Hoe zijn de chemicaliën die nodig zijn voor het leven daar terechtgekomen? Er wordt al lang gedebatteerd over de vraag hoe de ogenschijnlijk toevallige omstandigheden voor het leven in de natuur zijn ontstaan, waarbij veel hypothesen op een dood spoor zijn beland. Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben nu echter gemodelleerd hoe deze omstandigheden kunnen optreden, waarbij ze de noodzakelijke ingrediënten voor het leven in aanzienlijke hoeveelheden produceren.

Het leven wordt beheerst door moleculen die eiwitten, fosfolipiden en nucleotiden worden genoemd. Uit eerder onderzoek blijkt dat bruikbare moleculen die stikstof bevatten, zoals nitrillen, cyaanacetyleen (HC₃ N) en waterstofcyanide (HCN) – en isonitrilen – isocyanide (HNC) en methylisocyanide (CH₃ NC) – kan worden gebruikt om deze bouwstenen van het leven te maken. Tot nu toe is er echter geen duidelijke manier om deze allemaal in dezelfde omgeving in substantiële hoeveelheden te maken.

Dat blijkt uit een recente studie gepubliceerd in Life heeft de groep nu ontdekt dat via een proces dat bekend staat als grafitisering theoretisch aanzienlijke hoeveelheden van deze nuttige moleculen kunnen worden gemaakt. Als het model experimenteel kan worden geverifieerd, suggereert dit dat het proces een waarschijnlijke stap was voor de vroege aarde op haar reis naar leven.

Waarom is de kans groter dat dit proces heeft plaatsgevonden dan andere?

Een groot deel van het probleem met eerdere modellen is dat er naast de nitrillen een reeks andere producten worden gemaakt. Dit zorgt voor een rommelig systeem dat de vorming van leven belemmert.

"Een groot deel van het leven is eenvoud", zegt dr. Paul Rimmer, assistent-professor experimentele astrofysica aan het Cavendish Laboratory, en co-auteur van de studie. "Het is orde. Het komt met een manier om een ​​deel van de complexiteit weg te nemen door te controleren wat de chemie kan gebeuren."

We verwachten niet dat leven wordt geproduceerd in een rommelige omgeving. Het fascinerende is dus hoe grafitisering zelf het milieu reinigt, aangezien het proces uitsluitend deze nitrillen en isonitrilen creëert, met voornamelijk inerte bijproducten.

"Eerst dachten we dat dit alles zou bederven, maar eigenlijk maakt het alles zoveel beter. Het zuivert de chemie", aldus Rimmer.

Dit betekent dat grafitisering de eenvoud zou kunnen bieden waar wetenschappers naar op zoek zijn, en de schone omgeving die nodig is voor het leven.

Hoe werkt het proces?

De Hadeïsche eeuw was de vroegste periode in de geschiedenis van de aarde, toen de aarde heel anders was dan onze moderne aarde. Inslagen met puin, soms zo groot als planeten, waren niet ongehoord. De studie gaat ervan uit dat toen de vroege aarde ongeveer 4,3 miljard jaar geleden werd getroffen door een object dat ongeveer zo groot was als de maan, het ijzer dat het bevatte reageerde met water op aarde.

“Iets ter grootte van de maan raakte de vroege aarde, en er zou een grote hoeveelheid ijzer en andere metalen zijn afgezet”, zegt co-auteur Dr. Oliver Shorttle, hoogleraar natuurfilosofie aan het Institute of Astronomy en Department of Earth Sciences in Cambridge.

De producten van de ijzer-waterreactie condenseren tot een teer op het aardoppervlak. De teer reageert vervolgens met magma bij een temperatuur van meer dan 1500°C en de koolstof in de teer wordt grafiet – een zeer stabiele vorm van koolstof – wat we gebruiken in moderne potloodstiften.

"Zodra het ijzer met het water reageert, vormt zich een mist die zou zijn gecondenseerd en vermengd met de aardkorst. Bij verhitting blijven, zie, de nuttige stikstofhoudende verbindingen over", zegt Shorttle.

Welk bewijs bestaat er om dit idee te ondersteunen?

Het bewijs ter ondersteuning van deze theorie komt gedeeltelijk voort uit de aanwezigheid van komatiitische gesteenten. Komatiiet is een soort vulkanisch gesteente dat wordt gevormd wanneer zeer heet magma (>1500°C) afkoelt.

"Komatiiet werd oorspronkelijk gevonden in Zuid-Afrika. De rotsen dateren van ongeveer 3,5 miljard jaar geleden", zei Shorttle. "Cruciaal is dat we weten dat deze rotsen zich pas vormen bij verzengende temperaturen, rond de 1700 °C. Dat betekent dat het magma al heet genoeg zou zijn geweest om de teer te verwarmen en onze nuttige nitrillen te creëren."

Nu het verband bevestigd is, suggereren de auteurs dat stikstofhoudende verbindingen via deze methode gemaakt zouden kunnen worden. Omdat we komatiiet zien, weten we dat de temperatuur van magma op de vroege aarde soms boven de 1500°C moet zijn geweest.

Nu moeten experimenten proberen deze omstandigheden in het laboratorium na te bootsen en te onderzoeken of het water, dat onvermijdelijk in het systeem aanwezig is, de stikstofverbindingen opeet en uiteenvalt.

"Hoewel we niet zeker weten dat deze moleculen het leven op aarde hebben veroorzaakt, weten we wel dat de bouwstenen van het leven moeten zijn gemaakt van moleculen die in water hebben overleefd", zegt Rimmer. "Als uit toekomstige experimenten blijkt dat de nitrillen allemaal uit elkaar vallen, dan zullen we naar een andere manier moeten zoeken."

Meer informatie: Paul B. Rimmer et al, Een hydrothermische oppervlaktebron van nitrillen en isonitrilen, Leven (2024). DOI:10.3390/leven14040498

Aangeboden door Universiteit van Cambridge