Je leest:

De Drake-vergelijking 2.0

De Drake-vergelijking 2.0

Rekenen aan de kans op het ontstaan van leven

Auteur: | 8 juli 2016

Strikt genomen weten we niets over buitenaardse beschavingen. Maar aan meningen daarover heeft het nooit ontbroken. Zo bestaat al sinds de jaren zestig de Drake-vergelijking. Twee astrobiologen komen nu met een alternatieve formule, die de kans analyseert dat op een planeet zoals de aarde leven ontstaat. Die kans wordt volgens hen stukken groter met interplanetaire ‘bevruchting’.

Je vraagt het je misschien ook weleens af, als je op een heldere zomernacht naar de sterrenhemel staart: is daar nu iemand die terugkijkt? Het idee dat we niet alleen zijn in het heelal, voldoet voor velen aan een quasi-religieuze behoefte, maar wetenschappelijk valt er nog weinig zinnigs over te zeggen.

De fameuze Drake-vergelijking (zie ook het kader onderaan dit artikel) is een manier om de speculaties over groene mannetjes van een paar nuchtere randvoorwaarden te voorzien. Als er geen sterren ontstaan, ontstaan er ook geen planeten; zonder planeten kan geen leven bestaan; intelligent leven kan alleen geëvolueerd zijn uit simpeler leven.

Drakevergelijking
De Gran Tecan telescoop op La Palma. Met zulke grote optische telescopen zijn de afgelopen jaren honderden exoplaneten ontdekt. Sommige daarvan staan op de juiste afstand van hun ster om vloeibaar water te kunnen bevatten, een noodzakelijke voorwaarde voor leven zoals wij dat (er)kennen.
Arnout Jaspers

Geen voorspelling

Op de Drake-vergelijking is allerlei kritiek mogelijk. Zo doet dit type vergelijking in feite weinig meer dan een grote onzekerheid opsplitsen in een aantal onzekere factoren waarvan je maar aanneemt dat ze onafhankelijk van elkaar zijn. Elk van die factoren zou je weer in andere factoren kunnen opsplitsen, en in latere varianten van de Drake-vergelijking wordt dat ook gedaan.

Astrobioloog Caleb Scharf en chemicus Lee Cronin waarschuwen in hun artikel in de Proceedings of the National Academy of Sciences zelf ook dat ze met hun ‘Drake-vergelijking 2.0’ geen nauwkeurige voorspelling kunnen doen over hoeveel leven er elders in het heelal is. Eigenlijk zit heel het mysterie van het ontstaan van het leven weggestopt in één factor in hun vergelijking.

Meteorietinslagen

Wel trekken de onderzoekers een gewaagde conclusie over panspermie: dit is de hypothese dat planeten vanuit de ruimte kunnen worden verrijkt of ‘bevrucht’ met de kiemen van het leven. Het is aangetoond dat bij zware meteorietinslagen, brokstukken zo hard worden weggeslingerd dat ze aan hun planeet ontsnappen en door het zonnestelsel gaan zwerven. Zo kunnen ze bij toeval ook weer inslaan op een andere planeet. Moleculen – en wellicht zelfs bacteriën – kunnen deze ruimtereis overleven.

Chelyabinsk2
Meteorietinslagen, zoals deze in 2013 in Siberië, kunnen vier miljard jaar geleden materiaal van Mars naar de aarde gebracht hebben, en zo de aftrap voor het aardse leven gegeven hebben. Was er ooit leven op Mars? Misschien zijn wij zelf wel Martianen.
YouTube

Op deze manier kan de ene planeet de andere ‘bevruchten’. Dat kan een groot verschil gemaakt hebben kort na het ontstaan van ons zonnestelsel, toen planeten nog gloeiend hete bollen gesmolten gesteente waren. Lee Cronin: “Als je dat betrekt op Mars en de aarde: Mars is kleiner, en is daardoor sneller afgekoeld. Dus daar was ‘aardachtige’ chemie al mogelijk toen de aarde zelf nog te heet was. Mogelijk had Mars al een pre-biotische ‘zoektocht’ achter de rug voordat het zijn spullen naar de aarde stuurde.” Mars is nu alweer lange tijd kurkdroog en hoogstwaarschijnlijk levenloos, maar zou dus een erfenis op aarde kunnen hebben.

Loterij

Scharf en Cronin zoomen met hun nieuwe vergelijking als het ware in op de Drake-vergelijking. Daarbij kijken ze alleen naar een van de zeven factoren die de kans op een intelligente, communicerende buitenaardse beschaving bepaalt, namelijk fl, de kans dat op een geschikte planeet überhaupt leven ontstaat.

In de Drake-vergelijking is dat een constante die altijd en overal gelijk is, maar Scharf en Cronin gaan ervanuit, dat op een geschikte planeet het ontstaan van leven slechts een kwestie van tijd is – al kan dat heel véél tijd zijn: miljarden jaren.

Doorgaans gaat men ervanuit, dat leven alleen kan ontstaan in een waterige omgeving, in de oceaan of in een meertje of plas, een soort oersoep. Scharf en Cronin beschouwen deze oersoep op zo’n planeet als een gigantische loterij. Om de eerste levende cel te vormen, moet een groot aantal moleculen op precies de juiste manier bij elkaar komen en een chemische verbinding aangaan.

Alle dobbelstenen zes

Het proces laat zich vergelijken met iemand die telkens een hele doos dobbelstenen leeggooit. Pas als je met allemaal tegelijk zes gooit, ontstaat er leven, dat zich vervolgens onstuitbaar vermenigvuldigt en over de planeet verspreidt. Scharf en Cronin vatten dit in onderstaande vergelijking:

Abiogenesis
Arnout Jaspers

Links staat het gemiddeld aantal keren Nabiogenesis dat er in de loop der jaren, t, leven op zo’n planeet ontstaat. Rechts staat Nb voor het aantal atomen in de atmosfeer, oceaan en buitenste deel van de aardkorst van de planeet. <no> is het minimum aantal atomen dat voor een levende cel nodig is. fc is de fractie van Nb die per jaar beschikbaar komt in de oersoep om leven te maken, en Pa is de kans per keer dat als de minimum set aan bouwstenen bij elkaar is, die ook inderdaad chemisch met elkaar reageren tot de eerste levende cel.

Lee Cronin vertelt in 2011 over zijn experimenten om leven te maken uit inorganische bestanddelen.

Grootste obstakel

Wie niet alleen wil zijn in het heelal, heeft er natuurlijk belang bij om Nabiogenesis zo groot mogelijk te maken. Met Nb zit dat wel goed: de atmosfeer, oceaan en aardkorst van een planeet ter grootte van de aarde bevatten ruwweg 1049 atomen. Hoewel n0 onder de deelstreep staat, is dat niet het grootste obstakel. Scharf en Cronin gaan ervanuit dat de kleinste bacterie zo ongeveer de minimale eenheid van leven is, en die bestaat uit ‘maar’ 1011 atomen. De fractie fc schatten de twee op 1/1014, de verhouding tussen de massa van alle levende wezens op aarde en de totale massa van de aardse atmosfeer, oceanen en aardkorst.

Nb, n0 en fc geven samen 1024, een enorm getal. Als het alleen daarvan afhing, zou dus op elke aardachtige planeet in een fractie van een seconde leven ontstaan. En na een tijdje trouwens ook in elk bekerglas in een laboratorium waar je wat water en elementaire bouwstenen voor het leven in stopt.

De bepalende factor in de vergelijking is echter Pa, de kans dat als je de 1011 voor een bacterie benodigde atomen bij elkaar brengt, ze met elkaar de chemische bindingen aangaan die een functionerende, levende cel opleveren.

Andersom geredeneerd

De auteurs geven grif toe dat we over Pa vrijwel niets weten. We weten niet hoe het leven op aarde ontstaan is, noch hoe de allereerste levensvormen eruitzagen of functioneerden. Daarom tasten we ook over de waarschijnlijkheid van de chemische processen die daarbij een rol speelden in het duister.

Om toch enig idee te krijgen hoe groot Pa is, redeneren ze andersom: we weten dat op aarde relatief snel leven is ontstaan, namelijk binnen enige honderden miljoenen jaren nadat de aarde afkoelde en een vaste aardkorst kreeg. Daaruit concluderen ze dat Nabiogenesis binnen een miljard jaar ongeveer 1 moet worden, waaruit volgt dat Pa ongeveer 1 op 1033 zou kunnen zijn.

Anders gezegd: de kans dat op enig moment, op een bepaalde plek waar alle ingrediënten voor leven aanwezig zijn, figuurlijk de bliksem inslaat en leven ontstaat, is extreem klein. Scharf en Cronin leiden ook af dat Pa waarschijnlijk tussen 1 op 1030 en 1 op 1036 ligt. De onzekerheid op dit gebied blijkt wel uit het feit dat de waarschijnlijke ondergrens een miljoen keer lager ligt dan de waarschijnlijke bovengrens. Niettemin leidt de combinatie van al deze factoren toch tot een goede kans dat na een paar miljard jaar op een aardachtige planeet leven ontstaan is.

Aanwezigheid van Mars

Het is goed mogelijk, stellen Scharf en Cronin, dat Pa flink opgekrikt is door de aanwezigheid van Mars in ons zonnestelsel. Ze betogen dat elke uitwisseling van pre-biotisch materiaal tussen twee planeten de kans op het ontstaan van leven Pa met een factor E vergroot. Tussen Mars en de aarde zouden in de loop van vele miljoenen jaren honderden brokstukken van meteorieten uitgewisseld kunnen zijn. Iedere keer wordt de Pa op aarde een factor E groter, dus na twee keer E2 keer groter, na drie keer E3 keer groter, enzovoort. Als E maar een klein beetje groter is dan 1, bijvoorbeeld 1,01, dan nog zou een factor E400 voor een vijftig maal zo grote Pa zorgen.

Volgens Cronin is de diversiteit van meerdere planeten rond één ster dus gunstig voor het ontstaan van leven: “Op twee verschillende planeten kunnen de globale omstandigheden en chemie heel verschillend zijn, precies op het juiste moment voordat een zelf-kopiërend molecuul naar een andere planeet wordt overgezet.” Dit zou betekenen, dat planeten die ‘enig kind’ zijn in hun zonnestelsel, flink in het nadeel zijn ten opzichte van planeten die nog een paar zusjes hebben.

De Drake-vergelijking

Drake
Arnout Jaspers

Astronoom Frank Drake presenteerde deze vergelijking in 1961 om enige lijn te brengen in speculaties over N, het aantal intelligente beschavingen in onze Melkweg waar we in principe mee in contact zouden kunnen komen. De zeven factoren rechts van het =-teken zijn:

R* = aantal sterren per jaar dat zich vormt in onze Melkweg fp = fractie van die sterren met planeten ne = gemiddeld aantal aardachtige planeten per ster fl = fractie van die planeten die leven ontwikkelt fi = fractie van die planeten waar zich intelligent leven ontwikkelt fc = fractie van die planeten die communicatietechnologie ontwikkelt die zich over vele lichtjaren kan verspreiden (zoals radio) L = gemiddelde levensduur van zulke communicerende beschavingen in jaren.

In 1961 was nog geen enkele planeet buiten ons zonnestelsel (exoplaneet) ontdekt, inmiddels zijn dat er duizenden. Ook weten we nu veel meer over stervormingsprocessen. Daarom kunnen we een redelijke schatting maken van R*, fp en ne. Van de overige factoren weten we vrijwel niets. Het enige harde gegeven is, dat op minstens één planeet in de Melkweg na 4,5 miljard jaar een bij vlagen intelligente beschaving is ontstaan, die minstens een halve eeuw lang (L=50) aan radiocommunicatie gedaan heeft.

Bron:Quantifying the origins of life on a planetary scale , Caleb Scharf en Leroy Cronin, PNAS, 4 juli 2016

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 08 juli 2016

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.