Scifi-schrijvers weten het wel: het zijn groene mannetjes met grote ogen. Maar hoe denken wetenschappers daar nu over?

Aliens. Al decennialang wordt er gespeculeerd over hoe ze eruit zullen zien. Tijdens de opkomst van de science-fiction werden ze afgebeeld als de typische groene mannetjes met grote ogen, maar nu de ontdekking van buitenaards leven steeds dichterbij komt, krijgen wetenschappers een beter beeld van onze ‘first encounter‘. En nee, het lijkt er niet op dat ze aan de verwachtingen van de scifi-schrijvers voldoen.

Ooit was Mars warm en vochtig en wellicht zelfs leefbaar. Vandaag de dag is de rode planeet koud en droog. Grote vraag is of eventueel buitenaards leven zich op zo'n koude en droge planeet weet te redden. Afbeelding: NASA / The Hubble Heritage Team (STScI / AURA).

Ooit was Mars warm en vochtig en wellicht zelfs leefbaar. Vandaag de dag is de rode planeet koud en droog. Grote vraag is of eventueel buitenaards leven zich op zo’n koude en droge planeet weet te redden. Afbeelding: NASA / The Hubble Heritage Team (STScI / AURA).

In ons zonnestelsel
Onze eigen planeet heeft ideale omstandigheden voor leven. Veel water en andere belangrijke grondstoffen, een vrij constante comfortabele temperatuur en Jupiter beschermt ons tegen veel meteorietinslagen. Deze omstandigheden zijn uniek in ons zonnestelsel en om de equivalent van de groene mannetjes te vinden, zullen we dus ver van huis moeten zoeken. Als we hopen buitenaards leven te vinden in ons eigen zonnestelsel zullen we moeten zoeken in de extreme omstandigheden die planeten en manen in de buurt te bieden hebben. Leven op een met metersdikke laag ijs bedekte maan of een kurkdroge rode planeet lijkt onmogelijk, maar als we kijken in wat voor extreme omstandigheden sommige aardbewoners leven dan wordt buitenaards leven binnen ons zonnestelsel ineens plausibel.

In de kou
Neem Psychromonas. Dit is een bacterie die in arctische gebieden op ijsschotten leeft. Groei van deze bacterie is geobserveerd bij maar liefst -12ºC. Mensen moeten hun lichaamstemperatuur op 37ºC houden, omdat anders hun enzymen te langzaam gaan werken en de stofwisseling tot stilstand komt. Deze bacterie onderhoudt echter een actieve stofwisseling en weet zelfs te groeien in de vrieskou. Hiervoor zijn grote aanpassingen in de moleculaire machinerie van de cel – de eiwitten – nodig. De eiwitten van deze bacteriën bestaan uit flexibele onderdelen, zodat deze op lage temperaturen en dus met weinig energie hun taak nog kunnen uitvoeren. Deze eiwitten zitten zo los in elkaar dat ze op gematigde temperaturen van 20ºC al denatureren (hun ruimtelijke structuur verliezen). -12ºC is de laagste temperatuur waarop nog groei geobserveerd is, maar dit betekent niet dat op nog lagere temperaturen geen leven kan bestaan. Een actieve stofwisseling is gemeten bij temperaturen tot wel -39ºC.

In de hitte
Aan de andere kant van het spectrum staan de thermofielen. Dit zijn organismen die gedijen bij extreem hoge temperaturen. De onderzoeksgroep van persoonlijk hoogleraar dr. Huub op den Camp heeft zo’n thermofiel geïsoleerd uit een modderpoel in een vulkanisch gebied. De modderpoel had niet alleen een hoge temperatuur (55-60ºC), maar was ook nog eens enorm zuur met een pH-waarde van 1! Om in deze omstandigheden te overleven, zijn grote aanpassingen nodig. De mechanistische aanpassingen die nodig zijn om bij die pH te kunnen overleven zijn nog niet helemaal bekend en dit onderzoeken Op den Camp en collega’s dan ook nog. Een lage pH wordt veroorzaakt door een hoge concentratie protonen, ook wel H+. “Normaal wordt een concentratieverschil in protonen gebruikt om ATP (de brandstof van de cel, red.) te genereren, maar in deze bacterie kan dit niet,” aldus professor Op den Camp. Hoe deze bacteriën dan wel ATP genereren is nog niet bekend, maar professor Op en Camp heeft zijn vermoedens. “Waarschijnlijk gebruikt deze bacterie andere ionen, zoals natrium of kalium, om ATP te generen.” Over de aanpassingen aan de hoge temperaturen is meer bekend. Normaal denatureren eiwitten bij deze temperaturen, maar thermofielen maken hun eiwitten extra rigide met behulp van bijvoorbeeld zwavelbruggen. Door deze extra verbindingen is er meer energie en dus een hogere temperatuur nodig om deze eiwitten te ontvouwen.

Niet altijd raak

Wetenschappers vinden micro-organismen in de meest extreme omstandigheden, maar soms is hun ontdekking toch minder extreem dan geclaimd. Zo vond NASA in 2010 in een giftig meer de bacterie Halomonadaceae. Dit meer bevatte een hoge concentratie arsenicum en juist een lage concentratie fosfor. Fosfor is een essentieel onderdeel van DNA en NASA claimde dat deze bacterie zijn DNA niet met fosfor, maar met het arsenicum maakte. Deze ontdekking zou een enorme stap zijn geweest in de zoektocht naar buitenaards leven. Helaas bleek de ‘ontdekking’ uiteindelijk veel minder spannend dan gedacht. De bacterie was arsenicum-tolerant, maar gebruikte het zeker niet voor zijn DNA.

Radioactieve straling als energiebron
De temperaturen waarbij leven kan bestaan, varieert dus van arctische vrieskou tot vulkanische modder. Dit is een best breed scala aan temperaturen die op veel hemellichamen in het zonnestelsel gevonden kunnen worden. Er zijn echter nog meer vereisten dan een goede temperatuur. Voor leven zijn ook de juiste grondstoffen en energie nodig. Voor de meeste aardbewoners is zonlicht de primaire energiebron. Deze energie wordt vastgelegd met behulp van fotosynthese. Ook zijn er micro-organismen die anorganische stoffen als primaire energiebron gebruiken. Desulforudis audaxviator bewijst dat het nog extremer kan. Deze bacterie is gevonden op 3 kilometer diepte in een mijn in Zuid-Afrika. Op deze diepte vind je geen zonlicht om als energiebron te dienen, maar wat je er wel vindt, is uranium en andere radioactieve stoffen. Voor D. audaxviator is de energie die vrijkomt bij het radioactief verval van uranium de primaire energiebron. De radioactieve straling zorgt ervoor dat er moleculaire waterstof en ander biologisch relevante stoffen gevormd worden die D. audaxviator kan gebruiken.

Interessante theorie
De vondst van deze bacterie leidde tot een interessante theorie. Het heelal kent kosmische straling. Deze straling is overal aanwezig en bestaat vooral uit protonen van buiten ons zonnestelsel. Wanneer deze straling in aanraking komt met een atmosfeer ontstaan er meerdere subatomaire deeltjes. Deze deeltjes kunnen, mits ze genoeg energie bevatten, tot diep in de bodem penetreren en dezelfde reacties veroorzaken als de straling van uranium. In theorie zou kosmische straling dus de primaire energiebron voor bepaalde levensvormen kunnen zijn.

“Water is een absolute vereiste voor leven zoals wij dat kennen”

Vloeibaar water
De temperatuur en de energiebron waarop leven kan bestaan, kunnen dus extreme vormen aannemen, maar zoals gezegd zijn er ook nog de juiste grondstoffen nodig. De belangrijkste grondstof voor leven op aarde is water. Bijna alle belangrijke metabolische omzettingen vereisen water. De reacties voor het maken van eiwitten en suikerketens, fotosynthese en veel andere processen; allemaal vereisen ze water. Daarom wordt er ook zo veel moeite gestoken in de zoektocht naar water op Mars. Hard bewijs dat er vroeger of misschien heden ten dage vloeibaar water op Mars stroomt, is een belangrijke aanwijzing voor de mogelijkheid van buitenaards leven op Mars. In de afgelopen jaren zijn er veel missies naar Mars geweest en dat in het verleden vloeibaar water op Mars heeft bestaan achten de betrokken wetenschappers vrijwel zeker. Meer recent bewijs van onder andere de Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) ondersteunt de hypothese dat er vandaag de dag vloeibaar water op Mars aanwezig is. Met behulp van simulaties hebben onderzoekers van het Planetary Science Institute ook aangetoond dat een waterlichaam van 3 meter diep gedurende een heel Marsjaar gedeeltelijk vloeibaar kan blijven.

Saturnus' maan Titan. Afbeelding: NASA / JPL / Space Science Institute.

Saturnus’ maan Titan. Afbeelding: NASA / JPL / Space Science Institute.

Methaan?
Dat water essentieel is voor leven leidden we af uit de organismen die we kennen. Deze aardbewoners gebruiken allemaal water. Dat is eigenlijk ook niet vreemd voor een planeet waar ongeveer 75% van het oppervlak uit water bestaat. Maar wat als er nou leven kan bestaan dat niet gebaseerd is op water, maar een andere vloeistof? Waar de aarde water heeft, heeft Titan methaan. Titan is een maan van Saturnus en kent meren, zeeën en regen. Alleen bestaan deze uit vloeibaar methaan. Het kookpunt van methaan is -164ºC, dus op Titan is het aardig koud. Wetenschappers aan de Cornell University hebben een heel nieuw theoretisch metabolisme bedacht dat kan plaatsvinden op de koude en methaanrijke planeet. Dit metabolisme is gebaseerd op stikstof in plaats van koolstof. Waar celmembranen bij aardbewoners bestaan uit fosfolipiden bestaan membranen bij deze hypothetische aliens uit organische stikstofverbindingen die kunnen functioneren bij -164ºC. Een groot probleem bij deze lage temperaturen is dat chemische reacties enorm vertragen. “Bij zo’n lage temperaturen (op Titan) vertragen chemische omzettingen enorm en zullen organismen zich dus veel langzamer vermenigvuldigen,” aldus Op den Camp. Dit maakt het bestaan van deze hypothetische organismen echter niet onmogelijk.

Een hydrothermale bron in de Atlantische Oceaan. Afbeelding: P. Rona / NOAA (via Wikimedia Commons).

Een hydrothermale bron in de Atlantische Oceaan. Afbeelding: P. Rona / NOAA (via Wikimedia Commons).

Leven op de oceaanbodem
Europa, een maan van Jupiter, is een andere interessante kandidaat voor buitenaards leven. In eerste instantie lijkt dit vreemd, want het gehele oppervlak van deze maan is bedekt met metersdik ijs. Wat deze maan interessant maakt, is dat deze maan geologisch actief is. Dit betekent dat onder al dat ijs veel energie vrijkomt. Ook wordt er vermoed dat zich onder de ijslaag een oceaan van vloeibaar water bevindt.
We weten dat er op de bodem van de aardse oceanen leven is. Dit leven is zeer anders dan aan het oppervlak. Op deze grote diepte dringt geen licht door en dus vindt er ook geen fotosynthese plaats. Er is dus een andere energiebron nodig. Deze energie komt van hydrothermale bronnen. Bij deze bronnen ontsnapt er een heet mengsel van energierijke inorganische stoffen vanuit de aardkern de oceaan in. Rond deze hydrothermale bronnen ontstaan hele ecosystemen. Er bevinden zich garnalen, kokerwormen, krabben en schelpdieren. Deze kunnen de energie van de hydrothermale bron echter niet zelf gebruiken. Waar bij ons planten de energie vastleggen, doen bij de hydrothermale bronnen micro-organismen dit met behulp van chemosynthese. Deze organismen kunnen energierijke zwavelverbindingen gebruiken voor groei. Deze zwavelverbinding kennen wij beter als het stofje dat de geur van rotte eieren veroorzaakt.
Die hydrothermale bronnen op de bodem van de aardse oceanen heeft onderzoekers aan het denken gezet en doen concluderen dat de hierboven genoemde maan Europa dus een interessante kandidaat voor buitenaards leven is. En wel omdat de maan – dankzij zijn geologische activiteit – waarschijnlijk een equivalent van hydrothermale bronnen kent. En de hydrothermale bronnen op de aarde hebben bewezen dat de energie die uit de bronnen komt, leven kan ondersteunen.

Europa, een maan van Jupiter. Afbeelding: NASA.

Europa, een maan van Jupiter. Afbeelding: NASA.

De extreme levensvormen op aarde laten wel zien dat leven mogelijk is onder zeer onherbergzame omstandigheden. Vergelijkbare omstandigheden zijn te vinden op meerdere andere locaties in ons zonnestelsel. Het vele onderzoek op Mars laat ook zien dat leven op deze rode planeet in het verleden en misschien zelfs in het heden tot de mogelijkheden behoort door de aanwezigheid van water. Onze first encounter is dan ook waarschijnlijk niet met groene mannetjes, maar met een micro-organisme dat ergens op een onherbergzame planeet wordt opgeschept door een robot. Ziet deze alien er aards uit? Of toch wereldvreemd? Dat laten we voor nu nog in het midden. Misschien gebruikt het water en fosfolipiden net als wij, maar wellicht lijkt het meer op dat theoretische organisme op de bodem van een vloeibaar methaanmeer.

Bas Cartigny (1993) heeft recentelijk zijn studie biotechnologie afgerond aan de Wageningen Universiteit. Gedurende zijn studie heeft hij zich gespecialiseerd in de microbiologie en de moleculaire biologie. Hij heeft dan ook onderzoek gedaan aan de universiteit in deze richting. Zijn onderzoek richtte zich met name op de het bacteriële immuunsysteem CRISPR-Cas, dat ook gebruikt wordt als tool voor genoommodificatie. Ook heeft hij onderzoek verricht naar schimmels en de implementatie van fotosynthese in E. coli.