Black Smokers - de oorsprong van het leven

De grote vraag die veel wetenschappers al jarenlang bezighoudt is: ‘Wat is de oorsprong van het leven?’. Er zijn veel theorieën over het ontstaan van het leven. De meest geaccepteerde theorie is de ‘oersoep-theorie’, geïntroduceerd door Haldane in 1929. Deze theorie gaat uit van een mengsel van stoffen dat via hitte en blikseminslagen wordt omgezet tot de bouwstoffen van de levende natuur. Vanuit deze ‘soep’ van bouwstoffen zou het eerste eencellige leven zijn ontstaan. De theorie kreeg steun van Miller’s experiment uit 1953, dat met elektriciteit de benodigde bouwstoffen vormde. Dit was een aanwijzing voor het ontstaan van het leven, maar harde bewijzen zijn nooit gevonden. Wanneer in 1979 op de bodem van de Grote oceaan Black Smokers werden ontdekt, beginnen hypotheses over het ontstaan van het leven te veranderen..

De 'Black Smoker'-theorie

Black Smokers zijn, net zoals geisers, een vorm van hydrothermale bronnen. Het zijn chemisch reagerende omgevingen waar heet water onder grote druk uit de bodem wordt gespoten. Het hete water is verzadigd met mineralen, wat het water zwart kleurt (‘Black’ Smoker). Door de overgang van de hittebron naar het koude zeewater, slaat een gedeelte van de mineralen neer. De neerslag rondom de bron leidt tot pijpvorming, waardoor de Black Smoker het uiterlijk van een schoorsteen krijgt.
Het zijn de enige omgevingen die nog werkelijk vanuit de oertijd intact zijn gebleven. Dit komt doordat meteoriet inslagen en verdamping van zeewater de omgeving niet bereikte. Door directe verbinding met magmatische hitte zijn Black Smokers voorzien van vele stoffen (CO₂, H₂O, CH₄) die vereist zijn voor het ontstaan van het leven. Black Smokers worden hierdoor gezien als potentiële omgevingen voor de oorsprong van het leven.

De ‘Black Smoker’-theorie kan uitgezet worden in twee belangrijke fases waarin het leven zou zijn ontstaan:

1. De aanwezigheid van essentiële stoffen
2. De vorming van methaan (CH₄)

De aanwezigheid van essentiële stoffen

Op het moment dat de oceaan 4.2 miljard jaar geleden gevormd werd, was de aarde op tektonisch gebied veel actiever dan vandaag de dag. De oceaan was destijds een chemisch actieve omgeving met hoge temperaturen (30-100 ̊C) en het was zeer ondiep (1000-2000 m). Activiteiten op hoge temperaturen waren destijds vijf keer zo actiever dan nu. De oceanische ruglengte, waaruit magma vanuit de aardkern oprijst, was 4 miljard jaar geleden drie tot vijf keer zo lang. De enorme omvang van dit hydrothermale systeem zou een oceaancirculatie van reagerende elementen en gassen veroorzaken.

De grote circulatie
De circulatie begint bij zeewater dat door barsten in de aardkorst naar beneden dringt. Beneden bij de grens met de magmakamers reageert het zeewater op hoge temperatuur (350 ̊C) met vulkanisch gesteente. Doordat er water blijft stromen van bovenaf wordt het water bij de magmakamers omhoog gedrukt. Het opgewarmde zeewater stijgt op en komt op hoge temperatuur door openingen (Black Smokers) naar buiten. Dit opgewarmde zeewater is verrijkt met elementen, gassen en verbindingen uit het binnenste van de aarde.
Zolang er vloeibaar zeewater aanwezig is, is deze circulatie een zelf aangedreven systeem. Dit is altijd het geval geweest. Het is aangetoond dat deze circulatie plaatsvindt in een cyclus van 6 á 8 miljoen jaar. Hierin wordt al het oceaanwater op aarde verrijkt met chemicaliën vanuit de aardkern. Zodoende waren alle benodigde elementen, gassen en verbindingen in voldoende mate aanwezig:


Deze stoffen staan hedendaags aan de basis voor de primaire energiebehoeften van microscopische organismen. Daarom worden ze gezien als de essentiële stoffen voor het ontstaan van het leven.

De vorming van methaan (CH₄)

Tussen bovenstaande stoffen en het leven zit nog een lange weg. Een organisme functioneert zoals het in zijn DNA beschreven staat. DNA bestaat, in zijn meest simpele uitleg, uit een enorme reeks van gekoppelde aminozuren. Een aminozuur is een verbinding tussen voornamelijk koolstof en waterstof (C-H). Het meest eenvoudige molecuul met een C-H verbinding is methaan (CH₄). Methaan staat dus aan de basis van de eerste stappen naar het leven. De vraag is hoe methaan zich destijds gevormd heeft. De huidige theorie gaat ervan uit dat CO₂ de hoofdschakel is voor de vorming van methaan. Dit gaat via de reactie met waterstof (H₂):


Hierbij draait het allemaal om het vastleggen van koolstof uit CO₂ in CH₄, ook wel koolstoffixatie genoemd. Het CO₂-molecuul moet uit elkaar gehaald worden, zodat het losse C-atoom gebruikt kan worden om aan waterstof te binden. De combinatie van het losse C-atoom en waterstof vormt methaan (C + H₄). Hiervoor moet CO₂ teruggebracht worden naar C, dus moet CO₂ zijn zuurstofatomen zien kwijt te raken. De oudste manier om dat te doen is via een ingewikkelde reeks van reacties met behulp van het enzym “acetyl-A”. Niet alleen levert het “acetyl-A”-enzym een bron van koolstof, maar is het ook een bron van ATP! ATP is de belangrijkste energiedrager in de levende natuur. Voor de vorming van grotere moleculen uit methaan is veel energie nodig, wat door ATP als energiedrager geleverd kan worden. Dit is een belangrijke aanwijzing voor de ‘Black Smoker’-theorie.

Kritiek en tegenbewijs

Ondanks alle bovengenoemde aanwijzingen is er veel kritiek op de theorie. De 'Black Smoker'-theorie is gebaseerd op pyrolytische reacties. Dit is een reactie waarbij een stof onder hoge temperaturen (>300 ̊C) wordt gesplitst is kleinere deeltjes zonder de aanwezigheid van O₂. Door splitsing ontstaan er losse atomen, deze atomen binden zich aan het opgeloste methaan waaruit unieke aminozuren ontstaan. In de Black Smoker-theorie wordt dit pyrolyse(‘pyro’=hitte) genoemd. Kenmerkende eigenschappen van pyrolitische reacties rondom Black Smokers zijn:

• Door de hoge temperaturen (250-400 ̊C) verlopen reacties in maximaal een paar seconden.
• Bij de reacties is de aanwezigheid van katalysatoren vereist.

Een katalysator is een stof die een reactie steunt, zonder daarbij zelf verbruikt te worden. Reacties op hoge temperatuur vereisen een kort tijdsinterval tussen de reactiestoffen en de katalysatoren. Anders worden de stoffen eerder gesplitst dan ze een nieuwe (grotere) stof kunnen vormen. Het grote tegenbewijs op de theorie is de aanwezigheid van het zeer giftige gas waterstofsulfide (H₂S). Met de aanwezigheid van H₂S zouden de benodigde katalysatoren onwerkbaar worden. De molecuulstructuur van de katalysator wordt veranderd waardoor het molecuul geen bijdrage meer kan leveren aan de reactie. Pyrolytische reacties rondom Black Smokers zouden zonder de katalysatoren niet verlopen.

Evolutie van aminozuren

De laatste stap in de ‘Black Smoker’-theorie is de vorming van DNA uit aminozuren. Om tot DNA te komen moeten er grotere moleculen gevormd worden. Dit kan door aminozuren aan elkaar te koppelen. Zo worden er peptides gevormd: een molecuul dat bestaat uit een kleine reeks van aminozuren. Meerdere gekoppelde aminozuren vormen samen een polypeptide (‘poly’ = meer). De synthese van peptiden gaat volgens de volgende evenwichtsreactie:


Deze reactie valt onder de condensatiereacties. Vanuit kleine moleculen ontstaan grotere moleculen waarbij een deel van het grotere moleculen wordt afgesplitst. In dit geval wordt water (H₂O) dus afgesplitst. Aangezien er in alle omstandigheden veel vloeibaar water aanwezig is zal het evenwicht zeer sterk naar links schuiven. De reactie naar rechts wordt hierdoor onmogelijk gemaakt. Dit komt doordat bij de reactie naar rechts water vrij komt, terwijl dat al in overvloed aanwezig is. Bovendien vindt de reactie plaats onder hoge temperaturen. Chemische reacties verlopen dus met hoge snelheden. Mocht de reactie naar rechts toe plaatsvinden, wordt de peptide razendsnel terug gesplitst in losse aminozuren.

Slotwoord

Wetenschappers zijn nog niet in staat te bewijzen dat het leven daadwerkelijk rondom Black Smokers is ontstaan. De huidige theorie lijkt tot heden onmogelijk. De ontwikkeling van leven zou constant hebben bloot gestaan aan vele factoren die samen een goede basis leveren voor evolutie op moleculaire basis. De continue aanwezigheid van licht en energiedragers in combinatie met ondiepe oceanen, veel tektonische activiteit en een constante toevoer van de benodigde chemicaliën biedt veel ruimte voor meer hypothese tussen Black Smokers en de oorsprong van het leven.

Lees verder

• Waarom is de lucht blauw?
• Hét gedicht van Rutger Kopland: Jonge Sla
• Het hitte-eilandeffect