STAP 1
Afbeelding in de hoofding: Schema van de redox chemie in een hudrothermale bron aangedreven door geoelektriciteit.. Bron: Electrochemistry at Deep‐Sea Hydrothermal Vents: Utilization of the Thermodynamic Driving Force towards the Autotrophic Origin of Life – Scientific Figure on ResearchGate. Available from: https://www.researchgate.net/figure/Schematic-image-of-the-redox-chemistry-at-the-vicinity-of-the-hydrothermal-vent-triggered_fig1_329530299
In het boek van Nick Lane (The vital question) wordt uitvoerig beschreven hoe leven zou kunnen ontstaan in de white smokers in verschillende stappen. In de eerst stap zien we dat organische stoffen vanzelf kunnen ontstaan op plaatsen waar het hydrothermale bronwater grenst aan het zure water van de vroege oceaan. Dit gaat als volgt:
Waterstofgas levert elektronen aan het systeem
In het alkalisch bronwater zit veel waterstofgas (H2, te zien op figuur 1A). Dit is een product dat voortkwam uit de zogenaamde serpentinisatie: de omzetting van olivijn in serpentijn, wat veelvuldig voorkomt in de buurt van de vulkanisch actieve spreidingszones in de oceaanbodem. Wanneer dit waterstofgas in contact komt met de wanden van de witte schoorstenen, dan zal het ijzersulfide dat daar in zit als katalysator een reactie mogelijk maken, waarbij H2 elektronen afgeeft aan de ijzerrijke wand. Wat in het water overblijft zijn 2 protonen (H+), die meteen reageren met de hydroxide ionen (OH–) in het water. Zulke hydroxide ionen zijn namelijk veel aanwezig in alkalisch water. Zo worden water moleculen gevormd (H2O), dus de protonen die hier gevormd werden kunnen zich niet ophopen. Dit wordt afgebeeld op de figuur 1B.
Elektronen worden ingezet voor koolstofreductie, organische stoffen concentreren zich
In de ijzerrijke wanden zijn nu elektronen achtergebleven. Deze kunnen zich verplaatsen richting open oceaan, aangezien de wanden geleidend zijn. Aan de oceaankant kan de ijzersulfide (FeS) terug dienen als katalysator, deze keer om de elektronen te laten reageren met het veelvuldig aanwezige CO2. Hier gebeurt dus de koolstofreductie (figuur 1C), en ontstaan de eerste organische moleculen op een spontane manier! Steeds meer en diverse organische moleculen worden aangemaakt, en hopen zich op in de buurt van de witte schoorstenen. De duizenden microkanaaltjes en poriën zorgen ervoor dat deze moleculen een beetje overal binnen en buiten de witte schoorstenen zich verspreiden.
De organische stoffen in de schoorsteen kanaaltjes worden meegetrokken door de stromingen met water van variërende temperatuur. In zulke omstandigheden gaan verschillende moleculen op verschillende snelheden met de stroming mee. Deze variatie in stroomsnelheid per soort molecule heet thermoforese. Via dit proces is bekend dat bepaalde stoffen zich op bepaalde plaatsen kunnen concentreren, zowat 1000 tot 1 miljoen keer de oorspronkelijke concentratie. Met andere woorden, sommige holtes gaan helemaal vol ‘organics’ zitten na een tijd.
Allemaal goed en wel, maar kunnen er op deze manier ook echt bouwstenen van het leven gevormd worden, zoals vetten, aminozuren, polypeptiden en nucleïnezuren? Volgens Nick Lane kan dat zeker. De aanmaak van kortere vetzuren, aminozuren en eenvoudige nucleotiden gebeurt zowiezo vrij gemakkelijk. Ze aan elkaar te rijgen tot grotere biomoleculen zoals vetten, nucelïnezuren en polypeptiden is al wat moeilijker. Voor beiden heb je eigenlijk de ‘geactiveerde‘ vorm nodig van eenvoudiger bouwstenen. Met geactiveerd bedoelen we hier dat er bijvoorbeeld een energierijke fosfaatgroep aan hangt. Uit de reactie met H2 en CO2 kan spontaan methylthioacetaat gevormd worden: CH3-S-CO-CH3. Dit reageert spontaan met fosfaat tot acetylfosfaat: CH3-CO-PO42-. Dit heeft dezelfde werking als de Acetyl-CoA die we in hedendaagse levende cellen zien als geactiveerde molecule. Het acetylfosfaat (eenvoudige voorloper) is reactief dankzij de hoogenergetische fosfaatbinding, en Acetyl-CoA (moderne vorm) dankzij de thio-esterbinding. Zulke reactieve moleculen maken de spontane opbouw van organische bouwstenen en hun polymeren mogelijk.
White smokers leveren dus effectief de bouwstenen van het leven
Deze STAP 1 verklaart dus waarom in white smokers wel degelijk spontaan echte bouwstenen van het leven kunnen verwacht worden voordat er effectief leven ontstaan is. De ‘precursor’ biomoleculen die hier ontstaan bevinden zich dus in wisselende concentraties in en rondom de witte schoorstenen.
Het is op zijn minst opmerkelijk dat de katalysator voor dit alles een mineraal is met ijzersulfide (FeS). In moderne levende cellen zien we dat enzymen dit proces ook uitvoeren, en in de actieve regio’s van deze enzymen zit ook een minerale FeS kern! Het kijkt erop dat het leven op dat vlak een eigen versie heeft gemaakt van wat ooit het begin was in de witte schoorstenen.