Debat woedt tussen biologen en chemici over de vraag of het leven op het land of onder de zee begon. Rachel Brazil bekijkt de argumenten

De vraag “Hoe is het leven begonnen?” is nauw verbonden met de vraag “Waar is het leven begonnen? De meeste deskundigen zijn het eens over ‘wanneer’: 3,8-4 miljard jaar geleden. Maar er is nog steeds geen consensus over de omgeving die deze gebeurtenis kan hebben bevorderd. Sinds hun ontdekking zijn diepzee-hydrothermale bronnen voorgesteld als de bakermat van het leven, vooral alkalische bronnen, zoals die welke in het veld “de Verloren Stad” in het midden van de Atlantische Oceaan zijn gevonden. Maar niet iedereen is ervan overtuigd dat het leven in de zee is begonnen – velen zeggen dat de chemie gewoon niet werkt en zoeken naar een geboorteplaats op het land. Met verschillende hypotheses in het spel, is de race begonnen om de omstandigheden te repliceren die het ontstaan van leven mogelijk maakten.

In 1977 werd de eerste diepzee hydrothermale opening ontdekt in de East Pacific Rise mid-oceanische bergkam. Deze zogeheten ‘black smokers’ stoten geothermisch verhit water uit tot 400°C, met hoge concentraties sulfiden die bij contact met de koude oceaan neerslaan en zwarte rook vormen. Dit werd in 2000 gevolgd door de ontdekking van een nieuw type alkalische diepzee-hydrothermale opening die iets uit de as van de mid-oceanische ruggen werd gevonden. Het eerste veld, bekend als de Verloren Stad, werd ontdekt op de zeebodem Atlantis Massif berg in het midden van de Atlantische Oceaan.

De openingen worden gevormd door een proces dat bekend staat als serpentinisatie. Het gesteente van de zeebodem, in het bijzonder olivijn (magnesium-ijzer-silicaat) reageert met water en produceert grote hoeveelheden waterstof. Wanneer de warme alkalische vloeistoffen (45-90°C en pH 9-11) in de Verloren Stad worden vermengd met zeewater, ontstaan witte calciumcarbonaatschoorstenen van 30-60 m hoog.

In 1993, voordat de alkalische openingen daadwerkelijk waren ontdekt, opperde geochemicus Michael Russell van het Jet Propulsion Laboratory (JPL) van de Nasa in Californië, VS, een mechanisme waardoor het leven bij dergelijke openingen zou kunnen zijn begonnen.1 Zijn ideeën, geactualiseerd in 2003,2 suggereren dat het leven ontstond door gebruik te maken van de energie gradiënten die bestaan wanneer alkalisch water zich mengt met zuurder zeewater (de vroege oceanen zouden meer kooldioxide bevatten dan nu).

Dit weerspiegelt de manier waarop cellen energie gebruiken. Cellen handhaven een proton gradiënt door protonen over een membraan te pompen om een ladingsverschil van binnen naar buiten te creëren. Dit staat bekend als de proton-motorkracht en kan worden gelijkgesteld aan een verschil van ongeveer 3 pH-eenheden. Het is in feite een mechanisme om potentiële energie op te slaan en deze kan vervolgens worden gebruikt wanneer protonen door het membraan worden toegestaan om adenosinedifosfaat (ADP) te fosforyleren, waardoor ATP wordt gemaakt.

Russells theorie suggereert dat de poriën in de schoorstenen van de hydrothermale vent een sjabloon voor cellen vormden, met hetzelfde verschil van 3 pH-eenheden tussen de dunne minerale wanden van de onderling verbonden microporiën van de vent die het vent- en zeewater van elkaar scheiden. Deze energie, samen met katalytische ijzernikkelsulfide mineralen, maakte de reductie van koolstofdioxide en de productie van organische moleculen mogelijk, vervolgens zelfreplicerende moleculen, en uiteindelijk echte cellen met hun eigen membranen.

Chemische tuinen

Chemicus Laura Barge, ook een onderzoekswetenschapper bij JPL, test deze theorie met behulp van chemische tuinen – een experiment dat je misschien op school hebt uitgevoerd. Als je naar chemische tuinen kijkt “denk je dat het leven is, maar dat is het zeker niet”, zegt Barge, die gespecialiseerd is in zelforganiserende chemische systemen. De klassieke chemische tuin wordt gevormd door metaalzouten toe te voegen aan een reactieve natriumsilicaatoplossing. De metaal- en silicaatanionen slaan neer en vormen een gelatineachtig colloïdaal semi-permeabel membraan dat het metaalzout omsluit. Hierdoor ontstaat een concentratiegradiënt die de aanzet geeft tot de groei van holle plantachtige kolommen.

‘We zijn begonnen met het simuleren van wat je zou kunnen krijgen met een ventvloeistof en de oceaan en we kunnen minuscule schoorstenen laten groeien – ze zijn in wezen als chemische tuinen,’ legt Barge uit. Om de vroege oceaan na te bootsen heeft ze alkalische oplossingen in ijzerrijke zure oplossingen geïnjecteerd, waardoor ijzerhydroxide- en ijzersulfideschoorstenen zijn ontstaan. Met deze experimenten heeft haar team aangetoond dat zij elektriciteit kunnen opwekken: iets minder dan een volt uit vier tuinen, maar genoeg om een LED van stroom te voorzien,3 waaruit blijkt dat het soort protonengradiënten die energie leveren in diepzeebronnen kan worden nagebootst.

Nick Lane, een biochemicus aan het University College London in het Verenigd Koninkrijk, heeft ook geprobeerd prebiotische geo-elektrochemische systemen na te bootsen met zijn Herkomst van het Leven reactor. Hij is voorstander van de theorie van Russell, hoewel hij niet gelukkig is met het etiket “metabolisme eerst” dat deze vaak krijgt opgeplakt, in tegenstelling tot de “informatie eerst”-theorie, die ervan uitgaat dat de synthese van replicerende RNA-moleculen de eerste stap naar leven was. Lane: “Ze worden afgeschilderd als tegengesteld aan elkaar, maar ik denk dat dat dom is. Zoals ik het zie, proberen we uit te zoeken hoe je tot een wereld komt waar je selectie hebt en aanleiding kunt geven tot zoiets als nucleotiden.’

Lane is overtuigd door hoe nauw de geochemie en de biochemie bij elkaar aansluiten. Mineralen als greigiet (Fe3S4) worden bijvoorbeeld in vents gevonden en vertonen verwantschap met de ijzer-zwavelclusters die in microbiële enzymen worden aangetroffen. Zij kunnen hebben gefungeerd als primitieve enzymen voor de reductie van kooldioxide met waterstof en de vorming van organische moleculen. Er zijn ook verschillen, de barrières zijn dikker enzovoort, maar de analogie is heel precies en dus wordt de vraag “Is het haalbaar dat deze natuurlijke protonengradiënten de barrière voor de reactie tussen waterstof en kooldioxide slechten?”‘

Lane’s eenvoudige open-flow origins of life reactor4 simuleert hydrothermale vent-condities. Aan de ene kant van een halfgeleidende ijzer-nikkel-zwavel katalytische barrière, wordt een alkalische vloeistof doorgepompt om ventvloeistoffen te simuleren en aan de andere kant, een zure oplossing die zeewater simuleert. Naast de stroomsnelheid kan ook de temperatuur aan beide zijden worden gevarieerd. Over het membraan heen: “De eerste stap is proberen kooldioxide te laten reageren met waterstof om organische stoffen te maken, en we lijken succesvol te zijn in het produceren van formaldehyde op die manier,” zegt Lane.

Tot nu toe zijn de opbrengsten erg laag, maar Lane meent dat ze ‘proof of principle’ hebben. Ze werken aan het repliceren van hun resultaten en bewijzen dat het formaldehyde dat ze zien niet afkomstig is van een andere bron, zoals degradatie van buizen. Lane zegt dat ze onder dezelfde omstandigheden ook in staat zijn geweest om uit formaldehyde een lage opbrengst aan suikers te synthetiseren, waaronder 0,06% ribose, hoewel niet bij de formaldehydeconcentratie die door de reactor alleen wordt geproduceerd.

Dieper graven

Geochemicus Frieder Klein van het Woods Hole Oceanographic Institution in de VS heeft bij zijn onderzoek naar hydrothermale bronnen een variatie ontdekt op het oorsprongsverhaal uit de diepzee. Hij heeft bewijzen gevonden van leven in gesteente onder de zeebodem dat de juiste omgeving zou kunnen hebben geboden voor het ontstaan van leven.

Klein en collega’s onderzochten monsters van boorkernen die in 1993 waren geboord in de Iberische continentale marge voor de kust van Spanje en Portugal. De monsters kwamen uit gesteente dat zich 760 m onder de huidige zeebodem bevond, 65 m onder de vroegere oceaanbodem zonder sediment. Hij zag enkele ongewoon uitziende aders in de monsters, samengesteld uit mineralen die ook in het hydrothermale systeem van Lost City zijn gevonden. Dat vond ik intrigerend, omdat deze minerale assemblage alleen wordt gevormd als je hydrothermale vloeistoffen mengt met zeewater,” zegt Klein. Dit suggereert dat er zich onder de zeebodem een soortgelijke chemie zou kunnen afspelen.

In deze aders, gedateerd op 120 miljoen jaar geleden, vond het team van Klein insluitingen van gefossiliseerde microben. Hij suggereert dat de uitdrogende eigenschappen van het mineraal bruciet (Mg(OH)2) de conservering van organische moleculen van de microben zouden kunnen verklaren. Deze moleculen omvatten aminozuren, proteïnen en lipiden die met behulp van confocale Raman spectroscopie werden geïdentificeerd. Klein zegt dat hij aanvankelijk sceptisch was, maar analyse van geëxtraheerde monsters bevestigde unieke lipide biomarkers voor sulfaatreducerende bacteriën en archaea, die ook worden aangetroffen in het Lost City hydrothermale ventsysteem.5 SEM-beeldvorming toonde koolstofinsluitsels die volgens hem ‘leken op micro-kolonies van micro-organismen’

Hoewel deze monsters duidelijk veel jonger zijn, ‘vertelt de aanwezigheid van deze microben ons dat leven mogelijk is in zeebodemomgevingen in hydrothermale systemen, die waarschijnlijk aanwezig en actief waren gedurende het grootste deel van de vroege aarde,’ merkt Klein op. De onderzeese bodem vertegenwoordigt een andere, meer beschermde omgeving.’

Landlocked

Maar niet iedereen is het ermee eens dat het leven begon in diepzee hydrothermale systemen. Armen Mulkidjanian van de Universiteit van Osnabrück in Duitsland zegt dat er verschillende grote problemen zijn met het idee, een daarvan is de relatieve natrium en kalium ion concentraties die in zeewater worden gevonden in vergelijking met cellen.

Mulkidjanian beroept zich op wat hij noemt het chemie behoud principe – eenmaal gevestigd in een omgeving, zullen organismen mechanismen behouden en evolueren om hun fundamentele biochemische architectuur te beschermen. Hij zegt dat het daarom onlogisch is dat cellen die 10 keer meer kalium dan natrium bevatten, hun oorsprong vinden in zeewater, dat 40 keer meer natrium dan kalium bevat. Zijn veronderstelling is dat de protocellen moeten zijn geëvolueerd in een omgeving met meer kalium dan natrium, en pas ionenpompen hebben ontwikkeld om ongewenst natrium te verwijderen toen hun omgeving veranderde.

Mulkidjanian denkt dat het leven zou kunnen zijn voortgekomen uit geothermische systemen, zoals de Siberische Kamchatka geothermische velden in het Russische Verre Oosten. We zijn gaan zoeken waar we omstandigheden konden vinden met meer kalium dan natrium en het enige dat we vonden waren geothermische systemen, vooral daar waar damp uit de aarde komt,’ legt hij uit. Alleen poelen die ontstaan zijn uit dampopeningen hebben meer kalium dan natrium; poelen die ontstaan zijn uit geothermische vloeistofopeningen hebben nog steeds meer natrium dan kalium. Een handvol van dergelijke systemen bestaat vandaag de dag, in Italië, de VS en Japan, maar Mulkidjanian suggereert dat je er op de hetere vroege aarde veel meer zou verwachten.

David Deamer van de University of California Santa Cruz in de VS bestudeert al meer dan 50 jaar macromoleculen en lipidemembranen. Hij benadert het vakgebied vanuit een iets andere invalshoek, die sommigen ‘membraan eerst’ hebben genoemd. Maar, zegt hij, “ik ben er vrij zeker van dat de beste manier om de oorsprong van het leven te begrijpen is te beseffen dat het een systeem is van moleculen die allemaal samenwerken, net zoals ze dat doen in het leven van vandaag”. De locatie ‘komt neer op een plausibiliteitsoordeel van mijn kant’, mijmert hij.

Een van de grootste argumenten tegen een diepzeeoorsprong is het feit dat er zoveel macromoleculen in de biologie worden aangetroffen. DNA, RNA, eiwitten en lipiden zijn allemaal polymeren en vormen zich via condensatiereacties. Je hebt een fluctuerende omgeving nodig die soms nat en soms droog is – een natte periode zodat de componenten mengen en op elkaar inwerken en dan een droge periode zodat het water wordt verwijderd en deze componenten een polymeer kunnen vormen,’ zegt Mulkidjanian. In hydrothermale venters kan zoiets niet gebeuren, omdat daar geen nat-droog cycli kunnen voorkomen”, voegt Deamer toe. Natte en droge cycli komen dagelijks voor op continentale hydrothermale velden. Dit maakt concentratie van reactanten en polymerisatie mogelijk.

De veronderstelling dat natuurlijke selectie in meer dan 4 miljard jaar niet in staat is om met een verbetering te komen, vind ik waanzin

Deamer heeft geprobeerd om zijn eigen protocellen in het lab te maken – door lipiden te mengen met de RNA-componenten adenosinemonofosfaat en uridinemonofosfaat. Als de lipiden gedroogd zijn, vormen ze zich tot membraanachtige structuren, en als nucleotiden tussen de lipidenlagen opgesloten zitten, ondergaan ze verestering om RNA-achtige polymeren te produceren. Na meerdere nat-droog cycli neemt de opbrengst toe tot 50%.6

Deamer heeft de aanwezigheid van deze polymeren in de ‘protocellen’ bevestigd met directe RNA-sequencing technieken. We hebben echt enkelstrengs moleculen die in het groottegebied van biologisch RNA liggen,’ maar Deamer waarschuwt dat het geen RNA is zoals dat in een biologisch organisme voorkomt. Hij creëerde een mengsel van RNA, sommige met fosfaatgroepen gebonden zoals ze in de natuur zijn, maar sommige ‘onnatuurlijk’ gebonden, waarvan hij concludeert dat ze dan ‘onderhevig moeten zijn geweest aan selectie en evolutie in deze kleine protocellen’.

Maar het diepzee hydrothermale vent kamp is nog niet klaar om de handdoek in de ring te gooien. Barge zegt dat de omgeving van de boorgaten concentratie van reactanten en condensatiereacties mogelijk maakt. Je hebt overal op de zeebodem gels, je hebt mineralen die dingen absorberen en in het membraan zelf zijn er gels, dus je kunt uitdrogende reactieomstandigheden hebben, ook al is het hele systeem waterig.’

Lane verwerpt ook het idee dat kalium- of natriumionniveaus toekomstige metabolische processen zouden kunnen fixeren. De veronderstelling dat natuurlijke selectie niet in staat is om over een periode van 4 miljard jaar met een verbetering te komen, vind ik waanzin,’ legt Lane uit. Naar mijn mening drijft selectie de intracellulaire ionenbalans aan.’ Hij denkt dat het leven heel goed in staat zou zijn geweest om te evolueren in een natriumrijke omgeving en na verloop van tijd de ionenverwijderingspompen te ontwikkelen die de huidige kaliumrijke cellen creëren.

Het licht zien

Een ander twistpunt is de aan- of afwezigheid van ultraviolet (UV) licht. Dit zou een sterke invloed kunnen hebben in een scenario van aardse oorsprong zonder beschermende ozonlaag op de vroege aarde, maar volledig afwezig in de diepzee theorie. De relatieve UV-stabiliteit van RNA-nucleotiden suggereert dat selectie plaatsvond in UV-licht – op het aardoppervlak, niet in de zee.

Dit zou ook de baanbrekende synthese van RNA ondersteunen die in 2009 werd voorgesteld7 door John Sutherland van het Britse Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology in Cambridge en zijn in 2015 voorgestelde synthese van nucleïnezuurprecursors beginnend met alleen waterstofcyanide (HCN), waterstofsulfide (H2S) en UV-licht.8 Verlichting met UV-licht gedurende 10 dagen verrijkte de opbrengst van de biologische nucleotiden, waardoor de selectie ervan in UV-licht wordt bevoordeeld. Mulkidjanian heeft ook gesuggereerd dat zinksulfideprecipitaten als katalysatoren zouden kunnen hebben gewerkt voor de reductie van koolstofdioxide met behulp van UV-licht – een vroege vorm van fotosynthese die hij het ‘zinkwereld’-scenario noemt

Maar volgens Lane is er een groot probleem met leven dat evolueert met UV-licht, dat wil zeggen dat geen enkel leven vandaag de dag UV gebruikt als energiebron – het heeft de neiging om moleculen te vernietigen in plaats van de biochemie te bevorderen. Hij stelt ook dat de synthetische chemie die in een dergelijk aards schema wordt voorgesteld, gewoon niet lijkt op het leven zoals wij dat kennen. Het begint met cyaniden of met zinksulfide fotosynthese en je eindigt met een soort Frankenstein chemie,’ zegt Lane. De chemie zou kunnen werken, maar om dat te verbinden met het leven zoals wij dat kennen, is volgens mij op de grens van het onmogelijke.’

Disciplinaire kloof

Van dichterbij bekeken is de kloof tussen degenen die voor een aardse en degenen die voor een oceanische oorsprong zijn, verdeeld over verschillende disciplines. Synthetisch scheikundigen zijn over het algemeen voorstander van een continentale oorsprong en geologen en biologen meestal van diepzee-hydrothermale bronnen. Chemici beweren dat het onmogelijk is om de chemie in hydrothermale vents uit te voeren, terwijl biologen beweren dat de voorgestelde terrestrische chemie gewoon niet lijkt op wat men in de biochemie ziet en de kloof tussen geochemie en biochemie niet verkleint.

Is er dan een manier om de disciplines te verenigen? Op dit moment is er niet veel gemeenschappelijks tussen deze ideeën,” zegt Lane. Deamer is het daarmee eens. Op dit moment kunnen we alleen maar zeggen dat iedereen het recht heeft om op basis van zijn ideeën een plausibiliteitsoordeel te vellen, maar dan moeten ze ook experimentele en observationele tests doen.’

De kleinere problemen zijn oplosbaar – daar kom ik ’s ochtends mijn bed voor uit

Wat nodig is, is dat doorslaggevende bewijsstuk of experiment dat de puntjes op de i kan zetten en kan verklaren hoe en waar het leven vanuit een prebiotische wereld is ontstaan. Het zou echt een grote doorbraak zijn als we een ribozym kunnen vinden tussen al die triljoenen willekeurige polymeren die we maken”, stelt Deamer. Ribozymen zijn RNA-katalysatoren die deel uitmaken van de eiwitsynthese-machine van de cel, maar zijn kandidaten voor de eerste zichzelf replicerende moleculen.

Verder bewijs voor de oorsprong van leven in diepzee hydrothermale bronnen is gericht op het aantonen van een plausibele reeks metabole stappen die leiden tot complexe moleculen. Bij JPL kijken ze hoe aminozuren zich gedragen in hun chemische tuinen, aldus Barge. We werken aan het maken van een aminozuur en kijken dan of het vast komt te zitten in de schoorstenen en of je het kunt concentreren en misschien wat peptiden kunt maken.’

‘Er zijn problemen en moeilijkheden,’ erkent Lane. Kunnen we kooldioxide echt laten reageren met waterstof om complexere moleculen te maken, zoals aminozuren en nucleotiden? Ik ben er vrij zeker van dat we dat kunnen, maar ik ben me ervan bewust dat we dat nog niet hebben aangetoond.’ Andere moeilijke vragen zijn of lipidemembranen kunnen worden gestabiliseerd in zeewater met zijn hoge concentraties calcium- en magnesiumionen. Maar Lane zegt dat het grote probleem van de thermodynamische drijvende kracht is opgelost door hydrothermale openingen. Dat geeft me het vertrouwen dat de kleinere problemen in die context ook oplosbaar zullen zijn, ook al lijken ze nu moeilijk – dat is wat me ’s morgens uit bed haalt.’

Er is natuurlijk nog een andere mogelijkheid – dat het leven helemaal niet op aarde is begonnen. Panspermie – de theorie dat het leven uit de ruimte is gezaaid – lijkt excentriek, maar niet iedereen sluit het uit. Volgens Deamer kan men stellen dat het leven eigenlijk op Mars is begonnen, omdat het daar als eerste is afgekoeld tot een temperatuur die leven mogelijk maakt.

Of dit nu het geval is of niet, leven elders is zeker haalbaar. Jupiters maan Europa en Saturnus’ maan Enceladus zijn kandidaten omdat ze beide oceanen hebben onder ijzige schillen. Nasa is van plan om in de komende vijf jaar een ruimtesonde naar deze beide manen te sturen om op zoek te gaan naar tekenen van leven. Inzicht in ons eigen oorsprongsverhaal kan ons helpen uit te vinden waar we moeten zoeken.

1 M J Russell, R M Daniel and A J Hall, Terra Nova, 1993, 5, 343 (DOI: 10.1111/j.1365-3121.1993.tb00267.x)

2 W Martin and M J Russell, Philos. Trans. R. Soc. B: Biol. Sci., 2003, 358, 59 (DOI: 10.1098/rstb.2002.1183)

3 L M Barge et al, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 2015, 54, 8184 (DOI: 10.1002/anie.201501663)

4 B Herschy et al, J. Mol. Evol., 2014, 79, 213 (DOI: 10.1007/s00239-014-9658-4)

5 F Klein et al, Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2015, 112, 12036 (DOI: 10.1073/pnas.1504674112)

6 L Da Silva, M C Maurel and D Deamer, J. Mol. Evol., 2015, 80, 86 (DOI: 10.1007/s00239-014-9661-9)

7 M W Powner, B Gerland and J D Sutherland, Nature, 2009, 459, 239 (DOI: 10.1038/nature08013)

8 B H Patel et al, Nat. Chem., 2015, 7, 301 (DOI: 10.1038/nchem.2202)

Dit artikel is overgenomen met toestemming van Chemistry World. Het artikel is voor het eerst gepubliceerd op 16 april 2017.