bronnen gesimuleerd worden. Ik schreef vele berichten over zijn werk en publicaties ((1); zoek verder op dit blog op de naam ‘Nick Lane’)
De beste kandidaten voor het ontstaan van leven zijn de alkaline bronnen. Zij hebben een lagere temperatuur die de stabiliteit van de eerste organische moleculen zou bevorderen in tegenstelling tot de black smokers. Ze werden later dan de black smokers ontdekt, en bevinden zich op de oceaanbodem in Lost City langs de Mid-Atlantische rug, op enorme diepte waar geen zonlicht komt. Daar krioelt het van leven. Zie daarvoor ook de mooie film van David Gallo onderaan dit bericht.
Nick Lane heeft belangrijke hypothesen gelanceerd die allemaal erg plausibel zijn. De ‘schoorsteen’ van deze bronnen is gevormd door poreus materiaal waarin zich poriën van enkele micrometers tot millimeters bevinden. Daar kunnen zich korte moleculenstrengen zoals peptiden en RNA-strengen ophopen, waarbij door de dynamiek van de doorstromende water, de langste ketens neerslaan en de kortere de porie verlaten (zie ook een recent blogbericht over dit fenomeen). Het grootste probleem blijft de verklaring voor hoe de eerste organische moleculen gevormd kunnen zijn.
Ook hier heeft Nick Lane mogelijke verklaringen voor. In dit licht is het nieuws van gisteren, dat onderzoekers er met experimenten en computersimulaties in geslaagd zijn aan te tonen, dat de belangrijkste organische moleculen zoals mierenzuur en methanol gevormd kunnen worden dankzij een minerale katalysator, zeer interessant. Deze katalysator vertoont grote overeenkomsten met het enzym dehydrogenase (zie figuur).
A. Het centrale ferrodoxine in het enzym CO hydrogenase B. Het oppervlak van greigite Fe3S4 met de vierkante structuur uitgelicht. Uit Roldan et al.
Dit mineraal, greigite (Fe3S4) genaamd, bevindt zich in de wanden van de alkaline bronnen. Het is in staat de reductie van CO2 naar verschillende oplosbare organische moleculen te katalyseren. Het mineraal doet dit door deze verschillende tussenvormen te stabiliseren. De moleculen die gevormd worden zijn mierenzuur (formic acid; CH2O2), azijnzuur (CH3OOH), methanol (CH3OH), pyrodruivenzuur (pyruvic acid; C3H4O3). De auteurs van het artikel laten precies zien wat de voorwaarden zijn voor het vormen van deze moleculen; onder verschillende pH-waarden geven ze tot op de honderdste elektronvolt nauwkeurig weer wat de energetische barrières zijn voor iedere reactie. Ze komen tot de conclusie dat deze reacties globaal energie afstaan, ze zijn thermodynamisch en kinetisch voordelig, en ze verhogen entropie. Er bestaan slechts initiële barrières of drempels die door de binding met de katalysator genomen kunnen worden. Zo zouden ze met behulp van de katalysator spontaan kunnen plaatsvinden mits aan de condities van pH wordt voldaan. De hoogste opbrengst van deze moleculen vond plaats bij pH 6,5. Met een pH van 5,5 in de primordiale omringende wateren vormt de alkaline bron een goeie kandidaat.
A. De vorming van mierenzuur in functie van tijd bij verschillende pH-waarden. B. Weergave van de reactanten (zie insets) op twee verschillende oppervlakten in functie van pH, binding energie (EB). C. potentieel energie-oppervlak voor het mechanisme van HCO3 reductie naar HCOOH op Fe3S4. Geadsorbeerde tussensoorten zijn gemerkt met * en hun voorgestelde structuur wordt getoond in de inset.
Deze studie laat zien dat het in de natuur mogelijk is, in afwezigheid van leven, deze eenvoudige organische moleculen aan te maken. Dit vormt een eerste stap naar iets grotere moleculen als ribose, aminozuren, en nucleotiden, de ingrediënten voor RNA en peptiden. In de bronnen van vandaag zijn deze moleculen niet te vinden, ze worden weggegraasd door bacteriën, die de hydrothermal vents nu bedekken.
Het volgende filmpje van David Gallo laat onder andere zien hoe alkaline bronnen eruit zien en wat voor dieren er leven.
Roldan, N. Hollingsworth, A. Roffey, H.-U. Islam, J. B. M. Goodall, C. R. A. Catlow, J. A. Darr, W. Bras, G. Sankar, K. B. Holt, G. Hogarth, N. H. de Leeuw. Bio-inspired CO2 conversion by iron sulfide catalysts under sustainable conditions. Chem. Commun., 2015; 51 (35): 7501 DOI: 10.1039/C5CC02078F (FREE ACCESS)
Dit blog volgt al enige tijd wat de wetenschappelijke opvattingen zijn over de oorsprong van leven. Gedurende de voorgaande eeuw kwamen er vele hypothesen naar voren. Vooral het idee van de primordiale soep zal bij velen bekend zijn; een lauwwarm vijvertje waar zich moleculen concentreerden. Uv-straling en elektrische ladingen zouden gezorgd hebben voor de energie die nodig is om grotere moleculen zoals aminozuren en proteinen te maken.
In de jaren zeventig ontdekte men de black smokers en daarmee ook de alkalische hydrothermale bronnen die zich beide op grote diepte op de oceaanbodem bevinden. Het lijken heel goede kandidaten te zijn als plek voor de oorsprong van het eerste leven. De laatste jaren concentreert men zich vooral op de alkalische hydrothermale bronnen. Deze hebben een rustiger karakter vergeleken met de black smokers en zijn veel minder heet. Ook het water sijpelt langzaam door de uit aragoniet bestaande wanden heen. Men heeft kunnen vaststellen dat zich in de wand microporiën bevinden die microscopische compartimenten vormen die een goed equivalent vormen voor een cel. In de wand van deze cellen vormt zich een protonengradiënt net zoals dat bestaat in levende cellen. Dit zou de eerste energiebron geweest kunnen zijn voor de reductie van kooldioxide.
Nick Lane beschouwt de mogelijkheid dat leven zich op deze wijze ontvouwt niet als uniek. Hij beweert dat elke planeet met rotsen en water de condities heeft om leven te herbergen.
Zowel Nick Lane als Eugene Koonin spreken van een RNA-wereld. Dit zou een wereld moeten zijn die vrijwel exclusief uit RNA bestaat. D.w.z. een wereld die nog geen levende cellen kent en bestaand uit langere of minder lange strengen van RNA en ribozymen. De katalyse van deze strengen RNA hangt af van de ribozymen die zelf ook uit RNA bestaan. Om de kans te berekenen dat leven kan ontstaan met als beginpunt een RNA-wereld neemt Koonin de grootte van ons universum in ogenschouw.
Ook hij spreekt van de alkalische hydrothermale bronnen als een zeer waarschijnlijke plaats voor de oorsprong van leven. Maar om te begrijpen of het ontstaan van leven daar meer of minder waarschijnlijk is kijkt hij niet zozeer naar de chemie zoals Lane dat doet, maar gaat hij uit van het universum dat voor ons zichtbaar is. Hij komt dan tot de conclusie dat de kans dat het fenomeen van een replicatie van RNA gekoppeld aan transcriptie zich voordoet in dat universum uiterst gering is. En wel kleiner dan 10^-1.018. Volgens deze berekening had leven nooit in ons universum kunnen ontstaan. De RNA-wereld zou zich zeer zeker voordoen in een MWO ofwel in een Many Worlds in One, waarin immers elk fenomeen dat gehoorzaamt aan de wetten der natuurkunde zich vroeg of laat voordoet. Een dergelijke wereld bestaat uit oneindig veel universa waarin er oneindig veel kopieën van de Aarde zijn.
Het lijkt er enigszins op dat het concept van dit multiversum nodig is om het ontstaan van leven te kunnen legitimeren. Als de berekeningen van Koonin kloppen wat betreft de kans dat RNA-polymeren zich vormen dan zou het ontstaan van leven in ons enkel universum een wonder genoemd moeten worden. Het is wat mij betreft waarschijnlijker dat er iets niet klopt in de berekeningen van Koonin. Zoals hij zelf onderstreept is het geen realistisch model en dient het uitsluitend om een brug te slaan tussen biologische en cosmologische modellen van de realiteit.
Zoals in het duidelijke blogbericht over Koonin van Gert Korthof beschreven wordt, kan de berekening en het resultaat daarvan betreffende de spontane vorming van RNA beschouwd worden als een treshold voor het ontstaan van leven.
Ikzelf blijf met het idee zitten dat de synthese van RNA de enige factor is die berekend kan worden en dat deze om die reden als treshold genomen is. Een ander punt is dat Nick Lane voorstander is van een ‘zwakke’ RNA-wereld waarin er ook andere moleculen zoals mineralen (bijv. ijzer-zwavel clusters) zijn die katalyseren. Als ook deze moleculen deel uitmaken van de katalyse van het RNA dan zouden berekeningen totaal onmogelijk zijn. De katalyse zou wel eens veel makkelijker gegaan kunnen zijn dan dat Koonin doet geloven. Ook het idee dat de grootte van het universum aangepast moet worden aan het resultaat van deze berekeningen is in zekere zin een antropogeen principe. Het moet vast en zeker allemaal met een korreltje zout genomen worden aangezien Koonin zelf schrijft dat het een ‘back-of-the-envelope’ berekening is.
Morgenavond om 20.00 uur (Nederlandse tijd) houdt de NASA een persconferentie op het gebied van de astrobiologie over een ontdekking die mogelijk te maken heeft met de huidige theorieën over buitenaards leven. Dit hoeft natuurlijk geen ontdekking te zijn van buitenaards leven op andere planeten en kan ook betrekking hebben op een ontdekking betreffende het leven op Aarde.
black smoker
In mijn blogs heb ik veel aandacht besteed aan de oorsprong van het leven, zowel op moleculair niveau met de theorieën over de vorming van de eerste nucleotiden en het eerste RNA, als op macroniveau met berichten over onderzoeken naar de geschiktste geologische omgeving voor het ontstaan van de eerste cellen en het eerste leven zoals mogelijk in de black smokers en de alkalische bronnen op de oceaanbodem. Ik ben vreselijk benieuwd en hoop dat er nog meer mensen zijn die de berichten willen volgen.
In Japan heeft men onlangs een gedeelte van een onderzeese vulkanische schoorsteen naar het laboratorium gebracht om deze eens van dichtbij te bestuderen. Ryuhei Nakamura ontdekte dat de wand van een dergelijke schoorsteen elektriciteit geleidt. Aan de binnenkant van de schoorsteen liet hij het water stromen dat in zee door deze schoorstenen wordt uitgestoten en dat verschillende chemicaliën bevat. Aan de buitenkant van de wand liet hij normaal zeewater stromen. Hij constateerde dat er elektrische spanning opgewekt werd.
Deze onderzeese schoorstenen of ‘black smokers’ staan momenteel in het middelpunt van de belangstelling, omdat men veronderstelt dat er het eerste leven ontstaan zou kunnen zijn. Tot voor kort heerste de veronderstelling dat het leven in een warm meertje ontstond, dat door opdroging en concentratie van de opgeloste moleculen onder invloed van blikseminslagen en Uv-licht de eerste macromoleculen vormde. Over de black smokers schreef ik twee voorgaande berichten (zie onderaan).
Volgens de auteur zijn de implicaties van deze studie dat de elektrische stroom, die in de schoorstenen wordt opgewekt, de basis zou kunnen zijn voor de vorming van de eerste ingewikkelde organische moleculen. De kritiek daarop is dat er nog geen zuurstof aanwezig was (het leven en dus ook fotosynthese moesten immers nog aanvangen); er is dus nog geen ontvanger van elektronen. Nakamura antwoordt dat kooldioxide (CO2) dezelfde rol als zuurstof (O2) zou kunnen spelen en dat de eerste ingewikkelde moleculen zouden kunnen ontstaan door de reductie van CO2. Dit zou betekenen dat hij veronderstelt dat CO2 als ontvanger van elektronen zou kunnen fungeren. Er bestaat inderdaad de zogenaamde omgekeerde cyclus van Krebs. In plaats van de verbranding van suikers, zoals in de cyclus van Krebs, worden er suikers gebouwd vanaf kooldioxide en water. Deze cyclus wordt door sommige bacteriën gebruikt om suikers te bouwen, waarbij stoffen als waterstof, sulfide, thiosulfaat als elektronendonors gebruikt worden. In dit geval zou de elektronendonor de stroom zijn die door de wand van de schoorsteen loopt. Als dat waar is dan zou dit een manier zijn waarop de eerste complexe koolstofmoleculen ontstaan zouden kunnen zijn.
Hij gaat nu controleren of op de bodem van de zee inderdaad elektrische stroom geproduceerd wordt door deze schoorstenen.
Gedurende de ontwikkeling van het leven op Aarde heeft zich een uiterst langzame verandering voorgedaan in de samenstelling van de atmosfeer. Het giftige zuurstof, dat zich vormde als gevolg van fotosynthese, dreigde het reeds bestaande anaerobische leven in de kiem te smoren. Rond 1980 is er nabij de onderzeese vulkanische schoorstenen (black smokers) een reusachtige worm ontdekt die met een zeer bijzonder molecuul van hemoglobine giftige gassen kan vasthouden en door het lichaam kan transporteren, totdat deze door de juiste symbiotische micro-organismen verwerkt kunnen worden.
De eerste twee miljard jaar op Aarde, waarin zich ook de eerste levensvormen ontwikkelden, bestond het molecuul zuurstof (O2) nog niet. Atomen van zuurstof maakten vooral deel uit van water (H2O), kooldioxide (koolzuurgas of CO2) en gesteenten. De eerste levensvormen ‘ademden’ waterstofsulfide (H2S) uit hydrothermale bronnen, terwijl zuurstof, dat extreem electronegatief is en alle chemische stoffen onmiddelijk oxideert, dit leven meteen in de kiem gesmoord zou hebben.
De eerste organismen, die dus zonder zuurstof leefden, waren waarschijnlijk hyperthermophile bacteriën die waterstofsulfide (H2S) oxideerden dat op kwam borrelen uit ‘black smokers’. Het is mogelijk dat deze specifieke omgeving, die nu beperkt is tot bepaalde regio’s van de oceaanbodem, toen overheersende condities vormden. De atmosfeer bestond toen overwegend uit waterdamp, koolzuurgas (10%), waterstofsulfide (5 – 7%) en kleinere hoeveelheden stikstof, terwijl de atmosfeer nu uit 20% zuurstof en bijna 80% stikstof bestaat.
In het boek ‘Atom’ van Lawrence Krauss, wordt de interessante hypothese geopperd dat hemoglobine, of de voorouderlijke versies ervan, als beschermend molecuul voor de giftigheid van zuurstof en waterstofsulfide diende. Hemoglobine is een eiwit bestaand uit meerdere subeenheden. Elke subeenheid bevat een ijzerion in het centrum dat binnen de rode bloedlichaampjes in de moderne organismen zuurstof (van de longen naar de weefsels) of koolzuurgas (van de weefsels naar de longen) transporteert. De reusachtige kokerworm bevat moleculen hemoglobine die uit wel 144 subeenheden kunnen bestaan. Het hemoglobine bindt de giftige gassen met een bepaalde affiniteit die
voorkomt dat deze allerlei moleculen in de weefsels kunnen oxideren. Het molecuul ontwikkelde zich dus niet uitsluitend om de efficiëntie van transport te verhogen, maar beschermde in eerste instantie ook tegen de giftigheid van gassen die in- en uitgeademd werden. De worm, die geen mond en maag heeft, vervoert de giftige zuurstof- en sulfidegassen, met dit enorme hemoglobine, naar de symbiotische bacterën die in zijn lichaam leven. Daar worden ze vervolgens door de bacteriën gebruikt om energie op te wekken en carbohydraten aan te maken. De worm kan in twee jaar tijd 1,5 meter lang worden. Het is het snelst groeiende ongewervelde zeedier, hetgeen aantoont dat dit metabolisme uiterst efficiënt is. Deze hypothese is bijzonder interessant; hemoglobine wordt vaak gewoon gezien als een vervoermiddel voor zuurstof en koolzuurgas, maar het is een boeiend idee deze molecuul te zien als bescherming van de weefsels en van het metabolisme voor giftige gassen. De aanwezigheid van deze hemoglobinen in de worm tonen ook aan dat het vroege leven niet tegen zuurstof opgewassen was en bevestigt daarmee dat de Aarde in eerste instantie een gereduceerde planeet was, die vervolgens, met de ontwikkeling van de cyanobacteriën, omgevormd werd tot een geoxideerde planeet.
Bron: Wikipedia; Atom van Lawrence Krauss (met dank aan ing. St Hawk). vertaald als ‘De levens van een atoom’ te verkrijgen bij bol.com
Elk levend organisme is tegelijkertijd een fossiel. Het draagt tot in de microscopische structuur van zijn proteïnen, de sporen, zoniet de stigma’s van zijn voorouders. Jacques Monod: Toeval en onvermijdelijkheid
The poetry of Science
Twee uitblinkende wetenschappers van vandaag, Richard Dawkins (evolutiebioloog) en Neil deGrasse Tyson (astrofysicus), praten over de schoonheid van de wetenschap. Dit gesprek werd opgenomen aan de Howard University van Washington DC, 28 september 2010. Deze conversatie is zo ontspannen dat ze zo plaats gehad zou kunnen hebben voor een haardvuur, ook zonder publiek. Over waarom de wetenschap niet alleen een optie is, maar de enige werkelijkheid is die we bezitten. Het filmpje duurt ongeveer een uur, daarna zijn er vragen van het publiek.
Why Evolution is True is a blog written by Jerry Coyne, centered on evolution and biology but also dealing with diverse topics like politics, culture, and cats.
Op zoek naar de klepel 
Laatste reacties