Voordat het leven op aarde ontstond, ongeveer 3,5 miljard jaar geleden, waren de oceanen een soep van willekeurig door elkaar gegooide moleculen. Op de een of andere manier rangschikten sommige van die moleculen zich in goed georganiseerde reeksen DNA, beschermende celwanden en kleine orgaanachtige structuren die cellen in leven en functionerend kunnen houden. Maar hoe ze deze organisatie tot stand hebben gebracht, heeft wetenschappers lang in de war gebracht. Nu denken biofysici van de Ludwig-Maximilians Universiteit in München dat ze een antwoord hebben: bubbels.
Het begin van het leven was niet onmiddellijk. Vroege voorlopermoleculen transformeerden op de een of andere manier in de bouwstenen van het leven, zoals RNA, DNA, zouten en lipiden. Vervolgens organiseerden die moleculen de eerste vroege versies van cellen, die vervolgens de eerste eencellige organismen werden.
"Dit is de basis voor alle levende soorten", vertelde Dieter Braun van Ludwig-Maximilians University, de hoofdauteur van de studie, aan WordsSideKick.com.
Om cellen te laten vormen, moet je beginnen met repliceren en een eigen leven gaan leiden op de oorspronkelijke aarde, maar alle chemische onderdelen moesten eerst samenkomen, zei Braun.
In de diepe oceaan, waar veel wetenschappers denken dat het leven zijn intrede heeft gedaan, waren moleculen zoals lipiden, RNA en DNA mogelijk aanwezig; maar toch zouden ze te verspreid zijn om iets interessants te laten gebeuren.
'De moleculen gaan verloren. Ze verspreiden zich', zei Braun. 'De reacties komen niet vanzelf.'
Wetenschappers zijn het erover eens dat de moleculen enige kracht nodig hadden om te aggregeren en met elkaar te reageren, vertelde Henderson Cleaves, een chemicus aan het Tokyo Institute of Technology, aan WordsSideKick.com. Onderzoekers zijn het er gewoon niet mee eens wat die kracht was.
Dat is waar bubbels binnenkomen.
Bubbels waren overal in het vroege zeegezicht van de aarde. Warme, diepzeevulkanen spoten bruisende pluimen op. Die luchtige bollen vestigden zich op het poreuze vulkanische gesteente. Dit waren de voorwaarden die Braun en zijn collega's probeerden na te bootsen. Ze creëerden een vat van een poreus materiaal dat de textuur van vulkanisch gesteente nabootste en vulden het op hun beurt met zes verschillende oplossingen, die elk een ander stadium in het levensvormingsproces vormgeven. Een oplossing, die een vroege stap vertegenwoordigde, bevatte een suiker genaamd RAO, die nodig zou zijn geweest bij de constructie van nucleotiden, de bouwstenen van RNA en DNA. Andere oplossingen, die de latere stadia vertegenwoordigen, bevatten RNA zelf, evenals de vetten die nodig zijn om celwanden te construeren.
Vervolgens verwarmden de onderzoekers de oplossing aan de ene kant en koelden ze aan de andere kant. Ze creëerden iets dat een 'thermische gradiënt' wordt genoemd, waarbij de temperatuur geleidelijk van het ene uiteinde naar het andere verandert, vergelijkbaar met de manier waarop het water bij de diepzee thermische ventilatieopeningen geleidelijk verandert van warm naar koud.
'Het is net een micro-oceaan', zei Braun.
In elke oplossing dwingt de temperatuurverandering de moleculen om te klonteren - en ze werden aangetrokken naar de bellen die zich onder deze omstandigheden van nature vormen. Vrijwel onmiddellijk begonnen ze te reageren.
Suikers vormden kristallen, een soort skelet voor RNA- en DNA-nucleotiden. Zuren vormden langere ketens en zetten een nieuwe stap in de richting van de vorming van complexe, RNA-achtige moleculen. Ten slotte rangschikten de moleculen zich in structuren die leken op eenvoudige cellen. In een basale zin, zei Braun, zijn cellen moleculen die zijn omhuld in zakken gemaakt van vetten. Dat is precies wat er gebeurde op het oppervlak van zijn bubbels: vetten plaatsten zich in bollen rond het RNA en andere moleculen.
Het meest verrassend voor Braun en zijn collega's, zei hij, was hoe snel deze veranderingen plaatsvonden, in minder dan 30 minuten.
'Ik was verbaasd', zei hij. Hoewel dit de eerste keer is dat hij en zijn collega's specifiek naar bubbels hebben gekeken, hebben de onderzoekers eerder geprobeerd te repliceren hoe deze biologische moleculen de complexe reacties ondergaan die nodig zijn voor het leven. Normaal gesproken, zei hij, duren deze reacties uren.
Sommige chemici zijn echter sceptisch dat de bellen van Braun een nauwkeurige weergave zijn van de oorspronkelijke omgeving. Braun en zijn collega's zaaiden hun oplossing met veel van de complexe moleculen die nodig zijn voor het leven. Zelfs hun eenvoudigste oplossingen vertegenwoordigden nog steeds latere stadia van het levensvormingsproces, vertelde Ramanarayanan Krishnamurthy, een chemicus bij het Scripps Institution of Oceanography die niet bij het onderzoek betrokken was, tegen WordsSideKick.com. Dat lijkt een beetje op het bakken van een cake met een doosmix, in plaats van helemaal opnieuw te beginnen.
Daarentegen hadden de oude oceanen mogelijk niet de juiste omstandigheden om deze initiële moleculen te vormen, zei Krishnamurthy.
Bovendien vond het bubbelexperiment op kleine schaal plaats. Dat is belangrijk, want het betekent dat de temperatuurverandering van het ene einde van de test naar het volgende erg abrupt was. In werkelijkheid zijn de thermische gradiënten onder de oceaan geleidelijker, zei Cleaves.
Toch voerde Braun aan dat er een paar redenen zijn waarom bubbels de ideale plek zijn voor het begin van het leven. Ten eerste zorgen ze voor een perfecte interface tussen lucht en water. Zonder lucht konden veel van de voor het leven noodzakelijke reacties niet plaatsvinden. Zo moet fosforylering, een reactie die het mogelijk maakt dat kleine moleculen complexe moleculaire snaren vormen, onder ten minste gedeeltelijk droge omstandigheden plaatsvinden. Binnen de bubbels is dat geen probleem; ook al zijn ze klein, bubbels vormen de perfecte omgeving om deze reacties uit te drogen, althans tijdelijk.
Maar er is nog een andere belangrijke rol die bubbels kunnen spelen: ze creëren orde. In stilstaand water spreiden moleculen zich doorgaans zonder specifieke opstelling uit. Bubbels geven echter moleculen - en misschien het begin van het leven - iets om aan vast te houden in een chaotische wereld.
