De bliksemschichten brachten een element voort dat onmisbaar is voor leven zoals wij dat kennen.

Ergens tussen 3,5 tot 4,5 miljard jaar geleden ontstond er leven op aarde. Het werd mede mogelijk gemaakt door een handvol elementen die onmisbaar zijn voor het leven zoals wij dat kennen. Denk bijvoorbeeld aan zuurstof, waterstof, koolstof, maar ook fosfor. “Fosfor is een belangrijk element voor basale celstructuren en -functies,” legt onderzoeker Benjamin Hess uit. “Zo vormt fosfor bijvoorbeeld de ‘ruggengraat’ van de DNA- en RNA-helix. Ook speelt fosfor een belangrijke rol in het celmembraan dat cellen omsluit.”

Het fosfor-probleem
Het feit dat er miljarden jaren geleden leven op aarde ontstond, verraadt dat fosfor in die tijd toch rijkelijk voorhanden moet zijn geweest. En dat is iets waar onderzoekers zich al enige tijd het hoofd over breken. Want het grootste deel van het fosfor op aarde moet miljarden jaren geleden opgesloten hebben gezeten in mineralen die niet in water oplosbaar waren. “Fosfor moet in water oplosbaar zijn om de moleculen benodigd voor leven te kunnen vormen,” aldus Hess. “Als het opgesloten zit in mineralen, is er simpelweg geen enkele manier waarop het moleculen zoals nucleotiden (bouwstenen van RNA en DNA, red.) of fosfolipiden (onderdeel van celmembranen, red.) kan vormen.”

Er moet miljarden jaren geleden dus ook oplosbaar – en daarmee bruikbaar – fosfor voorhanden zijn geweest. Want anders was er geen leven ontstaan. Maar waar kwam dat fosfor dan vandaan? Hess en zijn collega’s komen in het blad Nature Communications met een interessante hypothese. Ze stellen dat bruikbaar fosfor ontstond tijdens een triljoen blikseminslagen.

Meteorieten
Eerder werd ook wel gesteld dat de eerste levensvormen op aarde over fosfor konden beschikken dankzij meteorieten. Tijdens inslagen op aarde zouden meteorieten het mineraal schreibersite op aarde hebben afgeleverd. Dit mineraal bevat fosfor dat wél in water oplosbaar is. Maar er is een probleem met deze hypothese. Juist in de periode dat het leven op aarde ontstond, neemt het aantal meteorietinslagen op aarde enorm af. Reden voor Hess en collega’s om verder te kijken. En dat brengt ze bij een ander type inslag: blikseminslagen. Ook deze kunnen schreibersite en daarmee in water oplosbaar fosfor voortbrengen, zo schrijven ze.

“Gesteenten herbergen de basisingrediënten voor schreibersite: ijzer en fosfor,” legt Hess uit. “Je vindt ze in mineralen. Maar om er iets anders van te kunnen maken – zoals schreibersite – moet je de bindingen in de mineralen verbreken.” En daarbij kunnen bliksemschichten helpen en wel door op de gesteenten in te slaan. “Blikseminslagen voegen zoveel energie toe dat ze mineralen doen smelten, waarna de elementen in de mineralen vrijkomen.” De vrijgekomen elementen vormen nieuwe mineralen. “Maar gezien de omstandigheden die de blikseminslag creëert is het daarbij aantrekkelijker voor ijzer en fosfor om zich aan elkaar te binden en schreibersite te vormen in plaats van de mineralen waar ze oorspronkelijk deel van uitmaakten.”

Frequente onweersbuien
Er zijn wel heel wat blikseminslagen nodig om voldoende bruikbaar fosfor te genereren, maar dat moet op de jonge aarde geen probleem zijn geweest. Computermodellen suggereren dat de jonge aarde elk jaar tussen de 1 en 5 miljard bliksemflitsen zag ontstaan. Dat zijn er aanzienlijk meer dan vandaag de dag; tegenwoordig worden er op jaarbasis zo’n 560 miljoen bliksemflitsen genoteerd. “Bliksem kwam op de jonge aarde vaker voor, omdat er meer CO2 in de atmosfeer zat,” legt Hess uit. “CO2 is – zoals we vandaag de dag door klimaatverandering weten – een broeikasgas dat een grote rol speelt in het bepalen van de wereldwijde temperatuur. Een hogere wereldwijde temperatuur leidt tot frequentere en heftigere onweersbuien.” Dat de CO2-concentraties miljarden jaren geleden zo hoog lagen, is te herleiden naar de botsing die leidde tot de totstandkoming van de maan. “Toen een planetesimaal ter grootte van Mars op de aarde klapte en de maan voortbracht, kwamen er ook enorme hoeveelheden gassen die in de aarde opgesloten hadden gezeten, vrij. Deze gassen – waaronder ook een grote hoeveelheid CO2 – kwamen in de aardse atmosfeer terecht, waardoor er meer bliksemschichten ontstonden.” Van de 1 tot 5 miljard flitsen die miljarden jaren geleden op jaarbasis werden gegenereerd, moeten 100 miljoen tot 1 miljard flitsen ook daadwerkelijk de grond hebben aangetikt. Het zou betekenen dat er over een periode van 1 miljard jaar zo’n 0,1 tot 1 triljoen blikseminslagen plaatsvonden én en passant de nodige fosfor ontstond.

Tussenstap
Het aardige van deze bliksemschicht-hypothese is dat het jaarlijkse aantal blikseminslagen over een lange periode constant moet zijn geweest. Daarmee lijkt het een stuk aannemelijker dat blikseminslagen in aanvulling op de in dezelfde periode rap afnemende meteorietinslagen een belangrijke bron van bruikbaar fosfor waren. Daarnaast zouden de blikemschichten vooral in tropische gebieden vaak hebben toegeslagen, waardoor je dus ook gebieden had waarin bruikbaar fosfor geconcentreerd voorkwam en die uitermate geschikt waren voor het ontstaan van biomoleculen. “Het maakt blikseminslagen een belangrijke tussenstap in de richting van de oorsprong van het leven,” meent Hess.

En als het hier op aarde zo gegaan kan zijn, waarom zouden bliksemschichten dan ook niet elders een vergelijkbare rol spelen? “Bliksem komt niet alleen op aarde voor,” benadrukt Hess. “De belangrijkste implicatie van het onderzoek is dan ook dat dit mechanisme dat op de jonge aarde speelde, mogelijk ook een rol speelt op andere aardachtige planeten.”