ijs – Visionair

Zouden er op ijsplaneten dit soort bizarre ijswormen leven? Er is in ieder geval een goede kans dat wij een ijzig verleden hebben.

‘Leven begonnen in ijs’

1 reactie / Visionaire vragen, Wereld, Wetenschap / Door Germen Roding / 17 augustus 2011 18 augustus 2011

In de bekende levensvormen anno nu slaat het DNA de informatie op en doen eiwitten het werk. De meeste wetenschappers zijn het er over eens dat het eerste leven ontstond uit RNA. RNA kan namelijk zowel informatie opslaan als iets ‘doen’. Maar waar kwam RNA vandaan? RNA is namelijk niet erg stabiel. Volgens biochemicus Holliger is er maar één logische verklaring.

Wat is RNA?
RNA is minder bekend dan DNA. RNA vervult in onze cellen de rol van ‘kladpapier’ dat van DNA wordt gekopieerd en vervolgens weer wordt vertaald, in eiwitten deze keer. Ook het celonderdeel dat RNA vertaalt in eiwitten, het ribosoom, bestaat zelf bijna helemaal uit RNA.
RNA is dus heel erg belangrijk, want zonder RNA zou ons DNA niet gelezen kunnen worden. Nu is het bijzondere aan RNA dat het zowel informatie bevat (zoals DNA) en als enzym kan werken (zoals een eiwit). Een molecuul dat zowel informatie draagt als iets kan doen is uiteraard de ideale kandidaat om de oorsprong van het leven te zijn.

Bezwaren tegen RNA: molecuul leeft erg kort
DNA blijft tienduizenden jaren goed. Daarom kan er zelfs nu nog DNA van Egyptische mummies, Neanderthalers en mammoeten worden gevonden en willen sommige onderzoekers proberen de mammoet weer tot leven te wekken. Dat geldt niet voor RNA. Het molecuul houdt het niet langer dan enkele uren tot dagen uit. Dat is uiteraard niet erg handig voor een proto-levensvorm. Sommige onderzoekers gebruiken dit argument om de RNA-wereld hypothese naar hartenlust af te branden.

Andere onderzoekers zijn bezig omstandigheden te verzinnen waaronder RNA wel lange ketens kan hebben gevormd die stabiel genoeg waren om zich tot een vorm van protoleven te ontwikkelen. In één theorie ligt de wieg van het leven in ijs. Bij temperaturen rond het vriespunt bestaat RNA namelijk veel langer dan op kamertemperatuur.

Is het leven in ijs ontstaan?
Als water bevriest, klitten de watermoleculen samen om zuiver ijs te vormen. De opgeloste stoffen, zoals RNA, worden geconcentreerd in het water dat overblijft. In een experiment voegde biochemicus Holliger een ribozym (een RNA-enzym) toe aan een ‘oerbrouwsel’ van RNA-nucleotiden (‘bouwstenen’ van RNA). Hij ontdekte dat het ribozym veel langer actief bleef in de ijzige omgeving. In het ijs kan zich mogelijk een soort Darwinistische evolutie tussen verschillende RNA-strengen hebben ontwikkeld, waarbij uiteindelijk sommige strengen er in slaagden om samen te werken en een primitieve celwand te vormen. Pas op het moment dat het leven er in slaagde DNA te ontwikkelen, konden hete, minder gastvrije omgevingen worden gekoloniseerd. Dat laatste overigens met succes. Er zijn nu levensvormen die tot boven de honderd graden kunnen leven.

Bronnen
Olexandr Isayev, Cold start of Life: Ice as a protocellular medium for RNA replication (2010)
Attwater, J., Wochner, A., Pinheiro, V., Coulson, A., & Holliger, P. (2010). Ice as a protocellular medium for RNA replication Nature Communications, 1 (6), 1-8 DOI: 10.1038/ncomms1076

IJsberen zijn zeer sterk en altijd op zoek naar voedsel. Een stevige iglo is dus geen overbodige luxe...

Iglo: wonen in ijs

Laat een reactie achter / Visionair leven / Door Germen Roding / 18 mei 2011 18 mei 2011

IJs is een milieuvriendelijk bouwmateriaal en als een huis van ijs van binnen wordt bekleed met isolerend materiaal zoals bont, opmerkelijk comfortabel. Maar: haalt de iglo 2100? Misschien wel. Op een onverwachte plek…

Groenland doet zijn naam (bedacht door de listige Noor Leif Eriksson om kolonisten te lokken) niet bepaald eer aan. Alleen de uiterste zuidpunt is groen. De rest van het enorme eiland is bedekt met pakijs. Tot voor kort waren de enige mensen die het in het barre noorden van het eiland uit konden houden, de Inuit. Ze ontwikkelden een manier van leven waarbij de beperkte lokale hulpbronnen optimaal werden benut. Een slimme Inuit–uitvinding is bijvoorbeeld de iglo. Een koepel van ijsblokken biedt een goede bescherming tegen de kou, zeker wanneer het ijs binnen wordt bekleed met bont en de toegang tot de iglo laag wordt aangelegd, wat een effectief isolerend luchtslot oplevert.

Weliswaar zit vanwege de klimaatsverandering en het oprukkende moderne leven de klad in dit hoogtepunt van traditionele techniek, maar er zijn nog steeds architecten die experimenteren met gebouwen van ijs. Tijdelijke ijshotels zijn erg populair in Scandinavië (maar niet erg comfortabel).

IJs is echter een zeer geschikt bouwmateriaal voor de ijsmanen die om Jupiter draaien. Bij de zeer lage temperaturen op bijvoorbeeld Ganymedes, Europa en Callisto is ijs zo hard als steen. Het is eenvoudig te verwerken, overvloedig aanwezig en biedt (als het maar dik genoeg is) een redelijk effectieve bescherming tegen de dodelijke straling op deze verre ijsmanen. Zien we over een halve eeuw weer iglo’s opduiken in de verre buitenstreken van het zonnestelsel? Het zou heel goed kunnen…

Zee-ijs huisvest een dichte algenmat. Zou dit ook niet voor het ijs van Jupitermaan Europa kunnen gelden? Bron: Antarctic Sun

IJsalgen manipuleren ijs

2 reacties / Wetenschap, Zonnestelsel / Door Germen Roding / 7 maart 2011 7 maart 2011

In zee-ijs bevinden zich kleine kanaaltjes zout water waarin algen en andere eencelligen leven. Naar blijkt, hebben de algen deze zelf geconstrueerd. Onder het ijs houdt zich een ingewikkeld ecosysteem op. Zouden zich op ijswerelden als Jupitermaan Europa ook dergelijke netwerken kunnen ontwikkelen?

IJsbergen huisvesten algenkolonies
Al langer was bekend dat zee-ijs kleine hoeveelheden zout water bevat. Tot voor kort werd gedacht dat de microscopische kanalen met zout water van nature in het ijs voorkomen. Dat blijkt niet het geval: de algen vormen deze kanalen door het uitscheiden van suikers die het vriespunt verlagen. Als gevolg daarvan kunnen de ijsalgen het gehalte aan kooldioxide, voedingszouten en andere essentiële stoffen in het ijs met vele tientallen procenten laten stijgen.

Vooral in het voorjaar, als het ijs smelt, zijn deze algen de eerste organismen die van de toegenomen hoeveelheid zonlicht gebruik kunnen maken om zich te vermenigvuldigen en zo veel zuurstof voor de zee onder het ijs te produceren, ongeveer zestig procent van de totale productie in die tijd. Aan het einde van de lange poolwinter is zuurstof zeer schaars onder water, zodat deze verse stroom zuurstof effectief het groeiseizoen start. Onder drijfijs hangen vaak lange slierten algen zoals Melosira arctica. Soortgelijke slierten koloniseren de kanaaltjes in ijs. Pas later in de lente, als het ijsoppervlak breekt en er grote stukken open water ontstaan kunnen vrijlevende algen en dergelijke de fakkel overnemen.

Als het klimaat opwarmt betekent dit waarschijnlijk dat de algen in staat zijn zich aan te passen aan andere groeiomstandigheden, zelfs het waarschijnlijk beter zullen doen en meer voedsel voor de rest van het ecosysteem produceren dan nu. Voor veel arctische ecologen is dit een opluchting.

IJswerelden
Hiermee is ook aangetoond dat ijs een minder ongastvrije omgeving is dan het lijkt. IJsrijke planeten en manen kunnen dus in principe leven herbergen, gesteld dat het leven eenmaal zich ontwikkeld heeft en in staat is om van een andere bron te leven. De lichtintensiteit (zonneconstante) op de baan van Jupiter is een dertigste van die van de aarde. Dit is de lichtintensiteit enkele tientallen meters onder water op aarde. In principe zouden algen het dus uit moeten kunnen houden in het ijs van Europa, al zullen ze dan wel hoge doses radioactieve straling moeten kunnen verdragen. Zouden algen de rode verkleuringen in de buurt van de linae op het oppervlak van Europa veroorzaken?

Bronnen
Science Daily

Een watermolecuul. Het (hier roodgekleurde) zuurstofatoom trekt de elektronen naar zich toe dus is negatief geladen, de witte waterstofatomen juist positief.

Eendimensionaal elektrisch ijs geproduceerd

3 reacties / Wetenschap, Zonnestelsel / Door Germen Roding / 28 februari 2011 28 februari 2011

Water is één van de merkwaardigste substanties in het universum. Onderzoekers zijn er nu zelfs in geslaagd om ferroelektrisch ijs te produceren: ijs waarin watermoleculen zo zijn gericht dat ze een sterk elektrisch veld opwekken. Het ijs bestaat op dit moment nog in één dimensie: een rijtje watermoleculen achter elkaar.

Positieve en negatieve kant aan water
Watermoleculen bestaan uit een zuurstofatoom en twee waterstofatomen. De twee waterstofatomen zitten aan één kant (om precies te zijn: ze maken een hoek van 104,45 graden met elkaar, zoals u ongetwijfeld wilde weten), het zuurstofatoom aan de andere kant.

Omdat zuurstof veel harder aan elektronen trekt dan waterstof, krijgt de zuurstofkant een negatieve lading en de waterstofkant juist een positieve lading. Dit is trouwens ook de reden dat een zo licht molecuul als water bij kamertemperatuur een vloeistof is: de positieve waterstofkant en negatieve zuurstofkant van verschillende moleculen trekken elkaar sterk aan, zodat water niet zo snel verdampt.

Watermagie
Het waterijs zoals je dat in het dagelijks leven aantreft, vormt een soort kooien van waterstofmoleculen waarbij de positieve en negatieve ladingen elkaar precies uitbalanceren. Daarom is water elektrisch ook neutraal. Water in zeer dunne kanaaltjes op nanoschaal gedraagt zich echter totaal anders. De reden bijvoorbeeld dat reuzensequoia’s er in slagen om via hun capillaire haarvaten zonder ook maar één spier of pomp, water uit de bodem meer dan honderd meter hoog te transporteren. De onderzoekers Xia Zhao, Xiang-Jian Kong en La-Sheng Long van de Xiamen Universiteit zijn er in geslaagd water in een nanobuisje zo te bevriezen dat waterstof en zuurstof netjes op één rij liggen: ijs-XI. Bij vier graden vond de bevriezing plaats en vormde zich één dimensionaal, ferroelektrisch ijs. Hierbij liggen de watermoleculen allen precies in dezelfde richting.

Elektrisch ijsgeheugen
Door het elektrische veld om te draaien, tuimelen de watermoleculen om. Ze “onthouden” als het ware het veld en nemen het over, ongeveer zoals een stuk weekijzer het magnetische veld van een magneet die je er bij in de buurt houdt, overneemt: ze zijn ferro-elektrisch. Op Antarctica komt deze ijsvorm voor. Volgens sommige theorieën bevinden natuurlijke ferroelektrische ijsvormen zich ook op verre ijsrijke werelden als Uranus, Neptunus en Pluto. Het zou ongeveer honderdduizend jaar duren om driedimensionale vormen van ferroelektrisch ijs op te wekken. In het bestaan van een planeet een oogwenk, maar ver buiten de tijdsschaal van menselijke onderzoekers. Naast een eerste blik op deze bizarre en exotische ijsvorm, kunnen hiermee natuurlijk ook elektrische onderdelen en geheugens worden gebouwd.

Wie weet maken buitenaardse wezens die in een zeer koude omgeving leven wel gebruik van dit effect om ijscomputers en ijsradio’s te bouwen…

Bron: Physorg.com, PNAS