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 door wetenschappers van ETH Zürich suggereert dat deze al lang bestaande strategie mogelijk onvolledig is. Een planeet kan oceanen en continenten hebben, zo beweren onderzoekers, en toch chemisch niet in staat zijn om leven te ondersteunen. De echte beperking ligt wellicht veel dieper, in de chemie van de planeetvorming.
Een chemische stof Goudlokje gebied onder het oppervlak
De studie, gepubliceerd in Natuurlijke astronomie onder de titel “De chemische bewoonbaarheid van de aarde en rotsachtige planeten, voorgeschreven door kernvorming”werd geleid door Dr. Craig R. Walton, postdoctoraal onderzoeker bij het Centrum voor de Oorsprong en Prevalentie van het Leven 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 vroege 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 daarentegen is 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 fundamenteel 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 precies de juiste hoeveelheid zuurstof aanwezig zijn om de fosfor en stikstof op het oppervlak van de planeet te laten blijven”, 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 er een tekort aan zuurstof is, bindt fosfor zich aan het 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 achter, maar is de kans groter dat stikstof in de atmosfeer ontsnapt en uiteindelijk in de ruimte terechtkomt. “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 ander zuurstofevenwicht betekent dat je aan de oppervlakte niets hebt om mee te werken als de planeet afkoelt en er zich rotsen vormen.” Met behulp van numerieke modellen identificeerde het team wat zij omschrijven als een zeer smalle ‘chemische zone van Goudlokje’, een tussenliggend zuurstofbereik waar zowel fosfor als stikstof in de mantel achterblijven in hoeveelheden die voldoende zijn voor leven.
De ‘Goudlokje-zone’ 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 vorming van de kern iets meer of iets minder zuurstof hadden gehad, zou er niet genoeg fosfor of stikstof zijn geweest om leven te kunnen ontwikkelen.” 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 enkele bekende levensvorm kan overleven zonder vloeibaar water, beweren onderzoekers dat het gebruik van alleen zuurstof of water als indicator voor bewoonbaarheid misleidend kan zijn. Het totale zuurstofbudget van een planeet tijdens zijn vorming, en niet alleen maar de zuurstof uit de atmosfeer, bepaalt of elementen die cruciaal zijn voor het leven beschikbaar blijven. Walton waarschuwde dat dit het aantal bewoonbare werelden in het universum aanzienlijk zou kunnen verminderen. Hij suggereerde dat er misschien maar 1 tot 10 procent meer bewoonbare planeten zijn dan eerder werd geschat. “Het zou zeer teleurstellend zijn om naar zo’n planeet te reizen en deze te koloniseren en te ontdekken dat er geen fosfor is om voedsel te verbouwen,” zei hij. “Het zou beter zijn om eerst te proberen de omstandigheden van de vorming van de planeet te controleren, net zoals ervoor zorgen dat het avondeten goed gekookt is voordat je het gaat opeten.” Dichter bij huis suggereert onderzoek dat Mars net buiten deze chemische zone ligt. Mars lijkt relatief veel fosfor te bevatten, maar aanzienlijk lagere stikstofniveaus nabij het oppervlak. Bovendien maken agressieve zouten en andere oppervlaktechemicaliën de grond onherbergzaam.
Mars heeft voldoende fosfor, maar te weinig stikstof, waardoor het oppervlak chemisch ongeschikt is om leven zoals op aarde te ondersteunen/Mars in zijn ware kleur/Afbeelding: Earth.com
“Mars lijkt veel op de aarde, en de vormingsomstandigheden zorgen ervoor dat er meer fosfor is, niet minder. Dat betekent dat het verbouwen van voedsel daar relatief eenvoudig zou kunnen zijn,” zei Walton. Maar hij voegde eraan toe dat het stikstoftekort en de oppervlaktechemie grote uitdagingen met zich meebrengen: “Het is niet zo heel anders, maar het is momenteel niet bewoonbaar. Elon Musk we zullen een slimme manier moeten vinden 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 overvloed aan 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 de zoektocht naar leven op andere planeten veel specifieker”, zegt Walton. “We moeten zoeken naar zonnestelsels met sterren die op onze zon lijken.” Het werk herkadert de lange zoektocht naar leven buiten de aarde. Water blijft nodig. Maar het is misschien niet genoeg. Het lot van een planeet, steriel of levend, zou kunnen afhangen van een delicaat chemisch evenwicht dat wordt bereikt tijdens de eerste momenten van fusie, lang voordat oceanen, atmosferen of continenten ontstonden.
