Volgens één hypothese ontstond primitief precellulair leven meer dan vier miljard jaar geleden op het land tussen vulkanen en fumarolen, dat zorgde voor alle noodzakelijke chemie voor het behoud en de voeding ervan. Dit had zowel op aarde als op Mars kunnen gebeuren.
Een levende cel is een zeer complex organisme dat veel elementen, mechanismen en processen combineert. Hoe het werd gevormd, is onbekend. Sommige wetenschappers proberen een cel als geheel te synthetiseren, anderen gaan van eenvoudig naar complex en zoeken uit hoe de samenstellende delen afzonderlijk werden gevormd en vervolgens gedurende miljarden jaren evolueerden.
Lange tijd werd aangenomen dat het leven zijn oorsprong vond in de oceanen, maar recentelijk is dit standpunt bekritiseerd. Hoewel water deel uitmaakt van de cel, is het schadelijk voor de spontane synthese van biomoleculen. Bovendien is er geen bewijs dat er meer dan vier miljard jaar geleden zeeën en oceanen bestonden op het oppervlak van de planeet, toen vermoedelijk het proces van het ontstaan van leven begon.
Chemie van de RNA-wereld
De rol van het proto-leven wordt opgeëist door moleculen van ribonucleïnezuur, RNA. Ze zijn in staat om informatie op te slaan, te reproduceren, eiwitten te synthetiseren en onafhankelijk veel verschillende functies uit te voeren, die in een moderne cel DNA, enzymen en andere biologische moleculen hebben overgenomen.
RNA-moleculen bestaan uit afwisselende nucleotiden die met elkaar zijn verbonden door zuurstofbruggen. Wetenschappers hebben lang geprobeerd de schakels van de polymeerketen van dit complexe molecuul na te bootsen, maar de doorbraak kwam pas in 2009, toen de Britse onderzoekers Matthew Powner en John Sutherland de resultaten publiceerden van experimenten met de synthese van twee RNA-nucleotiden - cytosine en uracil. Ze werden in laboratoriumomstandigheden verkregen uit eenvoudig organisch materiaal en fosfaat na ultraviolette bestraling.
“Ze synthetiseerden volledig twee natuurlijke nucleotiden. Het was een geweldige doorbraak”, zegt RIA Novosti Armen Mulkidzhanyan, doctor in de biologische wetenschappen, medewerker van het A. N. Belozersky onderzoeksinstituut voor fysisch-chemische biologie, Lomonosov Moscow State University, medewerker van de afdeling natuurkunde van de Osnabrück Universiteit (Duitsland).
Promotie video:
Het nucleotide bestaat uit een stikstofhoudende base, suiker- (ribose) en fosfaatgroepen, indien gehecht waaraan energie wordt opgeslagen. Alexander Butlerov liet in 1859 zien hoe mengsels van complexe suikers uit organisch materiaal kunnen worden verkregen. Anderhalve eeuw later ontdekte de Amerikaanse chemicus Steven Benner dat om deze reactie selectief ribose te laten vormen, molybdeenoxide nodig is als katalysator. Om de resulterende suikers te stabiliseren, zijn bovendien veel boraten - boorzuurzouten nodig. Benner theoretiseerde dat dergelijke chemische omstandigheden ergens in woestijnen zouden kunnen voorkomen, zoals de droge basalthoogten van Mars.
“Inderdaad, de vroege Mars en de aarde leken erg op elkaar. Mars had misschien een nog meer geoxideerde atmosfeer dan de oude aarde, en er zijn boraatafzettingen gevonden, wat duidt op langdurige geothermische activiteit. De helft van het grondgebied van Mars bestaat uit rotsen die ouder zijn dan vier miljard jaar, dus het is logisch om daar naar sporen van leven te zoeken. Vanwege de platentektoniek hebben gesteenten van deze leeftijd het niet overleefd op aarde”, legt Mulkidzhanyan uit.
Vulkaan Solfatara, Flegreïsche velden, Italië / CC BY 2.0 / NH53 / Solfatara, Flegraeïsche velden.
Er is geen leven zonder licht
Cel-energiespecialist Armen Mulkidzhanyan houdt zich al lang bezig met het probleem van de oorsprong van het leven, dat een eerbiedwaardige traditie heeft in de Sovjet- en Russische wetenschap. Het volstaat te zeggen dat academicus Alexander Oparin wordt beschouwd als de grondlegger van deze wetenschappelijke richting over de hele wereld.
Mulkidzhanyan en collega's suggereerden dat ultraviolet licht een sleutelfactor zou kunnen zijn bij de selectie van de eerste biomoleculen. De oude atmosfeer bevatte geen zuurstof of ozon. Het bevatte die biomoleculen die in eerste instantie eenvoudig konden worden verwarmd door de zonnestralen zonder te vergaan. Dit wordt bewezen door het feit dat alle natuurlijke stikstofbasen van RNA deze eigenschap hebben. Maar levende protoorganismen zouden de harde kosmische straling nauwelijks hebben doorstaan, meent de bioloog. Dit betekent dat er geen sprake kan zijn van hun levering door meteorieten van Mars naar de aarde.
Geothermische velden die ontstaan rond vulkanen zijn geschikt voor het ontstaan van leven. In plaats van water, zoals in geisers, ontsnapt stoom uit de warmwaterbronnen, verzadigd met alle benodigde componenten. Het bevat kooldioxide, waterstof, ammoniak, sulfiden, fosfaten, molybdeen, boraten, kalium - en er is meer van dan natrium. Kalium overheerst ook in de cellen van alle organismen, omdat anders biosynthese van eiwitten onmogelijk is. Zoals Mulkidzhanyan en collega's hebben aangetoond, is kalium essentieel voor het functioneren van de oudste eiwitten. Bio-informatica Evgeny Kunin slaagde erin ze in 2000 te berekenen tijdens de reconstructie van de gemeenschappelijke voorouder van alle cellulaire organismen - LUCA (Last Universal Cellular Ancestor).
De eiwitten die coderen voor de LUCA-genen gebruiken ook zinkionen als katalysatoren of bouwstenen.
“Zinksulfiden kunnen alle bacteriën vormen. Interessant is dat kristallen van zinksulfide en een soortgelijk cadmiumsulfide in staat zijn om kooldioxide onder ultraviolet licht te reduceren tot organische, potentieel "eetbare" moleculen. Daarom konden de eerste levende organismen zichzelf bedekken met kristallen van deze mineralen om zichzelf te beschermen tegen ultraviolette straling en voedsel te krijgen”, legt de wetenschapper uit.
Zink is vluchtig, kristalliseert langzaam en slaat, in tegenstelling tot ijzer en koper, neer in de periferie van geothermische velden, waar het niet heet is.
"In de koele periferie van dergelijke velden zouden 'ringen van leven' gevormd kunnen zijn rond hete thermale bronnen", besluit de onderzoeker.
Geothermische velden bestaan nog steeds op aarde - in tegenstelling tot Mars, waarvan de ingewanden zijn afgekoeld. Armen Mulkidzhanyan bestudeerde samen met geochemicus Andrey Bychkov van de Lomonosov Moscow State University de chemische condities van fumarolen bij de Mutnovsky-vulkaan in Kamtsjatka. Vergelijkbare omstandigheden worden waargenomen in Yellowstone National Park in de Verenigde Staten, in de geothermische velden van Lardarello in Italië en in Matsukawa in Japan.
Onlangs werden sporen van een 3,5 miljard jaar oud geothermisch veld ontdekt in de Pilbara-regio van Australië, dezelfde plaats waar de oudste sporen van levende gemeenschappen op aarde werden gevonden.
Tatiana Pichugina
