STAP 2
Afbeelding in de hoofding: Schematische voorstelling van een eerste protocel in poriën van witte schoorstenen. Bron: Astrobiologie.be (eigen werk)
Vetten vormen bubbels in het water
In STAP 1 hebben we uitgelegd hoe organische stoffen zich kunnen concentreren in sommige poriën en kanaaltjes in en rondom de witte schoorstenen. Het is bekend dat spontane membranen en ‘micellen’ (membraanbubbels) zich kunnen vormen wanneer voldoende vetten aanwezig zijn zijn in deze geconcentreerde zones. Dat komt omdat vetten hydrofoob zijn, ze willen zo weinig mogelijk contact met het omgevende water. Men kan er dan ook van uit gaan dat sommige poriën op de grens tussen de witte schoorstenen en de open oceaan zouden afgesloten geraken met zulke membranen en micellen. De tekening hieronder toont schematisch hoe dat er kan uitzien. Zulke membranen (prebiotisch) zullen niet de eigenschappen en kwaliteiten gehad hebben van de moderne celmembranen, maar ze moeten wel voldoende geweest zijn om een soort celstructuur te vormen in de gesteente-poriën. We noemen deze structuur vanaf nu een protocel.
Het bestaan van zo’n protocel kan hele wat in gang zetten. Enerzijds is het een afgesloten micro-omgeving waarin organische moleculen zich kunnen concentreren. De grotere organische moleculen geraken niet doorheen de omgevende membraan. Dus organics die binnen in de protocel gevormd worden, geraken daar gevangen, stapelen zich op, en gaan dus de cel voeden met voorlopers van biomoleculen. Anderzijds zal er door de zuurgradiënt (zure oceaan aan de ene kant en alkalisch bronwater aan de andere kant) een spontane spanning opbouwen over het membraan. Aan de oceaankant zal er een overvloed aan protonen (H+) zijn ten opzichte van de binnenzijde van de protocel. Hopelijk komt je dit bekend voor. Het is een spontane vorm van de ‘proton motive force (PMF) die we besproken hebben in 2.6.
De membranen zijn doorlatend, maar behouden toch een PMF waarmee je ATP kan aanmaken
Nick Lane legt uit in zijn boek (The vital question) dat de membranen van zulke protocel doorlatend moeten zijn geweest voor kleine moleculen zoals protonen (H+) of hydroxide ionen (OH–). Door spontane diffusie (passief passeren van het membraan zonder hulp van transportmoleculen of membraanpoorten) kunnen deze kleine moleculen vrij bewegen van buiten naar binnen en omgekeerd. Toch zijn er zodanig veel protonen langs de kant van de zure oceaan, dat een een belangrijke protonenspanning blijft bestaan over het membraan. De protonen die naar binnen bewegen door diffusie kunnen geneutraliseerd worden door OH– ionen, en dus water vormen.
Deze protonen gradiënt over het membraan kon dus van in het begin gebruikt worden om energie te oogsten, zoals moderne cellen ook doen met de Proton Motive Force (PMF). Daarvoor heb je tegenwoordig natuurlijk ATP-synthase nodig, een eiwit die de protonen-stroom gebruikt om een extra fosfaat op een ADP te dwingen, en zo de cel voorziet van energie-moleculen ATP. ATP-synthase is een complex samengesteld eiwit. Maar mogelijks beschikte de protocel wel over een eenvoudige voorloper ervan, die reeds in staat was – zij het minder efficiënt dan met hedendaagse ATP-synthase – om de protonenstroom om te zetten in nieuwe ATP moleculen. We hadden op die manier dus een protocel die niet alleen intern allerlei organische stoffen concentreerde, maar ook kon beschikken over ATP, waardoor actieve omzettingen naar meer bruikbare biomoleculen mogelijk werd.
PMF kon ook dienen voor eigen koolstofreductie
In STAP 1 kwamen de eenvoudiger bouwstenen, de kleinere organische moleculen, van de reductie van koolstof uit CO2. Dit was mogelijk omdat de omgevende gesteenten veel ijzersulfiden bevatten die als katalysator werkten. De benodigde elektronen kwamen van waterstofgas uit de bronnen (H2). In sommige moderne methaan-vormende Archaea zien we precies hetzelfde gebeuren met behulp van het membraangebonden eiwit Ech: CO2 koolstof wordt gereduceerd met elektronen uit H2, en dit eiwit gebruikt hiervoor als energiebron de proton motive force (PMF). Ech heeft bovendien een actief centrum met FeS als katalysator. Welnu, een variant van Ech zou best hebben kunnen bestaan bij onze primitieve protocellen in de witte schoorstenen. De spontane protongradiënt over het membraan was er immers al en kon zonder extra energie-kostende stappen gebruikt worden. Op deze manier zou onze protocel dus zelf nieuwe organische moleculen kunnen aanmaken uit CO2, zonder te wachten totdat ze spontaan binnen komen van elders, en zonder zelf te moeten een protonengradiënt opbouwen.
Op naar de allereerste actieve cel
We kunnen besluiten dat deze eerste protocellen voldoende tools hadden om de meest essentiële universele kenmerken van het Aardse leven te gaan ontwikkelen. Een ‘gratis’ permanent beschikbare PMF, een eigen actieve koolstofreductie (Ech), een eigen productie van energiemoleculen ATP, en een membraan die de buitenwereld afscheid van het interne ‘cytoplasma’ waarin allerlei biomoleculen zich konden vormen en opstapelen. IN de volgende stap zal hieruit een echte cel vormen die de basiskenmerken moet ontwikkelen van LUCA, de ‘Last Universal Common Ancestor’ van alle leven op Aarde.