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

Natuurmuziek

Onlangs verschenen er twee berichten over bijzondere eigenschappen van planten die wel enige nieuwsgierigheid opwekten. Een bericht gaat over de mogelijkheid van planten (bomen) om electrische stroom te produceren. Dit werd vermeld in het on-line magazine ScienceDaily, dat zich bezighoudt met onderzoek en wetenschap. Het tweede bericht vertelt dat planten muziek kunnen maken en was te vinden in de Repubblica, dat toch wel als een serieuze krant wordt beschouwd.

Van internet: Pan

Eigenlijk zijn dit zulke ‘mistige’ onderwerpen dat je er misschien geen serieus woord aan kan wijden. Toch wil ik proberen dit nieuws hier op te tekenen, omdat het misschien wel écht iets nieuws is.
Uit het eerste bericht blijkt dat het mogelijk is rond de 200 mV spanning op te wekken door één electrode in een boom te steken en één in de grond. Hier kan een horloge op lopen. Er wordt gedacht aan de mogelijkheid om deze sensors te laten werken als signalen voor milieuproblemen en ze kunnen wellicht ook aanwijzingen geven over de gezondheid van een boom. Het is nog niet duidelijk waar deze potentiaalverschillen vandaan komen.

Het tweede bericht gaat over de eigenschap van bomen en planten om muziek te maken. Ook hier worden electroden aangebracht, maar dit keer op de bladeren en de wortels van een boom of stengel van een plant. Zo worden ‘impulsen’ opgevangen die omgezet worden in muziek (ook al wordt er beweerd dat de planten zelf muziek maken). Deze impulsen worden veroorzaakt door het stromen van de lymphe ofwel het plantensap en hangen samen met een variatie in celdichtheid (??) van de lymphe. Overdag maakt de plant muziek, maar s’nachts slaapt hij en zijn de impulsen te zwak om waargenomen te worden. Laura Silingardi, musicologe, die dit werk doet, beweert dat woestijnplanten meer muziek gaan maken zodra je ze water geeft. Elke plant heeft zijn eigen muziek. Enkele voorbeelden zijn hier te horen. Opmerkelijk is dat de muziek gebaseerd zou zijn op de accoorden van een viersnarige lier die in de Griekse oudheid gebruikt werd.

Veel creatiever en oprechter is de muziek gemaakt door Jarbas Agnelli, die zich liet inspireren door een grote groep mussen op electriciteitsdraden.

http://vimeo.com/moogaloop.swf?clip_id=6428069&server=vimeo.com&show_title=1&show_byline=1&show_portrait=0&color=ffffff&fullscreen=1
Birds on the Wires from Jarbas Agnelli on Vimeo.

Bijgewerkt 29/09/09 om 13:10 en 30/09/09 om 21.50