Wetenschap
Ontdekking van biomarkers in de ruimte:omstandigheden op Saturnusmaan Enceladus gesimuleerd in het laboratorium
Het onderzoek hiernaar werd uitgevoerd aan de FU Berlijn, en de hoofdwetenschapper, Dr. Nozair Khawaja, is onlangs verhuisd naar de Universiteit van Stuttgart. Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Philosophical Transactions of the Royal Society A:Mathematical, Physical and Engineering Sciences .
De bakermat van het leven op aarde bevond zich waarschijnlijk in een warmwateropening op de bodem van de oceaan. "In onderzoek spreken we ook van een hydrothermisch veld", legt dr. Nozair Khawaja van het Institute of Space Systems (IRS) van de Universiteit van Stuttgart uit. "Er is overtuigend bewijs dat er op zulke terreinen omstandigheden heersen die belangrijk zijn voor de opkomst of instandhouding van eenvoudige levensvormen."
Het is mogelijk dat dergelijke ventilatieopeningen ook voorkomen op een hemellichaam dat zich naar kosmische maatstaven niet zo ver van onze thuisplaneet bevindt:Saturnusmaan Enceladus. Deze maan heeft een diameter van ongeveer 500 kilometer en het oppervlak is bedekt met een 30 kilometer dikke ijslaag.
In 2005 ontdekten wetenschappers een enorme wolk van ijsdeeltjes boven de zuidpool. Drie jaar later vloog NASA's Cassini-ruimtesonde door deze wolk. De meetinstrumenten van de sonde onthulden iets verbazingwekkends:de samenstelling van de deeltjes suggereert sterk de aanwezigheid van een oceaan met vloeibaar water onder de ijzige korst van Enceladus.
De oceaan van Enceladus bevat organische moleculen
Khawaja werkte samen met planetoloog professor Frank Postberg van de Freie Universität (FU) Berlijn om de gegevens van de Cassini-missie in detail te analyseren. Ze leggen uit:"In 2018 en 2019 zijn we verschillende organische moleculen tegengekomen, waaronder enkele die doorgaans bouwstenen zijn van biologische verbindingen."
De gegevens zijn vastgelegd met een meetinstrument met lage resolutie van Cassini. Niettemin zou dit erop kunnen wijzen dat de oceaan op Saturnusmaan Enceladus vol zit met organische moleculen. "En dat betekent dat het mogelijk is dat daar chemische reacties plaatsvinden die uiteindelijk tot leven kunnen leiden."
Onderzoekers vermoeden ook dat er hydrothermale velden op de bodem van de oceaan van Enceladus liggen. Het was voorheen onduidelijk of de ontdekte organische moleculen in deze velden werden gevormd. Khawaja is samen met zijn collega's Lucia Hortal en Thomas Sullivan op zoek gegaan naar een manier om deze vraag te beantwoorden.
"Daartoe hebben we de parameters van een mogelijk hydrothermisch veld op Enceladus gesimuleerd in het laboratorium van de FU Berlijn", zegt Khawaja, die onlangs is verhuisd van de FU Berlijn naar de Universiteit van Stuttgart. "Vervolgens hebben we onderzocht welke effecten deze aandoeningen hebben op een eenvoudige keten van aminozuren." Aminozuren zijn de fundamentele bouwstenen van eiwitten en de basis van al het leven zoals wij dat kennen.
In de testapparatuur heersten temperaturen van 80 tot 150 graden Celsius en een druk van 80 tot 100 bar, ongeveer honderd keer hoger dan op het aardoppervlak. Onder deze extreme omstandigheden veranderden de aminozuurketens in de loop van de tijd op een karakteristieke manier.
Maar is het überhaupt mogelijk om deze veranderingen te detecteren met de meetinstrumenten op ruimtesondes? Met andere woorden:laten ze een onmiskenbaar kenmerk achter dat we zouden moeten kunnen vinden in de gegevens van Cassini (of toekomstige ruimtemissies)?
Hydrothermische velden laten duidelijke sporen achter in de meetgegevens
Het meetinstrument aan boord van de Cassini-ruimtesonde, de Cosmic Dust Analyzer, analyseert stof- en Enceladus-ijsdeeltjes in de ruimte die zich met snelheden tot 20 kilometer per seconde voortbewegen. De snelle botsingen tussen deze deeltjes zorgen ervoor dat het materiaal verdampt en de moleculen daarin versplinteren. De fragmenten verliezen elektronen en worden vervolgens positief geladen. Ze kunnen naar een negatief geladen elektrode worden getrokken, en hoe lichter ze zijn, hoe sneller ze die bereiken.
Door de transittijd van alle fragmenten te meten, is het mogelijk een zogenaamd ‘massaspectrum’ te verkrijgen. Dit kan vervolgens worden gebruikt om conclusies te trekken over het oorspronkelijke molecuul.
Het is echter lastig om deze meetmethode in het laboratorium toe te passen. "In plaats daarvan hebben we voor het eerst een alternatieve meetmethode gebruikt, LILBID genaamd, op ijsdeeltjes die hydrothermisch veranderd materiaal bevatten", legt Khawaja uit.
‘Dit levert zeer vergelijkbare massaspectra op als het Cassini-instrument. Hiermee hebben we voor en na het experiment een aminozuurketen gemeten. Daarbij kwamen we karakteristieke signalen tegen die werden veroorzaakt door de reacties in ons gesimuleerde hydrothermische veld.’ De onderzoekers zullen dit experiment nu herhalen met andere organische moleculen onder uitgebreide geofysische omstandigheden in de Enceladus-oceaan.
Hun bevindingen maken het mogelijk om in de Cassini-gegevens (of de gegevens van toekomstige missies) naar dergelijke markers te zoeken. Als dit wordt gevonden, zou dit verder bewijs zijn voor het bestaan van een hydrothermisch veld op Enceladus. Dit vergroot ook de kans dat leven zich kan ontwikkelen en overleven op Enceladus.