De chemische voorlopers van de huidige biomoleculen zouden zich niet alleen in de diepzee bij hydrothermale bronnen kunnen hebben gevormd, maar ook in warme vijvers op het aardoppervlak. De chemische reacties die mogelijk in deze "oersoep" hebben plaatsgevonden, zijn nu gereproduceerd in experimenten door een internationaal team onder leiding van onderzoekers van de Friedrich Schiller University Jena, Duitsland. Ze ontdekten zelfs dat een van de nucleobasen, die de code van ons genetisch materiaal vertegenwoordigen, afkomstig zou kunnen zijn van het oppervlak van onze planeet.

De aarde is zo'n 4,6 miljard jaar oud en was niet altijd een plek die gastvrij was voor leven. In de eerste honderd miljoen jaar bestond de atmosfeer van onze planeet voornamelijk uit stikstof, koolstofdioxide, methaan, waterstofsulfide en waterstofcyanide, ook wel blauwzuur genoemd. Vrije zuurstof bestond niet. Onder deze omstandigheden is ijzersulfide, dat bij blootstelling aan zuurstof wordt omgezet in ijzeroxide, stabiel. Op het oppervlak van ijzersulfide kunnen echter biologisch belangrijke reacties plaatsvinden, vergelijkbaar met die van bepaalde op ijzer en zwavel gebaseerde enzymen, zoals stikstofasen en hydrogenasen.

Een toevallige herontdekking maakte het mogelijk

"We vroegen ons af:wat gebeurt er als ijzersulfide in deze oeratmosfeer in contact komt met blauwzuur?" legt prof. Wolfgang Weigand van het Instituut voor Anorganische en Analytische Chemie van de Universiteit van Jena uit.

"Het was nuttig voor ons dat we per ongeluk een bijzonder reactieve vorm van ijzersulfide hadden ontdekt in een succesvolle samenwerking met mijn collega Prof. Christian Robl. Deze vorm was al twee keer in de geschiedenis ontdekt en elke keer werd het weer vergeten:een keer in 1700 en opnieuw in de jaren 1920. Om zo te zeggen, de twee doctoraatsstudenten van die tijd, Robert Bolney en Mario Grosch, ontdekten het voor de derde keer", voegt hij eraan toe.

De twee chemici observeerden in het laboratorium dat wanneer ijzerpoeder wordt geroerd met zwavel in water en licht verwarmd, na een bepaalde tijd ijzersulfide wordt gevormd als mackinawiet in een explosieve reactie. Dit mineraal diende als katalysator in het experiment "oersoep".

Een letter van de genetische code kan op deze manier zijn gemaakt

"We voegden kaliumcyanide, fosforzuur en water toe aan het ijzersulfide in een stikstofatmosfeer en verwarmden het mengsel tot 80 graden Celsius. Het fosforzuur zet het kaliumcyanide om in blauwzuur. Vervolgens namen we gasmonsters uit de atmosfeer van de respectievelijke vaten en analyseerde ze", legt Weigand uit. De onderzoekers vonden stoffen die mogelijk hebben gediend als chemische voorlopers voor de huidige biomoleculen.

In het tijdschrift ChemSystemsChem , bevestigt het team onder meer de ontdekking van thiolen, die als lipiden in celmembranen voorkomen, evenals acetaldehyde, dat nodig is als voorloper voor DNA-bouwstenen (nucleosiden genaamd). "Het was bijzonder opwindend dat we onder deze milde omstandigheden zelfs adenine konden detecteren, een nucleobase die een van de vijf letters van de genetische code is", zegt Weigand.

Door middel van isotopenlabeling kon het team bewijzen dat het cyanide inderdaad de koolstof leverde voor de gevonden moleculen. Weigand legt uit:"In dit experiment bevatte het kaliumcyanide niet de isotoop koolstof-12, de isotoop die verantwoordelijk is voor 98,9% van de koolstof die van nature in het milieu voorkomt. In plaats daarvan was het de zwaardere - en ook stabiele - isotoop koolstof -13. Het was deze isotoop die we vonden in de reactieproducten. Op deze manier konden we ondubbelzinnig bewijzen dat de koolstofatomen in de moleculen die we vonden echt afkomstig waren van het isotoop-gelabelde kaliumcyanide."

Tientallen jaren van verbeeldingskracht en geduld

Weigand is bijzonder dankbaar voor de medewerking van het hele internationale team:"Je hebt echt verbeeldingskracht en geduld nodig voor dergelijk werk", zegt hij. "En dat hebben Robert Bolney en Mario Grosch bewezen. Ook de samenwerking met onze collega's van de University of California, Irvine en LMU München was voorbeeldig."

Het belang van verbeeldingskracht en vooral geduld in de wetenschap wordt geïllustreerd door Wolfgang Weigand zelf. Omdat hij in 2003 de Thüringer Onderzoeksprijs ontving samen met Prof. Günter Kreisel van de Universiteit van Jena en Dr. Willi Brand van het Max Planck Instituut voor Biogeochemie Jena voor zijn paper "Een mogelijke prebiotische vorming van ammoniak uit moleculaire stikstof op ijzersulfide oppervlakken."

Nu - bijna 20 jaar later - heeft Weigand ook kunnen aantonen dat de eerste koolstofverbindingen, waaruit later leven ontstond, zich onder deze omstandigheden zouden kunnen hebben gevormd uit cyanide op het aardoppervlak. + Verder verkennen

Waterstof produceren met minder energie