In de film "Avatar" konden we in één oogopslag zien dat de buitenaardse maan Pandora wemelde van buitenaards leven. In één gram grond zitten 50 miljoen bacteriële organismen en de wereldwijde bacteriële biomassa overtreft die van alle planten en dieren. Microben kunnen groeien in extreme omgevingen van temperatuur, zoutgehalte, zuurgraad, straling en druk. De meest waarschijnlijke vorm waarin we elders in ons zonnestelsel leven zullen tegenkomen, is microbieel.
Astrobiologen hebben strategieën nodig om de aanwezigheid van buitenaards microbieel leven of de verstarde overblijfselen ervan af te leiden. Ze hebben strategieën nodig om de aanwezigheid van buitenaards leven af te leiden op de verre planeten van andere sterren, die te ver weg zijn om in de nabije toekomst met ruimtevaartuigen te verkennen. Om deze dingen te doen, verlangen ze naar een definitie van leven, die het mogelijk zou maken om het leven betrouwbaar van niet-leven te onderscheiden.
Helaas, zoals we zagen in de eerste aflevering van deze serie, hebben filosofen en wetenschappers, ondanks een enorme groei in onze kennis van levende wezens, zo'n definitie niet kunnen produceren. Astrobiologen kunnen zo goed mogelijk overweg met definities die gedeeltelijk zijn en uitzonderingen hebben. Hun zoektocht is afgestemd op de kenmerken van het leven op aarde, het enige leven dat we momenteel kennen.
In de eerste aflevering zagen we hoe de samenstelling van het aardse leven de zoektocht naar buitenaards leven beïnvloedt. Astrobiologen zoeken naar omgevingen die ooit vloeibaar water bevatten of nu bevatten en die complexe moleculen op basis van koolstof bevatten. Veel wetenschappers zien echter dat de essentiële kenmerken van het leven te maken hebben met zijn capaciteiten in plaats van met zijn samenstelling.
In 1994 keurde een NASA-commissie een definitie van leven goed als een "zichzelf in stand houdend chemisch systeem dat in staat is tot Darwiniaanse evolutie", gebaseerd op een suggestie van Carl Sagan. Deze definitie bevat twee kenmerken, metabolisme en evolutie, die doorgaans worden genoemd in definities van leven.
Metabolisme is het geheel van chemische processen waarbij levende wezens actief energie gebruiken om zichzelf te onderhouden, te groeien en te ontwikkelen. Volgens de tweede wet van de thermodynamica zal een systeem dat geen interactie heeft met zijn externe omgeving met de tijd meer ongeorganiseerd en uniform worden. Levende wezens bouwen en behouden hun onwaarschijnlijke, zeer georganiseerde staat omdat ze energiebronnen in hun externe omgeving gebruiken om hun metabolisme te stimuleren.
Planten en sommige bacteriën gebruiken de energie van zonlicht om uit eenvoudigere subeenheden grotere organische moleculen te produceren. Deze moleculen slaan chemische energie op die later kan worden geëxtraheerd door andere chemische reacties om hun metabolisme te stimuleren. Dieren en sommige bacteriën consumeren planten of andere dieren als voedsel. Ze breken complexe organische moleculen in hun voedsel af tot eenvoudigere, om hun opgeslagen chemische energie te extraheren. Sommige bacteriën kunnen de energie in chemicaliën die afkomstig zijn van niet-levende bronnen gebruiken in het proces van chemosynthese.
In een artikel uit 2014 in Astrobiologie, Lucas John Mix, een evolutiebioloog van Harvard, verwees naar de metabole definitie van het leven als Haldane Life naar de baanbrekende fysioloog J. B. S. Haldane. De Haldane-levensdefinitie heeft zijn problemen. Tornado's en draaikolken zoals Jupiter's Great Red Spot gebruiken omgevingsenergie om hun ordelijke structuur te behouden, maar leven niet. Vuur gebruikt energie uit zijn omgeving om zichzelf in stand te houden en te laten groeien, maar leeft ook niet.
Ondanks de tekortkomingen hebben astrobiologen de Haldane-definitie gebruikt om experimenten te bedenken. De Viking Mars-landers hebben tot nu toe de enige poging gedaan om rechtstreeks te testen op buitenaards leven, door de veronderstelde metabole activiteiten van Mars-microben te detecteren. Ze gingen ervan uit dat het metabolisme van Mars chemisch vergelijkbaar is met zijn terrestrische tegenhanger.
Een experiment probeerde de metabolische afbraak van voedingsstoffen in eenvoudigere moleculen te detecteren om hun energie te extraheren. Een tweede was gericht op het detecteren van zuurstof als afvalproduct van fotosynthese. Een derde probeerde de productie van complexe organische moleculen uit eenvoudigere subeenheden te laten zien, wat ook gebeurt tijdens fotosynthese. Alle drie de experimenten leken positieve resultaten op te leveren, maar veel onderzoekers zijn van mening dat de gedetailleerde bevindingen zonder biologie kunnen worden verklaard door chemische oxidatiemiddelen in de bodem.
Sommige resultaten van Viking blijven tot op de dag van vandaag controversieel. Destijds waren veel onderzoekers van mening dat het niet vinden van organische materialen in Marsgrond een biologische interpretatie van de metabole resultaten uitsluit. De recentere bevinding dat de bodem van Mars inderdaad organische moleculen bevat die tijdens de Viking-analyse door perchloraten zouden kunnen zijn vernietigd, en dat er ooit vloeibaar water op het oppervlak van Mars aanwezig was, geeft een nieuwe plausibiliteit aan de bewering dat Viking er mogelijk in is geslaagd om daadwerkelijk te detecteren leven. Op zichzelf bewijzen de resultaten van Viking echter niet dat er leven op Mars bestaat, noch sluiten ze het uit.
De metabole activiteiten van het leven kunnen ook hun stempel drukken op de samenstelling van planetaire atmosferen. In 2003 ontdekte het Europese ruimtevaartuig Mars Express sporen van methaan in de atmosfeer van Mars. In december 2014 meldde een team van NASA-wetenschappers dat de Curiosity Mars-rover deze bevinding had bevestigd door gedetecteerd atmosferisch methaan vanaf het oppervlak van Mars.
Het meeste methaan in de atmosfeer van de aarde komt vrij door levende organismen of hun overblijfselen. Ondergrondse bacteriële ecosystemen die chemosynthese als energiebron gebruiken, komen veel voor en produceren methaan als metabool afvalproduct. Helaas zijn er ook niet-biologische geochemische processen die methaan kunnen produceren. Martian methaan is dus nogmaals frustrerend dubbelzinnig als een teken van leven.
Extrasolaire planeten die om andere sterren draaien, zijn veel te ver weg om in de nabije toekomst met ruimtevaartuigen te bezoeken. Astrobiologen hopen nog steeds de Haldane-definitie te gebruiken om naar leven op hen te zoeken. Met bijna-toekomstige ruimtetelescopen hopen astronomen de samenstelling van de atmosfeer van deze planeten te leren door het spectrum van lichtgolflengten te analyseren die worden gereflecteerd of uitgezonden door hun atmosfeer. De James Webb-ruimtetelescoop die gepland staat voor lancering in 2018, zal de eerste zijn die nuttig zal zijn in dit project. Astrobiologen willen op zoek naar atmosferische biomarkers; gassen die metabole afvalproducten zijn van levende organismen.
Nogmaals, deze zoektocht wordt geleid door het enige voorbeeld van een levensdragende planeet die we momenteel hebben; Aarde. Ongeveer 21% van de atmosfeer van onze thuisplaneet is zuurstof. Dit is verrassend omdat zuurstof een zeer reactief gas is dat de neiging heeft om chemische combinaties aan te gaan met andere stoffen. Vrije zuurstof zou snel uit onze lucht moeten verdwijnen. Het blijft aanwezig omdat het verlies voortdurend wordt vervangen door planten en bacteriën die het als een metabolisch afvalproduct van fotosynthese afgeven.
Sporen van methaan zijn aanwezig in de atmosfeer van de aarde vanwege chemosynthetische bacteriën. Aangezien methaan en zuurstof met elkaar reageren, zouden beide niet lang blijven bestaan, tenzij levende organismen constant de voorraad aanvullen. De atmosfeer van de aarde bevat ook sporen van andere gassen die metabole bijproducten zijn.
In het algemeen gebruiken levende wezens energie om de atmosfeer van de aarde in een toestand te houden die ver verwijderd is van het thermodynamische evenwicht dat het zonder leven zou bereiken. Astrobiologen vermoeden dat elke planeet met een atmosfeer in een vergelijkbare staat van leven verkeert. Maar net als in de andere gevallen zou het moeilijk zijn om niet-biologische mogelijkheden volledig uit te sluiten.
Naast metabolisme identificeerde het NASA-comité evolutie als een fundamenteel vermogen van levende wezens. Om een evolutionair proces te laten plaatsvinden, moet er een groep systemen zijn, waarin elk zichzelf betrouwbaar kan reproduceren. Ondanks de algemene betrouwbaarheid van reproductie, moeten er ook af en toe willekeurige kopieerfouten in het reproductieproces zijn, zodat de systemen verschillende eigenschappen krijgen. Ten slotte moeten de systemen verschillen in hun vermogen om te overleven en zich voort te planten op basis van de voordelen of aansprakelijkheden van hun onderscheidende eigenschappen in hun omgeving. Wanneer dit proces door de generaties heen en weer wordt herhaald, zullen de eigenschappen van de systemen beter worden aangepast aan hun omgeving. Zeer complexe eigenschappen kunnen soms stapsgewijs evolueren.
Mix noemde dit de Darwin leven definitie, naar de negentiende-eeuwse natuuronderzoeker Charles Darwin, die de evolutietheorie formuleerde. Net als de Haldane-definitie heeft de Darwin-levensdefinitie belangrijke tekortkomingen. Het heeft moeite om alles op te nemen waarvan we denken dat het levend is. Muildieren kunnen zich bijvoorbeeld niet voortplanten en tellen dus volgens deze definitie niet als levend.
Ondanks dergelijke tekortkomingen is de Darwin-levensdefinitie van cruciaal belang, zowel voor wetenschappers die de oorsprong van het leven bestuderen als voor astrobiologen. De moderne versie van Darwins theorie kan verklaren hoe diverse en complexe levensvormen kunnen evolueren van een aanvankelijke eenvoudige vorm. Een theorie over de oorsprong van het leven is nodig om uit te leggen hoe de aanvankelijke eenvoudige vorm in de eerste plaats het vermogen heeft gekregen om te evolueren.
De chemische systemen of levensvormen die op andere planeten of manen in ons zonnestelsel voorkomen, zijn misschien zo eenvoudig dat ze dicht bij de grens tussen leven en niet-leven staan die de Darwin-definitie vaststelt. De definitie kan van vitaal belang blijken te zijn voor astrobiologen die proberen te beslissen of een chemisch systeem dat ze hebben gevonden echt kwalificeert als een levensvorm. Biologen weten nog steeds niet hoe het leven is ontstaan. Als astrobiologen systemen kunnen vinden in de buurt van de grens met Darwin, kunnen hun bevindingen van cruciaal belang zijn om de oorsprong van het leven te begrijpen.
Kunnen astrobiologen de Darwin-definitie gebruiken om buitenaards leven te vinden en te bestuderen? Het is onwaarschijnlijk dat een bezoekend ruimtevaartuig zelf het evolutieproces kan detecteren. Maar misschien kan het wel de moleculaire structuren detecteren die levende organismen nodig hebben om deel te nemen aan een evolutionair proces. Filosoof Mark Bedau heeft voorgesteld dat een minimaal systeem dat in staat is tot evolutie, drie dingen zou moeten hebben: 1) een chemisch metabolisch proces, 2) een container, zoals een celmembraan, om de grenzen van het systeem vast te stellen, en 3) een chemische stof “Programma” dat de metabole activiteiten kan sturen.
Hier op aarde is het chemische programma gebaseerd op het genetische molecuul DNA. Veel theoretici over de oorsprong van het leven denken dat het genetische molecuul van de vroegste terrestrische levensvormen mogelijk het eenvoudigere molecuul ribonucleïnezuur (RNA) was. Het genetische programma is belangrijk voor een evolutionair proces omdat het het reproductieve kopieerproces stabiel maakt, met slechts af en toe fouten.
Zowel DNA als RNA zijn biopolymeren; lange kettingachtige moleculen met veel herhalende subeenheden. De specifieke sequentie van nucleotide-basissubeenheden in deze moleculen codeert voor de genetische informatie die ze dragen. Om ervoor te zorgen dat het molecuul alle mogelijke sequenties van genetische informatie kan coderen, moeten de subeenheden in elke volgorde kunnen voorkomen.
Steven Benner, een computationele genomicsonderzoeker, gelooft dat we mogelijk ruimtevaartexperimenten kunnen ontwikkelen om buitenaardse genetische biopolymeren te detecteren. Hij merkt op dat DNA en RNA zeer ongebruikelijke biopolymeren zijn, omdat het veranderen van de volgorde waarin hun subeenheden voorkomen, hun chemische eigenschappen niet verandert. Het is deze ongebruikelijke eigenschap die het mogelijk maakt dat deze moleculen stabiele dragers zijn van elke mogelijke genetische codesequentie.
DNA en RNA zijn beide polyelektrolyten; moleculen met regelmatig herhalende gebieden van negatieve elektrische lading. Benner is van mening dat dit hun opmerkelijke stabiliteit verklaart. Hij denkt dat elk buitenaards genetisch biopolymeer ook een polyelektrolyt zou moeten zijn en dat er chemische tests zouden kunnen worden bedacht waarmee een ruimtevaartuig dergelijke polyelektrolytmoleculen zou kunnen detecteren. Het vinden van de buitenaardse tegenhanger van DNA is een zeer opwindend vooruitzicht en een ander stukje van de puzzel om het buitenaardse leven te identificeren.
In 1996 deed president Clinton een dramatische aankondiging van de mogelijke ontdekking van het leven op Mars. De toespraak van Clinton was ingegeven door de bevindingen van het team van David McKay met de Alan Hills-meteoriet. In feite bleken de bevindingen van McKay slechts één stuk te zijn van de grotere puzzel van het mogelijke leven op Mars. Tenzij op een dag een buitenaards wezen langs onze wachtende camera's slentert, is het onwaarschijnlijk dat de vraag of er al dan niet buitenaards leven bestaat, wordt opgelost door een enkel experiment of een plotselinge dramatische doorbraak. Filosofen en wetenschappers hebben geen eenduidige definitie van leven. Astrobiologen hebben bijgevolg geen enkele test om zeker te zijn dat het probleem is opgelost. Als er eenvoudige levensvormen bestaan op Mars of elders in het zonnestelsel, lijkt het nu waarschijnlijk dat dat feit geleidelijk zal ontstaan, gebaseerd op vele convergerende bewijslijnen. We weten pas echt wat we zoeken als we het vinden.
Referenties en verder lezen:
P. Anderson (2011) Zou nieuwsgierigheid kunnen bepalen of Viking het leven op Mars heeft gevonden ?, Space Magazine.
S. K. Atreya, P. R. Mahaffy, A-S. Wong, (2007), methaan en verwante sporen op Mars: oorsprong, verlies, implicaties voor het leven en bewoonbaarheid, Planetary and Space Science, 55:358-369.
M. A. Bedau (2010), een aristotelisch verslag van minimale chemische levensduur, Astrobiologie, 10(10): 1011-1020.
S. Benner (2010), Defining life, Astrobiologie, 10(10):1021-1030.
E. Machery (2012), Waarom ik me geen zorgen meer maakte over de definitie van leven ... en waarom jij dat ook zou moeten doen, Synthese, 185:145-164.
G. M. Marion, C. H. Fritsen, H. Eicken, M. C. Payne, (2003) De zoektocht naar leven op Europa: het beperken van omgevingsfactoren, potentiële habitats en analogen van de aarde. Astrobiologie 3(4):785-811.
L. J. Mix (2015), verdedigende definities van leven, Astrobiologie, 15 (1) online geplaatst vóór publicatie.
P. E. Patton (2014) Moons of Confusion: Why Finding Extraterrestrial Life may be Harder than we Thought, Space Magazine.
T. Reyes (2014) NASA's Curiosity Rover detecteert methaan, organische stoffen op Mars, Space Magazine.
S. Seeger, M. Schrenk en W. Bains (2012), een astrofysische kijk op aardgebaseerde biosignatuurgassen. Astrobiologie, 12(1): 61-82.
S. Tirard, M. Morange en A. Lazcano, (2010), De definitie van leven: een korte geschiedenis van een ongrijpbare wetenschappelijke onderneming, Astrobiologie, 10(10):1003-1009.
C. Webster en tal van andere leden van het MSL Science-team, (2014) Mars-methaandetectie en variabiliteit bij de Gale-krater, Wetenschap, Wetenschap drukt vroege inhoud uit.
Hebben Viking Mars-landers de bouwstenen van het leven gevonden? Ontbrekend stuk inspireert nieuwe kijk op puzzel. Science Daily Featured Research 5 september 2010
NASA-rover vindt actieve en oude organische chemie op Mars, Jet Propulsion-laboratorium, California Institute of Technology, News, 16 december 2014.
