Lost City

Oceanografen hebben waarschijnlijk de kraamkamers van het leven op aarde ontdekt. Op de zeebodem in het noordelijke deel van de Atlantische Oceaan, op het Atlantis-gebergte, staan torenhoge schoorstenen. Hierin reageren waterstof en CO2 tot formaldehyde, methanol, methaan en legio andere organische moleculen, de fundamentele bouwstenen van het leven. Wij kunnen van de natuur leren hoe CO2 te recyclen in plaats van het uit onze schoorstenen en uitlaatpijpen zomaar de atmosfeer in te blazen of het te begraven.

Vier miljard jaar geleden was ‘Aarde’ geen goede naam voor onze planeet. ‘Zee’, ‘Oceaan’ of ‘Water’ was beter geweest. Ook vandaag bestaat het aardoppervlak voor tweederde uit oceanen, maar toen stond de aarde vrijwel geheel onder water, met hier en daar een enkele vulkaan die er bovenuit stak. Dit was de wereld waarin leven ontstond, waarschijnlijk gestimuleerd door de rusteloosheid van de planeet zelf.
Van Jacques Monod, de Franse bioloog en Nobelprijswinnaar, is de bekende uitspraak ‘Het heelal is niet zwanger van leven noch de biosfeer van mensen…’, later door Stephen J. Gould geparafraseerd tot ‘een schitterend ongeluk’. Maar het universum moet wel degelijk zwanger van leven zijn geweest, zegt de Belgische biochemicus en Nobelprijswinnaar Christian de Duve, hoe kan er anders leven zijn ontstaan? Volgens hem leiden chemische reacties onder de juiste omstandigheden onvermijdelijk tot het creëren van leven. De Britse biochemicus Nick Lane is het daarmee eens. Hij meent zelfs die geschikte omstandigheden te kennen.

‘While the story we’ll trace is almost certainly not correct in every particular, it is, I think, broadly plausible. I want to show that the origin of life is not the great mystery it is sometimes made out to be, but that life emerges, perhaps almost inevitably, from the turning of our globe’.

Zijn boek Life Ascending. The Ten Great Inventions of Evolution won in 2010 de Royal Society Prize for Science Books.

Oersoeptheorie

Stanley Miller en Harold Urey waren hem voor. Zij vulden een grote glazen kom met een gasmengsel dat de oeratmosfeer van Aarde moest voorstellen. De gassen die zij kozen waren afgekeken van de atmosfeer van Jupiter: ammonia, methaan en waterstof. Door dit mengsel stuurden zij elektrische ontladingen waarmee ze de bliksem simuleerden. Na enige tijd bleek hun ‘oersoep’ een mythische inhoud van organische moleculen te bevatten, inclusief aminozuren. Dezelfde die door het leven op aarde gebruikt worden als bouwstenen van proteïne.
Miller en Urey’s faam verbleekte echter toen de analyse van oeroude gesteenten aantoonde dat de atmosfeer van Aarde nooit rijk is geweest aan ammonia, methaan en waterstof. Een realistischer simulatie werd een grote teleurstelling. Je kan nog zo veel gasontladingen opwekken in een oersoep van kooldioxide, stikstof en kleine hoeveelheden methaan of andere gassen, je vindt nauwelijks organische moleculen, laat staan aminozuren.
De oersoeptheorie werd nog even in leven gehouden door de detectie van een grote variëteit aan organische moleculen in de interstellaire ruimte. De kosmoloog Fred Hoyle en later de bioloog Francis Crick stelden voor dat onze planeet ‘bezwangerd’ is door organische moleculen vanuit het heelal (‘panspermia’). Hoewel het onwaarschijnlijk is dat organische moleculen heelhuids de Aarde bereiken. Zelfs als ze dat in voldoende aantallen doen, schrijft Nick Lane, dan nog is er een probleem.

‘Take a large, sterilized tin of soup (or peanut butter), and leave it for a few million years. Will life emerge? No. Why not? Because left to themselves the contents will do nothing but break down. If you zap the tin repeatedly, you won’t be better off, for soup will only break down even faster.’

Black smokers

Als het niet uit de bliksem was, waar kwam dan 4 miljard jaar geleden de drijvende kracht vandaan bij het maken van levende uit dode materie? Het eerste waaraan gedacht werd was diepzeevulkanisme. Oceanografen werden eropuit gestuurd en rapporteerden hoge, zwart rokende schoorstenen in het Noordoosten van de Stille Oceaan. Als het gaat om biodiversiteit kunnen de ‘black smokers’ wedijveren met regenwouden en koraalriffen. Het is geen echte rook die uit de schoorstenen komt, maar pruttelende metaal-sulfides, opborrelend uit de magmaovens daaronder, zuur als azijn, 400 graden heet en onder hoge druk van de diepzee.
Een Duitse patentdeskundige en chemicus, Günter Wächtershäuser, kwam met een revolutionair idee. Grote, organische complexen zouden in de zwarte schoorstenen gevormd worden uit de reacties van waterstofsulfide, koolstofmonoxide met ijzerpyriet. Twee gifgassen en nepgoud. Maar had hij gelijk? Nick Lane denkt van niet, want óf de eindproducten blijven plakken aan de katalysator waarop ze gevormd worden, óf ze lossen op in het zeewater en vinden nooit soortgenoten om polymeren te vormen.

Lost City

Begin van de eenentwintigste eeuw ontdekten Amerikaanse marinebiologen en geologen een tweede soort schoorstenen. Die bevinden zich bij de scheidingszones van de platentektoniek midden in de Atlantische Oceaan. Bovenop het Atlantis-gebergte staan over een afstand van enkele tientallen kilometers spierwitte, niet-rokende schoorstenen. Vandaar de naam Lost City.
Met onbemande duikboten, onderwaterdrones, is Lost City onderzocht, zie http://www.lostcity.washington.edu.
Dat niet-rokende schoorstenen niets zouden doen is maar schijn. Lost City is geen spookstad, het krioelt er van het leven. Door de beweging van het platentektoniek komen verse gesteenten tevoorschijn die reageren met zeewater. Er vormt zich een omgekeerde-druipsteenachtige structuur, vele tientallen meters hoog. De chemische reacties die hier plaatsvinden hebben niets te maken met vulkanisme, maar met waterstof dat uit de mantel van de aarde omhoog borrelt. In tegenstelling tot de zwarte schoorstenen vinden hier de reacties niet plaats in een zure maar in een basische omgeving. En de temperatuur is veel lager, ongeveer 100 graden Celsius. Hier wordt koolstofdioxide omgezet in methaan, stikstof in ammonia en sulfaat in waterstofsulfide. Moleculen die doen denken aan Miller en Urey’s oersoep.
Maar – en dit is geen kleine maar –, waterstof reageert niet zomaar met kooldioxide. Ook al komt er energie bij vrij, de reactie is exotherm. Toch is er een activeringsbarrière die overwonnen moet worden. Waterstof en kooldioxide reageren alleen als ze daartoe worden aangezet. Hoe doet de natuur dat? We weten dat het gebeurt, want primitieve bacteriën leven ervan. In zijn Life Ascending uit 2010 laat Nick Lane het hierbij. Hij heeft wel een theorie, maar hoe test je die onder in de oceaan?

Origin-of-life-reactor

Inmiddels heeft Nick Lane samen met zijn collega’s in University College London een simulator van de schone schoorstenen in Lost City gebouwd. In deze ‘origin-of-life-reactor’ reageert een basische waterstofoplossing met kooldioxidehoudend zeewater via een ijzersulfide-katalysator. En inderdaad produceren ze formaldehyde en andere eenvoudige koolwaterstoffen als ribose en deoxyribose.
Dit fascinerende experiment vormt het hart van The Vital Question, dat daarmee een legendarisch boek kan worden. In The New York Times is het al vergeleken met Darwins On the Origin of Species en Dawkins The Selfish Gene.

Duurzame energie

Ik heb Nick Lane een e-mail gestuurd en gevraagd of hij misschien ook sporen van methaan in zijn origin-of-life-reactor heeft gevonden. Als hij koolzuur kan laten reageren met waterstof moet er ook methaan gemaakt kunnen worden. Dat zou van levensbelang zijn voor een duurzame energievoorziening. Hij heeft nog niet gereageerd.
Tegenwoordig komt koolzuurgas vooral negatief in het nieuws. Het zit in het verdomhoekje, hoewel we steeds beter beginnen te begrijpen welke vitale rol CO2 heeft gespeeld bij het ontstaan van leven op Aarde. Thans zullen we de uitstoot moeten stoppen. Dat kan door van de natuur te leren en CO2 te recyclen met dezelfde chemie als in de schone schoorstenen van Lost City, waar ooit het leven op aarde begon.
We recyclen al metalen, plastics en papier, dus waarom geen koolstof? Wel, het is niet zo simpel. De natuur deed er miljoenen jaren over om een methode uit te vinden. Degenen die zich serieus zorgen maken over het klimaatprobleem, veroorzaakt door ons gebruik van fossiele brandstoffen, willen CO2 afvangen en begraven. Met ‘Carbon Capture and Sequestration’ (CCS) hopen zij dat we voorlopig fossiele brandstoffen kunnen blijven verstoken in onze Westerse economie en in die van de zich ontwikkelende landen als China, India en Brazilië. Maar dat is ijdele hoop, CCS is een extra kostenpost; er zijn over de hele wereld maar een beperkt aantal opslagplaatsen geschikt voor CO2-opslag, en CCS ontmoet grote maatschappelijke weerstanden. Het lijdt, net als radioactief afval, aan het NIMBY (not in my back yard) effect.
CO2-recycling, ‘Carbon Capture and Utilization’ (CCU), staat nog in de kinderschoenen, zie http://co2chem.co.uk. In principe komt er energie bij vrij en die kan gebruikt worden ter vervanging van een groot aantal grondstoffen. Ik denk in de eerste plaats aan transportbrandstoffen. Vliegtuigen kunnen nauwelijks vliegen op zonne-energie, daarvoor is de energiedichtheid van zonlicht te gering. Toch is er meer dan genoeg zonne-energie om er waterstof mee te maken. Met waterstof kunnen we CO2 recyclen tot kerosine en zo klimaatneutraal vliegen.
CCU kan ook worden gebruikt om duurzame energie op te slaan en te transporteren naar plaatsen waar en voor de momenten wanneer daar behoefte aan is. Met zon en wind maak je waterstof en die benut je in CCU voor het maken van methaan (aardgas, niet uit de aarde maar uit CO2). Een belangrijk voordeel van deze methode is dat we onze huidige infrastructuur nauwelijks hoeven aan te passen.
Naar aanleiding van het klimaatakkoord in Parijs klaagt Shell-CEO Ben van Beurden in Shell Venster, het Nederlandstalige kwartaalmagazine van Shell Nederland:

‘Het probleem is dat wij als bedrijfstak in de ogen van het publiek ook veel aan geloofwaardigheid hebben verloren. Die geloofwaardigheid naar ons als bedrijf terugbrengen, te worden gezien als een waardevol onderdeel van de oplossing en een speler die een cruciale bijdrage kan leveren – dat vind ik het moeilijkste.’

Hij zou eens een kijkje kunnen nemen bij de schone schoorstenen van Lost City, of bij de origin-of-life-reactor van Nick Lane.
Zie ook http://www.lostcity.washington.edu en http://co2chem.co.uk.