Atmospheric UV synthesis of aldehydes and oxidant from CO2, CO and H2O initiating the first ancestral metabolism

Voordat het leven kon beginnen, had de aarde een manier nodig om eenvoudige, levenloze gassen om te zetten in de complexe bouwstenen van de biologie. Wetenschappers debatteren al lang over hoe deze overgang heeft plaatsgevonden, waarbij ze zich concentreren op twee hoofdscenario's: ofwel genetische moleculen zoals RNA verschenen eerst, ofwel een netwerk van chemische reacties dat we nu metabolisme noemen kwam eerst. In beide scenario's is het startpunt hetzelfde: de vroege atmosfeer was gevuld met kooldioxide, koolmonoxide en waterdamp. De vraag is hoe zonlicht op deze ingrediënten had kunnen inwerken om de suikers, zuren en eiwitten te creëren die noodzakelijk zijn voor het leven. Decennialang wisten onderzoekers dat zonlicht koolmonoxide en water in formaldehyde kon veranderen, een eenvoudig suikerachtig molecuul. Het was echter onduidelijk of dit proces in staat was om de rijke variëteit aan chemicaliën te genereren die nodig zijn om een levend systeem aan te zwengelen, of dat de harde, oxiderende omgeving van de vroege aarde deze kwetsbare moleculen simpelweg zou vernietigen voordat ze iets nuttigs konden doen.

Een team van onderzoekers onder leiding van Yuichiro Ueno aan het Institute of Science Tokyo heeft nu aangetoond dat deze atmosferische chemie veel productiever en complexer is dan voorheen werd gedacht. Door de condities van de atmosfeer van de vroege aarde te simuleren in een glazen kolf, lieten zij zien dat zonlicht niet alleen formaldehyde maakt; het creëert een hele familie van kleine aldehyden, waaronder acetaldehyde en glyoxaal. Wanneer deze gassen in water oplossen, blijven ze niet simpelweg daar liggen of breken ze af. In plaats daarvan beginnen ze met elkaar te reageren in een zelfonderhoudende cyclus die de kernprocessen van het moderne biologische ademhalen nabootst. De studie, gepubliceerd in een herziene versie voor het tijdschrift PEPS, suggereert dat een primitieve vorm van metabolisme spontaan had kunnen ontstaan uit de interactie van zonlicht, water en koolstofgassen, wat een stabiele chemische fundering bood zodat het leven uiteindelijk kon voet aan de grond krijgen.

Het experiment begon met het vullen van een glazen vat met koolmonoxide, kooldioxide en waterdamp, waarna het mengsel werd blootgesteld aan ultraviolet licht dat het intense zonlicht van de vroeze aarde nabootste. De onderzoekers observeerden wat er gebeurde toen het licht watermoleculen uit elkaar brak, waardoor zeer reactieve fragmenten ontstonden die de koolstofgassen aanvielen. Ze ontdekten dat het proces niet alleen de verwachte formaldehyde produceerde, maar ook aanzienlijke hoeveelheden acetaldehyde en glyoxaal. Deze moleculen zijn cruciaal omdat ze dienen als startpunten voor het bouwen van grotere, complexere structuren. Het team volgde vervolgens hoe deze gassen zich gedroegen zodra ze oplosten in het vloeibare water onderaan de kolf. In het water werd de chemie nog dynamischer. De opgeloste aldehyden reageerden om hydroxyaldehyden te vormen, die de precursoren zijn voor suikers, evenals diverse zuren zoals glycolzuur en melkzuur.

Wat deze ontdekking bijzonder opmerkelijk maakt, is het gedrag van het systeem in de loop van de tijd. De onderzoekers observeerden dat terwijl het zonlicht krachtige oxidanten produceerde die organische moleculen konden vernietigen, een specifieke set chemicaliën erin slaagde te overleven en zichzelf zelfs te regenereren. Het systeem functioneerde via een cyclus van condensatie, waarbij kleine moleculen samenvoegden om grotere te vormen; oxidatie, waarbij ze zuurstof opnamen om zuren te worden; en decarboxylatie, waarbij ze een koolstofatoom verlorenden om terug te keren naar een kleinere vorm. Deze cyclus maakte het mogelijk dat specifieke moleculen, zoals glycolaldehyde en acetaldehyde, continu werden gerecycled. De auteurs noemen dit de Primitieve Respiratiecyclus. Het functioneert als een chemische motor die een specifieke set moleculen in omloop houdt, waardoor ze beschermd worden tegen volledige afbraak tot kooldioxide, zolang de atmosfeer verse aldehyden blijft aanleveren.

De studie onderzocht ook wat er gebeurde wanneer ammoniak aan dit mengsel werd toegevoegd, om de aanwezigheid van stikstof in de vroege omgeving te simuleren. De resultaten waren even overtuigend. Het bestaande netwerk van koolstofgebaseerde moleculen reageerde met de ammoniak om aminozuren te produceren, de bouwstenen van eiwitten, evenals heterocyclische stikstofverbindingen. Deze stikstofringen zijn structureel vergelijkbaar met co-enzymen, die essentiële helpers zijn in het moderne biologische metabolisme. De onderzoekers ontdekten dat het systeem natuurlijk selecteerde op specifieke soorten aminozuren, met name die welke vandaag de dag door het leven worden gebruikt, terwijl er minder van de alternatieve vormen werden geproduceerd. Dit suggereert dat de chemische omgeving zelf als een filter had kunnen fungeren, waarbij de voorkeur werd gegeven aan de moleculen die uiteindelijk deel zouden uitmaken van levende cellen.

De onderzoekers merken voorzichtig op dat dit niet bewijst dat het leven precies op deze manier is begonnen, maar het biedt wel een plausibel en robuust mechanisme voor hoe de eerste metabole netwerken hadden kunnen ontstaan. Het systeem dat zij observeerden is zelforganiserend, wat betekent dat het zijn eigen orde creëert zonder de noodzaak van enzymen of genetische instructies. Het steunt volledig op de natuurwetten van de chemie en de energie die door de zon wordt geleverd. De studie weerlegt het idee dat formaldehyde het enige significante product van atmosferische fotochemie was, en laat in plaats daarvan zien dat een diverse soep van reactieve moleculen onvermijdelijk was. Het daagt ook de opvatting uit dat de oxiderende aard van de vroege atmosfeer de accumulatie van organisch materiaal zou hebben voorkomen; in plaats daarvan laat de studie zien dat precies dezelfde oxidanten die deze moleculen bedreigen te vernietigen, ook de drijvende krachten zijn die de cyclus draaiende houden.

Uiteindelijk schetst het werk een beeld van een prebiotische aarde waar de atmosfeer en de oceanen betrokken waren bij een voortdurende chemische conversatie. Zonlicht dreef de omzetting van eenvoudige gassen naar een complex mengsel van organische stoffen aan, die vervolgens in het water terechtkwamen om een stabiel, recyclend netwerk te vormen. Dit netwerk zou gedurende lange perioden kunnen hebben voortbestaan, waarbij de nodige ingrediënten voor het leven werden geaccumuleerd. Wanneer de juiste omstandigheden ontstonden, zoals de beschikbaarheid van fosfaten of de vorming van compartimenten, kon dit chemische systeem overgaan in de enzymatische en genetische systemen die wij als leven herkennen. De bevindingen suggereren dat de blauwdruk voor het metabolisme geen zeldzaam ongeluk was, maar een natuurlijk gevolg van de chemie van een planeet die in zonlicht baadt, wachtend tot de volgende stap in de evolutie kan beginnen.