Ongeveer 4 miljard jaar geleden, De aarde was een onherbergzame plaats, zonder zuurstof, vol vulkaanuitbarstingen, en gebombardeerd door asteroïden, zonder tekenen van leven in zelfs de eenvoudigste vormen. Maar ergens in deze chaotische periode, de chemie van de aarde keerde zich in het voordeel van het leven, aanleiding geven, hoe onwaarschijnlijk ook, tot de allereerste organismen van de planeet.

Wat was de aanleiding voor dit cruciale keerpunt? Hoe verzamelden levende organismen zich in zo'n vluchtige wereld? En wat waren de chemische reacties die de eerste aminozuren deden ontstaan, eiwitten, en andere bouwstenen van het leven? Dit zijn enkele van de vragen waar onderzoekers zich al tientallen jaren mee bezig houden om de oorsprong van het leven op aarde te achterhalen.

Nu hebben planetaire wetenschappers van het MIT en het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics de belangrijkste ingrediënten geïdentificeerd die in grote concentraties aanwezig waren rond de tijd dat de eerste organismen op aarde verschenen.

De onderzoekers ontdekten dat een klasse van moleculen die sulfidische anionen worden genoemd, overvloedig aanwezig kan zijn in de meren en rivieren van de aarde. Dat berekenen ze, ongeveer 3,9 miljard jaar geleden, uitbarstende vulkanen stootten enorme hoeveelheden zwaveldioxide uit in de atmosfeer, die uiteindelijk bezonken en oplosten in water als sulfidische anionen, met name sulfieten en bisulfieten. Deze moleculen hadden waarschijnlijk de kans om zich op te hopen in ondiepe wateren zoals meren en rivieren.

"In ondiepe meren, we ontdekten dat deze moleculen een onvermijdelijk onderdeel van de omgeving zouden zijn geweest, " zegt Sukrit Ranjan, een postdoc bij MIT's Department of Earth, Atmosferische en planetaire wetenschappen. "Of ze een integraal onderdeel waren van de oorsprong van het leven, is iets dat we proberen uit te werken."

Voorlopig werk door Ranjan en zijn medewerkers suggereert dat sulfidische anionen de chemische reacties zouden hebben versneld die nodig zijn om zeer eenvoudige prebiotische moleculen om te zetten in RNA, een genetische bouwsteen van het leven.

"Voorafgaand aan dit werk, mensen hadden geen idee welke niveaus van sulfidische anionen aanwezig waren in natuurlijke wateren op de vroege aarde; nu weten we wat ze waren, ", zegt Ranjan. "Dit verandert onze kennis van de vroege aarde fundamenteel en heeft directe gevolgen gehad voor laboratoriumonderzoek naar de oorsprong van het leven."

Ranjan en zijn collega's publiceerden hun resultaten vandaag in het tijdschrift Astrobiologie .

Het vroege stadium van de aarde instellen

in 2015, scheikundigen van de universiteit van Cambridge, onder leiding van John Sutherland, die een co-auteur is van de huidige studie, een manier ontdekt om de voorlopers van RNA te synthetiseren met alleen waterstofcyanide, waterstofsulfide, en ultraviolet licht - alle ingrediënten waarvan wordt gedacht dat ze op de vroege aarde beschikbaar waren, vóór het verschijnen van de eerste levensvormen.

Vanuit een scheikundig oogpunt, het geval van de onderzoekers was overtuigend:de chemische reacties die ze in het laboratorium uitvoerden, overwonnen langdurige chemische uitdagingen, om met succes de genetische bouwstenen tot leven te brengen. Maar vanuit een planetair wetenschappelijk standpunt, het was onduidelijk of dergelijke ingrediënten voldoende overvloedig zouden zijn geweest om de eerste levende organismen een vliegende start te geven.

Bijvoorbeeld, kometen moeten mogelijk continu naar beneden regenen om voldoende waterstofcyanide naar het aardoppervlak te brengen. In de tussentijd, waterstofsulfide, die in grote hoeveelheden zouden zijn vrijgekomen door vulkaanuitbarstingen, zou grotendeels in de atmosfeer zijn gebleven, omdat het molecuul relatief onoplosbaar is in water, en zou daarom geen regelmatige kansen hebben gehad om met waterstofcyanide in wisselwerking te staan.

In plaats van de oorsprong-van-het-leven-puzzel te benaderen vanuit een scheikundig perspectief, Ranjan bekeek het vanuit een planetair perspectief, proberen de werkelijke omstandigheden te identificeren die op de vroege aarde zouden kunnen hebben bestaan, rond de tijd dat de eerste organismen verschenen.

"Het veld van de oorsprong van het leven wordt van oudsher geleid door chemici, die chemische paden proberen te vinden en zien hoe de natuur heeft kunnen werken om ons de oorsprong van het leven te geven, " zegt Ranjan. "Dat doen ze echt geweldig. Wat ze niet zo gedetailleerd doen, is, ze vragen niet hoe de omstandigheden op de vroege aarde waren vóór het leven? Zouden de scenario's die ze aanhalen echt zijn gebeurd? Ze weten niet zo goed wat het decor was."

De ingrediënten voor het leven aanzwengelen

In augustus 2016, Ranjan hield een lezing op de universiteit van Cambridge over vulkanisme op Mars en de soorten gassen die zouden zijn uitgestoten door dergelijke uitbarstingen in de zuurstofloze atmosfeer van de rode planeet. Chemici tijdens de lezing realiseerden zich dat dezelfde algemene omstandigheden op aarde zouden hebben plaatsgevonden vóór het begin van het leven.

"Ze namen afstand van die [praat] dat, op de vroege aarde, je hebt niet veel zuurstof, maar je hebt wel zwaveldioxide van vulkanisme, " herinnert Ranjan zich. "Als gevolg daarvan, je zou sulfieten moeten hebben. En ze zeiden, 'Kun je ons vertellen hoeveel van dit molecuul er zou zijn geweest?' En dat is wat we wilden beperken."

Om dit te doen, hij begon met een eerder door Sara Seager ontwikkeld vulkanismemodel, MIT's Class of 1941 hoogleraar Planetaire Wetenschappen, en haar voormalige afgestudeerde student Renyu Hu.

"Ze deden een onderzoek waarin ze vroegen, 'Stel dat je de aarde neemt en de hoeveelheid vulkanisme erop verhoogt. Welke gasconcentraties krijg je in de atmosfeer?'", zegt Ranjan.

Hij raadpleegde het geologische record om de hoeveelheid vulkanisme te bepalen die waarschijnlijk ongeveer 3,9 miljard jaar geleden plaatsvond, rond de tijd dat men denkt dat de eerste levensvormen zijn verschenen, zocht vervolgens de soorten en concentraties van gassen op die deze hoeveelheid vulkanisme zou hebben geproduceerd volgens de berekeningen van Seager en Hu.

Volgende, hij schreef een eenvoudig waterig geochemisch model om te berekenen hoeveel van deze gassen zouden zijn opgelost in ondiepe meren en reservoirs - omgevingen die gunstiger zouden zijn geweest voor het concentreren van levensvormende reacties, versus uitgestrekte oceanen, waar moleculen gemakkelijk kunnen verdwijnen.

interessant, hij raadpleegde de literatuur over een nogal onverwacht onderwerp terwijl hij deze berekeningen uitvoerde:wijnmaken - een wetenschap die inhoudt, gedeeltelijk, oplossen van zwaveldioxide in water om sulfieten en bisulfieten te produceren onder zuurstofloze omstandigheden vergelijkbaar met die op de vroege aarde.

"Toen we aan dit papier werkten, veel van de constanten en gegevens die we eruit haalden, waren afkomstig uit de tijdschriften over wijnchemie, omdat we hier op de moderne aarde zuurstofloze omgevingen hebben, " Zegt Ranjan. "Dus we namen aspecten van wijnchemie en vroegen:'Stel dat we x hoeveelheid zwaveldioxide hebben. Hoeveel daarvan lost op in water, en wat wordt het dan?'"

Overspraak in de gemeenschap

uiteindelijk, hij vond dat, terwijl vulkaanuitbarstingen enorme hoeveelheden zowel zwaveldioxide als waterstofsulfide in de atmosfeer zouden hebben gespuwd, het was de eerste die gemakkelijker oploste in ondiepe wateren, produceren van grote concentraties van sulfidische anionen, in de vorm van sulfieten en bisulfieten.

"Tijdens grote vulkaanuitbarstingen, u zou tot millimolaire niveaus van deze verbindingen kunnen hebben gehad, dat gaat over de concentraties van deze moleculen op laboratoriumniveau, in de meren, " zegt Ranjan. "Dat is een gigantisch bedrag."

De nieuwe resultaten wijzen op sulfieten en bisulfieten als een nieuwe klasse van moleculen - die eigenlijk op de vroege aarde beschikbaar waren - die chemici nu in het laboratorium kunnen testen, om te zien of ze uit deze moleculen de voorlopers voor het leven kunnen synthetiseren.

Vroege experimenten onder leiding van Ranjan's collega's suggereren dat sulfieten en bisulfieten inderdaad de vorming van biomoleculen hebben aangemoedigd. Het team voerde chemische reacties uit om ribonucleotiden te synthetiseren met sulfieten en bisulfieten, versus met hydrosulfide, en ontdekte dat de eerste in staat waren om 10 keer sneller ribonucleotiden en verwante moleculen te produceren dan de laatste, en tegen hogere opbrengsten. Er is meer werk nodig om te bevestigen of sulfidische anionen inderdaad vroege ingrediënten waren bij het brouwen van de eerste levensvormen, maar het lijdt nu weinig twijfel dat deze moleculen deel uitmaakten van het prebiotische milieu.

Voor nu, Volgens Ranjan bieden de resultaten nieuwe mogelijkheden voor samenwerking.

"Dit toont aan dat mensen in de planetaire wetenschappelijke gemeenschap en de oorsprong van het leven-gemeenschap met elkaar moeten praten, " zegt Ranjan. "Het is een voorbeeld van hoe kruisbestuiving tussen disciplines echt simpele maar robuuste en belangrijke inzichten kan opleveren."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.