Introductie
In 2021 heeft de Hayabusa2-ruimtemissie met succes een stuk van de asteroïde 162173 Ryugu naar de aarde gebracht - vijf gram van de oudste, meest ongerepte materie die is overgebleven van de vorming van het zonnestelsel 4.5 miljard jaar geleden. Afgelopen voorjaar onthulden wetenschappers dat de chemische samenstelling van de asteroïde 10 aminozuren bevat, de bouwstenen van eiwitten. De ontdekking droeg bij aan het bewijs dat de oersoep waaruit het leven op aarde is ontstaan mogelijk is gekruid met aminozuren uit stukjes asteroïden.
Maar waar komen deze aminozuren vandaan? De aminozuren die door onze ecosystemen stromen, zijn producten van het cellulaire metabolisme, meestal in planten. Welk niet-biologisch mechanisme kan ze in meteorieten en asteroïden hebben gestopt?
Wetenschappers hebben verschillende manieren bedacht, en recent werk door onderzoekers in Japan wijst op een belangrijke nieuwe: een mechanisme dat gammastralen gebruikt om aminozuren te smeden. Door hun ontdekking lijkt het nog waarschijnlijker dat meteorieten kunnen hebben bijgedragen aan het ontstaan van leven op aarde.
Ondanks hun cachet als een essentieel onderdeel van de chemie van het leven, zijn aminozuren eenvoudige moleculen die ongekunsteld kunnen worden gekookt uit koolstof-, zuurstof- en stikstofverbindingen als er voldoende energie is. Zeventig jaar geleden bewezen beroemde experimenten van Stanley Miller en Harold Urey dat een elektrische ontlading in een gasvormig mengsel van methaan, ammoniak en waterstof (waarvan destijds ten onrechte werd aangenomen dat het de vroege atmosfeer van de aarde nabootste) voldoende was om een mengsel te maken van organische verbindingen die aminozuren bevatten. Later laboratoriumwerk suggereerde dat aminozuren zich mogelijk ook zouden kunnen vormen in sedimenten nabij hydrothermale ventilatieopeningen op de zeebodem, en a ontdekking in 2018 bevestigt dat dit soms voorkomt.
De mogelijkheid dat de oorspronkelijke aminozuren uit de ruimte zouden zijn gekomen, begon na 1969 aan te slaan, toen twee grote meteorieten - de Murchison-meteoriet in West-Australië en de Allende-meteoriet in Mexico - onmiddellijk na hun inslag werden teruggevonden. Beiden waren koolstofhoudende chondrieten, een zeldzame klasse van meteorieten die lijkt op Ryugu en waarvan wetenschappers denken dat ze zijn ontstaan uit kleinere ijzige lichamen nadat het zonnestelsel voor het eerst was gevormd. Beide bevatten ook kleine maar significante hoeveelheden aminozuren, hoewel wetenschappers de mogelijkheid niet konden uitsluiten dat de aminozuren verontreinigingen of bijproducten van hun impact waren.
Toch wisten ruimtewetenschappers dat de ijzige stoflichamen die koolstofhoudende chondrieten vormden, waarschijnlijk water, ammoniak en kleine koolstofmoleculen zoals aldehyden en methanol bevatten, dus de elementaire bestanddelen van aminozuren zouden aanwezig zijn geweest. Ze hadden alleen een energiebron nodig om de reactie te vergemakkelijken. Experimenteel werk suggereerde dat ultraviolette straling van supernova's sterk genoeg zou kunnen zijn om het te doen. Botsingen tussen de stoflichamen kunnen ze ook voldoende verhit hebben om een soortgelijk effect te veroorzaken.
"We kennen veel manieren om aminozuren abiologisch te maken," zei Scott Sandford, een laboratoriumastrofysicus bij het Ames Research Center van NASA. "En er is geen reden om te verwachten dat ze niet allemaal zijn gebeurd."
Nu een team van onderzoekers aan de Yokohama National University in Japan onder leiding van de chemici Yoko Kebukawa en Kensei Kobayashi hebben aangetoond dat gammastralen ook de aminozuren in chondrieten kunnen hebben geproduceerd. In hun nieuwe werk toonden ze aan dat gammastralen van radioactieve elementen in de chondrieten - hoogstwaarschijnlijk aluminium-26 - de koolstof-, stikstof- en zuurstofverbindingen in aminozuren kunnen omzetten.
Natuurlijk kan gammastraling organische verbindingen net zo gemakkelijk vernietigen als ze kan maken. Maar in de experimenten van het Japanse team was "de verbetering van de aminozuurproductie door de radio-isotopen effectiever dan ontleding", zei Kebukawa, dus de gammastralen produceerden meer aminozuren dan ze vernietigden. Uit de productiesnelheden die in hun experimenten werden waargenomen, berekenden de onderzoekers heel grofweg dat gammastraling de concentratie van aminozuren in een koolstofhoudende chondriet-asteroïde had kunnen verhogen tot de niveaus die worden gezien in de Murchison-meteoriet in slechts 1,000 jaar of zelfs 100,000 jaar. .
Aangezien gammastraling, in tegenstelling tot ultraviolet licht, diep in het binnenste van een asteroïde of meteoriet kan doordringen, zou dit mechanisme extra relevant kunnen zijn voor scenario's over de oorsprong van het leven. "Het opent een geheel nieuwe omgeving waarin aminozuren kunnen worden gemaakt," zei Sandford. Als meteorieten groot genoeg zijn, "zou het middelste deel de atmosferische intrede kunnen overleven, zelfs als de buitenkant wegebt", legde hij uit. "Dus je maakt niet alleen [aminozuren], maar je maakt ze op weg naar een planeet."
Introductie
Een vereiste van het nieuwe mechanisme is dat er kleine hoeveelheden vloeibaar water aanwezig moeten zijn om de reacties te ondersteunen. Dat lijkt misschien een belangrijke beperking - "Ik kan me gemakkelijk voorstellen dat mensen denken dat vloeibaar water nauwelijks bestaat in ruimteomgevingen", zei Kebukawa. Maar koolstofhoudende chondrietmeteorieten zitten vol met mineralen zoals gehydrateerde silicaten en carbonaten die zich alleen vormen in de aanwezigheid van water, legde ze uit, en er zijn zelfs kleine hoeveelheden water gevonden die gevangen zitten in sommige mineraalkorrels in chondrieten.
Van dergelijke mineralogische bewijzen, zei Vassilissa Vinogradoff, een astrochemicus aan de Universiteit van Aix-Marseille in Frankrijk, weten wetenschappers dat jonge asteroïden aanzienlijke hoeveelheden vloeibaar water bevatten. "De waterige veranderingsfase van deze lichamen, waarin de aminozuren in kwestie de kans zouden hebben gehad om zich te vormen, was een periode van ongeveer een miljoen jaar," zei ze - meer dan lang genoeg om de waargenomen hoeveelheden aminozuren te produceren. bij meteorieten.
Sandford merkt op dat in experimenten die hij en andere onderzoekers hebben uitgevoerd, de bestraling van ijzige mengsels zoals die in de oorspronkelijke interstellaire moleculaire wolken aanleiding kan geven tot duizenden verbindingen die relevant zijn voor het leven, waaronder suikers en nucleobasen, “en aminozuren zijn vrijwel altijd aanwezig in de mengen. Dus het universum lijkt min of meer vast te zitten om aminozuren te maken.”
Vinogradoff herhaalde die mening en zei dat nu bekend is dat de diversiteit aan organische verbindingen die in meteorieten aanwezig kunnen zijn enorm is. "De vraag is meer geworden: waarom zijn deze moleculen belangrijk gebleken voor het leven op aarde?" ze zei. Waarom gebruikt het aardse leven bijvoorbeeld slechts 20 van de tientallen aminozuren die kunnen worden geproduceerd - en waarom gebruikt het bijna uitsluitend de "linkshandige" structuren van die moleculen wanneer de spiegelbeeldige "rechtshandige" structuren van nature in gelijke overvloed vormen? Dat kunnen de mysteries zijn die de chemische studies van de vroegste oorsprong van het leven in de toekomst domineren.
