De eerste bouwstenen van het leven op aarde kunnen zijn gevormd dankzij uitbarstingen van onze zon, zo blijkt uit een nieuwe studie. Uit een reeks chemische experimenten blijkt hoe zonnedeeltjes, botsend met gassen in de vroege atmosfeer van de aarde, aminozuren en carbonzuren kunnen vormen, de basisbouwstenen van eiwitten en organisch leven. De bevindingen werden gepubliceerd in het tijdschrift Life.
Om de oorsprong van het leven te begrijpen, proberen veel wetenschappers te verklaren hoe aminozuren, de grondstoffen voor eiwitten en al het cellulaire leven, werden gevormd. Het bekendste voorstel ontstond eind 1800, toen wetenschappers speculeerden dat het leven misschien was begonnen in een "warm meertje": Een soep van chemicaliën, geactiveerd door bliksem, hitte en andere energiebronnen, die zich in geconcentreerde hoeveelheden konden vermengen tot organische moleculen.
In 1953 probeerde Stanley Miller van de Universiteit van Chicago deze primordiale omstandigheden na te bootsen in het lab. Miller vulde een gesloten kamer met methaan, ammoniak, water en moleculaire waterstof - gassen die vermoedelijk in de vroege atmosfeer van de aarde voorkwamen - en ontstak herhaaldelijk een elektrische vonk om de bliksem te simuleren. Een week later analyseerden Miller en zijn adviseur Harold Urey de inhoud van de kamer en ontdekten dat zich 20 verschillende aminozuren hadden gevormd. "Dat was een grote openbaring," zei Vladimir Airapetian, astrofysicus bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, en co-auteur van het nieuwe artikel. "Uit de basiscomponenten van de vroege aardatmosfeer kun je deze complexe organische moleculen synthetiseren."
Maar de laatste 70 jaar heeft deze interpretatie gecompliceerd. Wetenschappers denken nu dat ammoniak (NH3) en methaan (CH4) veel minder voorkwamen; in plaats daarvan was de lucht op aarde gevuld met kooldioxide (CO2) en moleculaire stikstof (N2), die meer energie nodig hebben om te worden afgebroken. Deze gassen kunnen nog steeds aminozuren opleveren, maar in sterk verminderde hoeveelheden. Op zoek naar alternatieve energiebronnen wezen sommige wetenschappers op de schokgolven van inkomende meteoren. Anderen noemden ultraviolette straling van de zon. Airapetian wees met behulp van gegevens van NASA's Kepler-missie op een nieuw idee: energetische deeltjes van onze zon.
Kepler observeerde verre sterren in verschillende stadia van hun levenscyclus, maar zijn gegevens geven hints over het verleden van onze zon. In 2016 publiceerde Airapetian een studie waaruit blijkt dat de zon tijdens de eerste 100 miljoen jaar van de aarde ongeveer 30% zwakker was. Maar zonne-"superflares" - krachtige uitbarstingen die we tegenwoordig slechts eens in de 100 jaar zien - zouden eens in de 3-10 dagen zijn uitgebarsten. Deze supervlammen lanceren deeltjes met bijna-lichtsnelheid die regelmatig met onze atmosfeer in botsing komen en chemische reacties op gang brengen.
"Zodra ik dat artikel had gepubliceerd, nam het team van de Yokohama National University uit Japan contact met me op," zei Airapetian.
Dr. Kobayashi, daar professor in de scheikunde, had de afgelopen 30 jaar prebiotische scheikunde bestudeerd. Hij probeerde te begrijpen hoe galactische kosmische straling - inkomende deeltjes van buiten ons zonnestelsel - de vroege aardatmosfeer zou kunnen hebben beïnvloed. "De meeste onderzoekers negeren galactische kosmische straling omdat daarvoor gespecialiseerde apparatuur nodig is, zoals deeltjesversnellers," zei Kobayashi. "Ik had het geluk toegang te hebben tot verschillende daarvan in de buurt van onze faciliteiten." Kleine aanpassingen aan Kobayashi's experimentele opstelling zouden de ideeën van Airapetian kunnen testen.
Airapetian, Kobayashi en hun medewerkers creëerden een mengsel van gassen dat overeenkomt met de vroege aardatmosfeer zoals wij die nu kennen. Ze combineerden kooldioxide, moleculaire stikstof, water en een variabele hoeveelheid methaan. (Het aandeel methaan in de vroege atmosfeer van de aarde is onzeker, maar wordt laag geacht). Ze beschoten de gasmengsels met protonen (om zonnedeeltjes te simuleren) of ontstaken ze met vonkontladingen (om bliksem te simuleren), waarbij ze ter vergelijking het Miller-Urey-experiment nabootsten.
Zolang het aandeel methaan meer dan 0,5% bedroeg, produceerden de met protonen (zonnedeeltjes) beschoten mengsels detecteerbare hoeveelheden aminozuren en carbonzuren. Maar de vonkontladingen (bliksem) vereisten een methaanconcentratie van ongeveer 15% voordat er überhaupt aminozuren werden gevormd.
"En zelfs bij 15% methaan is de productiesnelheid van aminozuren door bliksem een miljoen keer lager dan door protonen," voegde Airapetian eraan toe. Protonen hadden ook de neiging meer carboxylzuren (een voorloper van aminozuren) te produceren dan die welke door vonkontladingen werden aangestoken.
Voor het overige lijken zonnedeeltjes een efficiëntere energiebron dan bliksem. Maar al het andere was waarschijnlijk niet gelijk, suggereerde Airapetian. Miller en Urey namen aan dat bliksem ten tijde van de "warme kleine vijver" net zo vaak voorkwam als nu. Maar bliksem, die afkomstig is van donderwolken gevormd door opstijgende warme lucht, zou zeldzamer zijn geweest onder een 30% zwakkere zon.
"Tijdens koude omstandigheden heb je nooit bliksem, en de vroege Aarde stond onder een behoorlijk zwakke Zon," zei Airapetian. "Dat wil niet zeggen dat het niet van bliksem kon komen, maar bliksem lijkt nu minder waarschijnlijk, en zonnedeeltjes lijken waarschijnlijker." Deze experimenten suggereren dat onze actieve jonge Zon de voorlopers van leven gemakkelijker, en misschien wel eerder, kan hebben gekatalyseerd dan eerder werd aangenomen.
Bron: Miles Hatfield - NASA’s Goddard Space Flight Center
