Ice structures, patterns, and processes: A view across the ice-fields

We look ahead from the frontiers of research on ice dynamics in its broadest sense; on the structures of ice, the patterns or morphologies it may assume, and the physical and chemical processes in which it is involved. We highlight open questions in the various fields of ice research in nature; ranging from terrestrial and oceanic ice on Earth, to ice in the atmosphere, to ice on other solar system bodies and in interstellar space

Scientific expedition "Life in ice" : August 2002 - August 2003, observations at Kinnvika ( 80° 3’N, 18° 12’E ) Svalbard, Nordaustlandet ; final report

A scientific expedition of the Technical University of Hamburg-Harburg (TUHH) was performed in 2002/03 on Nordaustland, Svalbard. Two humans with two sledge dogs stayed continuously for thirteen months in a little hut at a latitude of 80°N. Using a small, well equipped laboratory, many observations and measurements were performed and documented. The main purpose of the expedition was the systematical experimental investigation of the growth and melting of sea ice and it’s microstructure during the course of a whole year. Outgoing from the observations the hypothesis was confirmed about the function of sea ice at the very beginning of Life as a possible matrix to push prebiotic chemistry towards first biological processes. The gained results indeed deliver many arguments that Life may have started in the sea ice of the early Earth, four billion years ago. Sea ice shows a complicated microstructure containing about 10 14 tiny compartments per cubic metre between which liquid brine drips and mineralic particles, as well as small gas bubbles, are embedded. This environment may support chemical reactions leading finally to primitive life. Outgoing from the investigations of the real sea ice at Nordaustland, a model conception is derived concerning sea ice as a biochemical reactor. The construction of a corresponding technical sea ice reactor is described. With that, future further realistic experimental investigations are possible, which may be performed in the laboratory using artificially produced sea ice. Sea ice is a favourable environment for the existence of many micro-organisms. Particularly it seems that various bacteria prefer to live in sea ice. During the expedition, in a systematical way, samples of these bacteria were taken each month, which grew in special containers frozen in sea ice. The bacteria samples were sent to the Biotechnological Institute of TUHH where they will be investigated concerning the bacteria’s genetic structure. Many kinds of new bacteria were already identified. Some of these may be usable, for example by the food industry, using enzymes under cold environmental conditions. Nordaustland as an island in the high arctic is, up to now, not very well known. Therefore, on the occasion of this expedition, not only sea ice and it’s micro-organic inhabitants were investigated, but also, as much as possible, further observations were made and described. Particularly the interest was focused on the weather and vegetation, polar bears and historical artefacts being stranded on the beaches of Nordaustland. Daily, all available weather data were taken, evaluated and documented. The weather proved to be fairly harsh characterised by cold temperatures and mostly heavy winds. Outgoing from this, the vegetation on Nordaustland is comparatively poor. The growing phase of the plants was documented by hundreds of photos during the course of a whole year. 101 polar bears were noticed and observed, sometimes for many hours and days, close to the expedition hut. Each bear was characterised and it’s behaviour was described and documented by photo and film. Some conclusions concerning the bears psychological behaviour were drawn. Recommendations about possibilities to count the polar bears on Svalbard and to perform further observations were given. On the beaches of Nordaustland many historical artefacts were found, for example ribs of old whaling ships, parts of wooden barrels, oars, fragments of a sledge and hunter’s equipment. The artefacts deliver a fascinating insight into the various phases of Svalbard’s 400 year history. An international scientific programme is proposed to perform a more systematical corresponding investigation

Origin of life in sea ice

Es wird die Hypothese aufgestellt, daß das erste Leben vor 4 Mrd. Jahren im Meereis auf der Urerde entstanden sein könnte. Zur Bekräftigung dieser Hypothese wurde eine ganzjährige Expedition in das Eis von Spitzbergen auf 80° nördlicher Breite durchgeführt. Dabei wurden viele experimentelle Ergebnisse über die Mikrostruktur und das dynamische Verhalten von Meereis sowie über die darin lebenden Mikroorganismen gewonnen. Meereis ist ein Gebilde, das einem lebenden Organismus sehr ähnlich ist. Es entsteht innerhalb eines Jahres aus kleinen Anfangsaggregaten, wächst zu einem komplexen System heran, altert und vergeht schließlich wieder. Meereis stellt offensichtlich ein ideales Lebensumfeld für kälteliebenden Bakterien dar. Diese sog. Psychrophilen sind für die potentielle Nutzung in der Nahrungsmittel-, Reinigungs- und Umweltschutzindustrie wegen der auch bei Kälte wirksamen Enzyme interessant. Zahlreiche Proben mit Psychrophilen wurden während der Expedition im Meereis gewonnen und zur weiteren Untersuchung an die TUHH gesandt (Prof. Antranikian). Ausgehend von den Expeditionsergebnissen und von den bereits publizierten Erkenntnissen anderer Wissenschaftler wird die Entwicklung skizziert, wie das erste Leben von der Ursuppe ausgehend im Meereis entstanden sein könnte. Im Meereis werden einfache Bausteine des Lebens, wie z.B. Aminosäuren sowie mineralische Staubpartikel während des Gefriervorgangs aufkonzentriert. Rein thermodynamische Überlegungen zu Erstarrungs- bzw. Auftauvorgängen und ebenso zu der beobachtbaren Salzkristallisation ergeben das Bild eines permanenten, hohen Energietransfers. Im mikroskopischen Bereich könnten, insbesondere unter dem Aspekt der geringen Wärmeleitfähigkeit der Matrix, Energie-Inhomogenitäten mit stark exothermen Charakter postuliert werden. Diese wären in der Lage endotherme chemische Reaktionen wie z.B. die Kondesationsreaktion, Bestandteil der Peptidbildung, zu förden. Im Eisgefüge, geprägt durch vielfältige Grenzschichten, festen und flüssigen Phasen, hochkonzentrierte Meersalzlösung sowie mineralischen Staubpartikeln sind günstige Bedingungen für katalytische Vorgänge gegeben. Durch Auskristallisation der salzarmen Eisphase werden Sortier- und Trennvorgänge induziert. Eine hochkonzentrierte Salzlake entsteht, in der gebildete Makromoleküle ebenfalls angereichert sind. Der beim Gefriervorgang vorwärts wandernden Eisfront könnte dabei ein chromatographierender Einfluß zugeschrieben werden, der eine zusätzliche Stoff-Fraktionierung bewirken sollte. Die Rückreaktion (Zersetzung) der gebildeten Makromoleküle ist aufgrund der vorwiegend herrschenden niedrigen Temperatur eher unwahrscheinlich. Die an Eiskristallen zu beobachtende starke Polarisation und das Phänomen der optischen Doppelbrechung weisen auf einen hohen Ausrichtungsgrad der Kristallstrukturen mit charakteristischer periodischer Wiederholung hin. Es wird diskutiert, ob sich an diesen Kristallstrukturen spezifische Makromoleküle bilden könnten, ähnlich wie mittels einer Matrize durch Anlagerung der im Meer auftretenden Grundbausteine. Beim teilweisen Schmelzen bzw. Auflösen des Kristalls würden sich die so entstandenen Makromoleküle von der Oberfläche ablösen. Dieser Vorgang wäre möglicherweise den Abläufen bei der Replikation von DNA und RNA ähnlich. Die im Eisgefüge vorhandenen Eiszellen, Kaviolen, Kanäle und Kristalle scheinen von flexiblen, hauchdünnen Grenzschichten umhüllt zu sein. Da sie durch Wasserstoffbrückenbindungen geprägt sind, lassen sich semipermeable Eigenschaften und ihre Fähigkeit, Separationsvorgänge zu unterstützen, vermuten. Sie könnten als Vorläufer von Biomembranen gedient haben. Dieser zelluäre Aufbau von Meereis, wobei die einzelnen Zellen über ein Netzwerk von mit Salzlösung gefüllten Kanälen miteinander kommunizieren, könnte die Ausbildung von autokatalytischen Selbsstorganisationsprozessen, wie sie von Manfred Eigen beschrieben wurden, gefördert haben. Meereis könnte als eine Vorstufe zum Leben angesehen werden, wobei die für das Leben charakteristischen Eigenschaften wie Metabolismus, Selbstreplikation und Mutagenität, bereits im Ansatz erkennbar zu sein scheinen. Die vorgestellte Hypothese wird mit Hilfe einiger typischer Kriterien für derartige Reaktionsabläufe geprüft und gestützt. Demnach scheint die Hypothese robust gegenüber unsicheren Annahmen zu sein, sie erlaubt möglicherweise die prinzipielle Beantwortung vieler noch offener Fragen bei der Entstehung des Lebens, sie zeigt zahlreiche Übereinstimmungen zwischen den im Meereis ablaufenden Vorgängen und den Erscheinungen heutiger biologischer Abläufe auf, und schließlich sind die Aussagen der Hypothese experimentell überprüft bzw. in weiteren Experimenten überprüfbar. Es werden Vorschläge für eine Reihe von entsprechenden Experimenten gemacht.A hypothesis is set up, that sea ice on the primitive Earth 4 billions years ago could have been suitable to support the generation of life. An expedition into the ice of Spitzbergen was performed with a boat equipped with scientific instruments. The results show, that sea ice has special properties which may contribute to the development of organic macromolecules supposed to be precursors of life. Sea ice consists of small regions of nearly pure frozen H2O and of liquid brine with high salinity. The microstructure of sea ice includes flexible thin surface layers composed by hydrogen bindings, processes with energy exchange, catalytic reactions, demixing phenomena and last not least the presence of numerous vital microorganisms. The bacteria of today live successful in sea ice exactly as their ancestors at the beginning of life may have done originated out of macromolecular precursors built in the sea ice reactor

Ice and the origin of life

Mannigfaltige Umgebungen wurden bisher als Ort für die Entstehung des Lebens vorgeschlagen. Ausgehend von den Ergebnissen in der Arktis durchgeführter Experimente eines der Autoren sowie weiteren Hinweisen zu besonderen Eigenschaften des arktischen Meereis in der Literatur, schlagen wir vor, dass eine für den Ursprung des Lebens bislang weitgehend unbeachtete Umgebung, nämlich das Meerwassereis der Polkappen, ausgezeichnete Bedingungen für die Entwicklung der allerfrühesten genetischen Elemente geboten haben muss. Meereis kann Substanzen durch Ausfrieren des Wassers beträchtlich aufkonzentrieren; die entstehenden flüssigkeitsgefüllten Kaviolen fördern durch die tiefe Temperatur und die hohe Ionenstärke der Salzlösung besonders stabile intra- und intermolekulare Wasserstoffbrücken. Dies ist wichtig bei Reaktionen von RNA-Molekülen, denen eine Schlüsselrolle in einer ersten Chemie des Lebens zugeschrieben wird. Speziell für die Entwicklung eines RNA-Replikationssystems sowie eine "RNA-Welt" bietet Meereis offenbar ideale Voraussetzungen. Meereis scheint aber auch in der Sortierung, der Katalyse und für die Begünstigung synthetischer Prozessen viele, noch weitgehend unerforschte, Fähigkeiten zu haben. Dieser Artikel sammelt und präsentiert das Wissen um Meereis, gesehen aus unserer speziellen Sicht und soll Forscher unterschiedlicher Fachrichtungen anregen, Meereissysteme in ihre Überlegungen und experimentellen Untersuchungen zur Ergründung des Lebensursprunges einzubeziehen.Many different locations on the primitive earth have been proposed as possible places for the origin of life. Experimental investigations of sea ice, in particular the studies of one author in the arctis and findings in the literature, incited us to propose sea ice as a matrix suitable for the evolution of living systems. This heterophasic environment, hitherto disregarded by theories dealing with the origin of life, offers in our opinion excellent conditions for the development of primitive genetic elements. Sea ice can concentrate substances considerably. The intramolecular and intermolecular base-pairing of RNA strands, reactions that are widely accepted to be crucial for the evolution of living systems, are stabilized by the low temperature and the high ionic strength of the brine formed in the liquid channels. Sea ice conditions seem to be ideal for the development of an RNA replication system and and an "RNA World". In addition, sea ice offers still widely unexplored possibilities in sorting and specific catalysis which seem to be favourable for prebiotic reactions in general. This paper presents the available informations about the sea ice environment. It wants to encourage scientists of different fields to take sea ice into consideration for theoretical and experimental studies of the origin of life

Ice and the origin of life

Sea ice occurs abundantly at the polar caps of the Earth and, probably, of many other planets. Its static and dynamic properties that may be important for prebiotic and early biotic reactions are described. It concentrates substrates and has many features that are important for catalytical actions. We propose that it provided optimal conditions for the early replication of nucleic acids and the RNA world. We repeated a famous prebiotic experiment, the poly-uridylic acid-instructed synthesis of polyadenylic acid from adenylic acid imidazolides in artificial sea ice, simulating the dynamic variability of real sea ice by cyclic temperature variation. Poly(A) was obtained in high yield and reached nucleotide chain lengths up to 400 containing predominantly 3' → 5' linkages