Onbekende speler duikt op in oersoep-chemie

Een oerzee van moleculen waaruit bij bliksemslag plotseling aminozuren ontstonden. Het is de bekendste theorie voor de oorsprong van leven uit anorganische materie. Een internationaal onderzoeksteam dat de chemische reacties wil uitpluizen, stuitte met computersimulaties op een voorheen onbekende speler in de oersoep-chemie.

21 september 2014

Stanley Miller deed in 1953 een experiment waaruit bleek hoe belangrijke moleculen op de vroege aarde gevormd konden worden.
Teadmata, vrijgegeven in het publieke domein

In 1953 schreef Stanley Miller geschiedenis toen hij een elektrische lading op een mengsel van simpele moleculen zette waarbij spontaan aminozuren (voornamelijk glycine), belangrijke bouwstenen van leven, ontstonden. Miller probeerde hiermee de omstandigheden op de vroege aarde en het ontstaan van leven na te bootsen.

Sommigen onderzoekers vinden het oersoep-scenario ongeloofwaardig, anderen zeggen dat het een kwestie was van heel veel geluk. Hoe dan ook, Miller’s experiment betekende de geboorte van het moderne onderzoek naar de prebiotische chemie, ofwel het ontstaan van leven.

Tot zover had nog nooit iemand de chemische reacties van Miller’s experimenten onderzocht op het niveau van het allerkleinste, de atomen. Een team van Franse en Italiaanse chemici ging de uitdaging aan. Zij kwamen onlangs met de eerste computersimulaties van de ‘Miller-moleculen’. Wat ze vonden is dat een onbekend tussenproduct, formamide, wellicht een rol speelde in de chemische reacties waarbij leven ontstond. De uitkomsten van het computerexperiment stonden in het tijdschrift PNAS.

Elektrisch veld

De onderzoekers stelden berekeningen op die het gedrag van atomen en elektronen in een sterk elektrisch veld nabootsen. Het doel was om hiermee de ketting van gebeurtenissen tijdens de chemische reacties te bekijken op een tijdschaal van picoseconden (er gaan een biljoen picoseconden in één seconde). Het lukte hen Miller’s experiment te reproduceren: er ontstond spontaan glycine in aanwezigheid van een elektrisch veld. Maar daarnaast observeerden ze nog iets geheel nieuws. In de simulaties ontstond een tussenproduct, formamide, wat vroeg in de reactie ontstaat en ook als de gesmeerde bliksem weer verdwijnt.

Over bliksem gesproken: die was onmisbaar in het experiment van Miller. De Franse en Italiaanse chemici wilde meer weten over de rol van een elektrisch veld. Een belangrijk kenmerk van elektriciteit als energiebron is de richtingsgevoeligheid, zoals ze het omschrijven: het kan atomen en moleculen op één lijn leggen in het elektrische veld. De manier waarop elektriciteit chemische reacties stimuleert is daarmee verschillend van de manier waarop bijvoorbeeld hitte dat doet.

De onderzoekers opperen daarom het idee dat lokale elektrische velden, zoals ze voorkomen op het oppervlak van mineralen, een grotere rol speelde in de prebiotische chemie dan algemeen wordt aangenomen. Het scenario dat daaruit volgt is dat deze lokale elektrische velden de chemie stuurden, wat leidde tot de ‘levensmoleculen’.

Levensmoleculen

Niet alle chemici in het veld zijn helemaal overtuigd. Op de website Chemistry World reageerden verschillende wetenschappers die zich met de kwestie bezighouden. Jeffrey Bada van het Scripps Instituut voor Oceanografie (VS) zei het volgende: “Dit onderzoek is misschien een vooruitgang in moleculaire berekeningen, maar het is in mijn ogen geen belangrijke vooruitgang in het veld van de prebiotische chemie.” Hij denkt dat de vorming van formamide slechts een kleine bijdrage levert aan het ontstaan van aminozuren. Op zijn best.

Nir Goldman, van het Lawrence Livermore National Laboratory (CS) was positiever. Volgens hem brengt het onderzoek ‘nieuwe inzichten in het idee dat elektrische ontladers, zoals bliksem, een rol speelde in de vorming van prebiotische moleculen op de vroege aarde.’ Maar hij heeft ook een punt van kritiek. ‘De onderzoekers kozen een mengsel rijk aan waterstof in hun studie, terwijl de atmosfeer op de vroege aarde waarschijnlijk rijk was aan koolstofdioxide. In de aanwezigheid van een elektrisch veld kan dat leiden tot hele verschillende chemie.”

Goldman oppert dat het daarom interessant zou om het experiment te doen met een realistischer oersoepmengsel. Dat zou weleens interessante aanknopingspunten kunnen geven voor toekomstige experimenten naar het ontstaan van leven.

Bronnen: Antonino Marco Saittaa en Franz Saija, ‘Miller experiments in atomistic computer simulations’, Proceedings of the National Acadamy of Sciences, online publicatie op 8 september 2014. doi: 10.1073/pnas.1402894111 Simon Hadlington, ‘Computer simulations point to formamide as prebiotic intermediate in ‘Miller’ mixtures’, Chemistry World, 16 september 2014.

Bronnen:

Antonino Marco Saittaa en Franz Saija, ‘Miller experiments in atomistic computer simulations’, Proceedings of the National Acadamy of Sciences, online publicatie op 8 september 2014. doi: 10.1073/pnas.1402894111
Simon Hadlington, ‘Computer simulations point to formamide as prebiotic intermediate in ‘Miller’ mixtures’, Chemistry World, 16 september 2014.

Reageer