Wetenschap
Wat kan de vroege aarde ons leren over de zoektocht naar leven?
De aarde is de enige levensondersteunende planeet die we kennen, dus het is verleidelijk om deze als maatstaf te gebruiken bij de zoektocht naar leven elders. Maar de moderne aarde kan niet dienen als basis voor het evalueren van exoplaneten en hun potentieel om leven te ondersteunen. De atmosfeer van de aarde is de afgelopen 4,5 miljard jaar radicaal veranderd.
Een betere manier is om te bepalen welke biomarkers aanwezig waren in de atmosfeer van de aarde in verschillende stadia van de evolutie en op basis daarvan andere planeten te beoordelen.
Dat is wat een groep onderzoekers uit Groot-Brittannië en de VS deed. Hun onderzoek heet 'De vroege aarde als analoog voor exoplanetaire biogeochemie' en verschijnt op de pre-printserver arXiv . De hoofdauteur is Eva E. Stüeken, een Ph.D. student aan de School of Earth &Environmental Sciences, Universiteit van St. Andrews, VK.
Toen de aarde ongeveer 4,5 miljard jaar geleden ontstond, zag de atmosfeer er niet zo uit als nu. In die tijd waren de atmosfeer en de oceanen zuurstofloos. Ongeveer 2,4 miljard jaar geleden begon vrije zuurstof zich op te hopen in de atmosfeer tijdens de Great Oxygenation Event, een van de bepalende perioden in de geschiedenis van de aarde. Maar de zuurstof kwam van het leven zelf, wat betekent dat er leven aanwezig was toen de atmosfeer van de aarde nog heel anders was.
Dit is niet het enige voorbeeld van hoe de atmosfeer van de aarde in de loop van de geologische tijd is veranderd. Maar het is leerzaam en laat zien waarom zoeken naar leven meer betekent dan alleen zoeken naar een atmosfeer zoals die van de moderne aarde. Als we de zoektocht op die manier zouden uitvoeren, zouden we werelden missen waar fotosynthese nog niet had plaatsgevonden.
In hun onderzoek wijzen de auteurs erop hoe de aarde miljarden jaren lang onder verschillende atmosferische omstandigheden een rijke en evoluerende populatie microben huisvestte.
"Het grootste deel van deze tijd werd de aarde bewoond door een puur microbiële biosfeer, zij het met een schijnbaar toenemende complexiteit in de loop van de tijd", schrijven de auteurs. "Een rijk verslag van deze geobiologische evolutie gedurende het grootste deel van de geschiedenis van de aarde biedt dus inzicht in de detecteerbaarheid van microbieel leven op afstand onder een verscheidenheid aan planetaire omstandigheden."
Het is niet alleen het leven dat in de loop van de tijd is veranderd. De platentektoniek is veranderd en kan lange tijd een 'stagnerende deksel'-tektoniek zijn geweest. Bij stagnerende dekseltektoniek bewegen platen niet horizontaal. Dat kan gevolgen hebben voor de atmosferische chemie.
Het belangrijkste punt is dat de atmosfeer van de aarde niet de zonnenevel weerspiegelt waarin de planeet is ontstaan. Meerdere met elkaar verweven processen hebben de atmosfeer in de loop van de tijd veranderd. De zoektocht naar leven impliceert niet alleen een beter begrip van deze processen, maar ook hoe we kunnen identificeren in welk stadium exoplaneten zich zouden kunnen bevinden.
Het is een vanzelfsprekendheid dat biologische processen een dramatisch effect kunnen hebben op de planetaire atmosfeer. "Op de moderne aarde wordt de atmosferische samenstelling zeer sterk bepaald door het leven", schrijven de onderzoekers. "Elke potentiële atmosferische biosignatuur moet echter worden losgemaakt van de achtergrond van abiotische (geologische en astrofysische) processen die ook bijdragen aan de planetaire atmosfeer en die zouden domineren op levenloze werelden en op planeten met een zeer kleine biosfeer."
De auteurs schetsen wat volgens hen de belangrijkste lessen zijn die de vroege aarde ons kan leren over de zoektocht naar leven.
De eerste is dat de aarde gedurende haar lange geschiedenis feitelijk drie verschillende atmosferen heeft gehad. De eerste kwam uit de zonnenevel en ging kort na de vorming van de planeet verloren. Dat is de primaire sfeer. De tweede ontstond door ontgassing uit het binnenste van de planeet.
De derde, de moderne atmosfeer van de aarde, is complex. Het is een evenwichtsoefening waarbij leven, platentektoniek, vulkanisme en zelfs atmosferische ontsnapping betrokken zijn. Een beter begrip van hoe de atmosfeer van de aarde in de loop van de tijd is veranderd, geeft onderzoekers een beter inzicht in wat ze zien in de atmosfeer van exoplaneten.
De tweede is dat hoe verder we terugkijken in de tijd, hoe meer de rotstekeningen van het vroege leven van de aarde worden veranderd of vernietigd. Ons beste bewijs suggereert dat er 3,5 miljard jaar geleden leven bestond, misschien zelfs 3,7 miljard jaar geleden. Als dat het geval is, heeft het eerste leven mogelijk bestaan op een wereld bedekt met oceanen, zonder continentale landmassa's en alleen met vulkanische eilanden.
Als er tussen 3,5 en 3,7 miljard jaar geleden overvloedige vulkanische en geologische activiteit was geweest, zouden er grote hoeveelheden CO2 zijn geweest en H2 . Omdat dit substraten zijn voor methanogenese, kan methaan overvloedig aanwezig zijn in de atmosfeer en detecteerbaar zijn.
De derde les die de auteurs schetsen is dat een planeet lange tijd zuurstofproducerend leven kan herbergen voordat zuurstof in een atmosfeer kan worden gedetecteerd. Wetenschappers denken dat zuurstofrijke fotosynthese op aarde verscheen in het midden van het Archeïsche tijdperk. Het Archeïsche tijdperk strekte zich uit van 4 miljard tot 2,5 miljard jaar geleden, dus het midden van het Archeïsche tijdperk is ergens rond de 3,25 miljard jaar geleden. Maar zuurstof kon zich pas in de atmosfeer ophopen tijdens de Grote Zuurstofgebeurtenis, ongeveer 2,4 miljard jaar geleden.
Zuurstof is een krachtige biomarker, en als het in de atmosfeer van een exoplaneet wordt aangetroffen, zou dat reden tot opwinding zijn. Maar het leven op aarde bestond al heel lang voordat zuurstof uit de lucht waarneembaar zou zijn geweest.
De vierde les gaat over het verschijnen van horizontale platentektoniek en het effect ervan op de chemie. "Vanaf de GOE zag de aarde er tektonisch hetzelfde uit als vandaag", schrijven de auteurs. De oceanen waren waarschijnlijk gestratificeerd in een anoxische laag en een zuurstofrijke oppervlaktelaag. Door hydrothermische activiteit werd echter voortdurend ijzerhoudend ijzer in de oceanen geïntroduceerd. Dat verhoogde het sulfaatgehalte in het zeewater, waardoor het methaangehalte in de atmosfeer daalde. Zonder dat methaan zou de biosfeer van de aarde veel minder detecteerbaar zijn geweest.
“Planeet Aarde is de afgelopen 4,5 miljard jaar geëvolueerd van een volledig anoxische planeet met mogelijk een ander tektonische regime naar de zuurstofrijke wereld met horizontale platentektoniek die we vandaag de dag kennen”, leggen de auteurs uit. Al die complexe evolutie zorgde ervoor dat het leven kon verschijnen en bloeien, maar het maakt het detecteren van eerdere biosferen op exoplaneten ook ingewikkelder.
We zijn enorm in het nadeel bij de zoektocht naar leven op exoplaneten. We kunnen letterlijk in het oude gesteente van de aarde graven om te proberen de lange geschiedenis van het leven op aarde te ontwarren en hoe de atmosfeer zich in de loop van miljarden jaren heeft ontwikkeld. Als het om exoplaneten gaat, hebben we alleen maar telescopen. Steeds krachtigere telescopen, maar toch telescopen. Terwijl we ons eigen zonnestelsel beginnen te verkennen, vooral Mars en de verleidelijke oceaanmanen die rond de gasreuzen draaien, liggen andere zonnestelsels buiten ons fysieke bereik.
"In plaats daarvan moeten we op afstand de aanwezigheid van buitenaardse biosferen herkennen en hun biogeochemische cycli karakteriseren in planetaire spectra verkregen met grote telescopen op de grond en in de ruimte", schrijven de auteurs. "Deze telescopen kunnen de samenstelling van de atmosfeer onderzoeken door absorptiekenmerken te detecteren die verband houden met specifieke gassen." Het onderzoeken van atmosferische gassen is op dit moment onze krachtigste aanpak, zoals de JWST laat zien.
Maar naarmate wetenschappers betere instrumenten krijgen, zullen ze verder gaan dan alleen de atmosferische chemie. "Misschien kunnen we ook oppervlaktekenmerken op mondiale schaal herkennen, waaronder lichtinteractie met fotosynthetische pigmenten en 'glinstering' die ontstaat door spiegelende reflectie van licht door een vloeibare oceaan."
Het begrijpen van wat we zien in de atmosfeer van exoplaneten loopt parallel met ons begrip van de lange geschiedenis van de aarde. De aarde zou de sleutel kunnen zijn tot onze bredere en versnelde zoektocht naar leven.
"Het ontrafelen van de details van de complexe biogeochemische geschiedenis van de aarde en de relatie ervan met op afstand waarneembare spectrale signalen is een belangrijke overweging voor het ontwerpen van instrumenten en onze eigen zoektocht naar leven in het universum", schrijven de auteurs.