Je leest:

Leven uit de ruimte

Leven uit de ruimte

Auteur: | 1 januari 1999

Is leven een exclusief kenmerk van onze planeet? Is het alleen op Aarde ontstaan, of is biogenese, het ontstaan van leven uit dode materie, een universeel proces? Deze vragen hebben mensen van oudsher beziggehouden, maar zijn in het ruimtevaarttijdperk bijzonder actueel geworden. De speurtocht naar mogelijk leven op Mars en enkele andere hemellichamen staat nu hoog op de agenda van het ruimteonderzoek.

Het verschijnsel leven is te beschrijven, maar niet te definiëren. De levende materie onderscheidt zich van de dode materie als een organisatievorm van moleculen die zijn omgeving niet passief hoeft te ondergaan. Levende materie bezit het vermogen om mengsels van voornamelijk koolstof, waterstof, stikstof en zuurstof, die onder normale omstandigheden inactief zijn, tot complexe verbindingen te doen reageren, en om zichzelf te kopiëren. Levende organismen zijn dynamische, door een membraan begrensde systemen die continu materie en energie met hun omgeving uitwisselen. In de begrippen van de thermodynamica zijn het ‘eilanden van ordening in een oceaan van chaos’, die in staat zijn om hun ordening te vergroten door opname van energie uit hun omgeving.

Hoe het leven is ontstaan, is nog steeds een onopgelost vraagstuk. De biochemie leert dat alle leven, van bacteriën tot en met de hoogst ontwikkelde planten en dieren, steeds gebruikmaakt van dezelfde structuren, dezelfde moleculen en dezelfde chemische reacties, ongeacht de leefomgeving en de aanpassingen daaraan. Volgens het conventionele scenario kwam het eerste leven voort uit een keten van spontane chemische reacties in een omgeving met vloeibaar water onder toevoer van energie: zonnestraling en/of vulkanische warmte. Hierbij ontstonden steeds complexere moleculen. Tegenwoordig begint de mening post te vatten dat deze chemische evolutie zich grotendeels buiten de Aarde kan hebben voltrokken.

In de interstellaire ruimte, in kometen, in sommige meteorieten en op een aantal planetoïden en manen wemelt het immers van allerlei organische verbindingen (‘organisch’ in chemische zin, niet noodzakelijkerwijs van biologische herkomst). Daarvan komt een aantal overeen met de chemische bouwstenen van het leven. Een mogelijk begin van de chemische evolutie kan bijvoorbeeld liggen in de vorming van waterstofcyanide (HCN), dat onder toevoer van energie gemakkelijk ontstaat uit methaan (CH4) en ammoniak (NH3). Alle drie de verbindingen zijn wijdverbreid in het heelal. Met water en ammoniak vormt waterstofcyanide aminozuren – bouwstenen van eiwitten – en atoomringen van koolstof, stikstof en waterstof – bouwstenen van DNA en RNA.

Archea zijn onder te verdelen in twee groepen; de methaanbacteriën en de extreme halofielen aan de ene kant, de thermofiele zwavelbacteriën aan de andere. De methaanbacterie Methanosacrina barkeri vormt vlokjes van kleine cellen die voorkomen in het zwarte slib van afvalwaterzuiveringsinstallaties.

Biogenese

De heersende opvatting is dat de biochemische verwantschap en de opvolging van fossielen door de geologische tijd erop wijzen dat alle organismen afstammen van één populatie oercellen. Die verscheen omstreeks vier miljard jaar geleden op Aarde. De oudste sedimentgesteenten laten zien dat het oceaanwater al 3,8 miljard jaar geleden vol microbieel leven was. De eerste levensvormen verschilden waarschijnlijk niet veel van sommige hedendaagse archaea die leven in hete, zuurstofloze milieus. Archaea zijn, evenals de eubacteriën, prokaryoten: eencellige organismen zonder celkern en chromosomen. Zij onderscheiden zich echter door een fundamenteel andere opbouw van hun celmembraan. Dat maakt hen bestand tegen zeer hoge temperaturen. Tot omstreeks twee miljard jaar geleden bleven archaea en eubacteriën de enige levensvormen en nog maken zij de essentie van de aardse biosfeer uit. De opvatting wint veld dat biogenese een proces is dat overal in het heelal optreedt waar de fysische omstandigheden dit mogelijk maken. In dat geval kan leven niet een uniek, tot de Aarde beperkt verschijnsel zijn. Dergelijke overwegingen hebben de laatste jaren de mogelijkheid van buitenaards leven opnieuw op de wetenschappelijke agenda gezet, nadat het in het begin van het ruimtevaarttijdperk geloofwaardigheid verloor door waarnemingen met behulp van ruimtesondes.

Venus

Voor Venus staat deze negatieve conclusie nog steeds overeind. Van deze planeet achtte men het tot ver in de 20e eeuw mogelijk dat er min of meer ‘aardse’ condities zouden heersen: een wereld van dampende oerwouden en zompige moerassen bevolkt door allerlei levensvormen en misschien zelfs civilisaties. Venus blijkt echter een hels oord te zijn: gortdroog, met een permanent dik wolkendek bestaande uit zwavelstof en druppeltjes zwavelzuur, en een oppervlak dat zindert onder een temperatuur van bijna 500°C en de verstikkende druk van een koolstofdioxide-atmosfeer die 90 maal zo dicht is als de aardse dampkring. Onder dergelijke helse condities is leven onbestaanbaar.

Mars

Ook Mars is uiterst onherbergzaam. De ruimtesondes laten een levenloze wereld zien: een enorme woestijn onder een ijle koolstofdioxidedampkring waar de temperatuur overal onder het vriespunt ligt. De luchtdichtheid bedraagt slechts 0,7 procent van die op Aarde. Het oppervlak staat continu bloot aan dodelijke ultraviolette straling van de zon door het ontbreken van een beschermende ozonlaag. Kosmische straling en zonnewind teisteren de planeet door de afwezigheid van een magnetosfeer. Er is water, maar uitsluitend als ijs en damp. Toch hebben laboratoriumexperimenten aangetoond dat sommige aardse archaea, de genera Pseudomonas en Aerobacter, de martiaanse condities zouden kunnen overleven en er zich zelfs vermenigvuldigen.

Black smokers zijn hete bronnen op de bodem van de oceaan. Micro-organismen kunnen overleven in de extreme omstandigheden die heersen in een black smoker.

De archaea die het op Mars zouden kunnen uithouden, maar (nog) nooit zijn aangetoond, zijn extremofielen, organismen die gedijen in milieus waar iedere vorm van leven onmogelijk lijkt. Op Aarde zijn dat bijvoorbeeld kokend water van geisers, ‘black smokers’ op de oceaanbodem, zwavelhoudende heetwaterbronnen, water verzadigd aan zout of soda, radioactief koelwater van kernreactoren, ijs in de permanente diepvries van Antarctica, en gesteenten diep onder het oppervlak. De biosfeer in dergelijke extreme omgevingen bestaat in hoofdzaak uit micro-organismen: diverse soorten archaea, bacteria en soms protozoa, een iets meer ontwikkelde levensvorm. Zij staan tegenwoordig in het middelpunt van de belangstelling bij de speurtocht naar leven buiten de Aarde.

De archea Pyrodictium abyssi, alias het vuurnetwerk van de diepe zee, leeft in zuurstofloze milieus met temperaturen tot 100°C. De cellen zijn verbonden in een netwerk van holle eiwitbuisjes (cannulea). Deze bacterie komt voor in black smokers.

Voorouders

Vooral de intra-terrestrische biosfeer krijgt daarbij de aandacht. Van deze ondergrondse microbiële ecosystemen werd tot enkele jaren geleden zelfs het bestaan niet vermoed. Zo is er bijvoorbeeld leven aangetroffen in 2,5 miljard jaar oude sedimenten in een Zuid-Afrikaanse goudmijn, 3,5 km onder het oppervlak, waar een temperatuur heerst van 65°C onder een druk van 400 bar. De maximale diepte waarop leven mogelijk is, hangt af van de temperatuurstijging per honderd meter: bij een temperatuur van omstreeks 130°C vallen biomoleculen die essentieel zijn voor alle levensvormen, zoals de energiedrager ATP (adenosine trifosfaat), uit elkaar en is ook microbieel leven onmogelijk.

De verre voorouders van de intra-terrestrische levensvormen moeten op of nabij het oppervlak hebben geleefd. Zij raakten van de ‘bovenwereld’ geïsoleerd toen geologische processen hun leefomgeving steeds dieper deden wegzinken. De organismen in diepe sedimentgesteenten ontlenen hun energie meestal aan organisch materiaal dat resteert uit de tijd van de sedimentatie – zij zijn dus in feite nog steeds afhankelijk van de ‘bovenwereld’, zij het de biosfeer en dus het zonlicht van miljoenen of miljarden jaren geleden. Als de organische resten zijn verbruikt, zijn zij gedoemd te verdwijnen.

In graniet en basalt diep in de korst functioneren de meeste microbiële ecosystemen daarentegen dankzij de energie die vrijkomt bij allerlei chemische reacties. Zo zijn er bijvoorbeeld archaea die leven van de reductie van koolstofdioxide (CO2) door waterstof (H2), beide bestanddelen van het gesteente. Het methaan (CH4) dat bij deze reactie vrijkomt is volgens sommigen een potentiële bron van aardgas. Dit leven is onafhankelijk van de ‘bovenwereld’ en zonne-energie, en kan blijven functioneren zolang de omgevingstemperatuur het toestaat.

Als dergelijke ecosystemen op Aarde gedijen, waarom dan niet op Mars? Hoewel het martiaanse oppervlak nu levenloos is, wijst geologisch onderzoek erop dat de planeet tot zo’n 4 à 3 miljard jaar geleden een warmer klimaat en dichtere CO2-dampkring had, met rivieren die regenwater afvoerden naar meren, zeeën en misschien oceanen. De condities waren toen ongeveer dezelfde als tezelfdertijd op Aarde. Het is dus mogelijk dat in die begintijd, toen er min of meer ‘aardse’ condities heersten, op Mars eveneens een (embryonale) biosfeer van micro-organismen bestond. Dit leven kan ondergronds zijn gegaan toen de martiaanse condities verslechterden.

Leven ruist door ruimte

Ook de Jupitermanen Europa en Ganymedes en de Saturnusmaan Titan staan in de belangstelling als werelden waar misschien microbieel leven zou kunnen gedijen. Beide Jupitermanen zijn gehuld in een kilometers dik ijsdek, waaronder een diepe oceaan lijkt te liggen die vloeibaar blijft door inwendige getijdenwarmte, opgewekt door de reusachtige massa van Jupiter. De opnamen die de Galileo-sonde in 1997 van Europa maakte, suggereren dat organische verbindingen de scheuren in het ijsdek kleuren. Deze verbindingen zouden met opwellend water naar boven zijn gekomen. Op Titan lijken eveneens alle chemische ingrediënten van het leven aanwezig te zijn. De Saturnusmaan heeft een ijsdek dat misschien in de diepte, plaatselijk, vloeibaar is. De dichte dampkring van stikstof en methaan is rijk aan organische verbindingen.

Als op Mars, Europa, Ganymedes of Titan inderdaad microbieel leven wordt aangetroffen, dan zal de vraag zijn of dit ter plaatse is ontstaan. Is het denkbaar dat micro-organismen meereizen met meteorieten die door zware inslagen uit hemellichamen zijn losgeslagen, en levend andere hemellichamen bereiken? Lange tijd werd dit onmogelijk geacht. Bij een zware inslag komt immers zoveel energie vrij, dat eventueel aanwezige organismen de klap niet overleven. Recent onderzoek heeft echter aangetoond dat overleven in de directe nabijheid van de inslagplaats mogelijk is. Hier vandaan kunnen brokken gesteente mét de eventueel daarin aanwezige micro-organismen de ruimte in worden geslingerd.

Verstekeling

Het is dus mogelijk dat organismen levend de interplanetaire ruimte bereiken. De meeste zullen daar een langdurig verblijf in vacuüm en de blootstelling aan UV-straling van de Zon, zonnewind en kosmische straling niet overleven. Toch bleken bacteriën die in 1967 als verstekeling met de onbemande Surveyor-3-sonde meeliftten na een verblijf van enkele jaren op het onbeschermde maanoppervlak, met temperatuursverschillen van meer dan tweehonderd graden, nog springlevend te zijn. Ook hebben experimenten aangetoond dat sommige archaea en eubacteriën een verbazingwekkende weerstand tegen UV en hoge doses radioactieve straling hebben. Bovendien zouden micro-organismen binnen in een brok steen tegen straling zijn beschermd en zo naar andere hemellichamen kunnen worden getransporteerd, bijvoorbeeld in de vorm van sporen, of als ‘slapende’ cellen, in ingekapselde vorm. Als er een substantiële dampkring is, zal een inslaande, niet te grote meteoriet worden afgeremd en een zachte landing maken, in tegenstelling tot een zeer grote massa, die ongeremd door de dampkring schiet en op de grond explodeert. Het is denkbaar dat zo ‘bevruchting’ met leven van buiten tot stand komt.

Radioactief

De nobelprijswinnaar voor chemie Svante Arrhenius (1859-1927) wees er in 1901 op dat sommige organismen eigenschappen bezitten die niet door natuurlijke selectie in een aardse omgeving kunnen zijn verworven. Als voorbeeld voerde hij plantenzaden aan die geruime tijd blootstaan aan temperaturen dichtbij het absolute nulpunt, de temperatuur in de interplanetaire ruimte, en toch hun kiemkracht behouden.

Marsfossielen

Een meteoriet bestaande uit 4,5 miljard jaar oude martiaanse lava bracht in 1996 wereldwijd commotie teweeg, omdat sommige onderzoekers hierin sporen van biologische activiteit meenden de herkennen. De barstjes in het gesteente bevatten korreltjes calciumcarbonaat die uit vloeibaar water zijn neergeslagen. Op Aarde zijn dergelijke korreltjes meestal, maar niet altijd, het product van biologische activiteit. Daarbij valt de koolstofisotopensamenstelling (isotopen zijn atomen met gelijke kernlading maar verschillende massa door een verschil in het aantal neutronen in hun kern) van de korreltjes binnen het bereik dat op Aarde wordt aangetroffen in biologisch materiaal, maar dat ook wel eens voorkomt in materiaal van niet-biogene oorsprong. De korreltjes zijn omringd door snoertjes van minuscule deeltjes van het ijzermineraal magnetiet, zoals die op Aarde te vinden zijn in sommige bacteriën die zich op het aardmagnetisch veld oriënteren. De korreltjes bevatten ook complexe organische verbindingen die op Aarde onder andere in aardolie voorkomen. Aardolie is inderdaad ontstaan uit de resten van voornamelijk eencellige organismen, maar de betreffende verbindingen komen ook voor in kosmisch stof en in meteorieten die zeker niet van Mars afkomstig zijn.

Bovendien is het niet uitgesloten dat de verbindingen aardse verontreinigingen zijn. Tenslotte bevatten de carbonaatkorreltjes kleine bol- tot staafvormige structuurtjes in de orde van 0,000.01 millimeter. Die doen denken aan de vormen van nanobacteriën, maar inmiddels is aangetoond dat zij op Aarde ook op niet-biologische wijze kunnen ontstaan. Alle martiaanse levenssporen zijn dus ook niet-biologisch te verklaren. Dat deze veelbesproken meteoriet de boodschapper is van vroeger leven op Mars, wordt steeds onwaarschijnlijker.

De vondst van microbieel leven op andere hemellichamen zou betekenen dat leven een algemeen verschijnsel is in de materiële werkelijkheid van ons Zonnestelsel en wellicht in het Heelal. De huidige fysische kosmologie moet dan verbreden tot een _bio_fysische kosmologie. De intrigerende wereldbeschouwelijke consequenties hiervan zijn te vergelijken met die van de opkomst van het copernicaanse wereldbeeld in de 16e eeuw en de darwiniaanse revolutie in de 19e eeuw.

Panspermia

Het geologisch archief van onze planeet begint 3,8 miljard jaar geleden, toen de oudste bewaard gebleven sedimenten werden afgezet aan de kop van de Godthåbsfjord in West-Groenland. Deze laten zien dat er toen al oceanen waren, waarin zich de normale sedimentatieprocessen afspeelden. Wél zijn er aanwijzingen dat het oceaanwater warmer was dan nu. De koolstofisotopensamenstelling in de sedimenten wijst er op dat het oceaanwater al vol microbieel leven zat. Overtuigende fossielen zijn echter (nog) niet gevonden. Die worden voor het eerst aangetroffen in 3,5 miljard jaar oude sedimenten.

Het ontstaan van leven moet zich dus in de voorafgaande periode hebben voltrokken. Lange tijd werd verondersteld dat de biogenese zich heeft voltrokken in de CH4-NH3-dampkring die de Aarde in haar vroegste jeugd omhulde. Tegenwoordig menen geologen echter dat deze dampkring slechts zeer kort heeft bestaan: hooguit vijf miljoen jaar. Toen kreeg de Aarde de CO2-N2-dampkring die zich tot twee miljard jaar geleden heeft gehandhaafd. Onder een dergelijke dampkring verloopt de niet-biologische synthese van ‘organische’ moleculen uiterst moeilijk. Dat zou betekenen dat de chemische evolutie die tot het ontstaan van leven leidde, zich in de zeer korte beginfase van de Aarde heeft voltrokken. Dit lijkt onwaarschijnlijk. Er is dan ook een hernieuwde belangstelling voor de Panspermiatheorie die in 1901 werd voorgesteld door Svante Arrhenius. Deze theorie stelt dat het leven zijn oorsprong buiten de Aarde vindt. Uiteraard is dit nog speculatie, maar de laatste decennia is wél bewezen dat interplanetair stof, kometen en sommige meteorieten wemelen van complexe koolstofhoudende verbindingen die hun oorsprong vinden in reacties tussen ionen en moleculen in donkere interstellaire stofwolken. Dit zou pleiten voor een gemodificeerde Panspermiatheorie: niet het leven, maar de chemische bouwstenen van het leven zijn van buitenaardse oorsprong en kunnen overal waar de fysische omstandigheden dit toestaan, leiden tot de ontwikkeling van leven.

Meteorieten

Meteorieten, interplanetair puin dat binnen de aantrekkingskracht van de Aarde is gekomen, waren tot voor kort het enige buitenaardse materiaal dat voor direct onderzoek toegankelijk was. Tot op heden zijn er ruim 20.000 meteorieten verzameld, waarvan omstreeks 17.000 de laatste drie decennia in Antarctica. Ze leveren een schat aan informatie over de geboorte van ons zonnestelsel 4,57 miljard jaar geleden, over de fysische condities en processen in de interplanetaire ruimte en over de hemellichamen waarvan de gesteenten afkomstig zijn.

De meeste meteorieten zijn chondrieten, steenmeteorieten afkomstig van kleinere lichamen die inwendig nooit zo opwarmden dat zij smolten en differentieerden. Ze benaderen in hun samenstelling het meest die van de Zon en worden gezien als representatief voor de eerste samenklonteringsproducten tijdens de geboorte van ons Zonnestelsel. Al deze meteorieten hebben dezelfde vormingsouderdom, 4,57 miljard jaar. Een aparte groep vormen de Marsmeteorieten, basaltische gesteenten met een jongere vormingsouderdom. Zij bevatten gasinsluitseltjes waarvan de chemische en isotopensamenstelling overeenkomen met die van de dampkring op Mars. De oudste Marsmeteoriet, een orthopyroxeniet met een ouderdom van 4,5 miljard jaar, is een steentje met een gewicht van 1,9 kilogram dat in 1984 op het ijs van Antarctica is gevonden. Sommige onderzoekers menen hierin sporen van vroeger leven te herkennen.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 januari 1999

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.