SRON - Ontstaan leven

De canon "Vijftig jaar Nederlands ruimteonderzoek" is opgesteld in 2012.

Monday Sep 23rd, 2019

Leven: Is het ontstaan van leven in het heelal onvermijdelijk?

Wat weten we niet?
Wat weten we wel?
Hoe zouden we erachter kunnen komen?
Links

Wat weten we niet?

Voor zover we weten komt er op één plaats in het heelal leven voor: op onze eigen planeet. We weten niet hoe het ontstaan is en ook niet of het elders in het heelal is ontstaan. Laat staan dat we kunnen zeggen dat het leven in het heelal onvermijdelijk is. Het ontstaan en de ontwikkeling van het leven is een van de grootste vragen uit de natuurwetenschappen. Tegelijkertijd is het ook een terrein van speculatie en geloof, juist omdat er zo weinig harde feiten voorhanden lijken te zijn. Speculaties zijn er des te meer.

Het leven zou op aarde zelf kunnen zijn ontstaan. We kunnen ons moeilijk voorstellen dat in de oersoep spontaan een aantal moleculen een zichzelf reproducerend organisme is gaan vormen. We weten ook niet hoe de genetische code is ontstaan. Sommige wetenschappers menen dat het leven misschien helemaal niet op aarde is ontstaan, maar dat de aarde is ‘ingezaaid’ via sporen die met bijvoorbeeld kometen op de aarde zijn terechtgekomen. Ergens is dat een verplaatsing van het probleem, want waar komt dat leven dan weer vandaan?

Er lopen enkele serieuze en minder serieuze projecten om uit de signalen die vanuit het heelal komen, te speuren naar tekenen van buitenaardse beschavingen. Sommige projecten lopen al heel lang, zoals bij de SETI-organisatie, de Search for Extra Terrestrial Intelligence. Er wordt gezocht naar radiosignalen, maar ook naar optische signalen via (veronderstelde) sterke laserzenders. Het resultaat is nihil. Zoeken we niet goed genoeg? Is intelligent leven dat op kosmische afstanden communiceert zeldzaam? Vernietigen beschavingen zichzelf over het algemeen, en is de kans heel klein dat een beschaving een lang en stabiel bestaan beschoren is? Vragen te over. Maar we weten de antwoorden niet.

Wat weten we wel?

Om de hoofdvraag van dit venster te kunnen beantwoorden, waarbij het tevens de vraag is wat ruimteonderzoek kan bijdragen aan de oplossing, is het handig een paar zaken rond het leven op aarde op een rij te zetten. Want dat is het enige leven dat we op dit moment kennen.

Het leven verkeert lange tijd in een heel primitief stadium. De aarde is zo’n 4,5 miljard jaar geleden ontstaan, tegelijkertijd met de zon en de rest van het zonnestelsel. De oudste fossiele aanwijzingen voor het bestaan van leven zijn 3,5 miljard jaar oud. Pas zo’n 600 miljoen jaar geleden maakt het aardse leven voor het eerst een snelle ontwikkeling door. Gedurende dus bijna 3 miljard jaar bestaat het leven op aarde uit simpele eencelligen (prokaryoten) en later ook uit eencelligen met aparte, gespecialiseerde celonderdelen (eukaryoten). Mensachtigen verschijnen pas een paar miljoen jaar geleden op het toneel. En de mogelijkheid tot communicatie buiten de aarde bestaat slechts 50 jaar.
Lees meer: de oudste fossiele aanwijzingen voor levenBij de oudste fossiele aanwijzingen voor leven gaat het gaat om zogeheten stromatolieten die in het westen van Australië worden gevonden. Die bestaan uit sediment (afzettingsmateriaal) dat door in groepen levende eencelligen is ingevangen. Deze cyanobacteriën komen ook nu nog voor en leven zonder gebruik te maken van zuurstof. In de atmosfeer van de jonge aarde blijkt dit gas nog nagenoeg afwezig. Ultraviolette straling van de zon wordt dan ook niet tegengehouden door een ozonlaag (ozonmoleculen bestaan uit drie zuurstofatomen) en bereikt het aardoppervlak. Mogelijk verklaart dat waarom de eencelligen in groepen leven en sediment verzamelen: dat beschermt het binnenste van de kolonie tegen de schadelijke straling. Het is mogelijk dat het leven op aarde al eerder is ontstaan, maar nog oudere aanwijzingen zijn vrijwel uitgesloten. De aarde werd in de eerste honderden miljoenen jaren getroffen door talloze brokstukken uit de ruimte waardoor allerlei sporen uit die tijden zijn uitgewist. Studie van het maanoppervlak leert dat dit bombardement ongeveer 1 miljard jaar na het ontstaan van het zonnestelsel zo goed als voorbij is.
Het leven heeft de atmosfeer van de aarde aanzienlijk beïnvloed. De oeratmosfeer van de aarde bestaat voornamelijk uit kooldioxide, stikstof en methaan. De eerste levensvormen overleven zonder zuurstof te gebruiken. Er ontstaan echter ook organismen die kooldioxide omzetten in zuurstof. Voor iemand die 'van buiten' de aarde bestudeert, is het voorkomen van zuurstof in de atmosfeer een sterke aanwijzing dat deze planeet leven bevat.
Lees meer: hoe het leven op aarde de samenstelling van de atmosfeer heeft veranderdMen denkt dat vanaf 3 miljard jaar geleden het zuurstofgehalte in de atmosfeer heel langzaam toeneemt. Maar de productie gaat traag en het zuurstof wordt gemakkelijk gebonden aan anorganische materialen, zoals ijzer (roest) en calcium (krijt). In gesteente ouder dan 2,3 miljard jaar vinden we nog mineralen als pyriet; in een zuurstofrijke atmosfeer zou dat materiaal snel verweerd raken en verdwijnen. Maar vanaf dat moment neemt de zuurstofhoeveelheid in de atmosfeer toe omdat de meeste oxidatie materialen ‘verbruikt’ zijn. Dat zorgt in de wereld van de eencelligen voor een crisis. Zuurstof is giftig voor de cyanobacteriën. Daarom ontstaat er een evenwicht tussen de productie en opname. Tot zo’n 1,7 miljard jaar geleden blijft het zuurstofgehalte in de lucht relatief laag. Pas dan ontwikkelen zich eencelligen die wel tegen zuurstof kunnen en ongeveer 1,5 miljard jaar geleden wordt het huidige zuurstof niveau bereikt. Bijgevolg ontstaat ook de stratosferische ozonlaag en vermindert de intensiteit van de schadelijke ultravioletstraling. Vanaf 600 miljoen jaar geleden kan het leven daardoor ‘exploderen’.
Het leven beïnvloedt het klimaat. Het vroegere methaan in de atmosfeer zorgde voor een versterkt broeikaseffect waardoor de aarde een warme planeet was. Sinds honderdvijftig jaar lijken activiteiten van de moderne mens ook een vanuit de ruimte meetbare invloed te hebben op de ontwikkeling van het aardse klimaat.
Lees meer: klimaatwisselingen op aardeHet zuurstof dat geleidelijk is ontstaan door biologische activiteit, reageert met methaan in de atmosfeer. Het broeikaseffect nam af en de aarde werd kouder. Er zijn aanwijzingen dat de aarde vanaf dan regelmatig ijstijden beleeft, zoals vermoedelijk 710 en 640 miljoen jaar geleden. De ijstijden zorgen voor ‘druk’ op het leven, waardoor snelle aanpassing via evolutie voor een soort voordelen gaan bieden. Explosies van nieuwe soorten en massaal uitsterven wisselen elkaar af. Oorzaken liggen in de enorme ijstijden, heftige vulkanische activiteit, inslagen van grote meteorieten en in het verschuiven van de continenten. Door dit laatste worden bijvoorbeeld oceaanstromingen regelmatig verlegd en stelt zich een ander evenwicht in voor de verdeling van zonnewarmte over de planeet.
Het leven op aarde is divers en uniform tegelijk. De biodiversiteit is enorm in het rijk van planten, dieren, eencelligen, virussen, schimmels en zo verder. Aan de andere kant is al dat leven gebaseerd op een verrassende overeenkomst in de ‘basis’werking.
Lees meer: de chemische basis van het levenChemisch gezien is het leven op aarde gebaseerd op koolstofchemie. Koolstof is het enige chemische element waarmee grote, complexe moleculen kunnen worden gebouwd. En verder is in elke aardse levensvorm de ‘blauwdruk’ gecodeerd in DNA- en RNA-moleculen, waarbij het coderingsalfabet bestaat uit maar vier ‘letters’. Er is geen enkele natuurkundige of chemische reden waarom dit zo moet zijn.
Het (primitieve) aardse leven kan voortbestaan in voor mensen zeer vijandige omgevingen, zoals in extreme kou, in rotsen ver onder het oppervlak, in meren met hoge zoutconcentraties, in grote hitte, of in de diepzee bij vulkanische bronnen. Dit geeft aan dat (primitief) leven kan voortbestaan in op het eerste gezicht onwaarschijnlijke omstandigheden. Maar de aanwezigheid van water lijkt in alle gevallen essentieel. Het water op aarde is waarschijnlijk helemaal afkomstig van de inslag van ijsballen - kometen - ten tijde van het ontstaan van de aarde.

Hoe ver zijn we nu gevorderd met de speurtocht naar buitenaards leven? Het planetaire onderzoek, vooral met ruimtemissies naar platen en manen in het zonnestelsel, probeert onder andere antwoord te geven of er elders in ons zonnestelsel leven voorkomt. Al snel is duidelijk dat er geen tweede aarde bestaat in 'ons' zonnestelsel, en nergens zien we organismen groeien of rondlopen. Er wordt wel geprobeerd om de omstandigheden op verschillende plaatsen te onderzoeken en af te wegen wat de kansen zijn dat zich daar primitief leven zou kunnen ophouden. Immers, als de historie van het aardse leven maatgevend zou zijn voor de ontwikkeling van leven elders (wat niet bewezen is), dan is de kans op het aantreffen van primitief leven groter dan het vinden van meer ontwikkeld leven. Belangrijke voorwaarden waar een kandidaat-schuilplaats voor leven aan moet voldoen, zijn de aanwezigheid van water en energiebronnen (zoals warmte, licht en bepaalde chemische stoffen). De belangrijkste kandidaten voor leven elders in het zonnestelsel zijn:

De planeet Mars. Op de planeet komt waterijs voor, vermoedelijk in grote hoeveelheden, in de bodem. In vroeger tijden lijkt voor korte perioden ook vloeibaar water aan het oppervlak te hebben gestroomd.
Lees meer: leven op Mars? Het oppervlak van Mars is nu gevriesdroogd en onbeschermd tegen ultraviolette straling omdat de zeer ijle Marsatmosfeer vrijwel geen zuurstof bevat. Op Mars zou vroeger leven kunnen hebben bestaan. En misschien bestaat dat nog wel in bepaalde gebieden onder de grond, waar de restwarmte van de afkoelende planeet nog water vloeibaar kan houden. Opvallend is ook de enorme hoeveelheid roest op het Marsoppervlak. Misschien bevatte de atmosfeer, die vroeger dichter kan zijn geweest dan nu, toen zuurstof, afkomstig van eencelligen.
De Jupitermaan Europa. Deze maan is een van de vier grote manen van de reuzenplaneet. Onderzoek laat zien dat de maan bedekt is met een dikke ijskorst die op een laag vloeistof (water) drijft. De oceaan onder het ijsoppervlak is mogelijk warm.
Lees meer: warme oceaan op Europa?Het oppervlak bestaat uit dicht op elkaar gepakte schotsen die verschijnen en verdwijnen; in een langzaam tempo naar menselijke maatstaven, maar heel snel naar sterrenkundige maatstaven. Want er zijn vrijwel geen inslagkraters van meteorieten te zien, een teken dat het oppervlak snel vernieuwt. De energiebron om dat te doen ligt in de maanbol zelf. Door de getijdenbewegingen, veroorzaakt door Jupiter en de collega-manen, wordt het inwendige van Europa voortdurend ‘gekneed’. De warmte die daarbij vrijkomt, zorgt voor convectie in de oceaan onder het ijsoppervlak.
De Saturnusmaan Enceladus. De orbiter van de NASA/ESA-missie Cassini-Huygens passeert tijdens zijn rondzwervingen rond Saturnus regelmatig verschillende manen, waaronder Enceladus. Net als bij de Jupiter-maan Europa is het oppervlak bedekt met ijs. Op enkele plaatsen blijken geisers voor te komen waar ijsdeeltjes de ruimte in worden geslingerd.
Lees meer: leven in 'warme' oceaan?Er zijn sterke aanwijzingen dat zich onder de ijslaag een ‘warme’ oceaan bevindt van zout water omdat in de ijspluimen ook de aanwezigheid van zoutdeeltjes is vastgesteld. In dergelijke oceanen onder het ijs is vrijwel geen vrije zuurstof aanwezig en ook geen licht. Eventuele organismen zullen dan ook geen fotosynthese vertonen, maar net als in de diepzee van de aarde leven van bepaalde chemische stoffen, en de warmte-energiebron in de oceaan. Ook nu weer wordt deze energiebron ‘gevoed’ door sterke getijdewerkingen.
De Saturnusmaan Titan. De Europese daalcapsule Huygens maakte met succes een zachte landing op deze grootste maan van het zonnestelsel, en de enige maan met een dichte atmosfeer. Die atmosfeer lijkt sterk op die van de oeraarde en bevat stikstof en methaan.
Lees meer: leven uit 'oersoep'?Weliswaar is het op Titan veel te koud om vloeibaar water aan het oppervlak te hebben, maar de omstandigheden zijn wel gunstig voor het bestaan van vloeibaar methaan. Er zijn meren ontdekt door de Cassini-Huygens-orbiter die bij perioden met regen vollopen en later weer verdampen. Bij dat alles staat de atmosfeer van Titan bijkans bol van organische koolstofverbindingen. Een ‘oersoep’ waarin leven zou kunnen ontstaan, ook al zal dat vanwege de heel lage temperatuur zich misschien anders manifesteren dan op aarde.
Kometen en meteorieten. Men verwacht niet dat kometen, overblijfselen van het oorspronkelijke ‘bouwmateriaal’ van het planetenstelsel, actief leven bevatten. Maar de samenstelling van kometen kan belangrijke aanwijzingen bevatten, bijvoorbeeld om de ‘inzaaitheorie’ te testen. In de gasstaarten van enkele kometen zijn organische moleculen aangetoond. En natuurlijk water.
Lees meer: wat vertellen kometen en meteorieten ons over leven? In sommige meteorieten, afkomstig van verpulverde planetoïden, zijn ook organische verbindingen aangetoond, zoals aminozuren. Deze stoffen gelden als de bouwstenen van het aardse leven. Het is echter onwaarschijnlijk dat de meteoriet-aminozuren van biologische oorsprong zijn. Claims als zouden meteorieten die van Mars afkomstig zijn (losgeslagen bij grote inslagen op Mars) zelfs fossielen van bacteriën bevatten, zijn bij nader onderzoek onhoudbaar gebleken. De structuren kunnen gemakkelijk met niet-biologische processen worden verklaard.

Melkwegstelsel. Sterrenkundig onderzoek buiten het planetenstelsel levert ook in toenemende mate informatie op die helpt om de vraag te beantwoorden of het leven in het heelal onvermijdelijk is. Belangrijke onderzoeksgebieden zijn:

Exoplaneten. Bij andere sterren komen ook planetenstelsels voor. De speurtocht naar deze planeten staat nog in de kinderschoenen. Niettemin zijn er inmiddels honderden van deze exoplaneten ontdekt, waarvan er een paar mogelijk op de aarde lijken.
Lees meerHet ziet ernaar uit dat in het heelal miljarden planeten bestaan waar de omstandigheden voor leven redelijk tot uitstekend zijn. Zie ook het aparte venster over de vraag of de aarde uniek is. Met speciale waarneemtechnieken, zoals spectropolarimetrie, is het in principe mogelijk om de oppervlakten en atmosferen van deze planeten te karakteriseren. Misschien vinden we zo planeten met een atmosfeer van stikstof, zuurstof en water… Over exoplaneten is meer te vinden in het venster Is de aarde uniek, in de categorie Vragen voor de toekomst.
Astrochemie. Via aardse observatoria en ruimtemissies worden bij waarnemingen in het infrarood en submillimetergebied metingen gedaan aan allerlei moleculen die zich bijvoorbeeld bevinden in wolken waaruit sterren ontstaan.
Lees meerHet blijkt verbazingwekkend gemakkelijk om ingewikkelde organische koolwaterstoffen te laten ontstaan, bijvoorbeeld aan het oppervlak van kleine ijs- en stofdeeltjes. Sommige moleculen hebben lange koolstofketens, of ringen zoals benzeen. Met enige goede wil kun je misschien zeggen dat de ingrediënten voor ‘oersoep’ spontaan ontstaan in het heelal. Daarnaast zijn er aanwijzingen dat in stof- en gasschijven rond jonge sterren grote hoeveelheden water voorkomen. Sterker nog, de aanwezigheid van dit water lijkt een belangrijke voorwaarde om in de schijf ook echt grotere brokstukken te laten ontstaan. Over astrochemie is meer te vinden in de vensters over SWS en HIFI in de categorie Experimenten.

Hoe zouden we erachter kunnen komen?

Zonnestelsel. Voor de zoektocht naar leven in het zonnestelsel is het technisch mogelijk om uiteindelijk onderzoek ter plaatse uit te voeren, of om materiaal van hemellichamen naar aardse laboratoria te brengen. De vooruitzichten voor bemande reizen, naar Mars bijvoorbeeld, zijn echter niet best. Zulke ondernemingen kosten honderden miljarden euro’s en er moeten eerst nog tal van technische problemen worden opgelost voordat een creween redelijke kans heeft om na jaren weer heelhuids thuis te komen. Al jaren wordt verkondigd dat ‘we over dertig jaar op Mars staan’. Er is weinig concreets van te zeggen, behalve dat een bemande Marsmissie in de eerste helft van deze eeuw (erg) onwaarschijnlijk is. Onbemande missies vormen deels een alternatief. Tot nu toe zijn alle aanwijzingen via dergelijke missies verzameld. Helaas zijn ook de vooruitzichten voor ‘robot’missies niet goed vanwege de hoge kosten en de politieke keuzen die worden gemaakt. Een korte vooruitblik:

Mars. De strategie is om onbemand onderzoek te doen via robots die zich op het oppervlak bevinden, of in een baan om de aarde. Het doel is om in kaart te brengen waar vroeger op Mars water heeft gestroomd en waar misschien nog steeds bevroren water in de Marsbodem zit.
Lees meer: MarsonderzoekIn het najaar 2011 begint Curiosity (het Mars Science Laboratory) aan zijn reis om in augustus 2012 te landen op Mars. Vanuit een baan om Mars kan niet alleen het oppervlak nauwkeurig ik kaart worden gebracht, maar kun je ook de atmosfeer van Mars analyseren. Zijn er gassen die door biologische activiteit worden veroorzaakt?
Zonnestelselmanen. NASA heeft plannen ontwikkeld voor een project waarmee naar leven op de Jupiter-maan Europa moet worden gezocht. Vanwege geldgebrek is het project helaas geschrapt. Er bestaan voor de komende twee decennia geen concrete plannen meer om naar Europa te reizen. Datzelfde geldt voor de Saturnusmanen Titan en Enceladus.
Kometen. Op 2 maart 2004 lanceert ESA de Rosetta-missie. De sonde ligt op koers voor een ontmoeting met de komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko, in augustus 2014.
Lees meer: Rosetta-missie.Het is de bedoeling dat Rosetta ruim 1,5 jaar in de buurt van de komeet blijft. De sonde heeft een 100 kg zware lander aan boord die op het komeetoppervlak gaat landen en zich daar vastmaakt met een harpoen. Het doel is om het oppervlak van de komeet ter plaatse te onderzoeken en zo na te gaan wat de samenstelling is van het oermateriaal in het zonnestelsel. Er bestaan geen concrete plannen voor nieuwe missies naar een komeet.

Melkwegstelsel. Wat het Melkwegstelsel betreft bestaat er hoop dat het zich snel ontwikkelende onderzoek naar exoplaneten ons ook op het spoor zal brengen van buitenaards leven. Met name via spectropolarimetrie (zie het aparte venster Spectropolarimetrie onder de categorie Technologieën) kunnen we misschien iets te weten komen over de samenstelling van de atmosferen van exoplaneten.
Lees meer: de ontdekking van zuurstof in de atmosfeer van exoplanetenAls daar veel zuurstof in zit, naast waterdamp, zou dat een krachtige aanwijzing zijn voor het bestaan van biologische activiteit op die planeet. Verder onderzoek in het infrarood en submillimetergebied zal onze kennis over astrochemie vergroten. We weten dan beter welke complexe moleculen de natuur spontaan maakt, buiten biologische activiteit om, en in welke omstandigheden. Misschien komen we erachter dat de bouwstoffen voor leven als 'bijproduct' worden afgeleverd op jonge planeten, terwijl die ontstaan in de oernevel rond hun ster.

Maar nog steeds levert dat alles geen concreet bewijs op. Het is de vraag of, zonder onderzoek ter plaatse, ooit zal worden vastgesteld dat er elders in het heelal echt leven bestaat. Laat staan dat we zonder zelf te reizen kunnen zeggen of leven vaak voorkomt, of inderdaad onvermijdelijk is. Reizen in het zonnestelsel? Misschien diep in de tweede helft van deze eeuw. Reizen naar de sterren? Zeker niet in deze eeuw. En misschien ook niet in de eeuw daarna.