Voor de meeste soorten leven in het universum kan zuurstof een dodelijk
In eerste instantie zou je kunnen denken dat het leven lijkt op het vertrouwde leven op aarde: gras, bomen, dartelende dieren bij een drinkplaats onder de blauwe lucht en gele zon. Maar dit is de verkeerde gedachtegang. Astronomen die de planeten in de Melkweg censureren, zijn geneigd te geloven dat het grootste deel van het leven in het universum bestaat op werelden rond rode dwergsterren die kleiner maar talrijker zijn dan sterren zoals onze zon. Mede vanwege deze overvloed moeten astronomen ze met grote ijver bestuderen. Neem bijvoorbeeld de rode dwerg TRAPPIST-1, die slechts 40 lichtjaar verwijderd is. In 2017 ontdekten astronomen dat er minstens zeven aardachtige planeten omheen draaien. Veel nieuwe observatoria - geleid door een NASA-ster,met de James Webb Space Telescope - vanaf 2019 en zal in staat zijn om de planeten van het TRAPPIST-1-systeem beter te leren kennen, evenals vele andere planeten in de buurt van rode dwergen die op zoek zijn naar leven.
Ondertussen weet niemand zeker wat je zult aantreffen door een van deze vreemde werelden in je ruimtetijdmachine te bezoeken, maar als de planeet op de aarde lijkt, is de kans groot dat je microben aantreft, en geen aantrekkelijke megafauna. De studie, gepubliceerd op 24 januari in Science Advances, laat zien wat dit merkwaardige feit zou kunnen betekenen voor de zoektocht naar buitenaardse wezens. Een van de auteurs van het werk, David Cutling, een atmosferische chemicus aan de Universiteit van Washington in Seattle, tuurt in de geschiedenis van onze planeet om een nieuw recept te ontwikkelen voor de zoektocht naar eencellig leven op verre werelden in de nabije toekomst.
Het grootste deel van het leven op aarde is tegenwoordig microbieel, en een zorgvuldige lezing van de fossiele en geochemische gegevens van de planeet toont aan dat dit altijd het geval is geweest. Organismen zoals dieren en planten - en de zuurstof die deze planten produceren om dieren in te ademen - zijn relatief nieuwe verschijnselen die de afgelopen half miljard jaar zijn opgekomen. Daarvoor, van de vier miljard jaar geschiedenis van de aarde, bracht onze planeet de eerste twee miljard jaar door in de rol van een 'modderige wereld' onder controle van microben die zich voedden met methaan, waarvoor zuurstof geen levengevend gas was, maar een dodelijk gif. De ontwikkeling van fotosynthetische cyanobacteriën bepaalde het lot van de komende twee miljard jaar, en "methanogene" microben werden naar donkere plaatsen gedreven waar zuurstof niet kon komen - ondergrondse grotten, diepe moerassen en andere sombere gebieden waarin ze nog steeds leven. Cyanobacteriën maakten onze planeet geleidelijk groener, vulden langzaam de atmosfeer met zuurstof en legden de basis voor de moderne wereld. Als je onze planeet al die jaren in je tijdmachine zou bezoeken, dan zou je negen van de tien keer alleen eencellig algenleven aantreffen, en je zou ook het risico lopen te stikken in zuurstofarme lucht.
Dit vormt een uitdaging voor wetenschappers die de James Webb-telescoop (in plaats van een tijdmachine) willen gebruiken om naar andere werelden van het leven te zoeken. Moleculen in de atmosfeer van een planeet kunnen doorgelaten licht van sterren absorberen, wat resulteert in lichtafdrukken die astronomen kunnen detecteren. De overvloed aan zuurstof in de atmosfeer van de planeet is een van de meest voor de hand liggende indicatoren van mogelijk leven, omdat het niet erg gemakkelijk is om het zonder biologie te creëren. Volgens astrobiologen kan dit zeer reactieve gas een ‘biosignatuur’ zijn omdat het in hoge concentraties ‘uit balans raakt’ met de omgeving. Zuurstof valt in de regel uit de lucht in de vorm van roest en andere oxidaties op metalen en blijft niet in een gasvormige toestand, dus als er veel van is, moet iets - misschien fotosynthetiserend leven - het constant aanvullen. Maar als je onze planeet als voorbeeld neemt, geven astrobiologen toe dat zuurstof misschien wel het laatste is dat ze vinden - genetica zegt dat complexe fotosynthese als een proces voor het produceren van zuurstof door cyanobacteriën is uitgevonden als een ongebruikelijke evolutionaire innovatie die slechts één keer in de lange geschiedenis van de aarde werd gevonden. biosfeer. Bijgevolg zal elke jager die op andere planeten leeft, hoogstwaarschijnlijk door de lens van een telescoop kijken naar een zuurstofvrije planeet. Naar welke andere biosignaturen kan zo'n jager zoeken?elke jager voor leven op andere planeten zal door de lens van een telescoop kijken, hoogstwaarschijnlijk een zuurstofvrije planeet. Naar welke andere biosignaturen kan zo'n jager zoeken?elke jager voor leven op andere planeten zal door de lens van een telescoop kijken, hoogstwaarschijnlijk een zuurstofvrije planeet. Naar welke andere biosignaturen kan zo'n jager zoeken?
Momenteel is de beste manier om het antwoord te vinden, terug te gaan naar onze tijdmachine. Alleen deze keer zal het een virtueel computermodel zijn dat zich stort in de ontoegankelijke diepten van het anoxische verleden van de aarde (of de huidige buitenaardse wereld) en de mogelijke chemie van gassen in de atmosfeer en de oceaan onderzoekt die zou kunnen plaatsvinden. Door gegevens van oude gesteenten en andere modellen te gebruiken om de beste aannames over de chemie van het milieu op aarde drie miljard jaar geleden te selecteren, kan een computer duidelijke onevenwichtigheden zien - mogelijke biosignaturen. Dit is in feite wat Cutling deed, in samenwerking met Joshua Chrissansen-Totton en Stephanie Olson van de University of California, Riverside.
Hun "tijdmachine" is een numerieke benadering van een enorme hoeveelheid lucht die gevangen zit in een grote transparante doos met een open oceaan aan de onderkant van de doos; de computer berekent eenvoudig hoe de gassen in de box zullen reageren en zich na verloop van tijd zullen vermengen. Uiteindelijk verbruiken de op elkaar inwerkende gassen alle "vrije energie" in de doos en bereiken ze een evenwicht - wanneer de reactie extra energie van buitenaf vereist, alsof de soda op is. Door een cocktail van uitgeputte gassen te vergelijken met het gerevitaliseerde mengsel dat oorspronkelijk in de doos zat, kunnen wetenschappers precies berekenen hoe en wanneer de atmosfeer in de wereld in evenwicht was. Deze benadering zou het meest voor de hand liggende voorbeeld van atmosferische onbalans die onze planeet heeft, kunnen reproduceren: de aanwezigheid van zuurstof en sporen van methaan. Eenvoudige chemieshowsdat deze gassen lange tijd niet naast elkaar zouden moeten bestaan, maar ze bestaan naast elkaar op aarde, wat duidelijk maakt dat iets op onze planeet ademt en leeft. Maar voor een oude aarde zonder zuurstof zou het model een heel ander gedrag vertonen.
"Ons onderzoek geeft een antwoord" op de vraag hoe zuurstofloos leven kan worden gevonden op een aardachtige planeet, zegt Cutling. Het meeste leven is eenvoudig - net als microben - en de meeste planeten hebben nog niet het stadium van zuurstofrijke atmosferen bereikt. De combinatie van relatief veel kooldioxide en methaan (in afwezigheid van koolmonoxide) is de biosignatuur van zo'n wereld.
Promotie video:
Chrissansen-Totton legt in meer detail uit: “De aanwezigheid van methaan en kooldioxide tegelijkertijd is ongebruikelijk, omdat kooldioxide de meest geoxideerde toestand van koolstof is en methaan (bestaande uit een koolstofatoom gebonden aan vier waterstofatomen) is het tegenovergestelde. Het is erg moeilijk om deze twee extreme vormen van oxidatie tegelijkertijd in de atmosfeer te produceren als er geen leven is. " Een solide planeet met een oceaan en meer dan 0,1% methaan in de atmosfeer moet worden beschouwd als een potentieel bewoonbare planeet, zeggen wetenschappers. En als atmosferisch methaan een niveau van 1% of meer bereikt, dan zal de planeet in dit geval niet "potentieel", maar "hoogstwaarschijnlijk" bewoonbaar zijn.
Jim Casting, een atmosferische chemicus aan de Universiteit van Pennsylvania, zegt dat deze resultaten "op de goede weg" zijn, hoewel "het idee dat methaan een biosignatuur kan zijn in een anoxideatmosfeer relatief oud is".
Bovendien bedachten Cutling en zijn co-auteurs hoe hun methaansignatuur zich moest manifesteren en hoe ze het konden onderscheiden van niet-levende bronnen. Volgens hun model zou methaan in de atmosfeer van een anoxische planeet van het terrestrische type gewoonlijk moeten reageren met kooldioxide, dat nog steeds in de lucht is, zich vermengen met stikstof en waterdamp, en als een zware verbinding naar beneden regenen. Verdere berekeningen lieten zien dat geen abiotische (dat wil zeggen niet-levende) bronnen van methaan op een vaste planeet in staat zullen zijn om genoeg gas te produceren om dit proces te verstoren - of het nu gaat om vulkanische gasverontreiniging, chemische reacties in diepzee-openingen en zelfs asteroïden vallen. Alleen een levende populatie methaanetende bacteriën kan het gas verklaren. Wat nog belangrijker is, zelfs als abiotische bronnen voldoende methaan leveren,ze zullen bijna onvermijdelijk veel koolmonoxide produceren, een gas dat giftig is voor dieren maar geliefd is bij veel microben. Samen kunnen methaan en kooldioxide, in afwezigheid van koolmonoxide, op een vaste planeet met een oceaan worden geïnterpreteerd als een teken van zuurstofonafhankelijk leven.
Dit is goed nieuws voor astronomen. De James Webb-telescoop zal moeite hebben om de aanwezigheid van zuurstof rechtstreeks te detecteren op elke potentieel bewoonbare planeet die hij op zijn missie ziet. Net zoals je ogen zichtbaar licht kunnen onderscheiden, maar geen radio of röntgenstraling kunnen zien, is Webb's visie afgestemd op het infraroodspectrum - een deel van het spectrum dat ideaal is voor het bestuderen van oude sterren en sterrenstelsels, maar niet goed bestand is tegen zuurstofabsorptielijnen, waar ze verspreid en zeldzaam zijn … Sommige wetenschappers vrezen dat de zoektocht naar leven zal moeten worden uitgesteld totdat er andere, meer capabele telescopen beschikbaar zijn. Maar hoewel Webb zuurstof niet gemakkelijk kan zien, kunnen zijn infrarode ogen perfect tekenen van zuurstofvrij leven zien. De telescoop kan gelijktijdig methaan detecteren,kooldioxide en koolmonoxide in de atmosfeer van sommige planeten nabij rode dwergsterren. Bijvoorbeeld in het TRAPPIST-1-systeem.
Toch is het onwaarschijnlijk dat Webb het belangrijkste deel van Cutlings criteria onder de knie zal krijgen - het bepalen van de relatieve hoeveelheid van elk gas - en kan bijvoorbeeld niet begrijpen of vulkanen of schetenmicroben methaan produceren op een bepaalde planeet. Het is onwaarschijnlijk dat Webb op een planeet onder een rode zon een anoxide-biosfeer zal vinden.
Een ander ding is belangrijk. Het leven is belangrijker om te zoeken dan zuurstof.
Ilya Khel
