Ook zonder bliksem slaat de vonk over

Sinds afgelopen najaar staan in NEMO drie glazen bollen met daarin gassen. Het Science Museum doet een experiment na van Stanley Miller en Harold Urey. Deze Amerikaanse wetenschappers stopten in 1952 ammoniak, methaan, water en waterstof in een gesloten glazen bol. Die simpele verbindingen waren waarschijnlijk ook aanwezig op de jonge aarde. Met elektrische stroom bootsten ze blikseminslagen na.

Maar er is ook kritiek op het Urey-Millerexperiment. “Wetenschappers kaartten aan dat bliksems te onregelmatig voorkomen”, vertelt Zare. “Onweer is onvoorspelbaar. En de atmosfeer is enorm groot.” De moleculen die op deze manier her en der, in kleine hoeveelheden ontstaan, plonzen vervolgens in een enorme oerzee. Om uit losse aminozuren eiwitten te bouwen, zijn echter hoge concentraties nodig, legt Zare uit: veel moleculen in weinig water. Hoe kan een sporadische bliksem daaraan bij hebben gedragen?

Zare en zijn collega’s bewijzen nu met hun experiment dat er helemaal geen bliksem nodig is. In hun opstelling gebruiken ze stikstof, koolstofdioxide, methaan en ammoniak. Daar sproeien ze water in. Een massaspectrometer vertelt welke verbindingen er voor de sensor van het apparaat ontstaan. In de elektrische ladingen die heen en weer schieten tussen waterdruppels zit al voldoende energie, blijkt nu. Deze ‘minibliksems’ kunnen simpele gassen slopen en aminozuren laten ontstaan.

Maar hoe werkt dat dan? In een studie uit 1892 beschreef natuurkundige Philipp Lenard al dat waterdruppels bij watervallen verschillende elektrische ladingen krijgen. “Wanneer druppels zich splitsen in grote en kleine druppels, nemen de kleine meer elektronen mee”, legt Zare uit. Ze krijgen daardoor een negatieve lading. Grote druppels blijven achter met een positieve lading. In zijn experiment liet Zare een waterdruppel zweven. Dat kan, in een opstelling met heel sterke geluidsgolven. Daarna lieten de onderzoekers kleine druppeltjes afsplitsen, waarbij er een lichtflits ontstond.

“We hebben dit ‘microlightning’ genoemd”, zegt Zare. Hij deelt zijn scherm en speelt een opname af. “Je moet goed kijken.” Het lichtje lijkt niet op de flits die je ziet bij onweer, maar het mechanisme is vergelijkbaar: ook een wolk bevat positief en negatief geladen deeltjes van ijs en water, totdat de lading overspringt en er een witte bliksemschicht door de lucht schiet.

Leven in de branding

“We krijgen dezelfde aminozuren die Urey en Miller ook hadden”, zegt Zare. Plus bijvoorbeeld uracil, een bouwblok voor RNA. Als de eerste bio-achtige moleculen ontstonden dankzij waterdruppels, dan moeten er natuurlijk wel waterdruppels geweest zijn. Waren er watervallen vier miljard jaar geleden? Of misschien golven die stuksloegen op de rotsen? “Volgens geologen was er land”, antwoordt Zare. En het idee is om nog meer redenen interessant.

De moleculen van Miller en Urey zouden verspreid raken in de atmosfeer en in de grote oerzee. Als ze gevormd worden door miljarden waterdruppels bij een waterval of in de branding, dan zitten ze juist dicht op elkaar. Ze kunnen elkaar daardoor makkelijker vinden om nog grotere moleculen te vormen. “Bij rotsen heb je daarnaast een cyclus van nat en droog”, voegt Zare toe. Er klotst water op de rotsen, daarna droogt het op. Vervolgens komt er weer een plens. “Uit eerder onderzoek weten we dat het indrogen en weer nat worden ervoor zorgt dat kleinere moleculen zich samenvoegen tot grote, aaneengeschakelde moleculen.”

“Bij scheikunde leer je dat er allerlei reacties plaatsvinden in oplossingen”, zegt Zare. “Maar de meest interessante plek voor chemische reacties is juist op de overgang tussen verschillende fases.” De grens tussen vast en vloeibaar bijvoorbeeld, of tussen vloeibaar en vast. “In een beker met water vind je aan de buitenkant de meeste geladen deeltjes.” Dat maakt water dat stukslaat op de rotsen interessanter dan een zee met wat deeltjes er in, of een atmosfeer met een paar rondzwevende exotische moleculen.

Vettig zakje

Maar met aminozuren en uracil heb je nog geen leven. “Een verdeling in compartimenten is nodig”, aldus Zare. De moleculen die leven mogelijk maken, moeten in een holte bij elkaar blijven zitten. De oplossing waar de natuur mee kwam, is de cel. Er zit een verpakking om de moleculen. Dat zakje bestaat uit vetten. “In vetmoleculen is fosfaat belangrijk”, zegt Zare. Het is ook een onmisbaar ingrediënt voor DNA en RNA. In het wild komt het weinig voor. “Maar in gesteenten zit wel veel fosfaat.”

Weer die rotsen, dus. Het is een heel mooie studie, vindt Petrignani, die er zelf niet aan meewerkte. “Het opent enorm veel mogelijkheden. Het geeft een andere kijk op de kans dat ergens leven ontstaat.” Zelf doet ze onderzoek naar het ontstaan van biomoleculen in omgevingen met rotsen en water op aardachtige exoplaneten. “Het idee was aanvankelijk: er moet een energiebron zijn geweest, zoals bliksem. Maar nu blijkt dat het overal gebeurd kan zijn.”

Verschijnt er nu binnenkort in NEMO een levenswaterval? Of een branding waarin leven ontstaat? “Dat zou leuk zijn”, vindt Petrignani. Omdat de reactie nu plaatsvindt op plekken met water en rotsen, verwacht ze nog meer moleculen te vinden. “Niet alleen vele kleine bouwstenen, maar ook grote moleculen. Superinteressant. Maar ik zou zo’n waterval eerst in een reactor in het lab willen proberen.”