Hallo, ik ben Sarah Maurer
en in deze les gaan we uitzoeken
hoe de Aarde eruit zag
4.2 tot 4.3 miljard jaar geleden,
en wat dat betekent voor
de oorsprong van het leven.
Het eerste dat je moet weten,
is hoe het geochemische landschap
van de vroege Aarde eruit zag.
Er was zeker reeds een oceaan,
die warmer was dan de huidige oceanen,
en die oceaan was waarschijnlijk ook
wat zouter dan de oceanen,
op de planeet van vandaag.
Bovendien waren er ook landmassa's,
die waarschijnlijk door
vulkanische activiteit waren gevormd,
en mogelijks ook door platentektoniek,
maar dat is nog niet volledig gekend.
En op deze continenten bevonden zich
waarschijnlijk meren en plassen
met zoet water, door neerslag.
Andere vormen van water bevonden zich
eventueel in tijdelijke rivieren,
die ontstaan zijn door diverse
weersomstandigheden.
Bovendien bestonden al deze oppervlakken,
al deze continenten,
bestonden uit mineralen,
verschillende types mineralen
die beschikbaar waren op de vroege Aarde.
Deze mineraaloppervlakken
zijn zeer goede locaties
voor processen zoals katalyse
en het opwekken van energie.
Dat hebben we vandaag niet,
want bijna alle mineralen op Aarde nu
zijn bedekt met een laagje van leven.
De diverse chemische reacties
die op de vroege Aarde plaatsvonden,
waren gemengd door een verscheidenheid
aan allerlei processen.
En, net zoals we vandaag op de Aarde zien
waren er waarschijnlijk getijden,
er was vermengen tussen de oceaan
en de binnenmeren,
via evaporatie, aerosoldeeltjes,
die zich in de lucht verspreidden,
en die naar een andere locatie dreven.
We hadden vulkanische wolken,
die moleculen over het continent
verspreidden,
en dan heb je ook dingen zoals
hydrothermale bronnen
op plaatsen in de diepzee,
waar andere sets chemische reacties
voorkomen.
Al deze vermenging leidde uiteindelijk
tot een unieke chemische verzameling
via verscheidene chemische reacties
die een divers gamma componenten
tot stand deed komen,
waarin de vroegste organismen
in konden ontstaan.
Onderzoekers naar de oorsprong
van het leven, gebruiken deze locaties
en bouwen, waar we soms naar verwijzen
als een warm vijvertje,
zoals Darwin als eerste voorstelde.
En in deze vijvertjes is er zoet water,
dat binnenstroomt
en de aanwezige moleculen hydrateert
zodat ze met elkaar kunnen reageren
en complexe biologische moleculen vormen.
Misschien verdampt dit water,
en veroorzaakt polymerisatie
terwijl er condensatie plaatsvindt.
En dan worden ze opnieuw gehydrateerd
en ingekapseld in het eerste celmembraan.
En deze eerste celmembranen kunnen
huisvesting bieden aan vroege vormen
van RNA,
of ze kunnen verschillende catalytische
netwerken genereren,
die met elkaar reageren.
Via opeenvolgende generaties
zullen ze evolueren
naar het leven dat we vandaag zien.
En waar deze locaties zich bevinden,
of dat nu in de diepzee is,
of in vulkanische kraters,
of zoals je hier geïllustreerd ziet
als een inslagkrater.
Het wordt fel bediscussieerd
onder de wetenschappers in deze sector.
Maar wat we wel weten,
is dat er vele verschillende omgevingen
waren op de Aarde,
waar het leven kon ontstaan zijn.
De energiebronnen
die onze chemische inventaris gaan bouwen,
komen van twee zeer verschillende plaatsen
We hebben chemische energie,
die voorkomt als gereduceerde gassen,
of reactieve gassen zoals H2 gas,
waterstofgas.
We hadden ook veel radioactief materiaal
die complexe straling kon genereren,
wat leidt tot vorming
van vrije radicalen,
en interessante koolstofchemie.
En ook mineralen dienden als energiebron
want ze zijn vaak
zeer goede elektrondonors.
Redoxreacties sturen daarom
de meeste van de metabolische processen
die wij hebben in het nu bestaande leven.
De andere energiebronnen die we hebben
zijn omgevingsfactoren.
En dit zijn dingen zoals bliksem,
of ioniserende straling,
en ook constante energiebronnen
uit de omgeving zoals een hoge temperatuur
en een hoge druk,
in de vorm van hydrothermale bronnen.
Al deze verschillende energiebronnen
worden ingeroepen
om ons initieel chemische verzameling
op te bouwen.
Het eerste echt goede voorbeeld ervan
was het experiment
van de elektrische ontlading,
ook gekend als het Miller/Urey experiment,
genoemd naar de onderzoekers
die dit ontdekten.
Als je een elektrische vonk,
in dit geval, via elektrodes,
in een kamer brengt,
waarin wat wij denken, de componenten
van de Aardes vroegste atmosfeer zitten,
hier getoond als methaan, waterstof,
water en ammonia,
dan eindig je met een complexe verzameling
van biomoleculen,
zoals getoond in de tabel.
Je kan zien dat glycine,
is een belangrijke component
van de prebiotische soep
die ze gemaakt hadden.
En glycine is een van onze
essentiële aminozuren
en daarom is dit
een veelbelovend mechanisme
voor het produceren
van interessante koolstofverbindingen.
We hebben ook alanine, asparaginezuur,
glutaminezuur, andere aminozuren,
en dan, mierenzuur, en azijnzuur,
die deel zijn
van de gereduceerde koolstofverzameling
die we nodig hebben om vroeg metabolisme
te maken.
Ook al is deze versie van het experiment
misschien niet waarheidsgetrouw
voor de vroege omgeving,
want methaan was waarschijnlijk
niet aanwezig op de vroege Aarde,
als je methaan inruilt
voor koolstofdioxide,
dan krijgt je een licht gewijzigde versie
van het eerste experiment,
met verschillende abundanties
en licht verschillende producten.
Maar je krijgt nog steeds
een diverse verzameling
aan chemische componenten,
die gebruikt konden worden
om het eerste leven te genereren.
De andere belangrijke bron
van organische componenten,
is via interplanetaire stofdeeltjes.
Ofwel aanlevering van koolstof
aan de Aarde uit het zonnestelsel.
Dus, toen er Aarde zich begon te vormen,
4,5 miljard jaar geleden,
was het zonnestelsel nog
in de fase van accretie,
Al deze kleine,
kleinere deeltjes
werden naar de Aarde toe getrokken,
door de aantrekkingskracht van de Aarde.
En deze deeltjes hebben een andere chemie,
en andere energiebronnen,
die toen beschikbaar waren voor ze,
in de ruimte, in feite.
En, een van de beroemdste voorbeelden
hiervan is de Murchison meteoriet,
hier op de foto,
Je ziet dat deze een groot aantal
interessante koolstofcomponenten bevat,
waaronder amfifielen,
die membraanstructuren kunnen vormen,
polycyclisch aromatische waterstoffen,
alcoholen,
en zelfs enkele interessante
alifatische koolwaterstoffen
die metabolische componenten
zouden kunnen zijn.
Als we kijken naar andere
koolstofhoudende chondrieten,
die slechts een fractie uitmaken
van het totale vloedgolf aan meteoren
die de Aarde kreeg,
dan zien we dat elke meteoor of meteoriet
een andere chemische verzameling bezit.
Deze chemische verzamelingen
worden geproduceerd omdat de reacties
in de ruimte afhankelijk zijn
van de soorten energie
waar dat deeltje aan onderhevig was.
Deze deeltjes bestaan dus uit water
en koolstofmonoxide,
en methaan misschien, stikstof.
En als hoge-energie straling
zoals UV-straling, het deeltje raakt,
dan worden vrije radicalen gevormd,
wat ervoor zorgt dat zeer eigenaardige
chemische reacties plaatsvinden.
En dat leidt tot complexe koolstofchemie.
Er is voorts ook hitte,
gasfase bombardement,
en misschien nog andere vormen
van ioniserende straling die
deze zeer boeiende koolstofverbindingen
kan genereren.
Waren er dan eigenlijk genoeg reacties
om een complexe chemische verzameling
te genereren,
die tot leven kon leiden?
Als we een raming maken,
van hoe dikwijls deze plaatsvonden,
en een compilatie maken van
alle verschillende bronnen van koolstof,
dan krijgen we honderd miljard kilogram
per jaar
van prebiotisch organisch materiaal,
dat gesynthetiseerd werd op Aarde,
tijdens deze periode.
We denken dat er zeker
genoeg materiaal was,
voor het leven
om een vliegende start te maken,
en voor abiogenese,
om plaats gevonden te hebben.