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

Nieuwe vormen van duurzame energie

Globale klimaatverbetering in de VS

Dinsdag 16 juni is er door het Witte Huis een document aan de pers gepresenteerd over de impact van globale klimaatverandering in de Verenigde Staten. (Zie video http://www.youtube.com/watch?v=y88sgDM9HmA ) Hier wordt duidelijk in gesteld dat er geen discussie meer kan zijn over of er nu wel of geen klimaatverandering aan de gang is: we hebben nù al te maken met de gevolgen van CO₂ steiging, zoals korte maar frequente en hevige regenval, erosie, bosbranden en een stijging van de zeespiegel. Er wordt dan ook gepleit voor een beleid dat gebaseerd is op het opwekken van groene energie. Het is een hele opluchting te horen dat nu ook de VS klimaatverandering serieus neemt.

Windenergie op Amerikaanse bodem kan energie voor de hele wereld opwekken

Vandaag verscheen er interessant nieuws in een artikel over windenergie in het wetenschappelijk tijdschrift PNAS. Daarin wordt uitgerekend dat alleen de VS met windenergie, waarbij molens met een capaciteit van 2,5 Megawatt die niet bij bossen, gletsjers en steden gebouwd worden, met slechts 20% van hun maximum capaciteit, 40 keer in de wereldwijde vraag naar electriciteit kunnen voorzien en 5 keer het globale gebruik van alle vormen van energie kunnen dekken. Goed nieuws, al is het de vraag of er ooit zo’n (altruïstische) investering zal komen.

Osmose

Ondertussen wordt er ook hard gewerkt aan energie die opgewekt kan worden met gebruik van semipermeabile membranen. Deze membranen zijn ontworpen naar de biologische celmembranen die selectief kleine moleculen als water, zuurstof en kooldioxide doorlaten. Zouten, die electrisch geladen zijn, of grotere moleculen kunnen dit membraan niet passeren.
Deze membranen zijn verantwoordelijk voor het fenomeen osmose. Zou een cel teveel zouten bevatten dan zwelt hij op en kan uiteindelijk uiteenspatten. Bevat hij daarentegen te weinig zout dan verliest hij water en krimpt ineen.

Het fenomeen van osmose wordt ook wel gebruikt voor het omzetten van zout in zoet water. Wordt zeewater onder hoge druk door een dergelijk kunstmatig membraan geperst dan blijven de zouten achter en het zoete water komt er aan de andere kant van het membraan uit. Dit proces wordt reverse-osmose genoemd. Zie ook blogbijdrage van Qabouter. Er bestaat wereldwijd industriele toepassing van deze vorm van zoetwaterwinning al kost het opwekken van de druk ook behoorlijk wat energie. Zie hiervoor ook de blogbijdrage van Jim Hasenaar.

Worden dit soort membranen daarentegen aan de monding van een rivier geplaatst dan kan er met het verschil in zoutconcentraties tussen het zeewater en het rivierwater drukverschil opgewekt worden waarmee een turbine aangezwengeld kan worden (zie kort filmpje).

http://c.brightcove.com/services/viewer/federated_f9/2227271001?isVid=1&publisherID=981571807

Een ander Nederlands model gebruikt membranen die selectief negatieve of positieve ionen doorlaten. Het positive natrium passeert het ene membraan en het negatieve chloor passeert het tegenoverliggende membraan. De membranen zijn impermeabel voor water. Daarmee wordt een potentiaalverschil gecreëerd tussen de twee membranen dat aan electroden wordt doorgegeven. Dit project heet ‘Blue Energy’. Bij de Rijnmond zou voor 650.000 huishoudens op deze manier energie opgewekt kunnen worden (Zie ook artikel Veerman).

De technieken die osmose gebruiken zijn nog in ontwikkeling en men gebruikt slechts kleinere prototypen, dus het kan nog wel even duren voordat ze echt toegepast zullen worden, maar het is weer een stap vooruit.


Informatie grotendeels uit New Scientist