Je leest:

(Over)leven in puur waterstof kan ook

(Over)leven in puur waterstof kan ook

Exoplaneten met waterstofatmosfeer zijn net zo goed kandidaten voor buitenaards leven

Auteurs: en | 22 mei 2020

Experimenten laten zien dat darmbacteriën en gist gedijen in waterstof, het gas waaruit veel exoplaneet-atmosferen bestaan. Betekent dit dat buitenaards leven op al die planeten aanwezig kan zijn?

Het zijn nog geen drieogige groene buitenaardse wezentjes in de potjes van de vooraanstaande astrofysicus Sara Seager van het Massachusetts Institute of Technology. Maar ze laat met een aantal recente experimenten wel zien dat de darmbacterie E. coli en de gist S. cerevisiae, oftewel bakkersgist, gedijen in waterstof.

Volgens Seager en collega’s toont dit simpele experiment aan dat leven mogelijk is op planeten met sterk verschillende atmosferen. We weten dat het in de aardse atmosfeer van stikstof en zuurstof werkt, maar ook waterstof lijkt leven te kunnen ondersteunen. Net als stikstof en CO2 die ook werden getest. De resultaten van Seager werden deze maand in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Astronomy gepubliceerd.

Waarom zouden ze niet groeien?

Zowel E. coli als bakkersgist behoren tot de meest bestudeerde micro-organismen waarvan de groeicondities op alle mogelijke manieren zijn onderzocht. Dat bijvoorbeeld bakkersgist overleeft en groeit in een atmosfeer van waterstof verrast Jack Pronk dan ook niet. Hij is hoogleraar industriële microbiologie aan de Technische Universiteit Delft. “Het is algemeen bekend dat bakkersgist goed groeit zonder zuurstof, bijvoorbeeld onder een atmosfeer van stikstof of CO2. Ik vind het moeilijk om redenen te bedenken waarom bakkersgist dan niet zou groeien.”

Pronk geeft aan dat hij zelf geen publicaties kent waarin de groei van gist in puur waterstof is onderzocht. “Maar dat is hier eigenlijk ook niet het geval. De gist maakt op het gebruikte kweekmedium [het voedsel, red.] razendsnel CO2 door vergisting van deze suikers.” Die pure waterstofatmosfeer wordt dus al snel aangevuld met CO2. Seager laat in een reactie weten dat de organismen inderdaad gassen produceren die uiteindelijk een klein deel van de ‘atmosfeer’ vormen.

Verder verwachtte Seager al dat (micro)biologen deze resultaten niet opzienbarend of zelfs interessant zouden vinden. ‘Ook de biologen in ons team vonden dat’, schrijft ze. ‘Maar we wilden deze resultaten nu juist aan astronomen presenteren in een vakblad voor hen. Communicatie over dit soort relatief simpele biologische observaties is essentieel als we leven op andere plekken willen vinden. Daarvoor moeten verschillende vakgebieden samenwerken.’

Vermenigvuldigen in waterstof

De ‘aliens’ van Seager zaten in afgesloten flesjes van 150 milliliter die voor een vijfde waren gevuld met een kweekmedium. Via een slangetje werd de atmosfeer in de flesjes aangepast: er waren flesjes met puur waterstof, maar ook met een mengsel van CO2 en stikstof of gewone lucht (ter controle). Deze stoffen raken na verloop van tijd in het medium met de micro-organismen opgelost. De groei van de bacteriën en het gist werd met een optische sensor gevolgd.

E. coli en gist groeien het best in gewone lucht, maar vermenigvuldigen zich ook in puur waterstof. De snelheid waarmee ze zich voortplanten is daarbij wel lager. De bacteriën bereiken de helft van het aantal cellen in het controle-experiment en het aantal gistcellen is honderden keren lager.

De claim van de auteurs dat ze voor het eerst aantonen dat micro-organismen kunnen overleven onder pure waterstof lijkt sterk aangezet. Jack Pronk tovert desgevraagd in een oogwenk een publicatie uit 1966 tevoorschijn, waarin de groei van een bacterie onder waterstof al wordt beschreven. Seager geeft toe dat ze niet naar deze publicatie refereren. Maar, zo schrijft ze: ‘We geven aan dat we voortbouwen op eerder onderzoek naar de groei van bacteriën in omgevingen met hoge concentraties waterstof. We noemen enkele voorbeelden daarvan.’ De onderzoekers schrijven, heel subtiel, dat het vermogen van levende cellen om in dergelijke exotische omstandigheden te overleven niet eerder is onderzocht in de context van onderzoek naar buitenaards leven op exoplaneten.

Grote waterstofatmosferen

Waarom al die aandacht voor waterstof? Seager en collega’s kozen dit gas niet voor niets. Van enkele tientallen van de ruim vierduizend tot nu toe ontdekte exoplaneten hebben we (beperkte) informatie over de atmosfeer. Zo zijn er met telescopen sporen van water of koolstofmonoxide gevonden. Onderzoekers gaan ervan uit dat vrijwel al deze atmosferen voor het grootste deel uit waterstof en helium bestaan. Waterstof is het meest voorkomende element in het universum én waterstofatmosferen zijn erg uitgestrekt waardoor ze makkelijker te detecteren zijn. Wanneer je de aardse stikstof- en zuurstofatmosfeer zou vervangen door waterstof dan zou hij veertien maal ‘groter’ zijn.

Wanneer een exoplaneet precies voor zijn ster langstrekt valt een klein deel van het sterlicht door de eventuele atmosfeer van de planeet. Hoe groter de atmosfeer des te sterker dit effect. Soms is dit licht met een telescoop te onderscheiden van het sterlicht: dit vertelt dan wat over de samenstelling van de atmosfeer. De exoplaneet, zijn atmosfeer én de ster zijn overigens slechts als een enkel puntje zichtbaar.
Impressie van het oppervlak van een van de exoplaneten uit het zogenoemde TRAPPIST-systeem. Een aantal van deze exoplaneten staan in de belangstelling van astronomen in de zoektocht naar sporen van buitenaards leven.

Goed, er is dus bewijs voor exoplaneten met een waterstofatmosfeer. Maar dat zijn zonder uitzondering gasreuzen – zoals Jupiter en Saturnus – zonder vast oppervlak. Wetenschappers vermoeden dat de kans op het ontstaan van leven groter is op een vast oppervlak, dat kan dienen als een aanjager van de benodigde chemische reacties. Wat astronomen dus eigenlijk zoeken is een rotsachtige planeet met een geschikte atmosfeer.

Seager en collega’s beschrijven een paar ontstaansscenario’s voor relatief kleine, rotsachtige planeten met een waterstofatmosfeer. De planeet kan bijvoorbeeld waterstof aantrekken uit de schijf van gas en stof waaruit de planeten ontstaan. Om zo’n atmosfeer over lange tijd vast te houden moet de planeet overigens wel zwaar genoeg zijn, niet te dicht bij de ster staan en het liefst een beschermend magneetveld hebben. Daarnaast kan het waterstof na vorming van de planeet uit de planeet zelf komen, doordat water reageert met ijzer of doordat gesteente eerder ‘opgesloten’ waterstof loslaat.

Ignas Snellen, hoogleraar observationele astrofysica aan de Universiteit Leiden, heeft de scenario’s gelezen en hij vraagt zich af er zo genoeg waterstof is om een vanaf de aarde detecteerbare waterstofatmosfeer te vormen. Bovendien ziet hij beren op de weg wat betreft de omstandigheden op zo’n planeet. “Áls je dan zo’n grote atmosfeer hebt dan is er een ander probleem: een sterk broeikaseffect. De temperatuur en druk zullen erg hoog zijn op het oppervlak”, zegt hij. “Dat maakt leven zoals we dat kennen lastiger.”

Suikers

Meer inzicht in de omstandigheden waaronder leven mogelijk is kan uiteraard helpen bij het zoeken naar signalen die iets zeggen over de mogelijkheden voor leven op een exoplaneet. De vraag is echter of het feit dat je hier op aarde micro-organismen kunt laten overleven onder ‘buitenaardse’ atmosferen ook iets zegt over de kans dat leven onder zo’n atmosfeer kan zijn ontstaan. Bakkersgist en E. coli mogen dan kleine eencelligen zijn, het zijn complexe organismen die zich gedurende de evolutie op aarde hebben ontwikkeld tot robuuste levensvormen. Ze zijn hoe dan ook veel te ingewikkeld om vanuit losse moleculen in één keer, zonder voorafgaande eenvoudigere cellen, te zijn ontstaan.

Bovendien was in deze experimenten voedsel geen probleem, er was genoeg te eten in de vorm van suikers. “Ik vind het een interessante benadering om door detectie van mogelijke stofwisselingsproducten in de atmosferen van exoplaneten te zoeken naar aanwijzingen voor leven”, zegt Jack Pronk, “maar ik betwijfel of kweekjes van huis-tuin-en-keukenmicroben zoals bakkersgist en E. coli op hoge suikerconcentraties daarvoor de beste aardse modelsystemen zijn.”

Uitgelicht door de redactie

Informatica
Waarom privacy zo belangrijk is bij de nieuwe corona-app

Een denktank onderzoekt en brengt inzichten bijeen

Geneeskunde
‘Een wiskundig model is geen toekomstvoorspeller’

Sporen van leven in de atmosfeer

Redeneren de wetenschappers niet te veel vanuit het ‘aardse’ leven? We weten niets over de biologische activiteit op andere planeten, beaamt Snellen. “Over de vorm van buitenaards leven tasten we in het duister. Maar de wetten van de natuurkunde en scheikunde kennen we wél. De basis van de biologie is een opstapeling van complexe chemische reacties. Kijken we naar de eigenschappen van atomen en moleculen dan is koolstof eigenlijk de enige levensvatbare kandidaat hiervoor. Daarom zetten veel onderzoekers in op leven gebaseerd op koolstofchemie.”

Zo’n chemie laat onherroepelijk waarneembare sporen na in de atmosfeer, zoals het experiment van Seager en collega’s ook laat zien. In de flessen vonden de wetenschappers na afloop 45 chemische verbindingen geproduceerd door E. coli en 75 stoffen voor gist, waaronder ammonia, methaan en stikstofoxide.

Kunnen we dan straks zeggen: bingo! Als we dát vinden dan hebben we sporen van leven gevonden? Dit soort zogenoemde biomarkers geven geen garanties. Seager schrijft bijvoorbeeld dat een waterstofatmosfeer puur door chemische processen waarschijnlijk ook veel methaan bevat. En zelfs zuurstof – in de aardse atmosfeer een enorm uithangbord voor de aanwezigheid van leven – kan theoretisch via puur chemische processen in een atmosfeer ophopen, laat Snellen weten. Voor alle mogelijke biosignaturen geldt daarom: begrijp eerst hóe deze stoffen zijn ontstaan. En dat zal lastig zijn om op grote afstand te bepalen.

Toch mogen volgens Seager nu ook de waterstofatmosferen toegevoegd worden aan interessante plekken om te zoeken naar buitenaards leven, en dat maakt de lijst van kandidaten voor leefbare plekken waarschijnlijk een stuk langer.

Bron

  • Seager S. et al., Laboratory studies on the viability of life in H2-dominated exoplanet atmospheres, Nature Astronomy (4 mei 2020), DOI:10.1038/s41550-020-1069-4
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 22 mei 2020

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.