Hydrothermale bronnen en het ontstaan van het leven – door Johan Vandaele en Harry Zekollari

HYDROTHERMALE BRONNEN EN HET ONTSTAAN VAN HET LEVEN

- een geologisch/filosofisch perspectief

Johan Vandaele & Harry Zekollari Masteropleiding in de Geologie & Geografie

Evolutie van de Geobiosfeer Academisch jaar 2010-2011 In opdracht van Prof. Dr. L. Brendonck

Hydrothermale bronnen en het ontstaan van het leven – door Johan Vandaele en Harry Zekollari 2

1. Inleiding Hydrothermale bronnen/schouwen (E: “hydrothermal vents”) zijn spleten, scheuren of schouwen waaruit hydrothermale vloeistoffen, op aarde vrijwel altijd water, onder hoge druk naar buiten komen (Pirajno, 2009; Selley et al., 2004; Speijer et al., 2010). Ze komen voor op diepe, meestal anaerobe plaatsen waar vulkanisme plaatsvindt (voornamelijk bij divergentie en hotspots: zie Figuur 5); hetgeen leidt tot de hoge temperaturen en hun hoge concentratie opgeloste (zwavel)mineralen en organische materie (Martin et al., 2008; Selley et al., 2004; Speijer et al., 2010). Hierdoor vormen ze een unieke biotoop. Typische vormen van hydrothermale bronnen zijn warme bronnen, fumarolen en geisers op het land (Figuur 1) (e.g. IJsland, Yellowstone) en black smokers (Figuur 2) in de oceaan (e.g. Mid-Atlantische rug) (Selley et al., 2004). Deze laatsten, die werden ontdekt in 1977 op de Oost-Pacifische rug, hebben vaak een typische schoorsteenstructuur (Figuur 3) opgebouwd uit mineralen voornamelijk gevormd bij het afkoelen van het hydrothermaal fluïdum. Hiernaast bestaan er ook white smokers (Figuur 4) waar lichtere mineralen (qua kleur) zoals bariet, calciet en kwarts worden afgezet; en waarvan de pluimen meestal een lagere temperatuur bezitten (Selley et al., 2004). Het ontdekken van hydrothermale systemen in 1977 heeft geleid tot een ingrijpende verandering in de manier waarop we de geologische, geochemische en ecologische geschiedenis van de aarde bekijken. Deze systemen kunnen leven ondersteunen zonder input van fotosynthese en herbergen levensvormen met symbiotische relaties. Ook zijn ze al zeer lang aanwezig, al van zodra vloeibaar water op de aarde accumuleerde (zijnde meer dan 4.2 Ga) (Martin et al., 2008), wat maakt dat ze mogelijk een belangrijke rol hebben gespeeld bij het ontstaan van het leven. Bovendien was de hydrothermale activiteit toen veel groter, daar de warmteflux van het binnenste van de aarde naar de ruimte toen ook veel groter was (Lal, 2008; Schopf, 2002). Vanaf de jaren ‘80 heeft hier veel onderzoek rond plaatsgevonden en een overzicht hiervan zal in dit werkstuk worden gegeven. Pioniers in dit onderzoeksveld zijn onder andere Günter Wächtershäuser (Regensberg Universität), Claudia Huber (Technische Universität München), William Martin (Heinrich-Heine Universität Düsseldorf), John Baross (University of Washington, Seattle) en Sarah Hoffman (Oregon State University); hun onderzoek zal dan ook meermaals aan bod komen. Dit zal worden gedaan door gebruik te maken van referentiewerken uit de literatuur, met ook interesse voor nieuwe ontwikkelingen in het onderzoeksgebied. Belangrijk hierbij is ook aandacht te hebben voor de tegenargumenten en dus niet enkel het werk uit het “pro” kamp te bekijken, waarin de nadelen van de theorie niet of amper worden vermeld. Tot slot zal ook de leerstof die tijdens de lessen werd gezien (Speijer et al., 2010) worden beschouwd, zeker wanneer er wordt “uitgezoomd” en de context waarin de aarde zich bevond wordt geanalyseerd.

Figuur 1: Strokkurgeiser (Speijer et al., 2010). Figuur 2: Een black smoker (UVic, 2010).


Figuur 3: Diepzeeschouwen (Speijer et al., 2010). Figuur 4: Een white smoker (AquaCare, 2010).

Figuur 5: Diepzee hydrothermale bron, biogeochemische cyclus (PMEL, 2010).

2. Günter Wächtershäuser

Diepzeeschouwen beschikken over de noodzakelijke prebiotische moleculen (op hun metaalsulfiden) om voor het ontstaan van het leven te zorgen (Speijer et al., 2010). Een ander sterk argument in het voordeel van de hydrothermale bronnen als plaatsen voor het ontstaan van het leven is het feit dat de voorouders van de huidige prokaryoten genetisch het meest gerelateerd zijn aan de archaebacteriën die momenteel in diepzeeschouwen worden teruggevonden (Huber & Wächtershäuser, 1998; Speijer et al., 2010). Vaak wordt het ontstaan van het leven bij hydrothermale schouwen gelinkt aan de pyriet-wereld hypothese van de al eerder genoemde Günter Wächtershäuser, waarbij pyriet wordt geproduceerd onder anaerobe condities: Fe2+ + 2HS → FeS2 + H2. De gevormde H2 reduceert vervolgens CO2 tot organische moleculen aan het oppervlak (Drobner et al., 1990; Speijer et al., 2010; Taylor et al., 1979; Wächtershäuser, 1988b; Wächtershäuser, 1992).


2.1. Wächtershäuser als wetenschapper Günter Wächtershäuser, een bekende octrooiadvocaat uit München en chemist van opleiding, bereikte met zijn werk een breed publiek (bijvoorbeeld interviewartikel in Time Magazine). Dit mede door niet enkel de aandacht te vestigen op geochemische aspecten, maar ook in te gaan op fundamentele vragen over het ontstaan van het leven. Twee belangrijke personen hierbij zijn Karl Popper enerzijds, zijn mentor en de grondlegger van het kritisch rationalisme (Kesteloot, 2009), en Hans Kuhn anderzijds, zijn professor fysische chemie en één van pioniers van de RNA-wereld hypothese (e.g. Kuhn, 1976; Kuhn & Waser, 1981).

Figuur 6: Günter Wächtershäuser Figuur 7: Hans Kuhn (1919-1990) Figuur 8: Karl Popper (1938-...) (Astrosafor, 2010). (Astrosafor, 2010). (1902-1994) (Astrosafor, 2010) Popper zorgde in de twintigste eeuw voor een aangrijpende verandering in het wetenschappelijk denken met het invoeren van zijn kritisch rationalisme, waarvolgens theoriën rationeel moeten worden benaderd en falsifieerbaar moeten zijn indien ze enige betekenis willen hebben (Kesteloot, 2009; Popper, 1963; Van Bendegem, 2009). Dit standpunt wordt door meerdere publicaties van Wächtershäuser in filosofische tijdschriften en boeken geïllustreerd (e.g. Wächtershäuser, 1987) en is ook duidelijk terug te vinden in de opbouw van bepaalde artikels (e.g. Wächtershäuser, 1990), geschreven volgens een complexe filosofische theorema/postulaat opbouw. Het toepassen van Popper’s kritisch rationalisme onder de vorm van biochemische retrodictie, als het ware een methodologie van rationele theorie-evolutie, is één van de immer terugkerende steunpilaren in Wächtershäuser’s werk. Zoals werd gezegd heeft ook het werk van Kuhn, samen met andere mensen achter de voorloper van de latere RNA-wereld theorie (van Nobelprijs-winnaar Walter Gilbert (1986)), zoals Carl Woese (e.g. Woese, 1968), een grote rol van belang gespeeld voor Wächtershäuser. In een interview (Astrosafor, 2010) vertelt Wächtershäuser hoe hij in 1972/3 beginnen na te denken is over het ontstaan van het leven en hoe hij indertijd (naïef) dacht dat de “soep-theorie” van Kuhn (en eerder verwant pionierswerk van wetenschappers als Alexander Oparin (e.g. Oparin, 1924)) het probleem had opgelost en dat de zaak beklonken was. Met de loop der jaren begint hij dit echter in vraag te stellen, waarbij hij enkele werkstukken schrijft waarin steunpilaren van de “soep-theorie” en voorlopers van de RNA-wereld hypothese in twijfel worden gebracht. Zo bestond volgens Wächtershäuser de nodige atmosfeer uit de “soep-theorie” bijvoorbeeld niet en hetzelfde geldt voor de vermoedelijke organische materie uit kometen en meteorieten, deze zouden het smelten van de jonge aarde niet overleefd kunnen hebben. De meeste werkstukken hieromtrent worden echter niet afgewerkt en zullen uiteindelijk meestal links worden gelaten. Het zal zijn ontmoeting zijn met Karl Popper, in 1982, die de definitieve doorslag zal geven en leiden tot de befaamde pyriet-wereld hypothese, waarin het ontstaan van het leven uit een totaal ander perspectief wordt benadered.


In eerste instantie zal er nu verder worden ingegaan op het werk van Wächtershäuser (§2.2.), waarin het ontstaan van het leven bij hydrothermale schouwen vaak aan bod komt, en zal er aandacht worden besteed aan belangrijke terugkerende concepten, zoals “de pyrietwereld” (naar analogie met de RNA-wereld) en het belang van metabolisme bij primair leven (“metabolisme eerst”). Vervolgens (§3.) zal het geheel uit een breder perspectief worden benaderd en zal ander gerelateerd onderzoek, steeds met de nadruk op hydrothermale bronnen en het onstaan van het leven, verder worden besproken. 2.2. Wächtershäuser’s theorieën: de “pyrietwereld” en “metabolisme eerst” Wächtershäuser’s theorieën en kernbegrippen als “pyrietwereld” en het belang van metabolisme bij het ontstaan van het leven, komen in meerdere werkstukken terug, zoals bijvoorbeeld in zijn referentiewerken: Wächtershäuser (1988a, 1988b, 1990, 1992) en zullen in dit onderdeel nader worden beschouwd. Volgens Wächtershäuser is het leven niet ontstaan in oceanische bulkoplossingen (cf. “soep-theorie”), maar als lipideblaasjes op de oppervlakte van mineralen (e.g. FeS2 en NiS), als bijproduct van vulkanische activiteit diep in de aardkorst. Vervolgens werden deze mineralen dan via hydrothermale schouwen in de oceaan gestuuwd, waar de stappen naar een ontwikkeling van leven zich verderzetten (Speijer et al., 2010). In Wächtershäuser (1990), een artikel met een typerende filosofische opbouw (8 theorema’s en 5 postulaten), wordt er verder ingegaan op concepten betreffende metabolisme, die voor het eerst werden aangehaald in Wächtershäuser (1988a). Hierin wordt voorgesteld dat een vroege vorm van metabolisme gedomineerd zou hebben op genetica bij het ontstaan en de evolutie van het vroege leven op aarde. Onder metabolisme wordt er een cyclus van energie-producerende chemische reacties verstaan, deze energie kan later worden aangewend door andere processen (Wächtershäuser, 1990). Hierdoor kan éénmaal een primitieve metabolische cyclus is opgebouwd deze zelf aanleiding geven tot meer complexe verbindingen (Wächtershäuser, 1990), zoals wordt geïllustreerd in Figuur 9. In deze auto-katalytische terugkoppelingsmechanismen speelt ijzersulfide een essentiële rol en dit vormt de basis voor de “pyrietwereld”-hypothese van enkele jaren later (Wächtershäuser, 1992). De theorie van Wächtershäuser omtrent het ontstaan van het leven zou als volgt kunnen worden samengevat (a.d.h.v. Drobner et al. (1990), Huber & Wächtershäuser (1997, 1998), Wächtershäuser (1988a, 1988b, 1990, 1992, 2000), Wächtershäuser & Huber (2007)). Het leven is ontstaan als een auto-katalytisch, autotroof oppervlaktemetabolisme van laag-moleculaire organische verbindingen. Deze werden initieel gevormd door CO-fixatie en in een later stadium door CO2 fixatie in een vulkanische omgeving (met veel CO, CO2, H2S, NH3) (zie ook Figuur 5) op de oppervlakte van bijvoorbeeld ijzer- en nikkelsulfide. Het oppervlaktemetabolisme werd gestuurd door de oxidatie van CO naar CO2 en door een trapsgewijze oxidatie van Fe tot FeS2, wat leidt tot een auto-katalytische feedbacklus. De dynamische analoge informatie van feedbacklussen is dus een voorganger van de structurele informatie van sequenties, oftewel de genetica. Het ontstaan van een oppervlaktemetabolisme maakt dat het eerste organisme een composiet was van enerzijds een mineraal (want nood aan een oppervlak) en anderzijds een ligand sfeer (Wächtershäuser, 1988a). Het binden aan mineraaloppervlakken, en dus de vorming van composieten, wordt gezien als de voorloper van cellulaire omsluiting: voor het eerst ontstaat er een dichotomie tussen organisme en omgeving. Bijgevolg kan de interne chemie (anders) evolueren en wordt deze verschillend aan het chemisch reactiemilieu van de omgeving (Wächtershäuser, 1988a). Uiteindelijk blijkt een belangrijk deel van deze processen plaats te vinden bij hydrothermale bronnen (na reacties diep in de aardkorst) en het is dan ook niet verwonderlijk te bemerken dat de laatste universele gemeenschappelijke voorouder (LUCA: “last universal common ancestor”) door Huber & Wächtershäuser (1998) in een black smoker terug is gevonden.


Figuur 9: Voorbeeld van een primitieve metabolische cyclus, aanleiding gevende tot meer complexe verbindingen (Wächtershäuser, 1990). Het werk van Wächtershäuser is theoretisch zeer sterk, zeker uit filosofisch perspectief (zie hoger), maar dit zou niet mogelijk zijn indien er geen experimentele ondersteuning zou zijn. Enkele van de belangrijkste experimentele ondervindingen die zijn theorie ondersteunen (niet allemaal door Wächtershäuser zelf uitgevoerd), naast de eerder vermelde vorming van pyriet en H2 (Drobner et al., 1990; Taylor et al., 1979), zijn de volgende:

• vorming van CH3SH van CO2 bij FeS (Heinen en Lauwers, 1996), • CO-fixatie tot acetylthioester in aanwezigheid van (Fe,Ni)S (Huber & Wächtershäuser,

1997), • vorming van pyruvaat van FeS en CO bij hoge druk (Cody et al., 2000), • stikstoffixatie door FeS (Dorr et al., 2003). • productie van aminozuurprecursoren en verbinden van aminozuren tot peptides met

CO en (Fe,Ni)S (Huber & Wächtershäuser, 1998) en • metabolische peptidecycli als katalysatoren voor en gedreven door de verandering

van CO naar CO2 (Huber et al., 2003). 3. Hydrothermale bronnen en hun rol bij op het ontstaan van het

leven: andere/aanvullende perspectieven De theorie van Wächtershäuser die tot hier werd beschouwd focust zich vooral op het indirect effect van hydrothermale schouwen bij het ontstaan van het leven. Het is dan ook zo dat in veel (overzichts)artikels waarin het ontstaan van het leven bij hydrothermale systemen wordt beschouwd (e.g. Holm & Anderson, 2005; Martin et al., 2008; Miller & Bada, 1988), Wächtershäuser niet of amper wordt vermeld en dus zijn theorie wordt gecatalogeerd als verschillend. In dit onderdeel zal er nu dus meer naar rechtstreekse elementen worden gekeken.


Het werk van Tunnifliffe (1991) bouwt deels verder op dat van Wächtershäuser (e.g. 1988a, 1988b, 1990), waarbij aminozuursynthese plaatsvindt diep in de aardkorst en deze aminozuren vervolgens naar boven worden gestuuwd in het koude water (zie ook §4.2.). Mede dankzij de lage temperaturen en aanwezigheid van kleimineralen (zie ook §4.3.) wordt hiermee de vorming van peptides en protocellen bevorderd (Tunnifliffe, 1991). Deze hypothese, met een belangrijke rol voor de omgeving rond en de directe rol van hydrothermale schouwen, is aantrekkelijk door de overvloed aan CH4 en NH3 dat hier aanwezig is. Een ander element dat in het werk van Wächtershäuser een minder prominente rol speelt, maar in overige literatuur (e.g. Baross & Hoffman, 1985; Martin & Russell, 2003) vaak wordt aangehaald, is het belang van fysische en chemische gradiënten bij hydrothermale schouwen. De nadruk ligt hierbij voornamelijk op de de temperatuursgradiënt. Deze gradiënten zijn een rechtstreeks gevolg van de interactie tussen uitgebreide hydrothermale activiteit in de aardkorst en de daarbovenliggende oceaan (Pirajno, 2009). Hierdoor komen er dus diverse omgevingen rond hydrothermale bronnen voor en zijn verschillende trajecten voor de abiotische synthese van chemische verbindingen mogelijk en voor de uiteindelijke evolutie van organismen (Baross & Hoffman, 1985; Pirajno, 2009). Naast temperatuursgradiënten zijn er ook gradiënten in pH, concentratie, etc. (Martin et al., 2008). Bemerk dat een groot deel van theorie die hieraan wordt gekoppeld echter afgeleid is uit het werk van Wächtershäuser, zoals bijvoorbeeld in het referentie-artikel van Martin & Russell (2003), waarin terug wordt vertrokken van een gestructeerde neerslag van FeS2.

4. Het heden als sleutel tot het verleden: voorbeelden van microbieel metabolisme, organische synthese en het belang van

mineralen in hedendaagse hydrothermale systemen Doorheen de geologie als wetenschap is het vaak gebleken dat processen die we vandaag de dag waarnemen kunnen aanhalen om de geologische geschiedenis te verklaren. Op mogelijk kleine details na, is dit voor hydrothermale systemen niet anders. Wel is het zo dat de samenstelling van de oceaan alsook van de oceanische korst veranderde/verandert doorheen de tijd, wat impliceert dat de huidige samenstelling van hydrothermale fluïda niet exact representatief is voor de toenmalige (Speijer et al., 2010). Het is zo dat de hydrothermale systemen van dit moment meer dan voldoende geochemische energie leveren voor het microbieel metabolisme en de organische synthese aldaar (Wiegel & Adams, 2003). Dit wordt aangetoond a.d.h.v. methanogenese (§4.1.) en aminozuursynthese (§4.2.); twee van dergelijke hedendaags voorkomende, energie-leverende en organische verbinding-synthetiserende processen. Ook zal het belang van mineralen aangetoond worden (Martin et al., 2008; Wiegel & Adams, 2003), aanwezig in de hydrothermale schouwen zelf en in het onderliggend gesteente behorend tot de oceanische korst (§4.3.). 4.1. Methanogenese Methanogenen die momenteel voorkomen in hydrothermale systemen, behorende tot de hyperthermofielische Archaea, halen hun nodige energie uit CO2-reductie via volgende reactie: CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O. (1) Hierbij wordt dus methaan (CH4) geproduceerd, vandaar methanogenese/methanogenen, en komt er energie vrij. Deze energie kan men kwantificeren gebruik makend van “de Gibbs vrije energie van de reactie (∆Gr)” (Hertogen, 2009). Deze wordt berekend als volgt: ∆Gr = ∆G0

r + RTlnQr. (2)


Hierbij is ∆G0r de standaard Gibbs vrije energie van de reactie, R de universele gasconstante,

T de temperatuur in kelvin en Qr het activiteitsproduct onder normale omstandigheden. De ∆G0

r bij een bepaalde druk P en bepaalde temperatuur T wordt gegeven door: ∆G0

r,P,T = ∑vi,rG0i,P,T (3)

waarbij vi,r staat voor de stoichiometrische reactiecoëfficiënt van het i-de species in de reactie, deze is positief voor de producten en negatief voor de reagentia (e.g. voor H2: vH2,r = 4). G0

i,P,T staat voor de standaard Gibbs vrije energie van het i-de species in de reactie. Daar temperaturen en drukken in hydrothermale systemen hoog zijn, dient men voor de berekening van de verschillende G0

i,P,T te werken met het “Helgeson-Kirkham-Flowers” (HKF) model (Hertogen, 2009; Shock & Helgeson, 1988). Qr, het activiteitsproduct onder normale omstandigheden, wordt gegeven door:

422

224

))()(())()((

HaCOaOHaCHa

Qr = (4)

waarbij a staat voor de activiteit van het respectievelijke species, dewelke op zijn beurt afhangt van de activiteitscoëfficiënt en de concentratie van dat species in het mengsel zeewater - hydrothermaal fluïdum. De activiteit van water kan men gelijkstellen aan 1, daar dit in overvloed aanwezig is (Hertogen, 2009). Wanneer men de ∆Gr berekent voor een druk van 300 bar en een temperatuur van 100 °C, representatief voor een submariene hydrothermale schouw, bekomt men een waarde van -103.7 kJ/mol oftewel -24.8 kcal/mol. Dit gebruik makend van het “Helgeson-Kirkham-Flowers” (HKF) model voor de berekening van de verschillende G0

i,P,T en van de activiteiten zoals gegeven in McCollom & Shock, 1997. Wanneer men dit omrekent, er van uitgaand dat H2 de limiterende factor is in reactie (1) (minder H2 dan CO2 aanwezig), komt men op een hoeveelheid energie die vrijkomt van 29.3 kJ oftewel 7 cal per kg mengsel van 100 °C (Wiegel & Adams, 2003). Aangezien alle H2 afkomstig is uit de submariene hydrothermale schouw komt dit op zijn beurt overeen met 29.3 kJ oftewel 7 cal per kg hydrothermaal fluïdum. Met een dergelijke hoeveelheid vrijgekomen energie kunnen methanogenen zich voor zo’n 4 mg reproduceren, wat uiteindelijk overeenkomt met een jaarlijkse productie van 1.5x1011 kg biomassa door methanogenese (een globale flux van hydrothermaal fluïdum van 3x1013 kg/jaar aannemend) (Wiegel & Adams, 2003). Naast methanogenese gebruiken chemolithoautotrofen nog vele andere reacties om aan hun nodige energie te komen (Figuur 10); zoals bijvoorbeeld bacteriële sulfaatreductie (BSR), uitvoerig bestudeerd dankzij het belang ervan in de diagenese en de genese van koolwaterstoffen (KWSen) (Swennen & Muchez, 2010). Deze reacties verschillen wel steeds in de hoeveelheid energie die daarbij vrijkomt. Bemerk dat reductieve reacties enkel energie leveren bij hoge temperaturen (> 45 °C), en oxidatieve enkel bij lagere temperaturen. Sulfaatontbinding (reactie k in Figuur 10) levert een enorme hoeveelheid aan energie, maar tot nu toe is er nog geen organisme gevonden die deze reactie gebruikt (Wiegel & Adams, 2003). 4.2. Aminozuursynthese Niet alleen leveren deze reacties (mogelijk) energie (= exergone reacties) maar er worden ook, zoals de naam het zegt, aminozuren mee aangemaakt. Opgepast, niet alle aminozuur-aanmakende reacties zijn exergoon (Wiegel & Adams, 2003). Deze aminozuren hebben verschillende functies in de stofwisseling, maar de belangrijkste is ongetwijfeld de aanmaak van eiwitten, deze laatsten chemische bouwstenen van het leven (Speijer, 2010). Een voorbeeld van een exergone aminozuursynthese wordt gegeven door de volgende reactie, de aanmaak van alanine (CH3CHNH2COOH); hierbij worden dus inorganische bestanddelen van hydrothermale fluïda opgebruikt voor de synthese van een aminozuur en komt er energie vrij:


Figuur 10: Verschillende reacties zoals gebruikt door chemolithoautotrofen voor het voorzien in hun energiebehoefte (Wiegel & Adams, 2003). 3CO2(aq) + NH4

+ + 6H2(aq) → CH3CHNH2COOH(aq) + H+ + 4H2O. (5) De berekening van de hoeveelheid vrijgekomen energie is gelijkaardig aan deze uitgevoerd in §4.1. Dit alles om aan te tonen dat hedendaagse hyperthermofielen in hydrothermale schouwen vele eenvoudige organische verbindingen, nodig voor hun celgroei, kunnen aanmaken en daarbovenop energie winnen. Via het principe “het heden als sleutel tot het verleden” zou men kunnen stellen dat hyperthermofielen dat ook konden ten tijde van de vroege aarde. Bovendien waren omstandigheden toen veel extremer; de warmteflux aan en de intensiteit en verbreiding van hydrothermale systemen was groter, het moedergesteente van de hydrothermale systemen was mogelijk minder SiO2-rijk dan nu (wat maakte dat er meer H2 gegenereerd kon worden via de reductie van water) en de atmosfeer en het zeewater waren toen waarschijnlijk minder geoxideerd (Lal, 2008; Wiegel & Adams, 2003). 4.3. Het belang van mineralen als katalysator en bron van species Het moet gezegd worden dat eer bovenvermelde methanogenese en aminozuursynthese van start kan gaan kinetische barrières overwonnen dienen te worden. Deze barrières verhinderen het spontaan van start gaan van de reacties, er moet als het ware eerst een activatie-energie in geïnvesteerd worden. Het is hier dat katalysatoren als enzymen maar ook mineralen een belangrijke rol vervullen door het verlagen van deze barrières. Mineralen als montmorilloniet (een kleimineraal), magnetiet (een Fe-oxide) en bepaalde ijzersulfiden worden in deze context meestal aangehaald als mogelijke katalysatoren (Wiegel & Adams, 2003). Nog een belangrijke functie van mineralen in dit verhaal is het voorzien van de nodige species (Figuur 5). Wanneer het hydrothermaal fluïdum circuleert doorheen de onderliggende oceanische korst zal het interageren met het gesteente. Het is hier dat vele van de nodige species voor het mogelijk ontstaan van leven in/aan hydrothermale bronnen geproduceerd worden door de water-gesteente interactie (Martin et al., 2008). Een voorbeeld hiervan is serpentinisatie: (Mg,Fe)2SiO4 + H2O + C → Mg3Si2O5(OH)4 + Mg(OH)2 + Fe3O4 + CH4 + C2-C5 + H2. (6) Hierbij wordt olivijn omgezet in serpentien (een groep van polymorfe mineralen), bruciet, magnetiet, KWSen en meest belangrijk: H2. Het is dit H2 dat als elektrondonor wordt opgebruikt in energie-producerende en synthetiserende reacties (e.g. bovenvermelde methanogenese en aminozuursynthese, §4.1. en §4.2.). Men kan dus concluderen dat mineralen niet alleen belangrijk zijn voor het voorzien van een oppervlak, een plaats voor het metabolisme maar ook voor de eigenlijke reacties zelf.


5. Waarom hydrothermale bronnen niet aan de oorsprong van het leven zouden hebben gestaan

Ondanks een hele reeks sterke argumenten, wordt het ontstaan van het leven bij hydrothermale schouwen door veel wetenschappers in twijfel getrokken en het is dan ook één van de vele mogelijke hypothesen die in de literatuur terug te vinden zijn. Eén van de meest voorkomende tegenargumenten (e.g. Ross, 2008) is het feit dat veel van de zaken die in laboratorische omstandigheden worden gereproduceerd (e.g. H2 productie: Drobner et al., 1990) gebeuren met veel hogere concentraties dan in de natuur en dus onrealistisch zijn (Pirajno, 2009; Speijer et al., 2010). Er kan als tegenargument worden geponeerd dat deze chemische concentraties bij het ontstaan van het leven veel hoger waren, maar de nodige bewijzen ontbreken hier echter voor (Pirajno, 2009). Een ander punt dat vaak wordt bekritiseerd aan de theorie zijn de slecht reproduceerbare omstandigheden. In tegenstelling tot de soep-theorie, waar honderden miljoenen dollars zijn in geïnvesteerd gedurende 60 jaar door tal van onderzoeksgroepen, is de experimentele capaciteit in het onderzoek rond hydrothermale schouwen en hun rol bij het ontstaan van het leven veel kleiner. Zo zou het volgens Wächtershäuser bijvoorbeeld interessant zijn om metingen uit te voeren onder zeer hoge druk, zoals in de werkelijkheid (Wächtershäuser, 2007). Dit is echter niet mogelijk, aangezien er momenteel geen technieken zijn om veilig te werken met koolstofmonoxide onder zeer hoge druk, door diens hoog corrosief karakter en de onveiligheid bij zeer extreem gecompresseerd CO. Ook zijn de middelen om eerste stappen in deze richting te zetten te gelimiteerd. Verder bestaat er enige discussie rond de stabiliteit van organische moleculen bij hoge temperaturen die heersen rond hydrothermale systemen. Niettegenstaande chemische reacties sneller verlopen en toenmalige afbrekende enzymen minder efficiënt werkten onder hogere temperaturen (Schopf, 2002), wordt er vaak verweten dat de temperaturen te hoog zijn om stabiliteit van deze organische moleculen te garanderen. Bijvoorbeeld ribose alsook andere suikers zijn uitgesproken thermolabiel; zouden deze lang genoeg kunnen overleven om deel te kunnen nemen aan de prebiotische synthese van macromoleculen? Dit wordt echter gecounterd door wetenschappers (e.g. Martin et al., 2008) die het ontstaan van het leven bij hydrothermale bronnen steunen en die hiervoor verwijzen naar organismen die in extreem hoge temperaturen kunnen leven, met name de hyperthermofielen (Brock, 1978). De reeds vermelde LUCA bijvoorbeeld, is volgens o.a. Wächtershäuser een dergelijke hyperthermofiel. Ook zou het reeds vermelde oppervlaktemetabolisme hogere temperaturen kunnen verdragen; meer nog, het zou er zelfs nood hebben aan (dit heeft te maken met een nauwere Boltzmann-verdeling van kinetische energie van gebonden t.o.v. opgeloste bestanddelen). Wel is het zo dat volgens sommige onderzoekers (e.g. Galtier et al., 1999) de LUCA dan weer geen hyperthermofiel was, maar eerder een mesothermofiel. Volgens hen is hyperthermofilie een secundaire adaptatie, weliswaar vroeg in de aardse geschiedenis maar significant ná het leven ontstaan. Deze onderzoekers baseren zich op de inhoud aan gyanine plus cytosine van de DNA-genen die coderen voor rRNA, deze inhoud is een betrouwbare indicator voor de omgevingstemperatuur. Ook mogelijk volgens Pirajne, 2009 is dat het leven op enige afstand van de bronnen kan zijn ontstaan, waar de temperaturen gevoelig lager zijn; wat deze discussie omtrent temperatuur zo goed als overbodig zou maken. Vervolgens wordt ook het gebruik van heterogene, levende katalysatoren vaak in twijfel gebracht; aangezien deze korte levenstijden kennen en bovendien zeer onderhevig kunnen zijn aan vergiftiging (Ross, 2008). Dit pijnpunt wordt bijvoorbeeld geïllustreerd door het onderzoek van Huber et al. (2003), dat nochtans een voorstander is van het ontstaan van leven door hydrothermale activiteit. Hierin stopt in fenylalanine-conversie-experimenten (van meer dan 120 uur) de reactie na minder dan 20 uur en wordt in totaal maar een kleine fractie van het aminozuur verbruikt. Het aangehaalde argument van vergiftiging wordt vaak geweerd op analoge wijze als voor de hoge temperaturen (zie hoger): extromofielen (Brock, 1978), meestal unicellulaire microben (Bacteria en Archaea) die in extreme omstandigheden


kunnen overleven, hebben weinig last van vergiftiging. Ook bestaan er andere mechanismen om te katalyseren (§4.3.). Tot slot wordt er geopperd dat huidige, en dus waarschijnlijk ook vroegere (cf. “het heden als sleutel tot het verleden”), hydrothermale fluïda te weinig tot bijna geen PO43- bevatten (Figuur 5), één van de species nodig in de theorie van o.a. Wächtershäuser. Dit doordat het opreageert met basalten aanwezig in de onderliggende oceanische korst (Bashkin, 2003). De tegenargumenten die hier werden aangehaald behoren tot de belangrijkste kritieken die er bestaan t.o.v. de theorie die in dit werkstuk wordt besproken. Er bestaan er echter nog vele andere, maar hierbij dient altijd de wetenschappelijke waarde van het argument, die soms miniem/afwezig is en veelal gebaseerd is op speculatie, goed te worden verifieerd. Belangrijk te bemerken is dat, indien deze theorie verworpen wordt, de (weliswaar dan indiricte) invloed van hydrothermale bronnen op het ontstaan van het leven niet ontkend kan worden; aangezien hydrothermale bronnen belangrijke regulators waren en nog steeds zijn van de samenstelling van oceaan en atmosfeer.

6. Conclusie & werkwijze De hier besproken hypothese omtrent het ontstaan van het leven is één van de vele mogelijke scenario’s die in de literatuur zijn terug te vinden. Hiernaast zijn er bijvoorbeeld ook: de kort aangehaalde “soep-theorie” en RNA wereld (belangrijk is wel te bemerken dat deze compatibel is met de pyriet wereld), exogenese, de proteïnenwereld, de lipidenwereld, etc. (Lal, 2008; Speijer et al., 2010). Het hydrothermaal ontstaan van het leven heeft veel sterke punten (§2. & §3.), maar ook een paar nadelen (§5.), zoals werd besproken. Toch is het interessant om deze hypothese verder te volgen naar de toekomst toe en ze te blijven benaderen als één van de mogelijke scenario’s: “Life need not have evolved this way, but the mere prospect that it could have is reason enough to probe the environments further” (Martin et al., 2008). Ook werd er besloten, na een initiële twijfel, om het werk van Wächtershäuser erbij te betrekken. Dit ondanks het feit dat hij vaak wordt aanzien als een buitenstaander met een eigen theorie, die niet rechtstreeks verbonden is aan het ontstaan van het leven bij hydrothermale bronnen. De redenen waarom hij soms anders wordt gecatalogeerd, situeren zich voornamelijk in enkele fundamenteel verschillende standpunten, zoals bijvoorbeeld het feit dat hij het belang van temperatuursgradiënten bij hydrothermale systemen relativeert (Pirajno, 2009) en de aandacht meer vestigt op interne kortsprocessen. Naar onze mening is Wächtershauser een zeer interessante figuur en kan zijn werk (al dan niet onrechtstreeks) wel degelijk worden gekoppeld aan hydrothermale systemen voor het ontstaan van het leven. Het was (en is) dus een meerwaarde hem in het verhaal te (blijven) betrekken. Verder is het belangrijk altijd om de context te analyseren waarin het onderzoek plaatsvindt en dus niet enkel de aandacht te vestigen op de geochemische aspecten (vnl. §4). Zo zijn er bij discussies omtrent het ontstaan van het leven ook filosofische aspecten, zoals duidelijk het geval was bij Wächtershäuser en diens intense samenwerking met Karl Popper (e.g. Wächtershäuser, 1990). Hier werd dan ook aandacht aan besteed in dit werkstuk, hetgeen een ander perspectief biedt dan een klassiek wetenschappelijk artikel. Tot slot werd het onderwerp als zeer moeilijk ervaren, daar er in de literatuur naast de voor ons meer vertrouwde geochemie ook veel chemie uit een voor ons weinig gekende tak (biochemie?) wordt aangehaald. Ondanks dit werd er uit interesse toch voor dit thema geopteerd en werd een oplossing gezocht door de nadruk te leggen op geologische en filosofische aspecten van het onderzoek, velden waar we veel meer kennis over hebben, eerder dan in te gaan op de pure chemie. Uiteindelijk werd er getracht een zo goed mogelijk overzicht te geven van de bestaande literatuur en de theorieën van Wächtershäuser en collega’s op een duidelijke manier te schetsen, door zoveel mogelijk gebruik te maken van referentiewerken uit befaamde tijdschriften (e.g. Science, Nature, PNAS).


7. Referentielijst* AquaCare, 2010. http://www.aquacare.de (laatst bezocht: 19 december 2010). Astrosafor, 2010. Interview with Dr. Günter Wächtershäuser. Agrupacion Astronomica de la Safor. http://www.astrosafor.net (laatst bezocht: 24 december 2010). Baross, J.A., Hoffman, S.E., 1985. Submarine Hydrothermal Vents and Associated Gradient Environments as Sites for the Origin and Evolution of Life. Origins of Life 15, 327-345. Bashkin, V.N., 2003. Modern Biogeochemistry. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 574 pp. Brock, T., 1978. Thermophile Microorganisms and Life at High Temperatures. Springer, New York, 313pp. Cody, G.D., Boctor, N.Z., Filley, T.R., Hazen, R.M., Scott, J.H., Sharma, A., Yoder, H.S., 2000. Primordial carbonylated iron-sulfur compounds and the synthesis of pyruvate. Science 289, 1337-1340. Dorr, M., Kassbohrer, J., Grunert, R., Kreisel, G., Brand, W.A., Werner, R.A., Geilmann, H., Apfel, C., Robl, C., Weigand, W., 2003. A possible prebiotic formation of ammonia from dinitrogen on iron sulfide surfaces. Angewandte Chemie International Edition 42, 1540-1543. Drobner, E., Huber, H., Wächtershäuser, G., Rose, D., Stetter, K.O., 1990. Pyrite Formation Linked with Hydrogen Evolution under Anaerobic Conditions. Nature 346, 742-744. Galtier, N., Tourasse, N., Gouy, M., 1999. A nonhyperthermophilic common ancestor to extant life forms. Science 283, 220–21. Gilbert, W., 1986. Origin of Life: The RNA World. Nature 319, 618-618. Heinen, W., Lauwers, A.M., 1996. Organic sulfur compounds resulting from the interaction of iron sulfide, hydrogen sulfide and carbon dioxide in an anaerobic acqeous environment. Origins of Life and Evolution of the Biosphere 26(2), 131-150. Hertogen, J., 2009. Geochemie. Cursusnota’s Bachelor Geologie KUL, Leuven. Holm, N.G., Andersson, E., 2005. Hydrothermal Simulation Experiments as a Tool for Studies of the Origin of Life on Earth and Other Terrestrial Planets: A Review. Astrobiology 5, 444-460. Huber, C., Wächtershäuser, G., 1997. Activated acetic acid by carbon fixation on (Fe,Ni)S under primordial conditions. Science 276, 245-247. Huber, C., Wächtershäuser, G., 1998. Peptides by activation of amino acids with CO on (Ni,Fe)S surfaces: Implications for the origin of life. Science 281, 670-672. Huber, C., Eisenreich, W., Hechts, S., Wächtershäuser, G., 2003. A possible primordial peptide cycle. Science 301, 938-940. Kesteloot, C., 2009. History and Epistemology of Geography. Cursusnota’s Master Geografie KUL/VUB, Leuven. Kuhn, H., 1976. Model consideration for the origin of life - Environmental structure as stimulus for the evolution of chemical systems. Naturwissenschaften 63, 68-80. Kuhn, H., Waser, J., 1981. Molecular self-organization and the origin of life. Angewandte Chemie International Edition 20, 500-520. Lal, A.K., 2008. Origin of Life. Astrophysics and Space Science 317, 267-278. Martin, W., Baross, J., Kelley, D., Russell, M.J., 2008. Hydrothermal vents and the origin of life. Nature Reviews Microbiology 6, 805-813. Martin, W., Russell, M.J., 2003. On the origins of cells: a hypothesis for the evolutionary transitions from abiotic geochemistry to chemoautotrophic prokaryotes, and from prokaryotes to nucleated cells. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series B: Biological Sciences 358, 59-83. McCollom, T.M., Shock, E.L., 1997. Geochemical constraints on chemolithoautotrophic metabolism by microorganisms in seafloor hydrothermal systems. Geochimica et Cosmochimica Acta 61, 4375-4391.

* Bemerk hierbij dat meerdere artikels en boeken niet altijd volledig werden gelezen bij het opstellen van dit werkstuk; sommige zelfs werden enkel aangehaald om correct te refereren, wanneer ze vermeld werden in geraadpleegde literatuur.

http://www.aquacare.de/

http://www.astrosafor.net/


Miller, S.L., Bada, J.L., 1988. Submarine hot springs and the origin of life. Nature 334, 609- 611. Oparin, A.I., 1924. The origin of Life (in het Russisch). Moscow Worker Publisher, Moscow. Pirajno, F., 2009. Hydrothermal Processes and Mineral Systems. Springer Verlag, Berlin, 1250pp. PMEL, 2010. Pacific Marine Environmental Laboratory. http://www.pmel.noaa.gov/vents/chemistry/information.html (laatst bezocht: 19 december 2010). Popper, K. R., 1963. Conjectures and Refutations: The Growth of Scientific Knowledge. Routledge, London, 412pp. Ross, D.S., 2008. A Quantitative Evaluation of the Iron-Sulfur World and Its Relevance to Life’s Origins. Astrobiology 8, 267-272. Shock, E.L., Helgeson, H.C., 1988. Geochimica et cosmochimica Acta 52, 2009-2036. Schopf, J.W., 2002. Life’s origin. University of California Press, London, 216 pp. Selley, R., Cocks, R., Plimer, I., 2004. Encyclopedia of Geology. Elsevier Academic Press, London, 2750 pp. Speijer, R., Brendonck, L., Claeys, P., Swennen, R., Foubert, A., 2010. Evolution of the Geobiosphere. Cursusnota’s Master Geologie KUL/Geografie VUB, Leuven. Swennen, R., Muchez, P., 2010. Diagenesis and Low Grade Metamorphism. Cursusnota’s Master Geologie KUL, Leuven. Taylor, P., Rummery, T.E., Owen, D.G., 1979. Reactions of iron monosulfide solids with aqueous hydrogen sulfide up to 160°C. Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry 41, 1683-1687. Tunnifcliffe, V., 1991. The Biology of Hydrothermal Vents: Ecology and Evolution. Oceanography and Marine Biology Annual Review 29, 319-408. UVic, 2010. University of Victoria: Institute for Coastal and Ocean Research. http://web.uvic.ca/sciweb/photos-hydrothermal-vents.html (laatst bezocht: 19 december 2010). Van Bendegem, J.P., 2009. Filosofie van de Wetenschappen. Cursusnota’s Bachelor Geografie VUB, Brussel. Wächtershäuser, G., 1987. Light and Life: on nutritional origins of sensory perception. Evolutionary Epistemology, Rationality and the Sociology of Knowledge. Wächtershäuser, G., 1988a. Before Enzymes and Templates: Theory of Surface Metabolism. Microbiological Reviews 52(4), 452-484. Wächtershäuser, G., 1988b. Pyrite Formation, The 1st Energy-Source for Life: a Hypothesis. Systematic and Applied Microbiology 10(3), 207-210. Wächtershäuser, G., 1990. Evolution of the first metabolic cycles. Proceeding of the National Academy of Science 87, 200-204. Wächtershäuser, G., 1992. Groundworks for an Evolutionary Biochemistry: The Iron Sulfur World. Progress in Biophysics & Molecular Biology 58(2), 85-201. Wächtershäuser, G., 2000. Origin of Life: Life as We Don’t Know It. Science 289, 1307-1308. Wächtershäuser, G., Huber, C., 2007. Debating evidence for the origin of life on Earth: Response. Science 315, 938-939. Wiegel, J., Adams, M.W.W., 2003. Thermophiles. Taylor & Francis, 367 pp. Woese, C., 1968. The Genetic Code. Harper & Row, New York, 200pp.

http://www.pmel.noaa.gov/vents/chemistry/information.html

http://web.uvic.ca/sciweb/photos-hydrothermal-vents.html

Hydrothermale bronnen en het ontstaan van het leven – door Johan Vandaele en Harry Zekollari

Documents

Transcript of Hydrothermale bronnen en het ontstaan van het leven – door Johan Vandaele en Harry Zekollari