Afbeelding tegoed: NASA
Christopher Chyba is de hoofdonderzoeker van het hoofdteam van het SETI Institute van het NASA Astrobiology Institute. Chyba stond voorheen aan het hoofd van het SETI Institute's Centre for the Study of Life in the Universe. Zijn NAI-team verricht een breed scala aan onderzoeksactiviteiten, waarbij hij zowel kijkt naar het begin van het leven op aarde als naar de mogelijkheid van leven op andere werelden. De hoofdredacteur van Astrobiology Magazine, Henry Bortman, sprak onlangs met Chyba over verschillende projecten van zijn team die de oorsprong en betekenis van zuurstof in de atmosfeer van de aarde zullen onderzoeken.
Astrobiology Magazine: Veel van de projecten waaraan leden van uw team zullen werken, hebben te maken met zuurstof in de atmosfeer van de aarde. Tegenwoordig is zuurstof een belangrijk onderdeel van de lucht die we inademen. Maar op de vroege aarde was er heel weinig zuurstof in de atmosfeer. Er is veel discussie over hoe en wanneer de atmosfeer van de planeet zuurstofrijk werd. Kunt u uitleggen hoe het onderzoek van uw team deze vraag zal aanpakken?
Christopher Chyba: Het gebruikelijke verhaal, waarmee u waarschijnlijk bekend bent, is dat nadat de zuurstoffotosynthese was geëvolueerd, er op de vroege aarde een enorme biologische bron van zuurstof was. Dat is de gebruikelijke opvatting. Het klopt misschien, en wat meestal het geval is bij dit soort argumenten, is niet of een effect goed is of niet. Waarschijnlijk waren veel effecten actief. Het is de vraag wat het dominante effect was, of dat er meerdere effecten van vergelijkbaar belang waren.
SETI Institute-onderzoeker Friedemann Freund heeft een volledig niet-biologische hypothese over de opkomst van zuurstof, die enige experimentele ondersteuning heeft van laboratoriumwerk dat hij heeft gedaan. De hypothese is dat, wanneer gesteenten stollen door magma, ze kleine hoeveelheden water opnemen. Afkoeling en daaropvolgende reacties leiden tot de productie van peroxyverbindingen (bestaande uit zuurstof- en siliciumatomen) en moleculaire waterstof in de rotsen.
Wanneer het stollingsgesteente vervolgens wordt verweerd, produceren de peroxyverbindingen waterstofperoxide, dat uiteenvalt in water en zuurstof. Dus als dit juist is, zal het gewoon doorstaan van stollingsgesteenten een bron van vrije zuurstof in de atmosfeer zijn. En als je kijkt naar enkele van de hoeveelheden zuurstof die Friedemann in goed gecontroleerde situaties in zijn eerste experimenten uit rotsen kan afgeven, kan het zijn dat dit een substantiële en significante bron van zuurstof was op de vroege aarde.
Dus zelfs afgezien van fotosynthese, kan er op elke aardachtige wereld een soort natuurlijke bron van zuurstof zijn met stollingsactiviteit en vloeibaar water. Dit zou kunnen suggereren dat de oxidatie van het oppervlak iets is waarvan je verwacht dat het zich voordoet, of de fotosynthese nu vroeg of laat plaatsvindt. (Natuurlijk hangt de timing hiervan ook af van zuurstofputten.) Ik benadruk dat dit op dit moment allemaal een hypothese is, voor veel zorgvuldiger onderzoek. Friedemann heeft tot nu toe alleen pilootexperimenten gedaan.
Een van de interessante dingen van het idee van Friedemann is dat het suggereert dat er mogelijk een belangrijke zuurstofbron op planeten is die volledig onafhankelijk is van biologische evolutie. Er kan dus een natuurlijke motor zijn voor de oxidatie van het oppervlak van een wereld, met alle gevolgen van dien voor de evolutie. Of misschien niet. Het punt is om het werk te doen en erachter te komen.
Een ander onderdeel van zijn werk, dat Friedemann zal doen met de microbiololoog Lynn Rothschild van NASA Ames Research Center, heeft te maken met de vraag of in omgevingen die verband houden met verweerde stollingsgesteenten en de productie van zuurstof, je micro-omgevingen had kunnen creëren die zou het mogelijk hebben gemaakt dat bepaalde micro-organismen die in die omgevingen leven, vooraf zijn aangepast aan een zuurstofrijke omgeving. Ze zullen met micro-organismen werken om die vraag te beantwoorden.
AM: Emma Banks gaat kijken naar chemische interacties in de atmosfeer van de maan Titan van Saturnus. Hoe houdt dat verband met het begrijpen van zuurstof op vroege aarde?
CC: Emma kijkt naar een andere abiotische manier die belangrijk kan zijn bij het oxideren van een wereldoppervlak. Emma maakt chemische rekenmodellen, helemaal tot op het kwantummechanische niveau. Ze doet ze in een aantal contexten, maar wat relevant is voor dit voorstel heeft te maken met waasvorming.
Op Titan - en mogelijk ook op de vroege aarde, afhankelijk van je model voor de atmosfeer van de vroege aarde - is er een polymerisatie van methaan [de combinatie van methaanmoleculen tot grotere koolwaterstofketenmoleculen] in de bovenste atmosfeer. De atmosfeer van Titan bestaat voor meerdere procenten uit methaan; bijna de rest is moleculaire stikstof. Het wordt bestookt met ultraviolet licht van de zon. Het wordt ook bestookt met geladen deeltjes uit de magnetosfeer van Saturnus. Het effect daarvan op het methaan, CH4, is om het methaan op te breken en te polymeriseren tot koolwaterstoffen met een langere keten.
Als je methaan begint te polymeriseren in langere en langere koolstofketens, moet je elke keer dat je nog een koolstof aan de ketting toevoegt, wat waterstof kwijtraken. Om bijvoorbeeld van CH4 (methaan) naar C2H6, (ethaan) te gaan, moet je twee waterstofatomen kwijtraken. Waterstof is een extreem licht atoom. Zelfs als het H2 maakt, is dat een extreem licht molecuul, en dat molecuul is verloren gegaan aan de bovenkant van de atmosfeer van Titan, net zoals het verloren is gegaan aan de bovenkant van de atmosfeer van de aarde. Als je waterstof van de bovenkant van je atmosfeer afblaast, is het netto-effect het oxideren van het oppervlak. Het is dus een andere manier die je een netto oxidatie van een wereldoppervlak geeft.
Emma is hierin vooral geïnteresseerd in wat er op Titan gebeurt. Maar het is ook potentieel relevant als een soort globaal oxidatiemechanisme voor de vroege aarde. En om stikstof in beeld te brengen, is ze geïnteresseerd in de potentiële productie van aminozuren onder deze omstandigheden.
AM: Een van de mysteries van het vroege leven op aarde is hoe het de schadelijke effecten van ultraviolette (UV) straling heeft overleefd voordat er voldoende zuurstof in de atmosfeer was om een ozonscherm te vormen. Janice Bishop, Nathalie Cabrol en Edmond Grin, die allemaal bij het SETI Institute werken, onderzoeken enkele van deze strategieën.
CC: En daar zijn veel potentiële strategieën. De ene is gewoon diep genoeg onder de oppervlakte, of je het nu over het land of de zee hebt, om volledig afgeschermd te zijn. Een andere is om afgeschermd te worden door mineralen in het water zelf. Janice en Lynn Rothschild werken aan een project dat de rol van ijzeroxide-mineralen in water als een soort UV-afscherming onderzoekt.
Bij gebrek aan zuurstof zou het ijzer in water aanwezig zijn als ijzeroxide. (Als je meer zuurstof hebt, oxideert het ijzer verder; het wordt ferro en valt eruit.) IJzeroxide zou mogelijk de rol van ultraviolet schild in de vroege oceanen, of in vroege vijvers of meren kunnen hebben gespeeld. Om te onderzoeken hoe goed het is als een potentieel UV-schild, zijn er enkele metingen die u misschien wilt doen, waaronder metingen in natuurlijke omgevingen, zoals in Yellowstone. En nogmaals, er is een microbiologische component in het werk, met de betrokkenheid van Lynn.
Dit hangt samen met het project dat Nathalie Cabrol en Edmond Grin vanuit een ander perspectief nastreven. Nathalie en Edmond zijn erg geïnteresseerd in Mars. Ze zitten allebei in het wetenschappelijke team van Mars Exploration Rover. Naast hun werk op Mars verkennen Nathalie en Edmond omgevingen op aarde als analoge locaties van Mars. Een van hun onderzoeksonderwerpen zijn strategieën om te overleven in omgevingen met hoge UV-straling. Op Licancabur (een slapende vulkaan in de Andes) ligt een meer van zes kilometer hoog. We weten nu dat er microscopisch leven is in dat meer. En we willen graag weten wat zijn strategieën zijn om te overleven in de UV-omgeving daar? En dat is een andere, zeer empirische manier om deze vraag te beantwoorden over hoe het leven overleefde in de UV-omgeving die bestond op de vroege aarde.
Deze vier projecten zijn allemaal aan elkaar gekoppeld, omdat ze te maken hebben met de opkomst van zuurstof op de vroege aarde, hoe organismen overleefden voordat er substantiële zuurstof in de atmosfeer was, en hoe dit alles verband houdt met Mars.
Oorspronkelijke bron: Astrobiology Magazine
