Alkalische hydrothermale bronnen en de RNA-wereld (Lane vs Koonin)

Alkalische hydrothermale bron

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.

Uit: Nick Lane

en E.V. Koonin: The Logic of Chance 2012

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

Leven op de oceaanbodem

De planten die leven aan het oppervlak van de Aarde maken gebruik van de energie van het zonlicht voor het produceren van biomassa. De dieren eten de planten en halen daar hun energie uit. Op de oceaanbodem dringt geen straaltje licht door en zou je geen leven verwachten. Zo’n dertig jaar geleden werd er op 2 à 3 km diepte tot ieders verbazing leven ontdekt, zoals kokerwormen, kreeftachtigen en mosselen. Hoe konden deze dieren overleven? Men trof ze aan rond de zogenaamde hydrothermale bronnen en wat het ook was dat hen deed overleven, het moest iets te maken hebben met deze bronnen.

mosselen bij de hydrothermale bron op de zeebodem

Veel van de dieren die er leven hebben geen mond en kunnen de chemicaliën die de bronnen uitstoten niet direct gebruiken. Maar inkorte tijd ontdekte men dat al deze dieren symbionten bij zich hadden: bacteriën die in staat zijn stoffen zoals waterstofsulfide (H2S) en methaan (CH4) te gebruiken voor hun metabolisme. Ze staan daarbij de productie van suikers af aan hun gastheer. Deze symbionten waren al langer bekend en leven ook als zelfstandige bacteriën. De bronnen produceren veel van deze gassen. Recent onderzoek laat nu zien dat er een derde symbiose mogelijk is waarbij waterstof (H2) als bron van elektronen voor het metabolisme dient.

De onderzoekers bestudeerden de mossel Bathymodiolus puteoserpentis en toonden aan dat in de kieuwen van deze mossel symbionten leefden. Sommige symbionten zijn in staat CH4 te gebruiken, terwijl andere zowel H2S als H2 gebruiken. Ze konden ook aantonen dat de symbionten het gen hupL bevatten. Dit gen codeert voor de hydrogenase die de reactie H2 → 2H+ en 2e- katalyseert. Ze verwachten dat deze symbiont ook bij veel andere diepzeedieren actief is.

De mossel Bathymodiolus puteoserpentis en zijn symbionten. Er is een doorsnede van een mossel te zien met op de kieuwen twee soorten bacteriën. De ene soort gebruikt CH4 + O2 en stoot CO2 uit. De andere soort gebruikt twee gassen: H2 + O2 waarbij water (H2O) vrijkomt en H2S + O2 waarbij SO4– (sulfaat) vrijkomt. Dit is een handgemaakte kopie naar een plaatje in Nature dat ik niet durf te plaatsen vanwege copyright.

Opmerkelijk zijn de technieken van de onderzoekers. Met op afstand bediende onderwaterschepen konden ze de consumptie van H2 door de mosselbedden meten en daarna enkele dieren omhoog halen. Het lukte ze vervolgens op de boot het metabolisme van de dieren te meten. Eenmaal terug in het lab toonden ze de aanwezigheid van het gen voor de hydrogenase aan. De studie laat zien dat het steeds makkelijker wordt de dieren in hun eigen habitat in plaats van in een kunstmatige omgeving als het laboratorium te bestuderen.

Tot slot dit prachige filmpje met David Attenborough met dank aan @Aad Verbaast over de hydrothermale bronnen en het leven dat daar te vinden is.

Uit Nature: article, news & views