Afbeelding tegoed: Woods Hole Oceanographic
Veel dingen moesten goed gaan voordat het leven tot stand kwam. Als je ver teruggaat, begint het allemaal met een Big Bang-universum dat ruimte en tijd voortbrengt. In dat vroege universum weerkaatste het licht, vertraagd in levendigheid, de oerelementen samengevoegd en vervolgens gecondenseerd tot een eerste generatie massieve kweeksterren. Na te zijn opgewarmd tot het idee (door zwaartekrachtcompressie), begon de oermaterie te versmelten in stellaire kernen en een mindere vorm van licht bewoog naar buiten om een jong en mogelijk altijd uitdijend heelal te verwarmen en te verlichten.
Meer tijd en meer ruimte zagen veel van die vroege blauwe sterren imploderen (na een heel kort leven te hebben geleid). Daaropvolgende explosies spuwden enorme hoeveelheden zwaardere - niet-primordiale - atomen de ruimte in. Uit deze rijke kosmische begiftiging ontstonden nieuwe sterren - velen met planetaire bedienden. Omdat dergelijke zonnen van de tweede en derde generatie minder zwaar zijn dan hun voorlopers, verbranden ze langzamer, koeler en veel, veel langer - iets dat essentieel is voor het soort goedaardige, consistente energieniveaus die nodig zijn om organisch leven mogelijk te maken.
Hoewel binnen een paar honderd miljoen jaar na de oerknal kweeksterren ontstonden, nam het leven hier op aarde zijn tijd in beslag. Onze Zon - een derde generatie ster met een bescheiden massa - vormde zo'n negen miljard jaar later. Levensvormen ontwikkelden zich iets meer dan een miljard jaar daarna. Terwijl dit gebeurde, combineerden moleculen zich tot organische verbindingen die - onder geschikte omstandigheden - samenkwamen als aminozuren, eiwitten en cellen. Tijdens dit alles werd de ene laag van complexiteit aan de andere toegevoegd en werden wezens steeds meer waarnemend voor de wereld om hen heen. Uiteindelijk - na meer miljarden jaren - ontwikkelde zich visie. En visie - toegevoegd aan een subjectief bewustzijnsgevoel - maakte het mogelijk voor het universum om naar zichzelf terug te kijken.
Empirisch onderzoek naar de grondbeginselen van het leven laat zien dat een mengsel van goed gekozen elementen (waterstof, koolstof, zuurstof en stikstof) blootgesteld aan niet-ioniserende ultraviolette straling aminozuren vormt. Aminozuren zelf hebben een opmerkelijk vermogen om samen te binden tot eiwitten. En eiwitten hebben een nogal 'proteïnen' vermogen om cellen vorm en gedrag te geven. Het wordt nu heel goed mogelijk geacht dat de allereerste aminozuren vorm hebben gekregen in de ruimte1 - afgeschermd van hardere vormen van straling binnen uitgestrekte wolken bestaande uit oer- en stermateriaal. Om deze reden kan het leven een alomtegenwoordig fenomeen zijn dat eenvoudigweg wacht op slechts bepaalde gunstige omstandigheden om wortel te schieten en uit te groeien tot een grote verscheidenheid aan vormen.
Momenteel geloven exobiologen dat vloeibaar water essentieel is voor de vorming en vermenigvuldiging van organisch leven. Water is een buitengewone stof. Als mild oplosmiddel zorgt water ervoor dat andere moleculen kunnen dissociëren en mengen. Ondertussen is het zeer stabiel en transparant voor zichtbaar licht - iets nuttigs als biotica energie rechtstreeks uit zonlicht moet halen. Ten slotte houdt water de temperatuur goed vast, voert het overtollige warmte af door verdamping en drijft het wanneer het wordt afgekoeld om te stollen als ijs.
Volgens NASA-exobioloog Andrew Pohorille: "Water brengt organische moleculen bij elkaar en maakt organisatie mogelijk in structuren die uiteindelijk cellen werden." Daarbij werkt water in een ongeëvenaarde matrix, waardoor organische moleculen zelforganiserende structuren kunnen vormen. Andrew noemt een eigenschap die uniek is geassocieerd met water die zelforganisatie en groei mogelijk maakt: “Het hydrofobe effect is verantwoordelijk voor het feit dat water en olie niet vermengen, zepen en reinigingsmiddelen" vangen "olieachtig vuil op tijdens het wassen in water en voor een een groot aantal andere fenomenen. Meer in het algemeen is het hydrofobe effect verantwoordelijk voor het scheiden van niet-polaire (olieachtige) moleculen of delen van moleculen uit water, zodat ze aan elkaar kunnen plakken, ook al zijn ze niet gebonden. In de biologie zijn dit precies de interacties die verantwoordelijk zijn voor de vorming van vliezige celwanden en voor het vouwen van eiwitten tot functionele structuren. ”
Om water vloeibaar te maken, moet het in een relatief smal bereik van temperaturen en drukken blijven. Hierdoor hebben slechts een paar paar goed geplaatste planeten - en mogelijk een handvol grote manen de voorkeur met de omstandigheden die nodig zijn om het leven te laten leven. In veel gevallen komt het allemaal neer op een vorm van hemels onroerend goed - locatie, locatie, locatie ...
Het vroege leven op aarde was heel eenvoudig in vorm en gedrag. Hoewel ze cellulair waren, misten ze een centrale kern (prokaryoot) en andere substructuren (organellen). Bij gebrek aan een kern worden dergelijke cellen ongeslachtelijk gereproduceerd. Deze anaëroben leefden voornamelijk door het creëren (anaboliseren) van methaangas uit waterstof en kooldioxide. Ze hielden van warmte - en er was genoeg om rond te gaan!
Het feit dat het leven op aarde is ontwikkeld, hoeft niet zo verrassend te zijn als je zou denken. Het leven wordt nu als veel robuuster beschouwd dan ooit werd gedacht. Zelfs nu stoten hydrothermale ventilatieopeningen diep in de oceaan bijna kokend water uit. Naast dergelijke ventilatieopeningen bloeit het leven - in de vorm van gigantische buiswormen en venusschelpen -. Diep onder het aardoppervlak worden anaërobe bacteriën gevonden die mineralen metaboliseren. Dergelijke omstandigheden werden gedurende het grootste deel van de 20e eeuw onmogelijk geacht. Het leven lijkt zelfs onder de zwaarste omstandigheden te ontstaan.
Naarmate de levensvormen geavanceerder werden op onze wereld, ontwikkelden cellen organellen - sommige door mindere, meer gespecialiseerde cellen in hun structuren op te nemen. De planeet koelde af, de atmosfeer verhelderde en zonlicht speelde op de oceanen. Er ontstonden primitieve bacteriën die gefixeerde energie uit zonlicht als voedsel haalden. Sommigen bleven prokaryoot terwijl anderen een kern (eukaryoot) ontwikkelden. Deze primitieve bacteriën verhoogden het zuurstofgehalte van de atmosfeer van de aarde. Dit alles gebeurde ongeveer 2 miljard jaar geleden en was essentieel om de kwaliteit en kwantiteit van leven te ondersteunen die momenteel "de Blauwe Planeet" bevolken.
Oorspronkelijk bestond de atmosfeer uit minder dan 1% zuurstof - maar naarmate de niveaus toenamen, pasten bacteriënetende levensvormen zich aan om water te synthetiseren uit zuurstof en waterstof. Hierdoor kwam veel meer energie vrij dan het methaanmetabolisme kan. De gecontroleerde synthese van water was een enorme prestatie voor het leven. Overweeg de chemielaboratoriumexperimenten op de middelbare school, waarbij waterstof en zuurstofgas worden gecombineerd, verwarmd en vervolgens ontploft. Primitieve levensvormen moesten leren om op een veel veiligere manier met dit zeer vluchtige spul om te gaan - door fosfor aan het werk te zetten bij de conversie van ADP naar ATP en weer terug.
Later - ongeveer 1 miljard jaar geleden - kregen de eenvoudigste meercellige wezens vorm. Dit gebeurde toen cellen samenkwamen voor het algemeen welzijn. Maar zulke wezens waren eenvoudige kolonies. Elke cel was volledig op zichzelf staand en zorgde voor zijn eigen behoeften. Het enige dat ze nodig hadden, was constante blootstelling aan de warme bouillon van de vroege oceanen om voedingsstoffen te verwerven en afval te elimineren.
De volgende grote stap in de evolutie van het leven2
kwam toen gespecialiseerde celweefseltypen zich ontwikkelden. Spier, zenuw, opperhuid en kraakbeen bevorderden de ontwikkeling van de vele complexe levensvormen die nu onze planeet bevolken - van bloeiende plant tot ontluikende jonge astronoom! Maar dat allereerste georganiseerde wezen was misschien wel een worm (ringworm) die zich door het zeeslijm van zo'n 700 miljoen jaar geleden nestelde. Bij gebrek aan ogen en een centraal zenuwstelsel bezat het alleen het vermogen om aan te raken en te proeven. Maar nu had het leven het vermogen om te differentiëren en te specialiseren. Het wezen zelf werd de oceaan ...
Met de komst van goed georganiseerde wezens versnelde het levensritme:
Tegen 500 MYA evolueerden de eerste gewervelde dieren. Dit waren waarschijnlijk aalachtige wezens die niet in zicht waren, maar gevoelig waren voor chemische - en mogelijk elektrische - veranderingen in hun omgeving.
Tegen 450 MYA sloten de eerste dieren (insecten) zich aan bij wortelplanten op het land.
Zo'n 400 MYA klommen de eerste gewervelde dieren uit de zee. Dit kan een amfibische vis zijn geweest die leefde van insecten en planten langs de kust.
Tegen 350 MYA kwamen de eerste "leguaanachtige" reptielen op de markt. Deze bezaten sterke, harde kaken in een schedel uit één stuk. Naarmate ze groter werden, verlichtten dergelijke reptielen hun schedels door openingen toe te voegen (voorbij eenvoudige oogkassen). Voordat dinosauriërs de aarde domineerden, gingen krokodillen, schildpadden en pterasauriërs (vliegende reptielen) hen voor.
Primitieve zoogdieren gaan bijna 220MY terug. De meeste van deze wezens waren klein en knaagdierachtig. Latere versies ontwikkelden de placenta - maar eerdere soorten kwamen eenvoudig intern uit. Alle zoogdieren zijn natuurlijk warmbloedig en moeten daarom vraatzuchtig eten om de lichaamstemperatuur op peil te houden - vooral tijdens koude, winderige nachten die zwakke sterrenstelsels langs de Eridanusrivier opsporen ...
Net als zoogdieren hebben warmbloedige vogels meer voedsel nodig dan reptielen - maar zoals reptielen - eieren leggen. Geen slecht idee voor een vluchtend wezen! Tegenwoordig vliegen hemelvogels (zoals Cygnus de Zwaan in de late zomer en Aquila de Adelaar) omdat echte vogels zo'n 150 MYA in beslag namen.
De vroegste primaten bestonden zelfs tijdens de uitsterving van de dinosauriërs. Sterk bewijs ondersteunt het idee dat de dinosauriërs zelf als groep voorbijgingen nadat een asteroïde - of komeet - het schiereiland Yucatan in de Verenigde Staten van Mexico had getroffen. Na deze catastrofale gebeurtenis daalden de temperaturen toen een "niet-nucleaire" winter afdaalde. Onder dergelijke omstandigheden was voedsel schaars, maar warmbloedigheid kwam goed tot zijn recht. Het duurde echter niet lang voordat het ene type 'gigantisme' al snel het andere verving - zoogdieren groeiden zelf tot buitengewone afmetingen en de grootste ontwikkelden zich in de baarmoeder van de zee en nemen nu de vorm aan van de grote walvissen.
Het einde van de 'verschrikkelijke hagedissen' was niet de eerste massale uitsterving van het leven - vier eerdere afsterven waren eraan voorafgegaan. Tegenwoordig, zich bewust van het potentieel voor andere dergelijke catastrofale gevolgen, houden sommige van de astronomen van de wereld een oog in het oog op bijna-aarde cirkels van brokstukken die overblijven na de vorming van het zonnestelsel. De kleinste types - meteoren bijvoorbeeld - zetten onschadelijke hemelse lichtshows op. Grotere meteoren (bolides) verspreiden af en toe "vlammen" en slepen "rook" als ze op de aarde neerstorten. Grotere lichamen hebben de natuurlijke verwoesting in kilometerslange bossen doen ontwaken - zonder zelfs maar een spoor van hun eigen 'party crashing'-materiaal achter te laten. Maar grotere indringers hebben zo weinig bescheidenheid. Een asteroïde of komeet met een diameter van één kilometer zou een ramp betekenen voor een bevolkingscentrum. Lichamen die tien keer zo groot zijn, kunnen verantwoordelijk zijn voor enorme sterfgevallen van het type dat het einde van de dinosaurus betekende.
Mensen liepen eerst ongeveer 6MYA rechtop. Dit gebeurde waarschijnlijk omdat het pad uiteenliep tussen proto-chimpansees en vroege mensachtigen. Die divergentie volgde op een periode van tien miljoen jaar van snelle evolutie van primaten en ging op in een cyclus van zes miljoen jaar van menselijke evolutie. De eerste stenen werktuigen zijn ongeveer 2 miljoen jaar geleden met de hand gemaakt. Vuur werd een miljoen jaar later aangewend door een ondernemend lid van de menselijke soort. Technologie kwam heel langzaam op gang - honderdduizenden jaren zijn verstreken zonder enige significante verbetering in de instrumenten die worden gebruikt door de tribale samenlevingen van lang verleden.
Moderne mensen zijn meer dan 200.000 jaar geleden ontstaan. Zo'n 125 duizend jaar later vond er een gebeurtenis plaats die mogelijk de hele menselijke populatie van planeet Aarde tot minder dan 10.000 individuen heeft teruggebracht. Die gebeurtenis was niet buitenaards van aard - de aarde zelf brak waarschijnlijk “vuur en zwavel” uit tijdens de uitbarsting van een met gas gevulde magmakamer (vergelijkbaar met die onder het Yellowstone National Park in het westen van de VS). Nog eens 65.000 jaar gingen voorbij en het steentijdperk maakte plaats voor het landbouwtijdperk. 5000 jaar geleden kwamen de eerste stadstaten samen in vruchtbare valleien, omringd door veel minder gastvrije klimaten. Hele beschavingen zijn gekomen en verdwenen. Elk geeft een fakkel van cultuur en langzaam evoluerende technologie door aan de volgende. Tegenwoordig is het nog maar een paar korte eeuwen geleden sinds de eerste menselijke handgevormde glazen lenzen en het menselijk oog gericht op de dingen van de nachtelijke hemel.
Tegenwoordig stellen enorme spiegels en ruimtesondes ons in staat om de uitgestrekte uithoeken van het universum te bekijken. We zien een kosmos dynamisch en misschien wel opwindend met een leven dat overvloediger is dan iemand zich ooit zou kunnen voorstellen. Net als licht en materie kan het leven heel goed een fundamentele kwaliteit zijn van het ruimte-tijd continuüm. Het leven kan zo universeel zijn als zwaartekracht - en zo persoonlijk als een avond alleen met een telescoop onder de nachtelijke hemel ...
1 In feite is de radiofrequente spectrografische vingerafdruk van ten minste één aminozuur (glycine) gevonden in enorme stof- en gaswolken in het interstellaire medium (ISM). (Zie Aminozuur in de verre ruimte).
2 Dat het leven zich ontwikkelt van minder verfijnde naar meer verfijnde vormen, is een vraag die buiten de wetenschappelijke discussie staat. Hoe dit proces precies verloopt, is een kwestie van diepe verdeeldheid in de menselijke samenleving. Astronomen hoeven - in tegenstelling tot biologen - geen specifieke theorie over deze kwestie te hebben. Of toevallige mutatie en natuurlijke selectie het proces aandrijven of dat er een ongeziene "hand" bestaat om dergelijke dingen te bewerkstelligen, valt buiten het domein van astronomisch onderzoek. Astronomen zijn geïnteresseerd in structuren, omstandigheden en processen in het universum als geheel. Naarmate het leven die discussie meer in het oog springt, zal astronomie - met name exobiologie - meer over de zaak te zeggen hebben. Maar juist het feit dat astronomen de natuur kunnen laten spreken over zaken als een plotselinge en onmiddellijke 'creatie ex nihilo' in de vorm van een oerknal, laat zien hoe flexibel astronomisch denken is met betrekking tot de uiteindelijke oorsprong.
Erkenning: Mijn dank gaat uit naar de exobioloog
Andrew Pohorille van NASA die me heeft geïnformeerd over de grote betekenis van het hydrofobe effect op de vorming van zelforganiserende structuren. Zie voor meer informatie over exobiologie NASA's Exobiology Life Through Space and Time officiële website waarmee ik het geluk had contact op te nemen met Andrew.
Over de auteur:
Geïnspireerd door het meesterwerk van begin 1900: 'De lucht door drie-, vier- en vijf-inch-telescopen', kreeg Jeff Barbour op zevenjarige leeftijd een start in de astronomie en de ruimtevaartwetenschap. Momenteel besteedt Jeff veel van zijn tijd aan het observeren van de hemel en het onderhouden van de website
Astro.Geekjoy.
