APRIL 2020

De Aarde: zeldzame parel in een onmetelijk heelal?



Het voor ons waarneembare heelal bevat honderden miljarden sterrenstelsels. Elk sterrenstelsel bevat honderden miljarden sterren. Onze Melkweg is één van deze sterrenstelsels met naar schatting rond de 300 miljard sterren. Onze Zon is één van deze sterren. Rond de meeste sterren draaien planeten. Een stel menselijke hersenen kan niet vatten hoeveel planeten er eigenlijk bestaan. Onze planeet Aarde is een miniscuul stofkorreltje (the pale blue dot van Carl Sagan) in een waanzinnige hoeveelheid planeten, met een eindeloze diversiteit. Kan je die ene kleine nietige stofkorrel wel belangrijk vinden?

DE aarde: ééntje uit de biljard?

Pieter Mestdagh

Deze vraag werd eens voorgelegd aan de bekende Franse astronoom Aurélien Barreau in het astronomie tijdschrift Ciel & Espace. ZIjn antwoord? Wel, als één van de acht miljard mensen sterft, maar het is iemand in een ander continent die je niet kent, dan heb je de neiging om dat helemaal onbelangrijk te vinden. Maar als iemand je heel erg dierbaar is en die sterft, dan vind je het plots erg belangrijk! Nochtans is je dierbare voor een gemiddelde chinees die je niet kent even onbelangrijk. Zo is de Aarde voor ons. Als menselijke bewoner van de blauwe planeet (geen goede naam, want Neptunus is veel blauwer) kan je onze planeet alleen maar de belangrijkste vinden.
Maar er is meer aan de hand. We leren onze planeet steeds beter kennen, en we kunnen ze ook steeds beter vergelijken met wat we te weten komen over andere planeten. Op dat vlak leven we nu en in de nabije toekomst in zeer spannende tijden. Meer en meer wetenschappers komen tot het besluit dat onze Aarde met haar complexe levensvormen erg zeldzaam en uniek is. Vooral in de 21ste eeuw groeit de aanhang van deze visie, die door astrobiologen Peter Ward en Donald Brownlee beschreven werd als de Rare Earth hypothese.

 

Meer en meer wetenschappers komen tot het besluit dat onze Aarde met haar complexe levensvormen erg zeldzaam en uniek is

 

PLANTEN EN DIEREN ZIJN NIEUWKOMERS

Als je denkt aan de planeet Aarde, dan is de kans groot dat je een paradijselijk beeld in gedachten hebt. Een complexe en indrukwekkende planeet die zowel in de oceanen als op het land – en zelfs in de lucht - wemelt van het leven. Een eindeloze diversiteit aan ecosystemen vol planten en dieren. Waar je ook komt, het water- en landleven heeft zich op de meest ontzagwekkende manieren aangepast aan de heersende omstandigheden. Alleszins een paradijs voor biologen dus, al betreuren velen dat de populatie-explosie van de meest succesvolle diersoort ooit op Aarde – Homo sapiens – stilaan dit paradijs (gedeeltelijk) vernietigt. En de huidige biodiversiteit is dan nog maar het topje van de ijsberg. Uit fossiele vondsten blijkt dat de aardse geschiedenis al honderden miljoenen jaren allerlei vreemde planten en dieren voortgebracht heeft waarvan de meesten al uitgestorven zijn.

 

Uit fossiele vondsten blijkt dat de aardse geschiedenis al honderden miljoenen jaren allerlei vreemde planten en dieren voortgebracht heeft waarvan de meesten al uitgestorven zijn

 

Slechts weinigen zullen bij ‘planeet Aarde’ een beeld in gedachten hebben van schijnbaar kale rotsen en lege oceanen, waar geen enkele plant- of diersoort te bespeuren valt. Toch is dit een correct beeld voor de eerste vier miljard jaar van haar bestaan. Was er dan geen leven in al die tijd? Jawel, maar het was alleen maar microscopisch. Het fossielenbestand waarvan hierboven sprake is, is uitsluitend gevormd in de voorbije 600 miljoen jaar.
Men weet niet precies wanneer het leven op Aarde ontstaan (of aangekomen) is. De eerste harde bewijzen zijn ongeveer 3,8 miljard jaar oud, maar er zijn verschillende aanwijzingen dat het nog eerder ontstaan is. Vrijwel meteen na het ontstaan van de eerste cellen is er een opsplitsing gekomen in twee grote groepen: de Bacteria en de Archaea. Beiden zijn niet meteen te onderscheiden van elkaar onder de microscoop. Ze verschillen wel heel duidelijk in biochemische strategieën en in DNA code. We zullen ze in de rest van het artikel samen ‘bacterie-achtig leven’ noemen.

 

COMPLEX LEVEN IS SLECHTS TIJDELIJK

Bacterie-achtig leven is er nooit in geslaagd om zoals complexer leven (complexe eencelligen, zwammen, planten en dieren) een veelheid in vormen voort te brengen. Bacterie-achtigen zijn nochtans niet minder divers. Maar hun diversiteit en veelzijdigheid is te zoeken in hun biochemie. Veel beter dan het complex leven zijn ze er zo in geslaagd om de meest extreme plaatsen op Aarde te bewonen: in kokend water, kilometers onder de grond, vanbinnen in gletsjers en poolijs, enzoverder. Maar hun morfologie is steeds beperkt gebleven tot eenvoudig ogende (meestal zeer kleine) cellen. Ze hebben bovendien het oppervlak en de atmosfeer van de Aarde grondig beïnvloed. Zo is fotosynthese bijvoorbeeld ‘uitgevonden’ door cyanobacteriën. Deze grote, wereldwijde en diverse groep heeft daarmee zuurstofgas op Aarde gebracht. Vrije zuurstof is één van de factoren die nodig was om het ontstaan en ontwikkeling van complex leven mogelijk te maken. Maar ondanks hun succes blijft het een feit dat we moesten wachten tot 600 miljoen jaar geleden alvorens de Aarde haar huidige ecosystemen begon te ontwikkelen, en dus bevolkt werd door macroscopisch leven.

 

De huidige klimaatcrisis op mensenschaal is in de lange termijn trends van de aardse geschiedenis een totaal onopgemerkt fait divers. Ook al zal het voor de komende generaties mensen waarschijnlijk wel een bron van verregaande miserie zijn

 

En het wordt nog gekker, want dankzij de ontwikkeling van onder meer de systeemwetenschappen kennen we ook steeds beter de toekomst van het leven op onze planeet. Systeemwetenschappen zijn multidisciplinaire onderzoeken die de planeet of een ecosysteem ervan bestuderen als één samenhangend en complex geheel met eigen kenmerken die afwijken van de aparte onderdelen. Men is hiermee voorzichtig begonnen in de jaren 1970, maar vooral in de 21ste eeuw hebben ze intensief tot nieuwe inzichten geleid. Zo werd ontdekt dat complex leven (vooral planten en dieren) nog maximaal 500 miljoen jaar kunnen voortbestaan op de Aarde. Er is immers een trend over miljarden jaren van dalende CO2 concentraties. CO2 is de voedselmolecule van alle planten en groene eencelligen die aan fotosynthese doen. Onder een bepaalde drempelwaarde van CO2 in de lucht en in de oceanen wordt fotosynthese onmogelijk. Het mag duidelijk zijn dat er zonder fotosynthese ook geen voedsel meer zal zijn voor dieren. Op die manier zal het complex leven zichzelf uithongeren en dus integraal uitsterven. Deze toekomst is onvermijdelijk, een boodschap die misschien ietwat vreemd overkomt in een tijd dat mensen bezorgd zijn om hun verhoogde CO2 uitstoot. Maar het één heeft natuurlijk niets met het ander te maken. Zowel in tijd als in hoeveelheden (concentraties CO2) werken beide fenomenen met een totaal andere grootte-orde. De huidige klimaatcrisis op mensenschaal is in de lange termijn trends van de aardse geschiedenis een totaal onopgemerkt fait divers. Ook al zal het voor de komende generaties mensen waarschijnlijk wel een bron van verregaande miserie zijn.

 

Dankzij de ontwikkeling van onder meer de systeemwetenschappen kennen we steeds beter de toekomst van het leven op onze planeet. Zo werd ontdekt dat complex leven (vooral planten en dieren) nog maximaal 500 miljoen jaar kunnen voortbestaan op de Aarde

 

Na de CO2 uithongering van planten en dieren keert onze planeet terug naar de toestand van de eerste miljarden jaren, met uitsluitend bacterie-achtig leven. De schijnbaar kale rotsen en lege oceanen zijn dan terug voor alweer een drie miljard jaar. Daarna zal de Aarde zo warm worden (door het langzaam warmer worden van de Zon), dat alle oceanen gaan verdampen. Dan krijgen we een tweede Venus: een totaal uit de hand gelopen broeikasplaneet waarop alle water eerst verdwijnt naar de hogere atmosfeer, en nadien ontsnapt in de lege ruimte. De Aarde zal achterblijven als een dode en uitgedroogde hete bol steen, die nog eens een à twee miljard jaar later zal opgeslokt worden door de Zon. Net zoals andere sterren die niet meer dan acht keer de massa van de Zon hebben, zal de Zon immers op het einde van haar leven opzwellen tot een gigantische rode reus. Zo groot, dat zelf de aardbaan erin verdwijnt.

 

De Aarde zal achterblijven als een dode en uitgedroogde hete bol steen, die nog eens een à twee miljard jaar later zal opgeslokt worden door de Zon

 

THE AGE OF THE ANIMALS

Ons beeld van de Aarde als paradijs van planten en dieren is dus niet representatief voor het grootste deel van haar geschiedenis. In de 10-11 miljard jaar van haar bestaan is er maar 1 miljard jaar sprake van uitgebreide ecosystemen die bevolkt zijn door complex en macroscopisch leven. Meer nog, de biodiversiteit is vanaf 600 miljoen jaar terug tot onze huidige tijd blijven toenemen, en zal in de komende honderden miljoenen jaren vermoedelijk terug afnemen. Dat betekent dat wij vandaag leven in een absolute climaxperiode. Peter Ward spreekt van the age of the animals. In deze bijzondere biologische periode is er voor het eerst op aarde een intelligent dier ontstaan. Of toch een intelligenter dier dan de andere dieren: de mens. Slechts 200.000 jaar na het ontstaan van de Homo sapiens is dit dier uitgegroeid tot een extreem succesvolle soort in termen van populatie-ecologie. Je kan je veel ethische vragen stellen bij de huidige geëxplodeerde populatie van deze slimme aap, maar het is zeker een fenomeen dat de planeet Aarde nog specialer maakt. Peter Ward gaat verder in deze redenering. Volgens hem is het ontstaan van een intelligent dier een unieke kans voor onze planeet. Want het lot dat het complex leven moet ondergaan kan enkel door een intelligent dier gewijzigd worden. Hij pleit voor ingrijpen: de mens moet leren om de hele planeet te engineeren, zodat we de toekomst van de aarde mét complex leven kunnen veilig stellen. Liefst op heel lange termijn. Dit is eveneens een pleidooi om een andere planeet (Mars natuurlijk) te koloniseren. Want als je twee planeten hebt om te engineeren, dan mag het al één keer mis gaan. Bovendien is het terraformen van Mars (de omstandigheden op Mars omvormen totdat het leefbaar wordt voor aards leven) een ideale oefening.

 

Slechts 200.000 jaar na het ontstaan van de Homo sapiens is dit dier uitgegroeid tot een extreem succesvolle soort in termen van populatie-ecologie. Je kan je veel ethische vragen stellen bij de huidige geëxplodeerde populatie van deze slimme aap, maar het is zeker een fenomeen dat de planeet Aarde nog specialer maakt

Dit zijn verregaande conclusies, maar laat ons even teruggaan naar het ontstaan van complex leven op Aarde. Het wordt binnenkort erg belangrijk om deze cruciale ontwikkeling te begrijpen, want we gaan in de komende jaren steeds meer kunnen waarnemen van exoplaneten. Dit zijn planeten die rond een andere ster dan de Zon draaien. Als we al ergens complex leven hopen te vinden, is het op een exoplaneet. We sluiten zeker niet uit dat er leven gevonden wordt op Mars of op de ijsmanen rond Jupiter en Saturnus, maar daar zal het dan meer dan waarschijnlijk over bacterie-achtig leven gaan.

 

VAN EENVOUDIG NAAR COMPLEX: TRAAG EN MOEIZAAM

Het complex leven op Aarde is begonnen met het ontstaan van eukaryoten (‘echte celkern’). Dit zijn levende wezens die veel complexere cellen opbouwen dan de bacterie-achtigen of prokaryoten (‘voorafgaand aan celkern’). Als je een prokaryoot met een fiets vergelijkt, dan heeft een eukaryoot de afmeting en complexiteit van een groot passagiersvliegtuig of zelfs een Space Shuttle.
Eukaryoten zijn waarschijnlijk ontstaan ongeveer 1,2 miljard jaar geleden. Ze werden gevormd door een bijzondere samenlevingsvorm tussen een bacterie-soort en een archaea-soort. Meer bepaald gingen de bacteriën in de cel van de archaea gaan leven, waarbij beide levensvormen voordeel hadden (= endosymbiose). De bacteriën binnen in de cel ontwikkelden zich als (zuurstofverbruikende) energie fabriekjes van de moedercel. Elk van je lichaamscellen zit volgepropt met dergelijke energie leveranciers: mitochondriën. Door deze bijzonder vreemde samenlevingsvorm is de moedercel allerlei nieuwe kenmerken gaan ontwikkelen die veel complexer zijn dan de vroegere prokaryoten. Hoe dit verklaard kan worden, heeft Nick Lane uitgebreid beschreven in zijn baanbrekend boek The vital question (2016). Een absoluut standaardwerk voor lezers die zich hierin willen verdiepen.

 

Pas ongeveer 600 miljoen jaar na het ontstaan van de eerste eukaryoten zijn de meercellige planten en dieren tot ontwikkeling gekomen. Er is nog volop onderzoek bezig om te achterhalen waarom dat zo lang geduurd heeft. Men wil immers weten of dit een toevallige evolutie was, of misschien een voorspelbare kentering in de ontwikkeling van leven. Het woord voorspelbaar is hier van cruciaal belang, want we moeten weten of dit patroon ook verwacht kan worden op andere leefbare planeten of manen. Maar het is vrij duidelijk dat een hoge concentratie aan zuurstofgas (O2) één van de bepalende factoren was bij het ontstaan van meercellig complex leven.

 

HOOFDROL VAN ZUURSTOF

Zuurstofgas wordt op Aarde al meer dan 3,5 miljard jaar geproduceerd, door de Cyanobacteriën. In het begin werd alle zuurstof afgebroken door oxiderende stoffen. Gereduceerd ijzer bijvoorbeeld (Fe2+) zat opgelost in de oceanen, en werd geoxideerd ijzer of roest (Fe3+) dat op de bodem neerslaat. In geoxideerde vorm is het niet meer oplosbaar in water. Als het opgelost ijzer grotendeels geoxideerd was, is vrije zuurstof heel erg langzaam beginnen toenemen in de zee en nadien in de lucht. Het werd immers niet allemaal meer afgebroken. Rond 2,4 miljard jaar geleden begon de toegenomen zuurstofconcentratie het meeste leven op Aarde te vergiftigen. Deze periode heet de Great Oxidation Event of ook wel de grootste vergiftiging van de Aarde ooit. Bijna alle leven van die tijd kon niet tegen zuurstofgas, een zeer reactieve molecule. Levensvormen van die tijd bestaan nog in de diepzee en in andere zuurstofloze omgevingen, zoals in je lichaam. Maar ondanks dit soort drama’s heeft het toch nog geduurd tot 600 miljoen jaar geleden dat het zuurstofgehalte in de atmosfeer steeg tot meer dan 10%. Er zijn nadien pieken geweest tot 30-35%. Het is dankzij die hoge waarden dat meercellig leven kon ontwikkelen.

 

ZUURSTOF OP MARS?

Heel dit verhaal is bijzonder interessant om te vergelijken met Mars. De rode kleur van het Marsoppervlak komt van geoxideerd ijzer! Nu is vrije zuurstof niet de enige molecule die ijzer kan oxideren. Toch kunnen we ons afvragen of er misschien net zoals op Aarde een tijd geweest is dat er fotosynthetische bacteriën leefden op Mars. We weten dat Venus, Aarde en Mars alle drie leefbare planeten waren kort na hun ontstaan, vanaf 4,6 miljard jaar geleden. Bij Venus is het vrij snel ontspoord, al weten we niet heel precies wanneer en hoe. Door een runaway greenhouse effect is deze planeet omgevormd tot een gloeiend hete hel. Mars heeft 1 à 2 miljard jaar lang vloeibaar water gehad op de oppervlakte, en een leefbaar klimaat. Stel dat ook daar fotosynthese ontstaan is bij bacterie-achtig leven. In dat geval kon vrije zuurstof zich veel sneller opstapelen in de oceanen en in de atmosfeer. Mars kent namelijk geen platentektoniek, dus oxiderende stoffen zoals gereduceerd ijzer (Fe2+) konden niet terug aangevuld worden eens ze allemaal geoxideerd waren. We kunnen daarom niet uitsluiten dat er misschien een zuurstofpiek geweest is boven de 10%. Zou er dan ook een ontwikkeling van complex leven op gevolgd zijn? Dit idee is volledig hypothetisch, en we hebben er geen bewijzen voor. Maar we kunnen het evenmin uitsluiten. Wat wel zeker is: Mars is na verloop van tijd het grootste deel van haar atmosfeer kwijtgeraakt.

 

Er bestaat enige hoop voor toekomstig Marsonderzoek om in fossiele resten meer te vinden dan sporen van bacterieel leven

 

Daardoor is ook het vloeibaar water weg gekookt op de oppervlakte. Bij de huidige atmosfeer met luchtdruk 0,006 atm (luchtdruk op Aarde is 1 atm), begint water reeds te koken vanaf 0°C. En als je niet dicht bij de polen bent, komt een dergelijke temperatuur bijna dagelijks voor.
Er bestaat dus enige hoop voor toekomstig Marsonderzoek om in fossiele resten meer te vinden dan sporen van bacterieel leven. Dit vergt natuurlijk wel een intensieve zoektocht waarvoor mensen best ter plaatse moeten aanwezig zijn ...

 

GOLDILOCKS PLANET: ALLES IS ‘JUIST GOED’

Bovenstaande hypothese over complex leven op Mars zit vol met onzekerheden. De Rare Earth theorie stelt dat bacterie-achtig leven vermoedelijk wijd verspreid is in gans het heelal, maar dat complex leven waarschijnlijk uiterst zeldzaam is. Dan is er in honderden lichtjaren om ons heen geen complex leven aan te treffen. Dus ook geen intelligent leven. Maar het heelal is natuurlijk enorm veel groter dan dat.
Waarom kan het dan wel op Aarde bestaan? Wat maakt onze planeet zo bijzonder? Het antwoord zit in een combinatie van veel verschillende factoren, die allemaal ‘precies goed’ moeten zijn. Het klimaat mag geen drempelwaarden overschrijden gedurende miljarden jaren. De hoeveelheden land en water en de verhouding tussen beide moeten precies goed zijn. De hoeveelheid lucht in de atmosfeer mag niet teveel afwijken van de huidige, zodat water in zijn drie vormen kan bestaan: ijs, vloeistof, damp. De planeet moet net genoeg geologische activiteit hebben, zodat er steeds platentektoniek en vulkanisme is, maar ook niet teveel. De rotatie van de planeet rond zichzelf en de gekantelde rotatie-as moeten stabiel zijn. Onze Maan is net zwaar genoeg om hieraan bij te dragen. Er mogen geen enorme meteoriet inslagen zijn tijdens de miljarden jaren dat het leven zich ontwikkelt. Onder meer de aanwezigheid van Jupiter zorgt hiervoor, want deze reuzeplaneet vangt heel veel brokstukken die dus niet naar onze Aarde kunnen vallen. Een gigantische meteoriet kan de Aarde in één keer volledig steriliseren, en dan moet de ontwikkeling van leven weer van vooraf aan beginnen. Zo zijn er nog een aantal factoren die net goed zijn om ontstaan van complex leven mogelijk te maken. Een goede samenvatting hiervan is te vinden in de cursus astrobiologie deel 1 op de website van de UGENT Volkssterrenwacht Armand Pien.

 

EÉN GEKEND GEVAL VAN LEVEN: HOE LANG NOG?

Onze levende planeet is dus heel speciaal. De Rare Earth theorie verklaart meteen waarom we nog geen tekenen van intelligent leven gevonden hebben in ons deel van het Melkwegstelsel. We zijn te uniek, en we bestaan naar kosmische normen maar heel erg kort. Er zijn nog veel andere hypothesen die de afwezigheid van intelligente boodschappers verklaren. Een meer creatieve theorie is de natuurreservaat hypothese (zie kader). Hoe dan ook, we leven in spannende tijden. Er vertrekken binnenkort meerdere nieuwe sondes naar ijsmanen van Jupiter en Saturnus. Deze manen bestaan grotendeels uit water. Langs de buitenkant is het bevroren, maar daaronder zit een oceaan die meer vloeibaar water bevat dan de Aarde. Ook op Mars maken we kansen om in de komende tien-twintig jaar eenvoudige levensvormen te ontdekken. En de lancering van de James Webb Space Telescope in 2021 zal toelaten dat we voor eerst atmosferen gaan onderzoeken van exoplaneten. Anders gezegd: de kans is zeer groot dat de mensheid binnenkort de allereerste keer buitenaards leven zal vinden. Dan is het hek van de dam. Want dan kunnen heel wat opwindende hypothesen uit de astrobiologie eindelijk getoetst worden op meer dan één planeet.

 

De kans is zeer groot dat de mensheid binnenkort de allereerste keer buitenaards leven zal vinden. Dan is het hek van de dam

 

DE NATUURRESERVAAT HYPOTHESE

Deze hypothese is één van de mogelijke verklaringen waarom wij in onze decennialange zoektocht in het heelal nog steeds geen spoor gevonden hebben van intelligent leven buiten de Aarde.

Op Aarde zelf zijn er nog maar weinig plaatsen waar je oer-natuur kan vinden, een natuurlijk ecosysteem dat door de mens nog niet gewijzigd werd. Als we zulke oorspronkelijke plekjes kennen, dan gaan mensen proberen om het af te bakenen en te beschermen als erfgoed. Soms wil men om behoudsredenen een reservaat ontoegankelijk maken: niemand mag er nog in.

Misschien bestaat er rondom ons in het Melkwegstelsel overal intelligent leven dat technisch veel meer ontwikkeld is dan ons. Zij beschouwen het Zonnestelsel en de Aarde mogelijks als natuurlijk erfgoed. Misschien hebben ze ons zonnestelsel afgebakend als een reservaat waarmee niemand contact mag opnemen. Dit om het risico te vermijden dat aardbewoners zich zouden ontwikkelen. Dan verlies je namelijk de eigenschappen van een oerplaneet met een ‘onontwikkeld intelligent dier’.

 

Pieter Mestdagh is opgeleid als bioloog aan de UGENT. Na een periode van 13 jaar bioloog-projectleider bij het Vlaams gewest voor Landinrichting, maakte hij de sprong naar wetenschaps-educatie en wetenschaps-communicatie. Een korte tijd was hij leraar wetenschappen in tweede en derde graad secundair onderwijs. Nadien werkte hij voor de Education Office van de Europese ruimtevaartorganisatie, aan het scholenprogramma van ESA. In januari 2018 werd hij deel van het personeelsteam van de UGENT Volkssterrenwacht Armand Pien. Zijn specialisatie is ruimtevaart en astrobiologie.

Wil je de papieren versie van De Geus thuis ontvangen? klik hier voor meer informatie.