113 – Een waarschijnlijke oorsprong van het leven26 juli 2017GeneraalFrançois Roddier
[De onderstaande tekst is de Franse vertaling van een onderzoeksvoorstel dat ik heb ingediend, gericht op het bestuderen van de oorsprong van het leven met behulp van het DECLIC-experiment aan boord van het ruimtestation]
Eerste studiepogingen
Volgens Maynard Smith en Eörs Szathmary (1) was het eerste serieuze voorstel om de oorsprong van het leven te bestuderen te danken aan AI Oparin (1924) en JBS Haldane (1929). Hun argument was dat als de vroege atmosfeer geen vrije zuurstof had, een grote verscheidenheid aan organische verbindingen had kunnen worden gesynthetiseerd met behulp van energie die werd geleverd door ultraviolet licht en bliksemontladingen.
In 1953 testte Stanley Miller, op advies van Harold Urey, deze hypothese door elektrische ontladingen te veroorzaken via een omhulsel dat water, methaan en ammoniak bevatte. Het produceerde een grote verscheidenheid aan organische verbindingen, waaronder nucleotiden waarvan RNA en DNA zijn gemaakt.
Essentiële moleculen waren echter afwezig of werden slechts in zeer lage concentraties verkregen. Bovenal ontbraken de geproduceerde reacties aan specificiteit, waardoor het moeilijk te begrijpen was hoe polymeren, waarvan de chemische bindingen zeer specifiek zijn, gevormd konden worden.
In een reeks artikelen gepubliceerd tussen 1988 en 1992 suggereerde Günter Wächtershäuser dat de reacties hadden kunnen plaatsvinden tussen ionen die aan een geladen oppervlak waren bevestigd. Aantrekking tussen ladingen van tegengestelde tekens zorgt ervoor dat ionen in oplossing zich hechten aan geladen oppervlakken. Ze kunnen langzaam over het oppervlak bewegen, terwijl ze dezelfde oriëntatie behouden, wat zowel de snelheid als de specificiteit van chemische reacties aanzienlijk vergroot.
Onderzoekers hebben onlangs aangetoond dat het opsluiten van moleculen in kleine druppels vloeistof de reactiesnelheid aanzienlijk verbetert, wat toepassingen in de prebiotische chemie suggereert (2). Deze resultaten bevestigen hydrothermale bronnen als een mogelijke oorsprong van leven, maar er wordt geen melding gemaakt van het kritieke punt van water (3).
Zelforganisatie en kriticiteit
De afgelopen vijftig jaar is er steeds meer bewijsmateriaal ontstaan dat zelforganisatieprocessen plaatsvinden wanneer aantrekkingskrachten en afstotingskrachten in evenwicht zijn. Ze zijn van dezelfde aard als de continue faseovergangen die worden waargenomen in vloeistoffen in een staat van kritische opalescentie bij de zogenaamde kritische temperatuur. Deze analogie werd voor het eerst erkend door Per Bak et al. (50), met betrekking tot de alomtegenwoordigheid van zogenaamde 4/f-ruis. Ze noemden dit proces ‘zelfgeorganiseerde kriticiteit’.
Een typisch voorbeeld is stervorming in de astrofysica. De instabiliteit van Jeans die de vorming van sterren mogelijk maakt, is in feite van dezelfde aard als de instabiliteit die kritische opalescentie veroorzaakt. In beide gevallen volgen de dichtheidsfluctuaties een machtswet (zogenaamde 1/f-ruis), zoals blijkt uit de verdeling van de initiële massa's van nieuwe sterren.
In zijn boek “The Self-Organizing Universe” liet Erich Jantsh (5) zien dat het hele universum zichzelf organiseert volgens vergelijkbare reeksen gebeurtenissen. Een langzame ‘macro-evolutie’, waarbij grote structuren condenseren, wordt afgewisseld met een snelle ‘micro-evolutie’, waarbij nieuwe elementaire bestanddelen worden gevormd. Figuur 1 vat dit proces samen. Volgens dit schema is stervorming onderdeel van de macro-evolutie. Het veroorzaakt de vorming van nieuwe atomen, zoals die van helium, die zwaarder zijn dan die van waterstof. De vorming van helium maakt deel uit van micro-evolutie.
Afb. 1. De zelforganisatie van het universum volgens Eric Jantsch (1980)
In navolging van Per Bak kan de macro-evolutie van Jantsch worden gezien als een continue faseovergang en zijn micro-evolutie als een abrupte faseovergang, met andere woorden: de evolutie van het hele universum kan worden gezien als een proces dat rond een “kritisch punt” oscilleert (zie figuur 2). ).
Zelforganisatie en energiedissipatieIlya Prigogine liet zien dat zelforganisatie een kenmerk is van dissipatieve structuren, dat wil zeggen structuren die spontaan verschijnen in de aanwezigheid van een permanente stroom van energie. Levende wezens of Bénard-cellen zijn dissipatieve structuren.
Dissipatieve structuren gedragen zich als thermische machines: ze gebruiken temperatuurverschillen om mechanisch werk te produceren. Volgens de tweede wet van de thermodynamica, bekend als het principe van Carnot, is dit alleen mogelijk na cycli van transformaties. De eerste thermische machines maakten gebruik van de vloeistof-dampovergang van water om grote volumevariaties te verkrijgen.
Automotoren zijn efficiënter omdat ze veel grotere temperatuurverschillen gebruiken om dezelfde volumeveranderingen te veroorzaken. Veel kleinere temperatuurvariaties zijn echter voldoende om natuurlijke thermische machines zoals Bénard-cellen te produceren. Dit geldt vooral in de buurt van het kritieke punt waar zeer kleine temperatuurverschillen zeer grote volumevariaties veroorzaken.
Het kritieke punt van waterDe kritische druk van water is 220 bar en de kritische temperatuur 374°C. In zout water, zoals dat van de oceaan, ligt het kritieke punt iets meer dan 2.200 meter diep, terwijl bij hydrothermale bronnen de temperatuur gemakkelijk boven de 374° C uitkomt.
Neem het water uit een hydrothermische bron die zich onder de 2.200 meter bevindt en waarvan de temperatuur iets hoger is dan 374°C. Omdat de dichtheid lager is dan die van het omringende water, vormt het een convectieve pluim. Tijdens het opstijgen daalt de druk. De temperatuur blijft een moment hoger dan die van zijn omgeving totdat hij, nadat hij kouder is geworden, naar de bron afdaalt en de convectielus sluit. Op een gegeven moment bereikt het water de condensatiezone. Er vormen zich fijne druppeltjes. Het vloeibare water wordt vervolgens langzaam en continu omgezet in dampwater zonder ooit belletjes te vormen.
Afb. 2. Het oppervlak erboven toont de watertoestand rond het kritieke punt.
Het grijze gebied is het condensatiegebied.
Figuur 2 toont de toestand van het water in een convectieve pluim, aangezien deze een cirkel rond het kritieke punt beschrijft, zoals aangegeven door de pijl. Terwijl de overgang van vloeistof naar gas continu is, is de overgang van gas naar vloeistof abrupt. Van tijd tot tijd condenseert water, waardoor fijne druppeltjes vloeibaar water worden gevormd die groeien totdat het water volledig vloeibaar wordt. Vervolgens zinkt het naar de hydrothermische bron waar het boven de kritische temperatuur wordt verwarmd. Vervolgens wordt het continu omgezet in damp, zonder ooit gasbellen te vormen.
De condensatie van gas tot vloeistof nabij het kritische punt wordt “kritische opalescentie” genoemd. Daar worden zeer grote dichtheidsfluctuaties waargenomen, een toestand die gunstig is voor de vorming van microdruppels. In de oceaan kunnen ook andere moleculen condenseren. De polaire moleculen behouden dezelfde oriëntatie ten opzichte van het oppervlak van de druppel, waardoor polaire bindingen worden bevorderd. Deze omstandigheden zijn bijzonder gunstig voor de vorming van complexe organische moleculen.
Een mogelijkheid om de oorsprong van het leven te testen
Hoewel de hierboven beschreven omstandigheden geschikt zijn voor de vorming van complexe organische moleculen, blijft de waarschijnlijkheid dat dergelijke reacties optreden laag, tenzij dezelfde situatie zich over een zeer lange tijdsperiode opnieuw voordoet.
We kunnen grofweg schatten dat de circulatietijd van water in een convectiepluim in de orde van een dag ligt, terwijl de levensduur van een actieve onderzeese vulkaan in de orde van een miljoen d'jaar ligt. Dezelfde omstandigheden zouden dus honderdduizenden keren kunnen worden gereproduceerd. Het is duidelijk dat als dit proces in het laboratorium moet worden herhaald, het aanzienlijk moet worden versneld.
De DECLIC-ervaring biedt zo'n kans. DECLIC is een ervaring aan boord van het internationale ruimtestation. Eén versie heeft tot doel chemische reacties te bestuderen nabij het kritieke punt van water. De gewichtloze omgeving maakt het mogelijk om kritische omstandigheden uniform over het gehele volume te creëren met een nauwkeurigheid van drie decimalen. Het zou mogelijk moeten zijn om deze omstandigheden zo aan te passen dat ze in seconden rond het kritieke punt cirkelen in plaats van in dagen. Vergeleken met de omstandigheden bij het ontstaan van het leven zou dit het proces met minstens vijf ordes van grootte versnellen, waarschijnlijk meer gezien het feit dat de omstandigheden van het experiment voortdurend zeer dicht bij het kritieke punt zouden worden gehouden.
Als het mogelijk is om de chemische samenstelling van de reactiekamer in de loop van de tijd te volgen, zouden we ons binnen een paar maanden moeten kunnen reproduceren en chemische reacties kunnen observeren die miljoenen jaren in beslag namen. Wij raden sterk aan om een dergelijke ervaring op te nemen in het DECLIC-programma.
François Roddier
1John Maynard Smith en Eörs Szathmary, De oorsprong van het leven, Oxford (1999).
2 Ali Fallah-Araghi et al. Verbeterde chemische synthese bij zachte grensvlakken: een universeel reactie-adsorptiemechanisme in microcompartimenten.
3K. Ruiz-Mirazo, C. Briones en A. de la Escosura, Prebiotische systeemchemie: nieuwe perspectieven op de oorsprong van het leven, Chem. Ds. 114, 285 (2013).
4 Per Bak, Chao Tang en Kurt Wiesenfeld, Zelfgeorganiseerde kritiek: een verklaring van 1/f Noise, Phys. Ds. Brieven 4, vol. 59 (1987)
5 Erich Jantsch, Het zelforganiserende universum, Pergamon (1980).
[Dit voorstel wordt gesteund door Roger Bonnet, voormalig wetenschappelijk directeur bij ESA].