Het betekent dat lang voordat sterren en planeten het levenslicht zien, sommige bouwstenen van leven al in het heelal voorhanden zijn.

Onderzoekers hebben in een nieuwe studie aangetoond dat glycine, het eenvoudigste aminozuur en een belangrijke bouwsteen van leven, kan ontstaan onder barre omstandigheden in de ruimte. Het is een interessante ontdekking. Want lang werd gedacht dat er in de grote leegte tussen de sterren nauwelijks chemische reacties plaatsvinden. Maar blijkbaar kunnen zich daar toch al belangrijke, organische moleculen ontpoppen.

Glycine
Glycine is een aminozuur en wordt gezien als een belangrijke bouwsteen van leven. “Het is een organische verbinding die zowel een carboxygroep (-COOH) als een aminegroep (-NH2) bezit,” legt onderzoeker Harold Linnartz, verbonden aan de Universiteit Leiden, aan Scientias.nl uit. “In de natuur zijn zo’n 500 verschillende aminozuren bekend. Daarvan worden er slechts 20 in menselijke eiwitten aangetroffen. En één daarvan is glycine. Glycine is het kleinste aminozuur en dus een bouwsteen van eiwitten en daarmee van het leven. Dat komt omdat eiwitten een belangrijke biochemische rol spelen, bijvoorbeeld als enzym of afweerstof.”


Ontstaan
Tot voor kort werd gedacht dat glycine alleen kan ontstaan op plekken in het heelal waar veel UV-licht doordringt. Maar de onderzoekers bewijzen nu in hun studie het tegendeel. Nieuwe resultaten uit het Laboratorium voor Astrofysica van de Sterrewacht Leiden tonen namelijk aan dat glycine ook gevormd kan worden op het oppervlak van ijskoude stofdeeltjes, zonder energetische straling. En dat betekent dat het heel waarschijnlijk is dat glycine – en mogelijk ook andere aminozuren – al voorhanden zijn in het interstellaire materiaal waaruit sterren en planeten geboren worden.

Studie
De onderzoekers baseren zich op laboratoriumexperimenten. Zo bootsten ze in het laboratorium de omstandigheden in donkere, interstellaire wolken na. Vervolgens maakten ze bij temperaturen van een ijzige -260 graden Celsius flinterdunne laagjes ijs van bevroren CO, NH3, CH4 en H2O die ze bombardeerden met vrije atomen. Daarbij vallen ijsmoleculen uiteen en kunnen de reactieve fragmenten verder reageren zodat grotere moleculen ontstaan. Op deze manier toonden de onderzoekers eerst aan dat methylamine ontstaat; een voorloper van glycine. Met behulp van unieke, ultrahoogvacuüm-opstelling kon het team vervolgens bewijzen dat ook glycine wordt gevormd.

Samengesteld beeld van het molecuul glycine, donkere interstellaire wolken en een detail van de laboratoriumopstelling. Afbeelding: Harold Linnartz / Universiteit Leiden

Het is een interessante ontdekking. Want in de ruimte tussen de sterren is het leeg en ontzettend koud. “Naar aardse maatstaven zijn dat ronduit ongunstige omstandigheden voor chemische activiteit,” aldus Linnartz. “Hooguit de vorming van kleinere moleculen werd mogelijk geacht. In de afgelopen decennia zijn er echter steeds meer en steeds grotere moleculen gevonden, ook moleculen die van biologische interesse zijn, zoals suikers en vetten. Maar een aminozuur zat er nog niet bij.”


Komeet 67P
Daar kwam verandering in toen er een aantal jaar geleden in de coma van komeet 67P glycine en methylamine werd gevonden. “Zo’n komeet kun je zien als een soort ‘chemische memorystick’ die vertelt hoe ons zonnestelsel eruit zag toen het 4,5 miljard jaar geleden uit een interstellaire wolk werd gevormd,” vertelt Linnartz. “Het ligt dus voor de hand dat glycine al in de interstellaire ruimte gevormd wordt. De vraag is alleen hoe, en daarmee ook wanneer. Het antwoord op die vragen wordt in ons artikel gegeven.” Door een bevroren mengsel van veel in de ruimte voorkomende moleculen – water, ammoniak, methaan en koolstofdioxide – te bombarderen met vrije waterstofatomen, kan er dus uiteindelijk glycine ontstaan. “Precies dat proces vindt plaats in donkere wolken, waar nauwelijks licht kan doordringen,” gaat Linnartz verder. “Op basis van onze metingen en het gebruik van astrochemische modellen hebben we kunnen aantonen dat er in donkere wolken weliswaar relatief gezien geringe hoeveelheden glycine worden gevormd, maar dat het absoluut gezien gaat om substantiële hoeveelheden. Dat was een verrassende conclusie.”

Donkere, interstellaire wolken
Kortom, de studie suggereert dus dat bepaalde moleculen die als bouwstenen van leven worden beschouwd, kunnen ontstaan in donkere, interstellaire wolken. En dat betekent dat sommige complexe, organische moleculen – zoals glycine – al worden gevormd ruim vóór het begin van de vorming van sterren en planeten. “De vroege vorming van glycine in de evolutie van interstellaire wolken impliceert dat dit aminozuur alomtegenwoordig is in stervormingsgebieden,” concludeert Linnartz. “Omdat het chemische proces universeel is, betekent dit dat het zeer waarschijnlijk is dat dit soort moleculen overal in het heelal voorhanden zijn en dat er ook elders geen gebrek bestaat aan de bouwstenen van het leven. Daarmee is aan een belangrijke randvoorwaarde voldaan: je kunt geen huis bouwen zonder stenen. Maar, dat je de stenen hebt, wil nog niet zeggen dat daar spontaan een huis uit kan ontstaan.”

“Je kunt geen huis bouwen zonder stenen. Maar, dat je de stenen hebt, wil nog niet zeggen dat daar spontaan een huis uit kan ontstaan”

Leven op aarde
Dat brengt ons bij een volgend onderwerp. Want de studie licht ook een tipje van de sluier over hoe het leven op aarde ooit is ontstaan. De onderzoekers vermoeden namelijk dat glycine op zijn beurt een voorloper kan worden van andere complexe organische moleculen zoals de aminozuren alanine en serine. Uiteindelijk, zo is het idee, vindt het organisch verrijkte materiaal zijn weg naar kometen en stofdeeltjes die vroeg of laat op planeten inslaan en zo de basis voor leven kunnen vormen. “De studie levert een extra stukje van een grotere puzzel waardoor het beeld weer wat duidelijker wordt,” aldus Linnartz. “De planeten die om onze jonge zon zijn gevormd waren loeiend heet. Water en ander stoffen waren toen niet op aarde voorhanden. Dat heeft honderden miljoenen jaren geduurd. We gaan ervan uit dat tijdens een periode van ‘heavy bombardment’ de afgekoelde planeten het hard te verduren kregen door invallend ruimtepuin, kometen en andere kleinere hemellichamen, voorzien van een stevige laag ijs met daarin verstopt het organisch materiaal dat al in de prestellaire fase is gevormd. Het feit dat glycine in die fase kan ontstaan biedt dus extra houvast om te stellen dat de bouwstenen van het leven uit de ruimte zijn gekomen.”

Dankzij de studie krijgen we dus een steeds beter beeld van waar de bouwstenen van leven, die zich op aarde verder wisten te ontwikkelen, vandaan komen. Maar gemakkelijk was het niet. “De studie was laboratoriumtechnisch gezien een hoogstandje en we hebben het onderste uit de kan moeten halen,” vertelt Linnartz. “Daarbij hebben we erg veel geleerd, bijvoorbeeld dat het proces dat we nu hebben onderzocht ook toepasbaar is op andere aminozuren. Het is daarom goed mogelijk dat we een mechanisme hebben gevonden dat algemeen toepasbaar is. De toekomst zal het leren.”