Primitieve vijvers hebben mogelijk een geschikte omgeving geboden voor het brouwen van de eerste levensvormen op aarde, meer dan oceanen, een nieuwe MIT-studie vindt.

Onderzoekers melden dat ondiepe wateren, in de orde van 10 centimeter diep, zou hoge concentraties kunnen bevatten van wat volgens veel wetenschappers een belangrijk ingrediënt is voor een nieuw leven op aarde:stikstof.

In ondiepe vijvers, stikstof, in de vorm van stikstofoxiden, zou een goede kans hebben gehad om genoeg te accumuleren om met andere verbindingen te reageren en de eerste levende organismen te doen ontstaan. In veel diepere oceanen, stikstof zou het moeilijker hebben gehad om een ​​significante, levenskatalyserende aanwezigheid, zeggen de onderzoekers.

"Onze algemene boodschap is, als je denkt dat de oorsprong van het leven vaste stikstof vereiste, zoals veel mensen doen, dan is het moeilijk om de oorsprong van het leven in de oceaan te laten plaatsvinden, " zegt hoofdauteur Sukrit Ranjan, een postdoc bij MIT's Department of Earth, Atmosferische en Planetaire Wetenschappen (EAPS). "Het is veel gemakkelijker om dat in een vijver te laten gebeuren."

Ranjan en zijn collega's hebben hun resultaten vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Geochemie, Geofysica, Geosystemen . De co-auteurs van het artikel zijn Andrew Babbin, de Doherty-assistent-professor in Ocean Utilization in EAPS, samen met Zoe Todd en Dimitar Sasselov van Harvard University, en Paul Rimmer aan de universiteit van Cambridge.

Een band verbreken

Als het primitieve leven inderdaad voortkwam uit een sleutelreactie waarbij stikstof betrokken was, er zijn twee manieren waarop wetenschappers denken dat dit had kunnen gebeuren. De eerste hypothese betreft de diepe oceaan, waar stikstof, in de vorm van stikstofoxiden, had kunnen reageren met kooldioxide dat uit hydrothermale bronnen borrelde, om de eerste moleculaire bouwstenen van het leven te vormen.

De tweede op stikstof gebaseerde hypothese voor het ontstaan ​​van leven omvat RNA – ribonucleïnezuur, een molecuul dat tegenwoordig helpt bij het coderen van onze genetische informatie. In zijn primitieve vorm, RNA was waarschijnlijk een vrij zwevend molecuul. Bij contact met stikstofoxiden, sommige wetenschappers geloven, RNA zou chemisch kunnen zijn geïnduceerd om de eerste moleculaire ketens van het leven te vormen. Dit proces van RNA-vorming kan zowel in de oceanen als in ondiepe meren en vijvers hebben plaatsgevonden.

Stikstofoxiden werden waarschijnlijk afgezet in waterlichamen, inclusief oceanen en vijvers, als overblijfselen van de afbraak van stikstof in de atmosfeer van de aarde. Atmosferische stikstof bestaat uit twee stikstofmoleculen, verbonden via een sterke drievoudige binding, die alleen kan worden verbroken door een extreem energetische gebeurtenis, namelijk bliksem.

"Bliksem is als een heel intense bom die afgaat, " zegt Ranjan. "Het produceert genoeg energie om die drievoudige binding in ons atmosferische stikstofgas te verbreken. om stikstofoxiden te produceren die vervolgens in waterlichamen kunnen regenen."

Wetenschappers geloven dat er genoeg blikseminslag door de vroege atmosfeer kan zijn geweest om een ​​overvloed aan stikstofoxiden te produceren om de oorsprong van het leven in de oceaan te voeden. Ranjan zegt dat wetenschappers ervan uit zijn gegaan dat deze aanvoer van door bliksem gegenereerde stikstofoxiden relatief stabiel was zodra de verbindingen in de oceanen terechtkwamen.

Echter, in deze nieuwe studie hij identificeert twee belangrijke "putten, " of effecten die een aanzienlijk deel van de stikstofoxiden hadden kunnen vernietigen, vooral in de oceanen. Hij en zijn collega's keken door de wetenschappelijke literatuur en ontdekten dat stikstofoxiden in water kunnen worden afgebroken via interacties met het ultraviolette licht van de zon, en ook met opgelost ijzer dat is afgestoten van primitieve oceanische rotsen.

Ranjan zegt dat zowel ultraviolet licht als opgelost ijzer een aanzienlijk deel van de stikstofoxiden in de oceaan kunnen hebben vernietigd. de verbindingen terug de atmosfeer in sturen als gasvormige stikstof.

"We hebben laten zien dat als je deze twee nieuwe spoelbakken meetelt waar mensen nog niet eerder aan hadden gedacht, dat de concentraties stikstofoxiden in de oceaan met een factor 1 onderdrukt 000, ten opzichte van wat mensen eerder berekenden, ' zegt Ranjan.

"Een kathedraal bouwen"

In de oceaan, ultraviolet licht en opgelost ijzer zouden stikstofoxiden veel minder beschikbaar hebben gemaakt voor het synthetiseren van levende organismen. In ondiepe vijvers, echter, het leven zou een betere kans hebben gehad om grip te krijgen. Dat komt vooral omdat vijvers veel minder volume hebben waarover verbindingen kunnen worden verdund. Als resultaat, stikstofoxiden zouden zich in vijvers tot veel hogere concentraties hebben opgehoopt. Elke "wastafels, " zoals UV-licht en opgelost ijzer, zou minder effect hebben gehad op de totale concentraties van de verbinding.

Ranjan zegt hoe ondieper de vijver, hoe groter de kans dat stikstofoxiden zouden moeten interageren met andere moleculen, en in het bijzonder RNA, om de eerste levende organismen te katalyseren.

"Deze vijvers hadden 10 tot 100 centimeter diep kunnen zijn, met een oppervlakte van tientallen vierkante meters of groter, " zegt Ranjan. "Ze zouden tegenwoordig vergelijkbaar zijn met Don Juan Pond op Antarctica, die een zomerseizoensdiepte heeft van ongeveer 10 centimeter."

Dat lijkt misschien niet een significante hoeveelheid water, maar hij zegt dat dat precies het punt is:in omgevingen die dieper of groter zijn, stikstofoxiden zouden gewoon te verdund zijn geweest, het uitsluiten van elke deelname aan de chemie van de oorsprong van het leven. Andere groepen schatten dat ongeveer 3,9 miljard jaar geleden, net voordat de eerste tekenen van leven op aarde verschenen, er kunnen wereldwijd ongeveer 500 vierkante kilometer ondiepe vijvers en meren zijn geweest.

"Dat is heel klein, vergeleken met de hoeveelheid merengebied die we vandaag hebben, " zegt Ranjan. "Echter, in verhouding tot de hoeveelheid oppervlakte die prebiotische chemici veronderstellen die nodig is om het leven op gang te krijgen, het is voldoende."

Het debat over de vraag of het leven is ontstaan ​​in vijvers versus oceanen is niet helemaal opgelost, maar Ranjan zegt dat de nieuwe studie een overtuigend bewijs levert voor de eerste.

"Deze discipline is minder als het omverwerpen van een rij dominostenen, en meer als het bouwen van een kathedraal, " zegt Ranjan. "Er is geen echt 'aha'-moment. Het is meer alsof je geduldig de ene observatie na de andere opbouwt, en het beeld dat naar voren komt is dat over het algemeen, veel prebiotische syntheseroutes lijken chemisch gemakkelijker in vijvers dan oceanen."