Vóór 1976, toen Viking 1 en 2 het eerste ruimtevaartuig werden dat met succes op het oppervlak van Mars landde en opereerde, verlangde de wereldwijde verbeelding wanhopig naar een rode planeet die het leven herbergde. De Viking-landers zijn ontworpen om op microben te testen, maar de echte hoop, zelfs van de meest vervaagde planetaire wetenschappers, was dat het ruimtevaartuig van NASA het complexe leven op Mars zou ontdekken - iets dat haastig, of misschien een scraggly struik. Mars was tenslotte onze laatste, beste hoop nadat astronomen (en het ruimtevaartuig Mariner 2) voor altijd het idee hadden overwonnen dat dinosauriërs over vochtige venusachtige moerassen stampen. Het was Mars of buste; Mercurius stond gewoon te dicht bij de zon, en men geloofde dat achter de asteroïdengordel een land lag waar geen gasreuzen en bevroren manen leefden.
De verkenning van het zonnestelsel sinds Viking vertegenwoordigt een wereld-voor-wereld greep naar iets - iets - dat het leven zou kunnen suggereren zoals we het kennen (of leven zoals we dat niet doen). Vandaag zijn de oceanen van Jupiter's maan Europa wat de moerassen van Venus en kanalen van Mars waren voor de twintigste eeuw: misschien de beste optie voor het vernietigen van menselijke eenzaamheid. De volgende vlaggenschipmissie van de buitenste planeten, Europa Clipper, zal proberen de bewoonbaarheid van de ijzige maan te bepalen. Een toekomstige lander of zwemmer zal het leven moeten vinden als het daar is. De bewoonbare zone van het zonnestelsel omvat nu mogelijk elke planeet in het zonnestelsel. Enceladus en Titan, die rond Saturnus cirkelen, zijn goede kandidaten, net als Triton rond Neptunus. Net als water kan het leven overal zijn.
En toch hebben we het alleen hier gevonden, waar het wemelt - waar het schijnbaar onverwoestbaar is, ondanks meerdere gebeurtenissen op uitsterveniveau. Een asteroïde botst met de aarde en veegt bijna alles weg? Microben maken een thuis in de scheuren veroorzaakt door het dodelijke botslichaam, en het begint allemaal opnieuw. Op basis van onze steekproef van een enkele wereld, als het leven eenmaal begint, is het heel, heel moeilijk om weg te gaan. En dus blijven we zoeken.
Een mozaïek van Europa, de vierde grootste maan van Jupiter, gemaakt van afbeeldingen gemaakt door het Galileo-ruimtevaartuig in 1995 en 1998. Europa wordt verondersteld een mondiale oceaan onder de oppervlakte te hebben met meer water dan de aarde, waardoor het een van de meest veelbelovende plaatsen in het zonnestelsel is voor astrobiologen om naar leven te zoeken. (NASA / JPL-Caltech / SETI Institute) Het vonken van het leven door levenloosheid - bekend als abiogenese - is een proces dat wetenschappers pas beginnen te begrijpen. Astronomen, biologen, scheikundigen en planetaire wetenschappers werken samen om nauwgezet een puzzel samen te stellen die disciplines en hemellichamen kruist. Bijvoorbeeld, koolstofhoudende chondrieten - enkele van de oudste rotsen in het zonnestelsel - bleken recent pyruvinezuur te herbergen, wat essentieel is voor het metabolisme. Toen chondrieten als meteorieten op deze planeet regenden, hebben ze misschien een levenloze aarde bevrucht. Deze theorie geeft geen antwoord op de allesverslindende vraag: "Waar komen we vandaan?" Maar het vertegenwoordigt nog een nieuwe aanwijzing in de zoektocht naar hoe het allemaal begon.
Abiogenese vereist zelfs geen DNA - of althans geen DNA zoals het in alle bekende levensvormen bestaat. DNA bestaat uit vier nucleotide basen, maar eerder dit jaar creëerden genetici een synthetisch DNA met behulp van acht basen. (Ze noemden het hachimoji-DNA.) Deze vreemde genetische code kan stabiele dubbele helixen vormen. Het kan reproduceren. Het kan zelfs muteren. De wetenschappers hebben geen leven geschapen; ze hebben echter bewezen dat onze levensopvatting op zijn best provinciaal is.
“Earth-Like”
Terwijl werk in laboratoria zal helpen bepalen hoe het leven zou kunnen voortkomen uit levenloze materie, vinden ruimtetelescopen zoals Kepler, die vorig jaar zijn activiteiten beëindigde, en TESS, die vorig jaar werd gelanceerd, nieuwe planeten om te bestuderen. Deze ruimtevaartuigen zoeken naar exoplaneten met behulp van de transitiemethode en detecteren minuscule dalingen in het licht van een ster terwijl een planeet tussen hem en ons passeert. Vijfentwintig jaar geleden was het bestaan van planeten rond andere sterren hypothetisch. Nu zijn exoplaneten net zo echt als die rond onze zon. Alleen Kepler ontdekte ten minste 2.662 exoplaneten. De meesten zijn onherbergzaam voor het leven zoals we dat kennen, hoewel een handvol soms wordt gekenmerkt als 'aardachtig'.
"Als we zeggen: 'We hebben de meest aarde-achtige planeet gevonden, ' bedoelen mensen soms dat de straal goed is, de massa goed en dat het in de bewoonbare zone moet zijn, " zegt John Wenz, auteur van The Lost Planets, het verhaal van vroege jacht op exoplaneten, later dit jaar gepubliceerd door MIT Press. “Maar we weten dat de meeste van die ontdekte exoplaneten zich rond rode dwergsterren bevinden. Hun omgeving is niet gebonden aan een aardse uitstraling, en de kans is groot dat veel van hen geen atmosfeer zullen hebben. "
Het is niet zo dat de aarde de meest speciale planeet in het hele universum is. In ons zonnestelsel zou Venus zich gemakkelijk bij buitenaardse exoplanetjagers registreren als de tweeling van de aarde. Maar planeten zoals de aarde zijn moeilijker te vinden, zowel omdat ze kleiner zijn dan gasreuzen, en omdat ze niet zo dicht bij hun gastheersterren draaien als planeten rond rode dwergen.
"Het kan zijn dat echte aardachtige planeten ongelooflijk veel voorkomen, maar dat we niet de middelen hebben om ons te wijden aan hun zoektocht", zegt Wenz. De meest veelbelovende Earth 2.0-exoplanet die tot nu toe is gevonden, is Kepler-452b, die iets groter is dan de aarde, met een beetje meer massa en een aangename baan van 385 dagen rond een zonachtige ster heeft. Het probleem is dat het misschien niet bestaat, zoals een studie vorig jaar suggereerde. Het kan eenvoudigweg statistische ruis zijn, omdat de detectie ervan binnen de marge van Kepler's mogelijkheden lag en het ruimtevaartuig stierf voordat verdere observaties konden worden uitgevoerd.
Het concept van een kunstenaar van Kepler-186f, een exoplaneet ter grootte van de aarde op ongeveer 500 lichtjaar afstand die rond de bewoonbare zone van zijn ster cirkelt. De planeet is minder dan tien procent groter dan de aarde en de gastster is ongeveer de helft van de grootte en massa van de zon. (NASA Ames / JPL-Caltech / T. Pyle) Zodra het in de vroege 2020s wordt gelanceerd, zal de James Webb Space Telescope zich richten op veel van de exoplaneten die zijn ontdekt door Kepler en TESS. Het zal alleen in staat zijn om de verre werelden tot een pixel of twee op te lossen, maar het zal prangende vragen in de exoplanetwetenschap beantwoorden, zoals of een planeet in een baan rond een rode dwergster zijn atmosfeer kan behouden ondanks de frequente fakkels en uitbarstingen van dergelijke sterren. JWST kan zelfs indirect bewijs leveren van buitenaardse oceanen.
"Je zult geen continenten zien", zegt Wenz. "[Maar] je zou naar iets kunnen kijken en een blauwe stip kunnen zien, of het soort afgas dat je je zou voorstellen van een continue verdampingscyclus."
De Abiogenesis Zone
De Habitable Exoplanet-catalogus bevat momenteel 52 werelden buiten ons zonnestelsel die het leven kunnen ondersteunen, hoewel het nieuws misschien niet zo opwindend is als dat. De juiste afstand tot een ster zijn voor oppervlaktetemperaturen om boven het vriespunt en onder het kookpunt te zweven, is niet de enige vereiste voor leven - en zeker niet de enige vereiste voor leven om te beginnen . Volgens Marcos Jusino-Maldonado, een onderzoeker aan de Universiteit van Puerto Rico in Mayaguez, is de juiste hoeveelheid ultraviolet (UV) licht dat een planeet vanaf zijn gastster raakt, een manier waarop het leven kan oprijzen uit organische moleculen in prebiotische omgevingen (hoewel niet de enige manier).
"Om reacties die abiogenese mogelijk maken, moet een planeet zich in de bewoonbare zone bevinden, omdat er vloeibaar oppervlaktewater nodig is, " zegt Jusino-Maldonado. "Volgens de oersoeptheorie reageren moleculen en zout water en ontstaan uiteindelijk het leven." Maar deze reacties zouden alleen kunnen vonken op een plek die de abiogenese-zone wordt genoemd. "Dit is het kritieke gebied rond de ster waarin precursormoleculen die belangrijk zijn voor het leven kunnen worden geproduceerd door fotochemische reacties."
UV-straling kan de sleutel zijn geweest tot reacties die leiden tot de vorming van bouwstenen van het leven op aarde, zoals nucleotiden, aminozuren, lipiden en uiteindelijk RNA. Onderzoek in 2015 suggereerde dat waterstofcyanide - mogelijk naar de aarde gebracht wanneer koolstof in meteorieten reageerde met stikstof in de atmosfeer - een cruciaal ingrediënt kon zijn in deze reacties aangedreven door UV-licht.
Om de theorie verder te testen, vorig jaar, zoals gerapporteerd in de tijdschriften Science Advances and Chemistry Communications, gebruikten wetenschappers UV-lampen om een mengsel van waterstofsulfide en waterstofcyanide-ionen te bestralen. De resulterende fotochemische reacties werden vervolgens vergeleken met hetzelfde mengsel van chemicaliën in afwezigheid van UV-licht, en de onderzoekers ontdekten dat UV-straling vereist was voor de reacties om de voorlopers van RNA te produceren die noodzakelijk zijn voor het leven.
RNA (ribonucleïnezuur) en DNA (deoxyribonucleïnezuur) zijn nucleïnezuren die, samen met koolhydraten, lipiden en eiwitten, essentieel zijn voor alle bekende vormen van leven. (Sponk / Roland1952 via Wikicommons onder CC BY-SA 3.0) Om UV-fotochemie deze cellulaire bouwstenen te laten produceren, moet de golflengte van UV-licht ongeveer 200 tot 280 nanometer zijn. Jusino-Maldonado zegt dat dit concept in zijn werk werd toegepast op het bewoonbare exoplanetmodel. "Van alle bewoonbare exoplaneten zijn er slechts acht in de bewoonbare zone en de abiogenese-zone."
Hoewel alle acht zich zowel in bewoonbare zones als in abiogenese bevinden, zijn er geen enkele bijzonder gunstig voor het leven, zegt Jusino-Maldonado. Elk van de acht werelden is een 'superaarde' of een 'mini-Neptunus'. De meest waarschijnlijke kandidaten zijn Kepler-452b (als deze bestaat) en misschien τ Cet e (als de straal ervan geschikt is). Er zijn nog geen werelden ter grootte van de aarde ontdekt in zowel de bewoonbare als de abiogenese zones.
Normen instellen
Terwijl de zoektocht naar een echt bewoonbare buitenaardse wereld voortgaat, proberen astrobiologen een kader te creëren om deze planeten te categoriseren, te bespreken en te bestuderen. Grote wetenschappelijke inspanningen om te werken vereisen normen voor definitie en meting. Astrobiologie is relatief een jong vakgebied en een van de dringende, niet-triviale vragen waarmee het wordt geconfronteerd, hoe definieer je bewoonbaarheid? Hoe definieer je het leven?
"Ik werk al tien jaar aan dit probleem", zegt Abel Mendéz, een planetair astrobioloog en directeur van het Planetary Habitability Laboratory aan de Universiteit van Puerto Rico in Arecibo. “Ik wist dat het bewoonbaarheidsprobleem werk nodig had. Iedereen had te maken met hoe het te definiëren. ”Eerder dit jaar, op de 50e jaarlijkse Lunar en Planetary Science Conference in Houston, Texas, presenteerde Mendéz zijn recente werk over een globaal oppervlakte bewoonbaarheidsmodel dat van toepassing is op planeten zowel in ons zonnestelsel als daarbuiten .
Na het doornemen van de literatuur besefte hij dat astrobiologen niet de eerste waren die problemen ondervonden met definitie, categorisatie en uniformiteit met betrekking tot bewoonbaarheid. Veertig jaar geleden hadden ecologen dezelfde uitdaging. "Iedereen definieerde bewoonbaarheid zoals ze dat in verschillende kranten wilden, " zegt Mendéz. In de jaren tachtig kwamen ecologen samen om een formele definitie te maken. Ze hamerden gemiddelden uit om de bewoonbaarheid te meten en ontwikkelden een systeem met een bereik van 0 tot 1, waarbij 0 onbewoonbaar was en 1 zeer bewoonbaar.
Het hebben van een enkelvoudig kader was van cruciaal belang voor de vooruitgang van de ecologie, en het ontbrak heel erg aan astrobiologie, zegt Mendéz. Het bouwen van een bewoonbaarheidsmodel voor hele planeten begon met het identificeren van variabelen die vandaag kunnen worden gemeten. "Zodra je een formeel systeem ontwikkelt, kun je daaruit systemen bouwen en een bibliotheek van bewoonbaarheid voor verschillende contexten maken."
Grafiek van potentieel bewoonbare exoplaneten. (Abel Mendez / Planetary Habitability Lab / UPR-Arecibo) Ten eerste moest Mendéz omgaan met de enige habitatgeschiktheidsmeting van "1" in het bekende universum. "Als je een bewoonbaarheidsmodel voorstelt, moet je de aarde laten werken", zegt hij. Zijn laboratorium gebruikte zijn model om de habitats van verschillende biomen te vergelijken, zoals woestijnen, oceanen, bossen en toendra.
“Als we de bewoonbaarheid van een regio berekenen - zonder rekening te houden met het leven, maar hoeveel massa en energie beschikbaar is voor zelfstandig leven - is dit meer een milieumeting. We correleren dat met een daadwerkelijke meting van biologische productiviteit in een regio: onze grondwaarheid. Dat is onze test. 'Toen zijn groep de leefbaarheid van het milieu en de biologische productiviteit in kaart bracht, vonden ze wat Mendéz omschreef als' mooie correlaties '.
Tegenwoordig houdt Mendéz's model voor bewoonbaarheid rekening met het vermogen van rotsachtige planeten om oppervlaktewater te ondersteunen, de leeftijd en het gedrag van hun sterren, en de orbitale dynamiek en getijdenkrachten die op deze werelden werken. Het model beschouwt de massa en energie binnen een systeem en het percentage van deze massa en energie dat beschikbaar is voor een soort of biosfeer. (Dat percentage is het moeilijkste deel van de vergelijking. Je kunt bijvoorbeeld niet beweren dat 100 procent van de massa van de aarde beschikbaar is voor het leven.)
Beperkt tot de 'dunne laag van een planetair lichaam', koppelt het model de bewoonbaarheid van de aarde op 1, de vroege Mars kleiner dan of gelijk aan 0, 034 en Titan kleiner dan of gelijk aan 0, 000139. Het model is onafhankelijk van het soort leven dat wordt overwogen - dieren versus planten, bijvoorbeeld - en werelden zoals Europa met "ondergrondse biosferen" zijn nog niet verantwoord.
Dergelijk grondwerk is van onschatbare waarde, maar het is nog steeds beperkt in zijn vermogen om bewoonbaarheid te voorspellen, gedeeltelijk omdat het alleen van toepassing is op het leven zoals we het kennen. In 2017 publiceerden Cornell-onderzoekers een paper waarin bewijsmateriaal werd onthuld van het molecuul acrylonitril (vinylcyanide) op Titan, dat, hypothetisch, de sleutel zou kunnen zijn tot het leven op basis van methaan in een zuurstofvrije wereld - echt buitenaards leven, in tegenstelling tot alles wat we ooit hebben gehad bekend. Mocht het leven bloeien op een conventioneel onherbergzame wereld als Titan, en moeten we het vinden, schrijft Mendez in een samenvatting die zijn model beschrijft: 'Een anticorrelatie tussen maten van bewoonbaarheid en biosignatures kan worden geïnterpreteerd als een abiotisch proces of als het leven zoals we dat doen' ik weet het. '
Hoe dan ook, het gebrek tot nu toe aan werelden die naar buiten toe gunstig zijn voor het leven, betekent dat de mensheid haar observatoria moet blijven verbeteren en haar ogen moet richten op verafgelegen rijken. Het is een groot sterrenstelsel, vol met teleurstellingen. We hopen niet langer dat Martianen waterwegen graven of dinosaurussen die naar Venusiaanse bomen naar mos reiken, maar we dromen nog steeds van inktvis die door Europanzeeën zwemt en wie-wat-wat op de loer ligt in de koolwaterstofmeren van Titan. Als deze werelden ook niet slagen, is het aan de exoplaneten - en ze vallen net buiten onze waarnemingscapaciteiten en ver van huis.
