Er wordt aangenomen dat kleine gasbelletjes in het poreuze gesteente rond warmwaterbronnen een belangrijke rol hebben gespeeld bij het ontstaan ​​van het leven. Temperatuurverschillen op het grensvlak tussen vloeibare fasen zouden daarom prebiotische chemische evolutie kunnen hebben geïnitieerd.

Een overvloed aan fysisch-chemische processen moet de omstandigheden hebben gecreëerd waardoor levende systemen op de vroege aarde konden ontstaan. Met andere woorden, het tijdperk van biologische evolutie moet zijn voorafgegaan door een - vermoedelijk langdurige - fase van 'prebiotische' chemische evolutie, tijdens welke de eerste informatieve moleculen die in staat zijn zichzelf te repliceren werden geassembleerd en geselecteerd. Dit scenario roept meteen een andere vraag op:onder welke omgevingsomstandigheden zou prebiotische evolutie hebben plaatsgevonden? Een mogelijke setting is al lang besproken en onderzocht:kleine poriën in vulkanisch gesteente. Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van Dieter Braun (hoogleraar Systems Biophysics aan de Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) in München) heeft nu de water-lucht-interfaces in deze poriën onder de loep genomen. Ze vormen zich spontaan bij met gas gevulde bellen en vertonen een interessante combinatie van effecten.

Ze ontdekten dat ze een belangrijke rol hadden kunnen spelen bij het faciliteren van de fysisch-chemische interacties die bijdroegen aan het ontstaan ​​van leven. specifiek, Braun en zijn collega's vroegen of dergelijke interfaces het soort chemische reacties hadden kunnen stimuleren die de eerste stadia van prebiotische chemische evolutie veroorzaakten. Hun bevindingen verschijnen in het toonaangevende tijdschrift Natuurchemie .

De studie ondersteunt sterk het idee dat kleine met gas gevulde bubbels die vastzaten in, en reageerde met de oppervlakten van poriën in vulkanisch gesteente zouden inderdaad de vorming van de chemische netwerken kunnen hebben versneld die uiteindelijk aanleiding gaven tot de eerste cellen. Dus, de auteurs waren in staat om de faciliterende effecten van lucht-water-interfaces op de relevante chemische reacties experimenteel te verifiëren en te karakteriseren. Als er een temperatuurverschil is langs het oppervlak van zo'n bel, water zal de neiging hebben om aan de warmere kant te verdampen en aan de koelere kant te condenseren, net zoals een regendruppel die op een raam valt, langs het vlakke oppervlak van het glas naar beneden loopt en uiteindelijk verdampt. "In principe, dit proces kan tot in het oneindige worden herhaald, omdat het water continu wisselt tussen de gasvormige en de vloeibare fase, " zegt Braun, die het mechanisme en de onderliggende fysieke processen in detail heeft gekarakteriseerd, samen met zijn promovendus Matthias Morasch en andere leden van zijn onderzoeksgroep. Het gevolg van dit cyclische fenomeen is dat moleculen zich ophopen tot zeer hoge concentraties aan de warmere kant van de bel.

"We begonnen met een reeks metingen van reactiesnelheden onder verschillende omstandigheden, om de aard van het onderliggende mechanisme te karakteriseren, ", zegt Morasch. Het fenomeen bleek verrassend effect en robuust te zijn. Zelfs kleine moleculen konden tot hoge niveaus worden geconcentreerd. "Vervolgens hebben we een hele reeks fysische en chemische processen getest, die een centrale rol moeten hebben gespeeld bij het ontstaan ​​van het leven - en ze werden allemaal aanzienlijk versneld of mogelijk gemaakt onder de omstandigheden die heersen op het grensvlak tussen lucht en water." Het onderzoek profiteerde van interacties tussen de groep biofysici van Braun en de specialisten in disciplines als scheikunde en geologie die met hem samenwerken in het Collaborative Research Centre (SFB/TRR) aan de Origin of Life (gefinancierd door de DFG), en uit samenwerkingen met leden van internationale teams.

Bijvoorbeeld, de LMU-onderzoekers laten zien dat fysisch-chemische processen die de vorming van polymeren bevorderen, ofwel worden gestimuleerd - of in de eerste plaats mogelijk gemaakt - door de beschikbaarheid van een grensvlak tussen de waterige omgeving en de gasfase, wat de snelheid van chemische reacties en katalytische mechanismen aanzienlijk verhoogt. In feite, bij dergelijke experimenten, moleculen konden tot hoge concentraties worden geaccumuleerd in lipidemembranen wanneer de onderzoekers de juiste chemische bestanddelen toevoegden. "The vesicles produced in this way are not perfect. But the finding nevertheless suggests how the first rudimentary protocells and their outer membranes might have been formed, " says Morasch.

Whether or not this sort of process can take place in such vesicles "does not depend on the nature of the gas within the bubble. What is important is that, owing to differences in temperature, the water can evaporate in one location and condense in another, " Braun explains. In earlier work, his group has already described a different mechanism by which temperature differences in water bodies can serve to concentrate molecules. "Our explanatory model enables both effects to be combined, which would enhance the concentrating effect and thus increase the efficiency of prebiotic processes, " hij voegt toe.