De eerste puzzelstukjes in een onderwaterwereld

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.

Uit: ScienceDaily

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)

h/t Harry Pinxteren