Decennia lang draaide de zoektocht naar buitenaards leven om een simpele regel: volg het water. Als een verre planeet vloeibaar water heeft, en misschien zuurstof, wordt deze gemarkeerd als potentieel bewoonbaar. Maar nieuw onderzoek onder leiding van wetenschappers van ETH Zürich suggereert dat deze al lang bestaande strategie mogelijk onvolledig is. Een planeet kan oceanen en continenten hebben, zo beweren de onderzoekers, en toch chemisch niet in staat zijn om leven te ondersteunen. De echte beperking ligt wellicht veel dieper, in de chemie van de vorming van een planeet.
Een chemische stof Goudlokje Zone onder het oppervlak
De studie, gepubliceerd in Natuur Astronomie onder de titel “De chemische bewoonbaarheid van de aarde en rotsachtige planeten, voorgeschreven door kernvorming”werd geleid door dr. Craig R. Walton, een postdoctoraal onderzoeker bij het Center for Origin and Prevalence of Life aan de ETH Zürich, samen met professor Maria Schönbächler en collega’s. Hun centrale bewering is nauwkeurig: het leven hangt niet alleen af van water en zuurstof, maar ook van de vraag of twee cruciale elementen, fosfor en stikstof, tijdens de vroegste vorming van een planeet toegankelijk bleven in de mantel van een planeet. Fosfor is nodig voor de opbouw van DNA en RNA, de moleculen die genetische informatie opslaan en doorgeven. Het speelt ook een sleutelrol in cellulaire energiesystemen. Stikstof is ondertussen een essentieel onderdeel van eiwitten, de structurele en functionele bouwstenen van cellen. Zonder beide kan het leven “zoals wij dat kennen eenvoudigweg niet ontstaan”.
Fosfor en stikstof zijn van cruciaal belang voor het leven: fosfor vormt DNA, RNA en ATP voor energie, terwijl stikstof eiwitten bouwt./AI Illustratie
“Tijdens de vorming van de kern van een planeet moet er precies de juiste hoeveelheid zuurstof aanwezig zijn, zodat fosfor en stikstof op het oppervlak van de planeet kunnen achterblijven”, legt Walton uit. Jonge rotsachtige planeten beginnen als gesmolten lichamen. Terwijl ze afkoelen, zinken zware elementen zoals ijzer naar de kern, terwijl lichter materiaal de mantel en korst vormt. Tegelijkertijd bepalen de zuurstofniveaus hoe elementen zich chemisch verdelen tussen metaal en gesteente. Als zuurstof schaars is, bindt fosfor zich aan ijzer en zinkt het in de kern, waardoor het effectief uit de oppervlakteomgeving wordt verwijderd. Als er te veel zuurstof is, blijft fosfor in de mantel, maar is de kans groter dat stikstof in de atmosfeer terechtkomt en uiteindelijk verloren gaat in de ruimte. “Het hebben van te veel of te weinig zuurstof op de planeet als geheel – en niet per se in de atmosfeer – maakt de planeet ongeschikt voor leven, omdat het belangrijke voedingsstoffen voor het leven in de kern vasthoudt,” vertelde Walton aan de Dagelijkse post. “Een andere zuurstofbalans betekent dat je aan de oppervlakte niets meer hebt om mee te werken als de planeet afkoelt en je rotsen vormt.” Met behulp van numerieke modellen identificeerde het team wat zij omschrijven als een zeer smalle ‘chemische Goudlokje-zone’, een tussenliggend zuurstofbereik waarin zowel fosfor als stikstof in de mantel achterblijven in hoeveelheden die voldoende zijn voor leven.
De ‘Goudlokjezone’ van een planeet voor leven vereist precies de juiste hoeveelheid zuurstof om fosfor en stikstof beschikbaar te houden/ Afbeelding: X
“Onze modellen laten duidelijk zien dat de aarde zich precies binnen dit bereik bevindt”, zegt Walton. “Als we tijdens de kernvorming iets meer of iets minder zuurstof hadden gehad, zou er niet genoeg fosfor of stikstof zijn geweest voor de ontwikkeling van het leven.” Het lijkt erop dat de aarde dit evenwicht ongeveer 4,6 miljard jaar geleden heeft bereikt.
Opnieuw nadenken over wat een planeet bewoonbaar maakt
De bevindingen suggereren dat veel planeten die voorheen als veelbelovend werden beschouwd, vanaf het begin chemisch ongeschikt zijn voor leven, zelfs als ze water bevatten. Hoewel geen enkel bekend leven kan overleven zonder vloeibaar water, beweren de onderzoekers dat het gebruik van alleen zuurstof of water als indicatoren voor bewoonbaarheid misleidend kan zijn. De totale zuurstofbalans van een planeet tijdens zijn vorming, en niet alleen de zuurstof uit de atmosfeer, bepaalt of levenskritische elementen beschikbaar blijven. Walton waarschuwde dat dit het aantal bewoonbare werelden in het universum aanzienlijk zou kunnen verkleinen. Hij suggereerde dat er misschien maar één tot tien procent zoveel bewoonbare planeten zijn als eerder werd geschat. “Het zou zeer teleurstellend zijn om helemaal naar zo’n planeet te reizen om deze te koloniseren en te ontdekken dat er geen fosfor is voor het verbouwen van voedsel,” zei hij. “We kunnen beter eerst proberen de vormingsomstandigheden van de planeet te controleren, net zoals je ervoor zorgen dat je diner goed gaar is voordat je het gaat opeten.” Dichter bij huis suggereert het onderzoek dat Mars net buiten deze chemische zone ligt. Mars lijkt relatief overvloedig fosfor te bevatten, maar aanzienlijk lagere stikstofniveaus nabij het oppervlak. Bovendien maken agressieve zouten en andere oppervlaktechemie de bodem onherbergzaam.
Mars heeft voldoende fosfor, maar mist voldoende stikstof, waardoor het oppervlak chemisch ongeschikt is voor het ondersteunen van leven zoals op aarde/Mars in zijn ware kleur/Afbeelding: Earth.com
“Mars lijkt redelijk op de aarde, en de vormingsomstandigheden zorgen ervoor dat er meer fosfor is, en niet minder. Dit betekent dat het verbouwen van voedsel daar relatief eenvoudig kan zijn, ” zei Walton. Maar hij voegde eraan toe dat het stikstoftekort en de oppervlaktechemie voor grote uitdagingen zorgen: “Het is niet zo heel anders, maar het is momenteel niet bewoonbaar. Elon Musk zal een slimme manier moeten bedenken om de samenstelling te veranderen om daar voedsel te verbouwen.”
Op zoek naar de juiste sterren
Het rechtstreeks meten van de interne chemie van verre rotsachtige planeten blijft uiterst moeilijk. Astronomen kunnen echter waarschijnlijke planetaire composities afleiden door gaststerren te bestuderen. Planeten ontstaan uit hetzelfde materiaal als hun moedersterren. De hoeveelheid zuurstof en de algehele chemische structuur van een ster bepalen daarom de samenstelling van zijn planetenstelsel. Zonnestelsels waarvan de sterren sterk op onze zon lijken, bieden mogelijk betere kansen. “Dit maakt het zoeken naar leven op andere planeten een stuk specifieker”, zegt Walton. “We moeten zoeken naar zonnestelsels met sterren die op onze eigen zon lijken.” Het werk herkadert de langlopende zoektocht naar leven buiten de aarde. Water blijft nodig. Maar het is misschien niet genoeg. Het lot van een planeet, of deze nu steriel of levend is, kan afhangen van een delicaat chemisch evenwicht dat tot stand komt in de eerste gesmolten momenten, lang voordat oceanen, atmosferen of continenten zich ooit hebben gevormd.
