Degenen die vandaag op aarde leven, zijn misschien voorbestemd om het antwoord te vinden op een van de oudste vragen die voor de mensheid van belang zijn: zijn we alleen in het universum?
Zodra een all-terrain robot, die zich vastklemt aan de onderwaterzijde van een ijsschots op een van de meren in Alaska, een signaal ontvangt van NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië, flitst er een zoeklicht op. "Het werkte!" roept ingenieur John Leicty uit, ineengedoken in een tent op het ijs. Waarschijnlijk kan deze gebeurtenis geen grote technologische stap worden genoemd, maar als eerste stap op weg naar het verkennen van een verre satelliet van een andere planeet, is het voldoende.
Meer dan zevenduizend kilometer naar het zuiden, in Mexico, dwaalt geomicrobioloog Penelope Boston tot knieën door het water door de ondoordringbare duisternis van een grot. Net als andere wetenschappers in haar groep trok Boston een krachtig gasmasker aan en sleepte een blik lucht om niet te worden vergiftigd door waterstofsulfide en koolmonoxide, die in de grotten sijpelen, en de ondergrondse stroom die haar laarzen wast, bevat zwavelzuur. Plots verlicht een Boston-zaklantaarn een langwerpige druppel dikke, doorschijnende vloeistof die uit de poreuze kalkstenen muur van de grot sijpelt. "Is het niet prachtig?" Roept ze uit.
Misschien is het in een bevroren poolmeer en een tropische grot gevuld met giftige dampen mogelijk om aanwijzingen te vinden die kunnen helpen bij het beantwoorden van een van de meest hardnekkige en oude vragen op aarde: is er leven op Mars? (Nou ja, of in ieder geval ergens buiten onze planeet?) Het leven van andere werelden, of het nu in ons zonnestelsel is of in de buurt van andere sterren, kan heel goed op de loer liggen onder het ijs dat hele oceanen bedekt, zoals op Europa, de maan van Jupiter, of in strak afgesloten en met gas gevulde grotten, waarvan er waarschijnlijk veel op Mars zijn. Als je levensvormen leert identificeren en identificeren die gedijen onder vergelijkbare omstandigheden op aarde, zal het gemakkelijker zijn om iets soortgelijks daarbuiten te vinden.
Het is moeilijk te zeggen op welk punt de zoektocht naar leven tussen de sterren van sciencefiction naar wetenschap veranderde, maar een van de belangrijkste gebeurtenissen was de bijeenkomst van wetenschappers in november 1961. Het werd georganiseerd door Frank Drake, een jonge radioastronoom die gefascineerd was door het idee om radiogolven van buitenaardse oorsprong te vinden.
"Destijds", herinnert Drake zich, nu 84, "was de zoektocht naar buitenaardse intelligentie [in Search for Extraterrestrial Intelligence - SETI] een soort taboe." Met de steun van de directeur van zijn laboratorium bracht Frank echter verschillende astronomen, scheikundigen, biologen en ingenieurs bij elkaar om de kwesties te bespreken waarmee astrobiologie - de wetenschap van buitenaards leven - tegenwoordig te maken heeft.
Drake wilde dat zijn collega's hem zouden adviseren over hoe slim het zou zijn om veel radiotelescooptijd te besteden aan het luisteren naar radiotransmissies van buitenaardse wezens, en welke manier om buitenaards leven te vinden misschien wel het meest veelbelovend is. Hij was ook geïnteresseerd in hoeveel beschavingen onze melkweg, de Melkweg, kan tellen, en voordat de gasten arriveerden, schreef Frank een vergelijking op het bord.
Promotie video:
Deze nu beroemde Drake-vergelijking bepaalt het aantal beschavingen dat we kunnen detecteren, gebaseerd op de snelheid waarmee sterren in de Melkweg worden gevormd, vermenigvuldigd met de fractie van sterren met planeten, en vervolgens met het gemiddelde aantal planeten met geschikte omstandigheden voor leven in één sterrensysteem (planeten moeten de grootte hebben ongeveer de grootte van de aarde en zich in de bewoonbare zone van haar ster bevinden), vervolgens naar het deel van de planeten waar leven zou kunnen ontstaan, en naar het deel van de planeten waar de geest zou kunnen verschijnen, en, tenslotte, het deel van degenen waar de intelligente levensvormen in staat zijn om te bereiken een dergelijk ontwikkelingsniveau om herkenbare radiosignalen te verzenden, en voor de gemiddelde tijd waarin dergelijke beschavingen ze blijven verzenden of zelfs bestaan.
Als dergelijke samenlevingen de neiging hebben zichzelf te vernietigen in een nucleaire oorlog, slechts een paar decennia na de uitvinding van de radio, dan zal hun aantal waarschijnlijk op een gegeven moment zeer klein zijn.
De vergelijking is geweldig, behalve één inconsistentie. Niemand had zelfs maar een vaag idee van waaraan al deze breuken en getallen gelijk waren, behalve de allereerste variabele, de snelheid waarmee sterren vergelijkbaar met de zon werden gevormd. Al het andere was puur giswerk. Als wetenschappers die op zoek waren naar leven in de ruimte een buitenaards radiosignaal zouden kunnen detecteren, zouden al deze veronderstellingen natuurlijk hun betekenis verliezen. Maar bij gebreke daarvan moesten specialisten in alle variabelen van de Drake-vergelijking hun exacte waarden vinden - om erachter te komen hoe vaak sterren van het zonnetype planeten hebben. Nou, of onthul het geheim van de oorsprong van het leven op aarde …
Een derde van een eeuw ging voorbij voordat zelfs benaderende waarden in de vergelijking konden worden vervangen. In 1995 ontdekten Michel Mayor en Didier Kelo van de Universiteit van Genève de eerste planeet in een ander zonnestelsel van zonneklasse. Deze planeet - 51 Pegasi b, 50 lichtjaar van ons verwijderd, is een enorme gasvormige bal die ongeveer half zo groot is als Jupiter; zijn baan is zo dicht bij de ster dat hij maar vier dagen per jaar duurt en de temperatuur aan de oppervlakte hoger is dan duizend graden Celsius.
Niemand dacht zelfs dat er leven zou kunnen ontstaan in zulke helse omstandigheden. Maar de ontdekking van zelfs maar een enkele exoplaneet was al een groot succes. Begin volgend jaar vond een team onder leiding van Jeffrey Marcy, toen aan de Universiteit van San Francisco en nu aan Berkeley, een tweede exoplaneet, en toen een derde, en de dam barstte. Tegenwoordig kennen astronomen ongeveer tweeduizend van de meest diverse exoplaneten - beide groter dan Jupiter en kleiner dan de aarde; duizenden meer (de meeste werden ontdekt met de ultragevoelige Kepler-ruimtetelescoop) wachten op bevestiging van de ontdekking.
Geen van de verre planeten is een exacte kopie van de aarde, maar wetenschappers twijfelen er niet aan dat dit in de nabije toekomst zal worden gevonden. Op basis van gegevens van verschillende grotere planeten hebben astronomen berekend dat meer dan een vijfde van de sterren van het zonnetype bewoonbare, aardachtige planeten heeft. Er is een statistische waarschijnlijkheid dat de dichtstbijzijnde van hen 12 lichtjaar verwijderd is - naar kosmische maatstaven, in een nabijgelegen straat.
Dit is bemoedigend. In de afgelopen jaren hebben bewoonde wereldjagers zich echter gerealiseerd dat het helemaal niet nodig is om hun zoektocht te beperken tot sterren die op de zon lijken. "Toen ik op school zat", herinnert David Charbonneau zich, een astronoom aan Harvard, "werd ons verteld dat de aarde rond de meest gewone, gemiddelde ster draait. Maar dit is niet zo. " In feite zijn 70 tot 80 procent van de sterren in de Melkweg kleine, relatief koele, zwakke, roodachtige lichamen - rode en bruine dwergen.
Als een aardse planeet op de juiste afstand rond zo'n dwerg zou draaien (dichter bij de ster dan de aarde, om niet te bevriezen), zouden de voorwaarden voor het ontstaan en de ontwikkeling van leven daarop kunnen ontstaan. Bovendien hoeft een planeet niet zo groot te zijn als de aarde om bewoonbaar te zijn. "Als je geïnteresseerd bent in mijn mening", zegt Dimitar Sasselov, een andere astronoom van Harvard, "dan is elke massa tussen één en vijf aardes ideaal." Het lijkt erop dat de verscheidenheid aan bewoonbare stellaire systemen veel rijker is dan Frank Drake en zijn conferentiedeelnemers in 1961 hadden kunnen vermoeden.
En dat is niet alles: het temperatuurverschil en de verscheidenheid aan chemische omgevingen waarin extremofiele organismen (letterlijk "liefhebbers van extreme omstandigheden") kunnen gedijen, blijken ook groter te zijn dan een halve eeuw geleden had kunnen worden gedacht. In de jaren zeventig ontdekten oceanografen, waaronder door de National Geographic Society gesponsorde Robert Ballard, superhete bronnen op de oceaanbodem - zwarte rokers, in de buurt van rijke bacteriegemeenschappen.
Microben die zich voeden met waterstofsulfide en andere chemische verbindingen, dienen op hun beurt als voedsel voor meer complexe organismen. Bovendien hebben wetenschappers levensvormen gevonden die gedijen in geisers op het land, in ijskoude meren verborgen onder een laag Antarctisch ijs van honderden meters dik, in omstandigheden met een hoge zuurgraad, alkaliteit of radioactiviteit, in zoutkristallen en zelfs in microscheuren in de rotsen diep in de ingewanden van de aarde. … "Op onze planeet zijn dit bewoners van nauwe niches", zegt Lisa Kaltenegger, die parttime werkt aan Harvard en het Max Planck Astronomical Institute in Heidelberg, Duitsland. "Het is echter gemakkelijk voor te stellen dat ze op andere planeten kunnen zegevieren."
De enige factor die volgens biologen niet kan bestaan, is vloeibaar water - een krachtig oplosmiddel dat voedingsstoffen aan alle delen van het lichaam kan leveren. Wat ons zonnestelsel betreft, na de expeditie van het interplanetaire station Mariner 9 naar Mars in 1971 weten we dat er eens waterstromen langs het oppervlak van de rode planeet stroomden. Misschien bestond daar ook leven, althans micro-organismen - en het is mogelijk dat een van hen zou kunnen overleven in een vloeibaar medium onder het oppervlak van de planeet.
Op het relatief jonge ijsoppervlak van Europa, de maan van Jupiter, zijn scheuren zichtbaar die aangeven dat de oceaan onder het ijs kabbelt. Op een afstand van ongeveer 800 miljoen kilometer van de zon zou het water moeten bevriezen, maar in Europa, onder invloed van Jupiter en verschillende van zijn andere satellieten, treden voortdurend getijdenverschijnselen op, waardoor warmte vrijkomt en het water onder de ijslaag vloeibaar blijft. In theorie kan daar ook leven bestaan.
In 2005 ontdekte NASA's interplanetaire ruimtesonde Cassini watergeisers op het oppervlak van Enceladus, een andere maan van Jupiter; onderzoek uitgevoerd door Cassini in april van dit jaar bevestigde de aanwezigheid van ondergrondse waterbronnen op deze maan. Wetenschappers weten echter nog niet hoeveel water er verborgen is door de ijskap van Enceladus, noch hoe lang het water in vloeibare toestand blijft om als bakermat van het leven te dienen. Titan, de grootste maan van Saturnus, heeft rivieren en meren, en het regent. Maar dit is geen water, maar vloeibare koolwaterstoffen zoals methaan en ethaan. Misschien is daar leven, maar het is heel moeilijk voor te stellen wat het is.
Mars lijkt veel meer op de aarde en veel dichterbij dan al deze verre satellieten. En van elk nieuw afdalingsvoertuig verwachten we nieuws over de ontdekking van het leven daar. En nu onderzoekt NASA's Curiosity-rover Gale Crater, waar miljarden jaren geleden een enorm meer lag, omstandigheden waarin, te oordelen naar de chemische samenstelling van de sedimenten, gunstig waren voor het bestaan van microben.
Natuurlijk is een grot in Mexico niet Mars, en een meer in Noord-Alaska is niet Europa. Maar het was de zoektocht naar buitenaards leven die NASA-astrobioloog Kevin Hand en leden van zijn team, waaronder John Lakety, naar Lake Sukok in Alaska leidde. En daarvoor klimmen Penelope Boston en haar collega's herhaaldelijk in de giftige grot Cueva de Villa Luz in de buurt van de Mexicaanse stad Tapihulapa.
Astrobioloog Kevin Hand bereidt zich voor om een robot onder het ijs van Lake Sukok in Alaska te lanceren.
En daar en daar testen wetenschappers nieuwe technologieën om leven te vinden in omstandigheden die op zijn minst gedeeltelijk vergelijkbaar zijn met die waarin ruimtesondes zich kunnen bevinden. Ze zoeken in het bijzonder naar "sporen van leven" - geologische of chemische tekens die de aanwezigheid ervan nu of in het verleden aangeven.
Neem bijvoorbeeld een Mexicaanse grot. Orbiters hebben informatie verkregen dat er holtes op Mars zijn. Wat als micro-organismen daar overleefden nadat de planeet ongeveer drie miljard jaar geleden zijn atmosfeer en water aan de oppervlakte had verloren? De bewoners van de Marsgrotten zouden een andere energiebron dan zonlicht moeten vinden - net als de druppel slijm die Boston in verrukking bracht. Wetenschappers noemen deze onaantrekkelijke strepen snotieten naar analogie met stalactieten. [In het Russisch kan deze term klinken als "snotterig". - Ongeveer. vertaler.] Er zijn er duizenden in de grot, van een centimeter tot een halve meter lang, en ze zien er onaantrekkelijk uit. In feite is dit een biofilm - een gemeenschap van microben die een stroperige, stroperige bel vormen.
"De micro-organismen die snotieten maken, zijn chemotrofen", legt Boston uit. "Ze oxideren waterstofsulfide, de enige energiebron die voor hen beschikbaar is, en ze laten dit slijm vrij." Snotieten zijn slechts een van de lokale gemeenschappen van micro-organismen. Boston, een onderzoeker bij het New Mexico Institute of Mining and Technology en het National Caves and Karst Research Institute, zegt: “Er zijn ongeveer een dozijn van dergelijke gemeenschappen in de grot. Elk heeft een zeer onderscheidende uitstraling. Elk is ingebouwd in een ander voedingssysteem. " Een van deze gemeenschappen is vooral interessant: het vormt geen druppels of bellen, maar bedekt de wanden van de grot met patronen van vlekken en lijnen, vergelijkbaar met hiërogliefen.
Astrobiologen noemden deze patronen biovermen, van het woord "vermicule" - een krulversiering. Het blijkt dat dergelijke patronen niet alleen micro-organismen "trekken" die in de gewelven van grotten leven. "Sporen zoals deze verschijnen op een grote verscheidenheid aan plaatsen waar voeding schaars is", zegt Keith Schubert, een ingenieur en specialist in beeldvormingssystemen aan de Baylor University die naar Cueva de Villa Luz reisde om camera's op te zetten voor langdurige bewaking in de grot. … - De wortels van gras en bomen creëren ook biovermen in droge streken; hetzelfde gebeurt wanneer woestijnbodems worden gevormd onder invloed van bacteriële gemeenschappen, evenals korstmossen."
Tegenwoordig zijn de sporen van leven waar astrobiologen naar op zoek zijn voornamelijk gassen, zoals zuurstof, die levende organismen op aarde afgeven. Zuurstofgemeenschappen kunnen echter slechts een van de vele levensvormen zijn. "Voor mij", zegt Penelope Boston, "zijn biovermen interessant omdat, ondanks hun verschillende schaal en aard van manifestatie, deze patronen overal erg op elkaar lijken."
Boston en Schubert geloven dat het verschijnen van biovermen, geconditioneerd door eenvoudige ontwikkelingsregels en de strijd om hulpbronnen, kan dienen als een indicator van het leven dat kenmerkend is voor het hele universum. Bovendien blijven biovermen bestaan, zelfs na de dood van de microbiële gemeenschappen zelf. "Als de rover zoiets vindt in de gewelven van een Marsgrot," zei Schubert, "is het meteen duidelijk waarop hij moet focussen."
Rillende wetenschappers en ingenieurs werken aan het Sukok-meer met een soortgelijk doel. Een van de onderzochte delen van het meer ligt naast een kamp van drie kleine tenten, die ze "NASAville" noemden, de andere - met een enkele tent - ligt ongeveer een kilometer verderop. Omdat de bellen van methaan die op de bodem van het meer vrijkomen het water verstoren, vormen zich polynya's erop en om met een sneeuwscooter van het ene kamp naar het andere te komen, moet je een omweg nemen - anders val je niet lang door het ijs.
Het was dankzij methaan in 2009 dat wetenschappers voor het eerst de aandacht vestigden op Sukok en andere nabijgelegen meren in Alaska. Dit gas wordt vrijgegeven door methaanvormende bacteriën, die organisch materiaal afbreken, en dient dus als een van de tekenen van leven die astrobiologen kunnen detecteren. Methaan komt echter vrij tijdens vulkaanuitbarstingen, die op natuurlijke wijze worden gevormd in de atmosfeer van reuzenplaneten zoals Jupiter, maar ook in de atmosfeer van de maan Titan van Saturnus. Daarom is het belangrijk dat wetenschappers onderscheid maken tussen methaan en biologische bronnen en methaan uit niet-biologische bronnen. Als het onderwerp van onderzoek het met ijs bedekte Europa is, zoals dat van Kevin Hand, dan is Lake Sukok verre van de slechtste plek om je voor te bereiden.
Hand, houder van de National Geographic Grant for Young Explorers, geeft om één reden de voorkeur aan Europa boven Mars. 'Stel,' zegt hij, 'we gaan naar Mars en vinden levende organismen onder het oppervlak, en ze hebben DNA, zoals op aarde. Dit zou kunnen betekenen dat DNA een universeel levensmolecuul is, en dit is zeer waarschijnlijk. Maar het zou ook kunnen betekenen dat het leven op aarde en op Mars een gemeenschappelijke oorsprong heeft."
Het is met zekerheid bekend dat rotsfragmenten die van het oppervlak van Mars zijn geslagen door asteroïde-inslagen de aarde bereikten en vielen in de vorm van meteorieten. Waarschijnlijk hebben fragmenten van terrestrische rotsen Mars bereikt. Als er levende micro-organismen in deze ruimtereizigers zouden zijn die de reis zouden kunnen overleven, zouden ze leven baren op de planeet waar ze "landden". "Als blijkt dat het leven op Mars gebaseerd is op DNA", zegt Hand, "zal het moeilijk voor ons zijn om te bepalen of het leven onafhankelijk van de aarde is ontstaan." Hier bevindt Europa zich veel verder van ons. Als daar leven wordt gevonden, zal het zijn onafhankelijke oorsprong aangeven - zelfs met DNA.
Europa heeft ongetwijfeld voorwaarden voor leven: veel water, en er kunnen hete bronnen op de oceaanbodem zijn die micronutriënten kunnen leveren. Soms vallen kometen op Europa, die organisch materiaal bevatten, dat ook bijdraagt aan de ontwikkeling van leven. Daarom lijkt het idee van een expeditie naar deze maan van Jupiter erg aantrekkelijk.
Onder de gebarsten ijskap van Europa, die we op deze afbeelding van het Galileo-ruimtevaartuig zien, ligt een oceaan waar alle voorwaarden voor leven te vinden zijn.
Helaas werd de lancering van het ruimtevaartuig, dat de Amerikaanse National Research Council op 4,7 miljard dollar schatte, wetenschappelijk gerechtvaardigd, maar te duur geacht. Een team van het Jet Propulsion Laboratory, geleid door Robert Pappalardo, ging terug naar de blauwdrukken en ontwikkelde een nieuw project: de Europa Clipper zou in een baan rond Jupiter draaien in plaats van Europa, dat minder brandstof zou verbruiken en geld zou besparen; tegelijkertijd zal het 45 keer Europa naderen, zodat wetenschappers het oppervlak kunnen zien en de chemische samenstelling van de atmosfeer en indirect de oceaan kunnen bepalen.
Pappalardo zei dat het nieuwe project minder dan $ 2 miljard zal kosten. "Als dit idee wordt goedgekeurd", zegt hij, "zouden we begin of midden 2020 kunnen lanceren." Het Atlas V-lanceervoertuig zal binnen zes jaar Europa helpen bereiken, en als het nieuwe lanceersysteem dat NASA momenteel aan het ontwikkelen is erbij betrokken is, duurt het slechts 2,7 jaar.
In het Jet Propulsion Laboratory van NASA onderzoeken wetenschappers een sonde die lijkt op wat binnenkort het ijs van Jupiters maan Europa kan doordringen.
Waarschijnlijk zal Clipper geen leven op Europa kunnen vinden, maar het zal gegevens verzamelen om de volgende expeditie te rechtvaardigen, al een afdalingsvoertuig, dat ijsmonsters zal nemen en de chemische samenstelling ervan zal bestuderen, zoals de rovers deden. Bovendien identificeert Clipper de beste landingsplaatsen. De volgende stap na de lander - een sonde naar Europa sturen om de oceaan te bestuderen - kan veel moeilijker zijn: alles hangt af van de dikte van de ijslaag. Wetenschappers bieden ook een terugval: om het meer te verkennen, dat zich mogelijk in de buurt van het oppervlak van het ijs bevindt. "Als onze duikboot eindelijk geboren is", zegt Hand, "zal het Homo sapiens zijn vergeleken met de Australopithecus die we in Alaska testen."
Het apparaat, dat zal worden getest op het Sukok-meer, kruipt langs de onderkant van een 30 centimeter lange ijsschots, nestelt zich ertegenaan, en zijn sensoren meten temperatuur, zoutgehalte en zuurgraad en andere waterparameters. Hij is echter niet rechtstreeks op zoek naar levende organismen - dit is de taak van wetenschappers die aan de andere kant van het meer werken. Een daarvan is John Priscu van de Universiteit van Montana, die vorig jaar levende bacteriën ontdekte in Lake Willians, 800 meter onder de ijskap van West-Antarctica. Samen met geobioloog Alison Murray van het Institute for Desert Research in Reno, Nevada, onderzoekt Prisu hoe koud water moet zijn om het leven te ondersteunen, en wie daar woont.
Hoe nuttig de studie van extremofielen ook is om de aard van het leven buiten onze planeet te begrijpen, het levert alleen aardse aanwijzingen op om buitenaardse mysteries te ontrafelen. Binnenkort zullen we echter andere manieren hebben om de ontbrekende variabelen van de Drake-vergelijkingen te vinden: NASA heeft de start van de operatie van de telescoop gepland - TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite, of een satelliet voor het bestuderen van passerende exoplaneten, dat wil zeggen die passeren tegen de achtergrond van de schijf van hun ster) in 2017. TESS zoekt niet alleen naar planeten in de buurt van de sterren die het dichtst bij ons staan, maar identificeert ook sporen van gassen in hun atmosfeer, die de aanwezigheid van leven aangeven. Hoewel de oude man Hubble de ontdekking van wolken op de bovenaarde toestond - GJ 1214b.
De fascinatie voor het zoeken naar sporen van leven en extremofielen impliceert echter dat op alle planeten de moleculen van levende wezens koolstof bevatten en dat water als oplosmiddel dient. Dit is volkomen acceptabel aangezien koolstof en water overvloedig aanwezig zijn in ons melkwegstelsel. Bovendien weten we gewoon niet welke signalen we moeten zoeken voor leven zonder koolstof. "Als we bij onze zoektocht uitgaan van dergelijke uitgangspunten, vinden we misschien helemaal niets", zegt Dimitar Sasselov. "Je moet je tenminste enkele van de mogelijke alternatieven voorstellen en begrijpen waar je nog meer op moet letten bij het bestuderen van de buitenaardse atmosfeer." Stel je bijvoorbeeld voor dat in plaats van de koolstofcyclus die op aarde heerst, de zwavelcyclus …
Onder deze semi-fantastische projecten is het idee waarmee astrobiologie een halve eeuw geleden begon, volledig verloren. Frank Drake, hoewel officieel met pensioen, blijft zoeken naar buitenaardse signalen - een zoektocht die, als hij slaagt, al het andere zal overschaduwen. Ondanks het feit dat de financiering voor SETI bijna is stopgezet, is Drake enthousiast over een nieuw project - op zoek naar lichtflitsen die worden uitgezonden door buitenaardse beschavingen in plaats van radiosignalen. "We moeten alle opties proberen", zegt hij, "aangezien we geen idee hebben wat en hoe buitenaardse wezens het eigenlijk doen."
National Geographic juli 2014