Het heelal heeft heel veel sterren en nog meer planeten. Het zou dus heel raar zijn als er nergens anders leven te vinden was. Maar waar kunnen we dat leven vinden? En hoe ziet dat leven er dan uit? Astrobioloog Floris van der Tak, werkzaam bij het Instituut voor Ruimteonderzoek SRON en verbonden aan het Origins Center, kijkt hiervoor naar de aarde als voorbeeld.
Op een heldere nacht kun je met het blote oog ongeveer 2000 sterren zien. Het hangt er natuurlijk vanaf waar je bent: vanuit het centrum van Amsterdam zijn het er minder, en vanaf de camping in Zuid-Frankrijk zijn het er meer. Vanaf afgelegen bergtoppen zijn het er nog meer. Zie het recente blog van mijn collega Jelle de Plaa. De Hubble-ruimtetelescoop heeft 25 jaar geleden gemeten hoeveel sterren er in totaal in ons heelal zijn, namelijk een miljoen miljard miljard, ofwel een 1 met 24 nullen: 1.000.000.000.000.000.000.000.000.
In het boek dat ik mijn kinderen net aan het voorlezen ben (het nieuwste in de Costa Banana-reeks, een aanrader!) komt dit getal ook voor. Er staat bij dat het dus uitgesloten is dat er nergens anders leven voorkomt. Daar ben ik het mee eens, want de ruimtetelescoop Kepler heeft tien jaar geleden laten zien dat er minstens zoveel planeten als sterren in het heelal zijn. Bovendien is onze zon een behoorlijk gewone ster en de aarde helemaal geen bijzondere planeet – althans qua grootte.
Voorwaarden voor leven
De opvolger van Kepler heet TESS, en die heeft begin dit jaar laten zien dat ongeveer 1,5 procent van alle planeten voor ons bewoonbaar is. Daarvoor zijn minstens drie dingen nodig: het moet er warm genoeg zijn zodat water vloeibaar is, de luchtdruk moet hoog genoeg zijn, en er moet een vast oppervlak zijn. (Meer uitleg over deze voorwaarden staat in mijn eerdere blog over TRAPPIST-1). Voor het eerste moet de planeet op de goede afstand tot de ster staan, en voor het tweede en derde moet de planeet de juiste grootte hebben. Van de 4200 bekende exoplaneten voldoen er 60 aan al deze voorwaarden. Maar zijn die planeten ook echt bewoond?
Stromatolieten uit West-Australië (Foto: Didier Descouens)
We kunnen dit proberen te schatten door te kijken hoe het leven op aarde zich heeft ontwikkeld. De organismen werden daarbij steeds complexer, en het aantal soorten nam gestaag toe. Het proces is een paar keer onderbroken door fases van massaal uitsterven, meestal door klimaatverandering. Stabiel leven vereist een ecosysteem, waarin soorten elkaar helpen om te overleven (denk aan de bloemetjes en de bijtjes). Om die biodiversiteit op te bouwen is evolutie nodig: de nieuwe generatie moet niet een exacte kopie van de oude zijn.
De eerste stap ging heel snel: de oudste sporen van leven zijn stromatolieten van 4 miljard jaar oud. Hieruit blijkt dat bacteriën 90 procent van de geschiedenis van de aarde hebben meegemaakt. Het heeft daarna nog heel lang geduurd voordat er meercellige wezens kwamen: die bestaan pas 500 miljoen jaar. Planten en dieren bestaan dus nog maar 10 procent van de leeftijd van de aarde. Mensen zijn er pas sinds een miljoen jaar (0,02 procent van de leeftijd van de aarde), Homo sapiens 100.000 jaar (0,002 procent). Tekenen van intelligentie zijn nog recenter: het schrift bestaat 3000 jaar (een miljoenste) en radio sinds ruim 100 jaar (een honderd miljoenste).
De ontwikkeling van leven
Als de ontwikkeling van leven overal ongeveer even snel gaat, zouden er in de Melkweg tien planeten met intelligent (communicatief) leven moeten zijn. Dat lijkt best veel, maar de Melkweg is dan ook heel groot (10.000 lichtjaar). Die planeten zouden gemiddeld 1000 lichtjaar uit elkaar staan. Op UFO’s wachten heeft dus geen zin. Zelfs met 10 procent van de lichtsnelheid – een snelheid waarvan wij alleen nog kunnen dromen – duurt de reis 10.000 jaar. Te lang voor een bezoekje, en het is ook niet nodig. Als je eigen planeet onbewoonbaar wordt, zijn er genoeg planeten dichterbij waar het warm genoeg is en nog niemand woont (behalve misschien bacteriën).
Sinds een jaar of 100 zoeken mensen tevergeefs naar buitenaardse radiosignalen. Blijkbaar wemelt het heelal niet van intelligent leven, en de vraag is: waarom? Misschien ontstaat op de meeste leefbare planeten wel leven, maar sterft het gauw weer uit, zoals mogelijk op Mars. De opbouw van biodiversiteit en de ontwikkeling van een ecosysteem moet snel genoeg gaan, voordat het klimaat verandert.
De radiotelescoop van Arecibo op Puerto Rico, waar sterrenkundigen speuren naar buitenaardse radiosignalen. (Foto: NAIC)
Een andere mogelijkheid is dat op de meeste planeten de ontwikkeling van het leven vroegtijdig tot staan komt. Een mogelijke drempel is de vorming van cellen met een kern, die nodig is om meercellige organismen te maken. Veel ontwikkelingsstappen, zoals de ontwikkeling van ogen, zijn op aarde vaker gezet, maar de celkern is maar één keer ontstaan. Die stap is blijkbaar heel moeilijk.
Een derde optie is dat op veel planeten wel leven ontstaat, maar dat geen enkele soort de intelligentie ontwikkelt om radio’s en ruimteschepen te bouwen. Op aarde is Homo sapiens ook alleen in Afrika ontstaan, hoewel toen al over de hele wereld mensachtigen zoals Neanderthalers woonden. Of misschien zijn fases van intelligent leven van korte duur, omdat deze soorten zichzelf uitroeien of anderszins kwetsbaar zijn.
Geen leven zonder fosfor
Om in te schatten hoe waarschijnlijk buitenaards leven is, kunnen we ook nagaan hoe bijzonder onze aarde is. Neem om te beginnen de aardse biochemie, waarin koolstof de hoofdrol speelt. Maar in onze cellen zijn veel meer elementen belangrijk, zoals ijzer, dat ons bloed gebruikt om zuurstof te transporteren. Het bijzondere aan ijzer is namelijk dat het zuurstof zowel vast kan pakken als weer loslaten. Een ‘ondergewaardeerd’ element is fosfor, dat de meeste mensen alleen kennen van de koppen van lucifers. In de natuur speelt fosfor (in de vorm van fosfaat) een rol op drie gebieden.
De eerste rol is energieopslag: bij het verteren van voedsel hangen onze cellen een extra fosfaatgroepje aan een adenosine-molecuul. Dat kost energie, en als die energie weer nodig is wordt het fosfaat er weer af gehaald. De tweede rol is isolatie. Onze cellen worden bij elkaar gehouden door membranen die zijn opgebouwd uit fosforvetten. De derde rol is reproductie: fosfor is onmisbaar bij het maken van DNA, de drager van onze genetische code die ervoor zorgt dat onze kinderen volgens hetzelfde bouwplan worden gemaakt als wijzelf.
Komeet 67P zoals gezien vanaf de Rosetta-satelliet (Foto: ESA)
Van deze rollen van fosfor is de eerste de meest universele: virussen hebben bijvoorbeeld geen DNA, en sommige bacteriën (de zogenaamde archaea) hebben andere membranen. Vanwege de belangrijke rol van fosfor voor het leven willen astronomen graag weten waar het fosfor op aarde vandaan komt. Een team van Europese wetenschappers, onder wie ikzelf, heeft begin dit jaar geopperd dat dit waarschijnlijk in de vorm van PO (fosfor-oxide) is. We hebben namelijk ontdekt dat gaswolken rond jonge sterren ongeveer evenveel PO bevatten als de komeet 67P, waar de Europese satelliet Rosetta in 2014 een bezoek aan heeft gebracht.
De aarde is niet speciaal rijk aan fosfor of ijzer, maar het leven heeft er ook niet speciaal veel van nodig. Van andere elementen meer, met name koolstof en zuurstof, maar daarvan is ook meer in het heelal aanwezig. Niet alleen in onze Melkweg, maar in alle spiraalstelsels, en dat is tweederde van alle sterrenstelsels. Alleen in het vroege heelal (ten tijde van de eerste sterren) en in sterrenstelsels waar weinig sterren vormen is (of was) er een gebrek aan de juiste elementen die namelijk in sterren worden gemaakt. Maar bijzonder is de aarde in dit opzicht niet.
Wat maakt de aarde bijzonder?
Qua grootte en samenstelling is de aarde dus vrij gewoon, maar misschien zijn andere aspecten bijzonder? Een hardnekkig misverstand is dat de aarde een vast lichaam is. In feite is alleen de buitenste 40 tot 50 kilometer een harde korst. De overige 6400 kilometer bestaan uit vloeibaar gesteente (de mantel) en metaal (de kern). Als vulkanen uitbarsten komt er materiaal uit de mantel naar het oppervlak. In de kern wordt het magnetische veld opgewekt. Dat maakt niet alleen navigatie met kompassen mogelijk, maar houdt ook gevaarlijke geladen deeltjes uit de ruimte (zogenoemde kosmische straling) tegen. In ons zonnestelsel hebben de meeste planeten zo’n magnetisch veld, dus de unieke sleutel tot leven kan het niet zijn.
De maan Europa is kleiner dan de aarde, maar bevat veel meer water. (Foto: Astronomy Picture of the Day)
Een ander misverstand is dat de aarde heel veel water bevat. De wereldkaart bestaat voor 70 procent uit oceanen, maar van binnen is de aarde droog. De ‘waterkampioen’ van ons zonnestelsel is Europa, een maan van Jupiter. Ook de planeet Mars bevat water, evenals de manen Enceladus en Ganymedes, en de dwergplaneet Ceres. Het bijzondere aan de aarde is dat er water aan de oppervlakte voorkomt. Dit maakt fotosynthese mogelijk, en dus planten, en daarmee dieren. Elders in het zonnestelsel is alleen grondwater, wat eventueel leven beperkt tot bacteriën.
Zijn we nou alleen?
Als het overal zo gaat als hier bestaat buitenaards leven voor 90 procent uit bacteriën en andere eencellige organismen zonder celkern, zoals virussen. De kans op intelligent leven is heel klein, tussen 1 op de miljoen en 1 op de 100 miljoen, afhankelijk waar je de grens van intelligentie precies legt. Van de miljard bewoonbare planeten in de Melkweg bevat dus waarschijnlijk het merendeel bacterieel leven, waarvan honderden miljoenen planten en dieren, en enkele tientallen een vorm van intelligent leven.
Maar waarschijnlijk zijn deze schattingen optimistisch, omdat leven ook kan uitsterven of de evolutie kan stokken. De getallen hierboven zullen met minstens een factor 10 omlaag moeten. Dan blijven er altijd nog een paar planeten met intelligent leven in de Melkweg over. Maar of we die ooit zullen vinden (of zij ons) is maar de vraag…
Fotocredits:
Stromatolieten uit West-Australië (Foto: Didier Descouens – Own work, CC BY-SA 4.0)
Arecibo radiotelescoop (Foto: NAIC)
Komeet 67P zoals gezien vanaf de Rosetta-satelliet (Foto: ESA)
Al het water op Europa (copyright, Illustratie: Kevin Hand (JPL/Caltech), Jack Cook (Woods Hole Oceanographic Institution), Howard Perlman (USGS), via Astronomy Picture of the Day)
