Supernova-restant N 63A. Afbeelding tegoed: Hubble Klik om te vergroten
Het leven op aarde werd mogelijk gemaakt door de dood van sterren. Atomen zoals koolstof en zuurstof werden verdreven in de laatste paar stervende happen van sterren nadat hun laatste voorraad waterstofbrandstof was opgebruikt.
Hoe dit sterrenmateriaal tot leven is gekomen, is nog steeds een raadsel, maar wetenschappers weten dat bepaalde atoomcombinaties nodig waren. Water - twee waterstofatomen gekoppeld aan één zuurstofatoom - was essentieel voor de ontwikkeling van het leven op aarde, en daarom zoeken NASA-missies nu naar water op andere werelden in de hoop elders leven te vinden. Organische moleculen die voornamelijk uit koolstofatomen zijn opgebouwd, worden ook als belangrijk beschouwd, aangezien al het leven op aarde op koolstof is gebaseerd.
De meest populaire theorieën over de oorsprong van het leven zeggen dat de noodzakelijke chemie plaatsvond bij hydrothermale ventilatieopeningen op de oceaanbodem of in een zonovergoten ondiep zwembad. Uit ontdekkingen van de afgelopen jaren is echter gebleken dat veel van de basismaterialen voor het leven zich vormen in de koude diepten van de ruimte, waar leven zoals we het kennen niet mogelijk is.
Nadat stervende sterren koolstof hebben uitgestoten, combineren sommige koolstofatomen zich met waterstof tot polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's). PAK's - een soort koolstofroet vergelijkbaar met de verschroeide delen van verbrande toast - zijn de meest voorkomende organische verbindingen in de ruimte en een hoofdbestanddeel van koolstofhoudende chondrietmeteorieten. Hoewel PAK's niet worden gevonden in levende cellen, kunnen ze worden omgezet in chinonen, moleculen die betrokken zijn bij cellulaire energieprocessen. Zo spelen chinonen een essentiële rol bij de fotosynthese en helpen ze planten licht om te zetten in chemische energie.
De transformatie van PAK's vindt plaats in interstellaire wolken van ijs en stof. Na door de ruimte te zijn gezweefd, condenseert PAK-roet uiteindelijk in deze 'dichte moleculaire wolken'. Het materiaal in deze wolken blokkeert sommige maar niet alle harde straling van de ruimte. De straling die wel doorfiltert, wijzigt de PAK's en ander materiaal in de wolken.
Infrarood- en radiotelescoopwaarnemingen van de wolken hebben de PAK's gedetecteerd, evenals vetzuren, eenvoudige suikers, zwakke hoeveelheden van het aminozuur glycine en meer dan 100 andere moleculen, waaronder water, koolmonoxide, ammoniak, formaldehyde en waterstofcyanide.
De wolken zijn nooit rechtstreeks bemonsterd - ze zijn te ver weg - dus om te bevestigen wat er chemisch in de wolken gebeurt, heeft een onderzoeksteam onder leiding van Max Bernstein en Scott Sandford van het Astrochemistry Laboratory van NASA's Ames Research Center experimenten opgezet om na te bootsen de cloud voorwaarden.
Bij één experiment wordt een PAK / watermengsel opgedampt op zout en vervolgens beschoten met ultraviolette (UV) straling. Hierdoor kunnen de onderzoekers observeren hoe het basale PAK-skelet verandert in chinonen. Door een bevroren mengsel van water, ammoniak, cyaanwaterstof en methanol (een voorloper van formaldehyde) te bestralen, worden de aminozuren glycine, alanine en serine gegenereerd - de drie meest voorkomende aminozuren in levende systemen.
Wetenschappers hebben primitieve organische celachtige structuren of blaasjes gemaakt.
Omdat UV niet het enige type straling in de ruimte is, hebben de onderzoekers ook een Van de Graaff-generator gebruikt om de PAK's te bombarderen met mega-elektronenvolt (MeV) -protonen, die vergelijkbare energieën hebben als kosmische straling. De MeV-resultaten voor de PAK's waren vergelijkbaar, maar niet identiek aan de UV-beschieting. Er is nog geen MeV-onderzoek naar de aminozuren uitgevoerd.
Deze experimenten suggereren dat UV en andere vormen van straling de energie leveren die nodig is om chemische bindingen bij lage temperaturen en drukken van de dichte wolken te verbreken. Omdat de atomen nog steeds opgesloten zitten in ijs, vliegen de moleculen niet uit elkaar, maar recombineren ze in complexere structuren.
In een ander experiment onder leiding van Jason Dworkin werd een bevroren mengsel van water, methanol, ammoniak en koolmonoxide blootgesteld aan UV-straling. Deze combinatie leverde organisch materiaal op dat bubbels vormde bij onderdompeling in water. Deze bubbels doen denken aan celmembranen die de chemie van het leven omsluiten en concentreren en het van de buitenwereld scheiden.
De bellen die bij dit experiment werden geproduceerd, waren tussen 10 en 40 micrometer, of ongeveer zo groot als rode bloedcellen. Het is opmerkelijk dat de bellen fluorescerend of gloeiend waren bij blootstelling aan UV-licht. Het absorberen van UV en het op deze manier omzetten in zichtbaar licht kan energie leveren aan een primitieve cel. Als dergelijke bubbels een rol speelden bij het ontstaan van leven, had de fluorescentie een voorloper van fotosynthese kunnen zijn.
Fluorescentie kan ook dienen als zonnebrandcrème en eventuele schade die anders door UV-straling zou worden veroorzaakt, verspreiden. Een dergelijke beschermende functie zou van vitaal belang zijn geweest voor het leven op de vroege aarde, aangezien de ozonlaag, die de meest destructieve UV-stralen van de zon blokkeert, zich pas vormde nadat fotosynthetisch leven zuurstof begon te produceren.
Van ruimtewolken tot de zaden van het leven
Dichte moleculaire wolken in de ruimte vallen uiteindelijk door de zwaartekracht in elkaar om nieuwe sterren te vormen. Een deel van het overgebleven stof klontert later samen om asteroïden en kometen te vormen, en sommige van deze asteroïden klonteren samen om planetaire kernen te vormen. Op onze planeet kwam het leven vervolgens voort uit alle basismaterialen die voorhanden waren.
De grote moleculen die nodig zijn om levende cellen te bouwen, zijn:
* Eiwitten
* Koolhydraten (suikers)
* Lipiden (vetten)
* Nucleïnezuren
Meteorieten blijken aminozuren (de bouwstenen van eiwitten), suikers, vetzuren (de bouwstenen van lipiden) en nucleïnezuurbases te bevatten. Zo bevat de Murchison-meteoriet ketens van vetzuren, verschillende soorten suikers, alle vijf nucleïnezuurbases en meer dan 70 verschillende aminozuren (het leven gebruikt 20 aminozuren, waarvan er slechts zes in de Murchison-meteoriet zitten).
Omdat dergelijke koolstofhoudende meteorieten over het algemeen uniform van samenstelling zijn, wordt aangenomen dat ze representatief zijn voor de aanvankelijke stofwolk waaruit de zon en het zonnestelsel zijn geboren. Het lijkt er dus op dat in het begin bijna alles wat nodig was voor het leven beschikbaar was, en meteorieten en kometen leverden deze materialen in de loop van de tijd opnieuw aan de planeten.
Als dit waar is, en als moleculaire stofwolken chemisch vergelijkbaar zijn in de hele melkweg, dan zouden de ingrediënten voor het leven wijdverbreid moeten zijn.
De keerzijde van de abiotische productie van de ingrediënten voor het leven is dat geen van hen kan worden gebruikt als "biomarkers", indicatoren die erop wijzen dat leven in een bepaalde omgeving bestaat.
Max Bernstein wijst op de Alan Hills-meteoriet 84001 als een voorbeeld van biomarkers die geen bewijs van leven leverden. In 1996 kondigden Dave McKay van NASA's Johnson Space Center en zijn collega's aan dat er vier mogelijke biomarkers waren binnen deze martian meteoriet. ALH84001 had koolstofbolletjes die PAK's bevatten, een mineraalverdeling die doet denken aan biologische chemie, magnetietkristallen die lijken op die geproduceerd door bacteriën, en bacterie-achtige vormen. Hoewel elk van hen niet alleen werd beschouwd als bewijs voor het leven, leken de vier in samenhang meeslepend.
Na de aankondiging van McKay bleek uit vervolgonderzoek dat elk van deze zogenaamde biomarkers ook met niet-levende middelen zou kunnen worden geproduceerd. De meeste wetenschappers zijn daarom geneigd te geloven dat de meteoriet geen versteend buitenaards leven bevat.
"Zodra ze het resultaat hadden, gingen mensen op ze jagen, want zo werkt het", zegt Bernstein. "Onze kansen om geen fout te maken wanneer we een biomarker op Mars of Europa bedenken, zullen veel groter zijn als we al het equivalent hebben gedaan van wat die jongens deden nadat McKay, et al., Hun artikel publiceerde."
Bernstein zegt dat wetenschappers door omstandigheden op andere planeten te simuleren, kunnen achterhalen wat daar chemisch en geologisch zou moeten gebeuren. Wanneer we vervolgens een planeet bezoeken, kunnen we zien hoe nauw de realiteit overeenkomt met de voorspellingen. Als er iets op aarde is waarvan we niet hadden verwacht dat het te vinden zou zijn, kan dat een indicatie zijn dat levensprocessen het beeld hebben veranderd.
"Wat je op Mars of op Europa hebt, is materiaal dat is afgeleverd", zegt Bernstein. “Bovendien heb je wat er vervolgens is gevormd uit welke omstandigheden dan ook. Dus (om naar leven te zoeken), moet je kijken naar de moleculen die er zijn, en rekening houden met de chemie die in de loop van de tijd is gebeurd. '
Bernstein denkt dat chiraliteit, of de 'handigheid' van een molecuul, een biomarker kan zijn op andere werelden. Biologische moleculen zijn er vaak in twee vormen die, hoewel ze chemisch identiek zijn, tegengestelde vormen hebben: een 'linkshandige' en het spiegelbeeld ervan een 'rechtshandige'. De handigheid van een molecuul is te danken aan hoe de atomen zich binden. Handigheid is gelijkmatig verspreid door de natuur, maar in de meeste gevallen hebben levende systemen op aarde linkshandige aminozuren en rechtshandige suikers. Als moleculen op andere planeten een andere voorkeur voor handigheid vertonen, zegt Bernstein, zou dat een aanwijzing kunnen zijn voor buitenaards leven.
"Als je naar Mars of Europa zou gaan en je zou dezelfde vooringenomenheid zien als de onze, met suikers of aminozuren die onze chiraliteit hebben, dan zouden mensen gewoon vermoeden dat het besmetting was", zegt Bernstein. 'Maar als je een aminozuur met een voorkeur naar rechts ziet, of als je een suiker ziet die naar links neigt - met andere woorden, niet onze vorm - dan zou dat echt overtuigend zijn.'
Bernstein merkt echter op dat de chirale vormen in meteorieten weerspiegelen wat er op aarde wordt gezien: meteorieten bevatten linkshandige aminozuren en rechtshandige suikers. Als meteorieten het model vormen voor leven op aarde, dan kan het leven elders in het zonnestelsel diezelfde vooringenomenheid in handigheid ook weerspiegelen. Er kan dus iets meer nodig zijn dan chiraliteit als bewijs van leven. Bernstein zegt dat het vinden van molecuulketens, "zoals een paar aan elkaar gekoppelde aminozuren", ook een bewijs voor het leven kan zijn, "omdat we in meteorieten de neiging hebben om alleen afzonderlijke moleculen te zien."
Oorspronkelijke bron: NASA Astrobiology
