Hoe kan astronomisch stof het leven bevruchten?

Hoe konden de eerste organische moleculen ontstaan ​​die de basis werden van de terrestrische biologie? Een onderzoek werpt nu licht op de mogelijke rol van het asteroïdestof dat ooit op onze planeet regende. Modelsimulaties suggereren dat dit ‘rijke’ materiaal zich mogelijk op grote schaal heeft opgehoopt in ontdooiende gaten op de vroege aarde. De onderzoekers zeggen dat het speciale mengsel van materie mogelijk de prebiotische chemie heeft gestimuleerd die aan het begin van de evolutie van het leven stond.

Het leven brengt altijd nieuw leven voort – maar hoe kwam de eerste stap tot stand? Hoe niet-levende materie complexe verbindingen vormde die zelfreproductie en metabolisme mogelijk maakten, blijft een mysterie. In principe lijkt het duidelijk dat complexe organische moleculen aanvankelijk werden gevormd door chemische processen: er wordt aangenomen dat in de eerste 500 miljoen jaar van de geschiedenis van de aarde de prebiotische chemie RNA, DNA en vetzuren en eiwitten produceerde. Deze basiselementen zijn mogelijk functioneel gecombineerd om de eerste biologische eenheden te vormen. Het eerder vormen van de basisbouwstenen lijkt echter niet onvermijdelijk. Om deze complexe organische moleculen door chemische reacties te kunnen creëren, zijn relatief hoge concentraties van de elementen stikstof, zwavel, koolstof en fosfor nodig. Maar de bijbehorende cocktails zijn moeilijk uit aardse stoffen te bestaan, omdat ze geen hoge concentraties van deze stoffen bevatten.

Elementen van het leven vanuit de ruimte

Er wordt echter al lang gespeculeerd dat asteroïden de relevante hoeveelheden zouden kunnen hebben geleverd, aangezien ze duidelijk rijk zijn aan de elementen die nodig zijn voor het leven. Maar deze interpretatie is controversieel. Omdat meteorieten als stukjes slechts materiaal afleveren in een beperkte omgeving. Daarom keek het onderzoeksteam onder leiding van Craig Walton van het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie in Zürich naar een andere mogelijkheid: stof van uiteengevallen asteroïden zou ‘meststof’ kunnen worden voor prebiotische processen op aarde. Tot nu toe is echter tegengeworpen dat het materiaal te wijd verspreid was om relevante hoeveelheden materiaal te verschaffen. “Maar als je rekening houdt met de processen die tot concentratie hadden kunnen leiden, zien de zaken er anders uit”, zegt Walton.

Om de mate waarin kosmisch stof voor prebiotische chemie kan zorgen te benadrukken, hebben Walton en zijn collega's nu simulatiemodellen ontwikkeld. Dit omvatte aannames over de omvang van eerdere stofregen. Zelfs vandaag de dag vallen er jaarlijks ongeveer 30.000 ton kosmische stofdeeltjes vanuit de ruimte naar de aarde. Maar volgens onderzoekers kan worden aangenomen dat in de vroege geschiedenis van de evolutie van onze planeet miljoenen tonnen zijn gevallen door herhaalde botsingen van asteroïden. De modellen bevatten ook aannames over de omstandigheden op de jonge aarde, evenals gegevens over mogelijke accumulatieprocessen van kosmisch stof. “Recent onderzoek heeft aangetoond dat het aardoppervlak zeer snel afkoelde en stolde en dat er grote ijskappen ontstonden”, zegt Walton.

Oerstofsoep in ontdooiende ventilatieopeningen

Zoals het team rapporteerde, toonden simulaties aan dat zich gebieden met grote stofconcentraties hadden kunnen vormen, die ook voortdurend werden aangevuld. Gebieden die voorheen bedekt waren met ijs zijn de beste plekken voor ophopingen gebleken. Er zou met name sprake kunnen zijn van een effect dat vandaag de dag nog steeds bekend is bij gletsjers en ijskappen: de ijsoppervlakken zien er vaak vuil uit, en vooral in gaten waar smeltwater zich verzamelt, hopen sedimenten die voorheen op het ijs werden geblazen zich aanzienlijk op. Simulaties laten zien dat kosmisch stof sterk geconcentreerd zou zijn geweest in zogenaamde cryoconietgaten.

Zoals de onderzoekers uitleggen, is het mogelijk dat de relevante elementen vrijkwamen uit stofdeeltjes die in deze cryoconietopeningen werden aangetroffen. Wetenschappers zeggen dat zodra de concentratie in water een kritische drempel had bereikt, chemische reacties uit zichzelf hadden kunnen ontstaan, wat had kunnen leiden tot de vorming van de organische moleculen die de oorsprong van het leven vormen. Ook de lage temperaturen waren niet ongunstig: “Koude schaadt de organische chemie niet, integendeel. Walton legt uit dat de reacties selectiever en specifieker zijn bij lage temperaturen dan bij hoge temperaturen. Zo is al aangetoond dat complexe organische moleculen zich inderdaad kunnen vormen bij bepaalde concentraties van stoffen en temperaturen dichtbij het vriespunt.

Walton en zijn collega's hopen dat hun proefschrift het debat over de oorsprong van de terrestrische biologie opnieuw zal stimuleren: “Ons onderzoek zal waarschijnlijk voor controverse zorgen”, zegt Walton, “maar het kan ook leiden tot nieuwe ideeën over de oorsprong van het leven.” Collega's zijn van plan hun theoretische bevindingen te onderbouwen met experimentele gegevens. Concreet willen ze omstandigheden nabootsen die mogelijk hebben bestaan ​​in prehistorische smeltgaten in laboratoriumvaten, en vervolgens onderzoeken of er biologisch relevante moleculen worden gevormd.

Bron: Swiss Federal Institute of Technology in Zürich, gespecialiseerd artikel: Fysische astronomie doi: 10.1038/s41550-024-02212-z

© Wissenschaft.de – Martin Viewe