Chemiosmose, de basis voor leven

Over het onstaan van het eerste leven op Aarde zijn vele theorieën gangbaar, zoals panspermie of buitenaardse intelligentie. Maar het onstaan van leven op Aarde vanuit de beschikbare inorganische materie wordt op haar beurt ook weer gekenmerkt door een grote variatie aan theorieën: ook al moeten de eerste levensvormen heel eenvoudig geweest zijn, ze moesten zich kunnen repliceren, en daarom DNA en/of RNA bevatten en moesten zich kunnen voeden. De theorieën lopen daarom weer uiteen over wat er eerst was, een RNA-wereld, een DNA-wereld of een wereld gebaseerd op metabolisme.

Een nieuwste theorie baseert zich daarentegen op een geochemische eigenschap van

Van internet: Alkaline bron in The Lost City

de oceaan. Ik schreef er een eerder blog over, maar dat was te oppervlakkig, al blijft het de moeite waard om het te lezen en de mooie films te bekijken.
Michael J. Russell kwam met de gegevens van alkalische bronnen (met een relatief hoog pH). Dit zijn niet de black smokers of hydrothermale diepzeebronnen die met geweld heet water spuwen nadat ze met lava in contact kwamen, maar zijn vrij rustige bubbelende bronnen van uit kleine poriën opgebouwde rotsen. De stromingen ontstaan wanneer water reageert met olivijn, dat vooral toen, in de nog dunne aardkorst, overvloedig aanwezig was. Dit proces produceert een nieuw mineraal, serpentine, en waterstof, alkalische vloeistoffen en warmte. Deze warme, waterstofrijke vloeistof breekt uieindelijk door de aardkorst naar buiten en vormt een alkalische hydrothermale bron.

Tot nu toe waren de gegevens gebaseerd op geologisch onderzoek zonder ooit een actieve bron gezien te hebben, maar in 2000 werd op de Mid-Atlantische rug met een onderzeeër een actieve bron gevonden bij wat nu The Lost City genoemd wordt, vanwege de spectaculaire spiraalvorm van de rotsen. Deze rotsen bevatten heel kleine poriën, de maat van een moderne (dier)cel. Deze bronnen kunnen heel goed van dezelfde soort zijn als de bronnen die zich 4 miljard jaar geleden op de oceaanbodem vormden. De oceanen waren toen bijzonder zuur door de hoge waarde aan CO₂. Er bestond ook nog geen moleculair zuurstof en er was veel ijzer opgelost in zee, dat met de komst van zuurstof zou neerslaan als roest. Ijzer-zwavel belletjes in de poriën hebben uitstekende catalytische eigenschappen en kunnen dus reacties sturen en versnellen. Deze kern wordt nog steeds gevonden in proteïnen van sommige Archaea en bacteriën.

Van internet: stroming van zuur en alkalisch zeewater

De zeeën van nu zijn licht alkalisch. In het verschil dat er toen bestond tussen de alkalische bronnen en de zure oceanen ziet Russell een chemisch potentiaal. Zuren (laag pH) bevatten bijzonder veel protonen (H⁺) en de alkalische bronnen juist weinig. Binnen de poriën van deze rotsen kunnen aan beide kanten van inorganische membranen

Van internet: pyrofosfaat

verschillen in protonenconcentraties ontstaan die de basis vormen voor al het leven. De protonen zullen vanuit de hoge concentratie zich via dit membraan verplaatsen naar de kant met een lage concentratie aan protonen. De energie die daar uit voortkomt, ofwel dit chemiosmostische gradient produceert tegenwoordig in alle levende organismen ATP* (het universele energie-molecuul). In de poriën van toen werd i.p.v. ATP het simpelere acetylfosfaat en pyrofosfaat daarvoor gebruikt. Pyrofosfaat wordt naast ATP nu nog steeds door veel bacteriën en Archaea gebruikt. Pyrofosfaat wordt door het enzym pyrofosfatase gemaakt, een enzym dat zowel bij Archaea als bacteriën aanwezig is en ze daarmee wellicht verenigt.

De conclusie is dat de poriën in de alkalische bronnen in de eerste miljarden jaren op aarde samen met een zure zee, protongradiënten vormden die de energie leverden voor het eerste leven.
De poriën zouden daarbij ook kleine omhulsels gevormd kunnen hebben voor de verzameling van de eerste precursoren van aminozuren en nucleotiden, de bestanddelen van proteinen en DNA/RNA.

Bron : NewScientist

Het eerste leven ontstond in hydrothermale bronnen

Het ziet er naar uit dat de al 80-jaar oude theorie van het ontstaan van leven uit de prebiotische oersoep op de schop gaat. Een nieuwe studie lanceert de hypothese dat het eerste leven waarschijnlijk ontstaan is in de onderzeese hydrothermale bronnen. Hier bevinden zich reeds geochemische gradienten, die het transport van protonen bewerkstelligen, de eerste bron van energie voor leven. Alle huidige organismen halen hun energie uit intracellulaire chemiosmose.

De oude theorie van de oersoep baseert zich o.a. op het beroemde experiment van Miller-Urey, dat ervan uitging dat deze oersoep, met methaan en ammonia, in contact stond met de atmosfeer en waarin de bron van energie gevormd werd door electrische ontladingen, die de bliksem nabootsten. De glazen bol waarin dit experiment zich voltrok, bracht (uiteindelijk) bijna al de ons bekende aminozuren voort. Aminozuren vormen de bestanddelen van eiwitten, de bouwstenen van iedere cel en organisme.

De nieuwe studie lanceert een geheel andere hypothese, die al enigszins in de lucht hing

Van internet: Hydrothermale diepzeebronnen

(zie ook onderstaand filmpje). Ze stellen allereerst voor dat het leven uit gassen ontstond (H₂, CO₂, N₂, H₂S) en dat de energie voor het eerste leven verzameld werd uit geochemische gradienten die zich bevinden in kleine onderling verbonden poriën van speciale hydrothermale bronnen. Een dergelijk soort honingraat van microscopische gaatjes kan gezien worden als een geheel aan katalytische kleine cellen, waar zich vervolgens lipiden, proteinen en nucleotiden gevormd kunnen hebben.

Deze nieuwe ideeën baseren zich op die van Michael J. Russell over alkaline diepzeebronnen die chemische gradienten produceren. Deze komen sterk overeen met de protonengradienten in de membranen van levende organismen. De eerste organismen maakten waarschijnlijk gebruik van deze protonengradienten om het universele energiemolecuul ATP (of een eenvoudiger alternatief) aan te maken. Mettertijd evolueerden de organismen naar een eigen intern protonengradient. De onderzoekers stellen dat de eerste electronendonor H₂ en de eerste acceptor CO₂ was. (Er bestond nog geen O₂ in de atmosfeer en het water.) Ze veronderstellen dus dat het eerste leven aanvankelijk energie haalde uit de geochemische gradienten, waarna ze deze inbouwden en eigenmaakten om onafhankelijk te worden van de diepzeebronnen.

Een dergelijke hypothese, ook al is die minder biochemisch van aard, werd gesuggereerd in dit filmpje (met dank aan ing. St Hawk) over een lezing van David Gallo met prachtige bewegende beelden van hydrothermale bronnen en de omringende fauna. Hier leven bacteriën die resistent zijn tegen hoge temperaturen (180°C) en H₂S ‘ademen’. De wetenschappers uit het filmpje beweren dat deze levensvormen wel eens de oudste organismen op Aarde kunnen zijn.


Bron: ScienceDaily
Update 13-02-2010: artikel in NewScientist