Het leven op de vroege aarde lijkt te zijn begonnen met een paradox:terwijl het leven water nodig heeft als oplosmiddel, de essentiële chemische ruggengraat van vroege levensvormende moleculen valt uiteen in water. Ons universele oplosmiddel, het blijkt, kan zeer corrosief zijn.

Sommigen hebben op deze paradox gewezen als een teken dat leven, of de voorloper van het leven, is elders ontstaan ​​en is hier via kometen of meteorieten aangevoerd. Anderen hebben gezocht naar oplosmiddelen die de noodzakelijke eigenschappen van water zouden kunnen hebben zonder die bindende bijtende werking.

Het oplosmiddel dat de laatste jaren vaak naar voren wordt geschoven als het in aanmerking komende alternatief voor water is formamide, een heldere en matig irriterende vloeistof bestaande uit waterstof, koolstof, stikstof en zuurstof. In tegenstelling tot water, het breekt niet de lange-keten moleculen af ​​die nodig zijn om de nucleïnezuren en eiwitten te vormen die deel uitmaken van de belangrijkste initiële handleiding van het leven, RNA. Ondertussen zet het ook via andere nuttige reacties om in belangrijke verbindingen die nodig zijn om in de eerste plaats nucleïnezuren te maken.

Hoewel formamide veel voorkomt in stervormende gebieden in de ruimte, wetenschappers hebben geworsteld om wegen te vinden om het wijdverbreid te laten zijn, of zelfs lokaal geconcentreerd, op de vroege aarde. In feite, het is tegenwoordig nauwelijks aanwezig op aarde, behalve als een synthetische chemische stof voor bedrijven.

Nieuw onderzoek gepresenteerd door Zachary Adam, een aardwetenschapper aan de Harvard University, en Masashi Aono, een complexe systeemwetenschapper aan het Earth-Life Science Institute (ELSI) aan het Tokyo Institute of Technology, heeft formamide geproduceerd via een verrassende en reproduceerbare route:bombardement met radioactieve deeltjes.

De twee en hun collega's hebben water en een mengsel van twee chemicaliën waarvan bekend is dat ze op de vroege aarde hebben bestaan ​​(waterstofcyanide en waterige acetonitril) blootgesteld aan de hoogenergetische deeltjes die worden uitgestoten door een cilinder van kobalt-60, een kunstmatig geproduceerde radioactieve isotoop die vaak wordt gebruikt bij kankertherapie. Het resultaat, zij rapporteren, was de productie van aanzienlijke hoeveelheden formamide sneller dan eerdere pogingen van onderzoekers met behulp van theoretische modellen en in laboratoriumomgevingen.

Het blijft onduidelijk of de vroege aarde voldoende radioactief materiaal op de juiste plaatsen had om de chemische reacties te veroorzaken die leidden tot de vorming van formamide. En zelfs als de omstandigheden goed waren, wetenschappers kunnen nog niet concluderen dat formamide een belangrijke rol heeft gespeeld bij het ontstaan ​​van leven.

Nog altijd, het nieuwe onderzoek bevordert het bewijs van de mogelijke rol van alternatieve oplosmiddelen en geeft een ander beeld van de basis van het leven. Verder, het suggereert processen die mogelijk ook op andere exoplaneten aan het werk zijn - waar andere oplosmiddelen dan water zouden kunnen, met energie geleverd door radioactieve bronnen, bieden de noodzakelijke setting om eenvoudige verbindingen om te zetten in veel complexere bouwstenen.

"Stel je voor dat het leven op waterbasis werd voorafgegaan door volledig unieke netwerken van op elkaar inwerkende moleculen die ongeveer maar waren verschillend van en volgden verschillende chemische regels, dan het leven zoals we het kennen, " zei Aad.

Hun werk werd gepresenteerd op recente bijeenkomsten van de International Society for the Study of the Origin of Life, en de Astrobiology Science Conference.

Alles op een rijtje

Het team van Adam en Aono zijn niet de eersten die de formamide-hypothese naar voren brengen als een oplossing voor de waterparadox, en ze zijn ook niet de eersten die een rol opwerpen voor hoge energie, radioactieve deeltjes in de oorsprong van het leven.

Een Italiaans team onder leiding van Rafaelle Saladino van de Tuscia University heeft onlangs formamide voorgesteld als een chemische stof die de noodzakelijke elementen voor het leven zou leveren en de 'waterparadox' zou vermijden. Sinds de tijd dat Marie Curie het fenomeen radioactiviteit beschreef, wetenschappers hebben ontelbare manieren voorgesteld waarop de emissie van deeltjes-afstotende atoomkernen een rol zou kunnen hebben gespeeld, groot of klein, bij het initiëren van het leven op aarde.

Formamide en radioactiviteit samenvoegen, zoals Adam en Aono hebben gedaan, is een potentieel belangrijke stap voorwaarts, hoewel een die diepere studie nodig heeft.

"Als we formamide als oplosmiddel hebben, die voorlopermoleculen kunnen stabiel worden gehouden, een soort wieg om zeer interessante producten te bewaren, " zei Aono, die is verhuisd naar de in Tokio gevestigde Keio University terwijl hij fellow bij ELSI bleef.

Het experiment met kobalt-60 begon niet als een zoektocht naar een manier om de productie van formamide te concentreren. Liever, Adam keek meer in het algemeen naar de effecten van gammastraling op een verscheidenheid aan moleculen en oplosmiddelen, terwijl Aono radioactieve bronnen verkende voor een rol in het ontstaan ​​van leven.

De twee kwamen enigszins toevallig samen op ELSI, een onderzoekscentrum voor de oorsprong van het leven, opgericht door de Japanse regering. ELSI is ontworpen als een plek voor wetenschappers van over de hele wereld en uit veel verschillende disciplines om enkele van de notoir moeilijke problemen in de oorsprong van onderzoek naar het leven aan te pakken. Bij ELSI, Adam, die in de Verenigde Staten geen locaties hadden kunnen beveiligen om laboratoriumtests uit te voeren, hoorde van Aono over een spaarzaam gebruikt (en gratis) kobalt-60-lab; ze begonnen prompt samen te werken.

Het is bekend dat de vroege aarde werd gebombardeerd door hoogenergetische kosmische deeltjes en gammastraling. Zo is het feit dat talrijke elementen (aluminium-26, ijzer-60, jodium-129) hebben bestaan ​​als radioactieve isotopen die minuten tot millennium straling kunnen uitzenden, en dat deze isotopen op de vroege aarde vaker voorkwamen dan tegenwoordig. Inderdaad, de drie hierboven genoemde zijn nu uitgestorven op aarde, of bijna uitgestorven, in hun natuurlijke vormen

Minder bekend is de aanwezigheid van "natuurlijke kernreactoren" als locaties waar een hoge concentratie uranium in aanwezigheid van water heeft geleid tot zelfvoorzienende kernsplijting. Er is slechts één zo'n plek gevonden — in de Oklo-regio van de Afrikaanse natie Gabon — waar verbruikt radioactief materiaal werd geïdentificeerd op 16 afzonderlijke locaties. Wetenschappers kwamen uiteindelijk tot de conclusie dat er zo'n 2 miljard jaar geleden wijdverbreide natuurlijke kernreacties plaatsvonden in de regio.

Dat tijdsbestek zou betekenen dat de site actief zou zijn geweest lang nadat het leven op aarde was begonnen, maar het is een potentieel proof-of-concept van wat al lang ergens anders had kunnen bestaan.

Reacties van dichtbij

Adam en Aono blijven onwetend over waar de formamide-producerende radioactieve deeltjes vandaan kwamen. Maar ze zijn ervan overtuigd dat het heel goed mogelijk is dat dergelijke reacties hebben plaatsgevonden en hebben bijgedragen aan het creëren van een omgeving waarin elk van de voorlopers van de ruggengraat van RNA gemakkelijk van dichtbij te vinden is.

Het huidige wetenschappelijke denken over hoe formamide op aarde verscheen, richt zich op beperkte aankomst via asteroïde-inslagen of door de concentratie van de chemische stof in verdampte water-formamidemengsels in woestijnachtige omstandigheden. Adam erkent dat de heersende wetenschappelijke consensus wijst op lage hoeveelheden formamide op de vroege aarde.

"We proberen niet het tegendeel te beweren, " hij zei, "maar we proberen te zeggen dat het er misschien niet toe doet."

Als u een unieke plek (of plaatsen) op aarde heeft die door middel van radiolyse gedurende een lange periode aanzienlijke hoeveelheden formamide produceert, dan bestaat er een kans voor het ontstaan ​​van een unieke chemie die de productie van essentiële voorloperverbindingen voor het leven kan ondersteunen, zei Adam.

"Dus, het argument verschuift dan naar - hoe waarschijnlijk was het dat deze unieke plek bestond? We hebben maar één speciale locatie op de hele planeet nodig om aan deze omstandigheden te voldoen, " hij zei.

Daarna, het in gang gezet systeem zou de mogelijkheid hebben om de chemische bouwstenen van het leven samen te brengen.

"Dat is de mogelijkheid die we de komende jaren graag onderzoeken, ' zei Adam.

James Kleef, een organisch chemicus ook bij ELSI en een co-auteur van het kobalt-60 papier, terwijl de productie van formamide uit veel eenvoudigere verbindingen vooruitgang betekent, "Er zijn geen zilveren kogels in de oorsprong van levenswerk. We verzamelen feiten zoals deze, en dan zien waar ze toe leiden."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NASA's Astrobiology Magazine. Verken de aarde en daarbuiten op www.astrobio.net.