211service.com
Eerste bewijs dat aminozuren kort na de oerknal werden gevormd
In 1952 reproduceerden de chemici Stanley Miller en Harold Urey op beroemde wijze de omstandigheden die zo'n vier miljard jaar geleden op aarde bestonden. Ze mengden water, ammoniak, methaan en waterstof in een afgesloten kolf, verhitten het en zapten het met vonken om bliksem te simuleren. Het experiment is beroemd omdat binnen een paar dagen de kolf zich begon te vullen met complexe organische moleculen zoals aminozuren, die de bouwstenen van het leven zijn.
De implicaties waren duidelijk. Als de bouwstenen van het leven eenvoudig te produceren zijn, is het leven zelf misschien niet zo moeilijk te maken. Het bracht de voorlopige mogelijkheid naar voren dat leven in het universum kan ontstaan waar de omstandigheden het toelaten.
Sindsdien hebben astronomen bewijs gevonden van dezelfde moleculen op andere planeten, in asteroïden en zelfs in de interstellaire ruimte.
En dat roept een aantal interessante vragen op. Hoe zijn moleculen ontstaan in het universum en wanneer zijn de meer complexe ontstaan? En wat zegt dit over het ontstaan van het leven?
Vandaag krijgen we een antwoord uit het werk van Stuart Kauffman van het Institute for Systems Biology in Seattle en collega's van de Eotvos University in Boedapest. Deze jongens hebben gesimuleerd hoe moleculen gevormd moeten zijn in het vroege heelal en laten zien hoe dit de chemische mix reproduceert die astronomen nu in de ruimte waarnemen. Het werk heeft belangrijke implicaties voor ons begrip van de oorsprong van leven en voor hoe we het in het laboratorium kunnen herscheppen met synthetische biologie.
Eerst wat achtergrond. Op aarde lijkt het leven zo'n vier miljard jaar geleden te zijn begonnen in omstandigheden die heel anders zijn dan die van vandaag. Miller en Urey reproduceerden deze in hun beroemde experiment.
Maar hoe kwam de aarde in de eerste plaats aan deze mix? Astronomen kunnen in de ruimte bewijs zien van eenvoudige moleculen, zoals water en ammoniak, maar ook van complexere zoals polycyclische aromatische koolwaterstoffen en aminozuren. Dus hoe is deze mix tot stand gekomen?
Het brede antwoord is dat de oerknal enorme hoeveelheden waterstof en helium heeft gecreëerd, die in de eerste sterren zijn samengesmolten om zwaardere elementen zoals koolstof, zuurstof en stikstof te creëren. En verdere stervorming smeedde de zwaardere reeks elementen die we vandaag op aarde zien.
Maar de manier waarop deze elementen gecombineerd om moleculen te vormen, is niet duidelijk begrepen. Een reden is dat het aantal mogelijke moleculen enorm is. Het aantal verschillende moleculen neemt superexponentieel toe met de grootte van de verzameling [atomen], zeggen Kauffman en co.
Dus vereenvoudigen ze het probleem door alleen naar de massa van mogelijke moleculen te kijken. Dit is een kleinere groep, en dus gemakkelijker te overwegen, omdat veel verschillende moleculen dezelfde massa kunnen hebben.
De verdeling van moleculen op aarde is een goed uitgangspunt, omdat het de meest chemisch diverse omgeving vertegenwoordigt die de wetenschap kent.
Dus Kauffman en co keken naar de verdeling van molecuulmassa's op aarde, ontleend aan de PubChem-database van meer dan 90 miljoen moleculen, waarvan de overgrote meerderheid natuurlijk is. Deze verdeling piekt bij ongeveer 290 dalton (equivalent in massa aan ongeveer 24 koolstofatomen).
Veel verschillende moleculen hebben echter dezelfde massa. De verdeling heeft ook een lange staart van moleculen met een hoge massa, gemeten in duizenden daltons.
Vervolgens vergeleken de onderzoekers deze verdeling met die in de Murchison-meteoriet, een grote, goed bestudeerde ruimterots die in 1969 op de stad Murchison, Australië, viel.
Uit verschillende analyses blijkt dat dit gesteente maar liefst 58.000 verschillende moleculen bevat. Maar om experimentele redenen kunnen massa's van minder dan 200 dalton en meer dan 2000 dalton niet worden gemeten, dus Kauffman en co moeten deze omissie corrigeren.
De verdeling van de massa in deze moleculen volgt dan een patroon dat vergelijkbaar is met dat in de PubChem-database. De Murchison-distributie piekt rond de 240 dalton en heeft een verlengde staart. Dat is handig omdat de Murchison-meteoriet dateert uit de vorming van het zonnestelsel zo'n vijf miljard jaar geleden, waardoor het een momentopname is van chemische evolutie uit een eerdere tijd.
De kerngedachte in dit artikel is dat door de twee verdelingen te vergelijken, het mogelijk is om te bepalen wanneer complexe moleculen zich eerst moeten hebben gevormd.
Een belangrijk onderdeel van de puzzel is hoe dit distributiepatroon is ontstaan. Om daar achter te komen, bestuderen Kauffman en co de ruimte van alle mogelijke chemicaliën en laten ze zien dat moleculen op twee verschillende manieren kunnen groeien.
In de eerste worden grotere moleculen gevormd uit de reacties van kleinere moleculen in een willekeurige opeenhoping. Daarbij ontstaan na een bepaalde tijd bijna alle mogelijke kleine moleculen en samenstellingen, stellen de onderzoekers.
Willekeurige accumulatie kan echter geen verklaring geven voor de verdeling van zeer grote moleculen. Kauffman en co zeggen dat deze zich in een ander proces moeten vormen, preferentiële gehechtheid genoemd. Peptideketens of polycyclische aromatische koolwaterstoffen worden bijvoorbeeld niet opgebouwd via willekeurige ophoping van atomen, maar voornamelijk uit de ophoping van grotere blokken zoals aminozuren en aromatische ringen, zeggen ze.
De sleutel is dat elk proces leidt tot een andere verdeling. Willekeurige accumulatie veroorzaakt de piek bij 240 dalton van kleine moleculen die zich relatief snel vormen. Preferentiële hechting creëert de lange staart van grotere moleculen, die zich veel later vormen.
Door de relatieve grootte van deze twee verdelingen op de Murchison-meteoriet en op aarde te vergelijken, zou het mogelijk moeten zijn om achteruit te extrapoleren om te bepalen wanneer het proces van preferentiële gehechtheid voor het eerst begon, met andere woorden, wanneer aminozuren voor het eerst in het universum verschenen.
Dat is precies wat Kauffman en co doen. En het antwoord is dat aminozuren voor het eerst verschenen ongeveer 168 miljoen jaar na de oerknal, een oogwenk in kosmologische termen.
Dit alles plaatst het Miller-Urey-experiment in een heel ander perspectief. In plaats van de omstandigheden te simuleren waarin het leven op aarde ontstond, reproduceert dit experiment in feite de omstandigheden waarin aminozuren voor het eerst werden gevormd in het vroege universum. Dit lijkt inderdaad veel eerder te zijn gebeurd dan iemand zich had kunnen voorstellen.
Dat heeft belangrijke implicaties voor ons denken over de oorsprong van het leven. De resultaten suggereren dat de belangrijkste ingrediënten van het leven, zoals aminozuren, nucleotiden en andere sleutelmoleculen, heel vroeg zijn ontstaan, ongeveer 8-9 miljard jaar vóór het leven, zeggen Kauffman en co.
Aangezien de precieze omstandigheden waarin het leven op aarde zich ontwikkelde, er nog acht tot negen miljard jaar over deden om tot stand te komen, kunnen aminozuren helemaal geen teken van levenspotentieel zijn, zoals werd gedacht na het Urey-Miller-experiment. Hun bestaan in monsters is geenszins een directe voorloper van het leven, zeggen Kauffman en co.
Dit verklaart ook waarom pogingen om experimenten zoals die van Urey en Miller over maanden en jaren uit te breiden, nooit iets interessants hebben opgeleverd. Zelfs computersimulaties van de oorsprong van het leven hebben nooit duidelijk bewijs opgeleverd van hoe de stap kan worden gezet van aminozuren naar autokatalytische chemische netwerken en vervolgens naar zelfreproducerende moleculen van het leven.
Dat zet een domper op het idee dat het heelal wemelt van het leven. In plaats daarvan zullen biologen die de oorsprong van het leven bestuderen veel nauwkeuriger moeten kijken naar de speciale omstandigheden waarin biologische - of, zoals Kauffman en co zeggen, post-chemische - evolutie plaatsvindt. De geheimen van het leven zijn gecodeerd in de interacties en postchemische evolutie van deze molecuulfamilies, zeggen ze.
Het is duidelijk dat er veel werk aan de winkel is.
Referentie: http://arxiv.org/abs/1806.06716 : De klok van chemische evolutie