Afbeelding in de hoofding: Alleenstaande witte schoorsteen. Bron: https://phys.org/news/2024-11-white-smokers-lake-floor-spectacular.html (‘credit: UFZ’).
De white smokers zijn een andere variant van hydrothermale bronnen. Ze bevinden zich op enkele kilometers van de zeer actieve zone van de black smokers, maar toch zijn ze pas voor het eerst ontdekt in het jaar 2000. Ze verschillen echt fundamenteel van elkaar.
De oceanische korst waarop de white smokers te vinden zijn is duidelijk ouder (een miljoen jaar of meer) dan de black smokers die heel dicht bij de nieuw vormende aardkorst zitten. Daarom is het korstgesteente ter hoogte van de white smokers ook rustiger en minder heet. Het water dat hier naar buiten komt is maximaal 90°C. De schoorstenen die hier vormen zijn stabieler. Er zijn witte schoorstenen bekend die tot 60 meter hoog worden en een leeftijd van meer dan 120.000 jaar hebben! Dit is gunstig, want op die manier wordt een stabiele omgeving gevormd waarin veel tijd is om het proces van het ontstaan van leven mogelijk te maken. Hoe dit dan in zijn werk gaat, zullen we verderop bespreken. Laat ons eerst even kijken naar de samenstelling van het water dat hier naar buiten komt.
Bij de black smokers zagen we dat er erg zuur water naar buiten komt (pH 1-5). Hier is dat het tegenovergestelde: het water in de witte schoorstenen is alkalisch (pH 8-10). Dat komt omdat CO2 hier in het bodemwater wegreageert met het daar aanwezige waterstofgas (H2), en dus geen koolzuur meer kan vormen. Het uitstromende bronwater is hier veel minder gemengd met water dat rechtstreeks in contact kwam met magma. Het bevat dan ook meer silicaten, calcium en sulfaten. De mineralen die hier neerslaan en de schoorstenen vormen zijn voornamelijk calciet en anhydriet, dus met een witte kleur (calcium- of bariumcarbonaten). Ook al is de concentratie aan metalen lager dan in de black smokers, het gehalte aan ijzer blijft wel hoog. In de wanden van de witte schoorstenen vinden we dan ook behoorlijk veel ijzer en sulfiden.
De ideale omgeving voor een eerste ‘proto-cel’
De witte schoorstenen zitten vol met microporiën en kanaaltjes (zie figuur hierboven). Het warme bronwater komt terecht in dit labyrinth en stroomt daar rond voordat het in de koude open oceaan vrij komt. In zulke stromende vloeistoffen is er een duidelijke overgang van warm naar koud, een temperatuurgradiënt. Het is bekend dat in een vloeistof met temperatuurgradiënt een proces plaatsvindt dat we thermoforese noemen. Omdat verschillende stoffen verschillend reageren op de bewegingen in een temperatuurgradiënt, krijg je lokale ophopingen van bepaalde stoffen. Op die manier kunnen bijvoorbeeld aminozuren en vetten (die daar spontaan gevormd worden) zich concentreren in lokale holtes van de witte schoorstenen. Nick Lane (University of London) toonde aan dat je in zulke systemen via convectiestromen en thermoforese lokale concentraties krijgt van organische moleculen die zeker 1000 keer hoger is dan de oorspronkelijke concentratie (soms 100.000 keer).
Veronderstel nu even dat er een concentratie van vetten in de buurt komt van microporiën die zich bevinden tussen de interne ruimtes van de witte schoorstenen en de open oceaan. Op zulke plekken kan er zich gemakkelijk spontaan een membraan vormen die het miniscuul gaatje tussen schoorsteen en oceaan ‘afsluit’. Eventueel kan het ook een dubbel membraan zijn, zodat er een soort mini-protocel vormt tussen beide omgevingen. De tekening hieronder geeft zulke situatie aan in doorsnede.
Bij de vorming van zulk een minicelletje heb je dan aan de ene kant zuur oceaanwater (hoge H+ concentratie, veel protonen) en aan de andere kant alkalisch hydrothermaal water (lage H+ concentratie, hogere OH– concentratie). Hier vormt zich dus een natuurlijke en spontane gradiënt van protonen over een membraan. Komt je dit misschien bekend voor? Zoniet, kijk eens terug naar item 2.6: de Proton Motive Force (PMF).
Spontane opstart van metabolisme zonder levende cellen
In het algemeen schema van metabolisme voor alle leven op Aarde (besproken in 2.3) zien we dat er voor reductie van koolstof uit CO2 toevoeging van energie nodig is. Maar in dit specifieke geval van de spontane membranen in de white-smoker-poriën wordt die reductie mogelijk zonder toevoeging van energie. Met andere woorden: een eertse metabolisme kan hier starten zonder dat er al de machinerie van een levende cel is die gebruik maakt van zonlicht of chemische energie. De koolstof van CO2 wordt hier spontaan gereduceerd en er ontstaan kleine organische moleculen, die later de bouwstenen van een cel kunnen worden. Maar ook al is er over de hele reactielijn netto geen energie-toevoeging nodig: deze koolstofreductie heeft toch wel een eerste ‘push’ nodig om te starten. Hoe kan dat dan? Wel, de omgevende mineralen die rijk zijn aan ijzersulfide werken hier als een katalysator. Bij aanwezigheid van zulke katalysator, kan de koolstofreductie echt wel spontaan op gang komen. Een eerste metabolisme is gestart in een soort protocel !
Laat ons even samenvatten welke omstandigheden dus allemaal samen moeten voorkomen om dit spontaan metabolisme mogelijk te maken:
- Er zijn vetten in hoge concentratie aanwezig, zodat een spontaan microblaasje zich vormt tussen de binnen- en buitenkant van een porie-rijke schoorsteen en de porie is microscopisch klein. Dit is eigen aan de labyrinthstructuur van witte schoorstenen door thermoforese.
- Het interne water in de schoorsteen is alkalisch (weinig H+) (dit is eigen aan hydrothermale bronnen die wat verder van het vulkanisme liggen, en waar olivijn wordt omgezet in serpentijn).
- Het zeewater daarbuiten is zuur (veel H+), want er is heel veel CO2 aanwezig in het zeewater (dat is eigen aan de oceanen van de primitieve Aarde).
- In het omgevende gesteente zit veel ijzersulfide dat dient als katalysator (dit is eigen aan witte schoorstenen).
Als al deze omstandigheden juist zitten, dan kan metabolisme spontaan opstarten in zulke blaasjes. Door de constante doorstroming van opgewarmd bronwater, zullen nieuw aangemaakte organische moleculen in transport gaan terwijl ze voortdurend worden geproduceerd. Dit is dus allemaal mogelijk in het systeem van de white smokers. We vermoeden dat precies zulke hydrothermale bronnen niet alleen op Aarde voorkomen. We zullen later zien dat ze ook op de jonge planeet Mars en op de oceaanbodems van ijsmanen zouden kunnen bestaan.