Het thema leeft, zo veel is wel duidelijk. Op 10 december hopen de Zwitserse astronomen Michel Mayor en Didier Queloz de Nobelprijs voor Natuurkunde te ontvangen voor hun vondst van de eerste planeet buiten het zonnestelsel in 1995. Momenteel zijn er al zo’n 4000 exoplaneten bekend.

Wekelijks, zo niet dagelijks komen er juichverhalen in het nieuws dat er weer een exoplaneet is gevonden. Maar geen mens zal ooit een stap op zo’n planeet zetten. „Het probleem is de enorme afstand. We zijn honderden miljoenen dagen onderweg om er te komen, en die tijd hebben we gewoon niet”, zei Mayor tegen persbureau APF toen bekend werd dat de Nobelprijs hem was toegewezen.

Dit najaar lanceert de Europese ruimtevaartorganisatie ESA de Cheops, een nieuwe satelliet die informatie moet gaan verzamelen over exoplaneten die rond heldere sterren cirkelen. „Die kennis brengt ons dichter bij ons doel om op een dag een planeet te ontdekken die dezelfde eigenschappen heeft als de aarde; en mogelijk net zo goed in staat is om leven te herbergen”, meent projectmanager Christopher Broeg, astrofysicus van de universiteit van Bern. De vraag waar bijna alle planeetonderzoek om draait, is: is er water aanwezig?

Dat leven heel wat meer vereist dan de aanwezigheid van water alleen is ruimschoots bekend uit het project Biosphere 2. Dat is een nagebouwd aards ecosysteem waarin acht mensen twee jaar lang afgesloten van de buitenwereld zouden proberen te overleven. Om Biosphere 2 te laten functioneren moeten duizend sensoren elke vijftien minuten de omstandigheden registreren. De eerste missie, die op 26 september 1991 van start ging, liep uit op een fiasco. Het zuurstofgehalte daalde dramatisch en de bewoners hadden voortdurend honger, doordat veel planten doodgingen.

John Adams, adjunct-directeur van het Biosphere 2-project, geeft op nieuwssite Motherboard toe dat mensen het aardse ecosysteem nooit helemaal zullen kunnen imiteren. Het is te complex. „Het is onthutsend wanneer je beseft hoe weinig we echt van die systemen begrijpen.”

Gastvrij

Uit Biosphere 2 blijkt wel hoe bijzonder de aarde eigenlijk is. De kans dat er zo’n bewoonbare aarde bestaat, is volgens een schatting van tijdschrift Wetenschap in Beeld maar 0,0000000000078125 procent. Ontzettend klein dus.

Vanuit het heelal bezien is de aarde niet meer dan een minuscuul stipje. Maar het is wel de enige bekende planeet waarop zich leven bevindt. „De meeste evolutionaire ideeën laten leven beginnen met eencelligen. Maar waar kwamen die miniatuurwonderen op ”ruimteschip aarde” eigenlijk vandaan?” vragen Henri Richter en David Coppedge zich af in hun boek ”Spacecraft Earth”. Coppedge is net als Richter oud-medewerker van de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA.

Alle leven op aarde is gebaseerd op koolstof. Daarmee zijn miljoenen soorten organische moleculen samen te stellen, zoals eiwitten, aminozuren, alcoholverbindingen, enzymen, vetten en koolwaterstoffen. Veel moleculen op basis van koolstof zijn fragiel, kwetsbaar voor schade door hitte, kou, hoogenergetische deeltjes, ultraviolet licht en chemische reacties.

„Er moeten dus vanaf het eerste moment mechanismen bestaan die het beginnende leven beschermen”, weet Richter. Vanaf het allereerste begin moet een cel starten met energieproductie, stofwisseling, groei, opname van voedingsstoffen en uitscheiding van afvalstoffen. „Gebrek aan voedingsstoffen leidt tot zelfvernietiging van de cel.”

Silicium

Sommige astronomen hebben gesuggereerd dat leven ook mogelijk zou zijn op basis van silicium. Maar het aantal moleculen dat daarmee gemaakt kan worden, is zeer beperkt. „Silicium kan slechts 55 stoffen vormen met waterstof; dit valt in het niet bij de 29.019 van koolstof”, schrijven de Australische astronomen Geraint Lewis en Luke Barnes in hun boek ”A Fortunate Universe”. Leven elders in het heelal zou logischerwijs ook gebaseerd moeten zijn op koolstofverbindingen. Daarnaar zijn astrobiologen nog steeds op zoek.

Teams van de NASA en de University of New South Wales (UNSW) in Australië hebben onlangs diep in de grond restanten van stromatolieten gevonden: samenklonterende micro-organismen die worden beschouwd als de oudste organismen op aarde. De koolstofhoudende –organische– stof zou 3,48 miljard jaar oud zijn, schat geoloog Raphael Baumgartner van UNSW in vakblad Geology van vorige maand. „Dit zou ons kunnen helpen begrijpen waar leven (…) op andere planeten zou kunnen opstarten.”

Lewis en Barnes betogen echter dat niemand precies weet wat leven is. „Laat staan hoe het zich heeft gevormd.” Het proces dat het leven in gang zette, is zo onwaarschijnlijk dat het zich maar één keer in een sterrenstelsel kan voordoen, of minder, menen de Australische astronomen. „Onze natuurkunde is gewoon te simpel om iets als leven te kunnen beschrijven.”

Alle leven, ook de simpelste levensvorm, bestaat uit informatie, de ‘software’ en de ‘data’ die vastliggen in het kwetsbare DNA. Dit DNA is nodig om talloze processen in de cel te sturen. Hoe zulke informatie bij toeval kan ontstaan, is onbekend. „Er is geen natuurkundige wet bekend die informatie kan voortbrengen uit niets”, stelt de Australische wetenschapper Paul Davies. In tijdschrift New Scientist klaagt hij: „Hoe kunnen die stomme cellen spontaan hun eigen software hebben geschreven? Niemand die het weet.” Informatie is dan ook afkomstig van een informatiebron, betoogt Richter.

Chemisch wonder

De cel mag dan in de biologie een simpel voorwerp zijn, hij is een „wonder van complexiteit, een chemisch wonder”, menen Lewis en Barnes. „Een cel kan binnen twintig minuten een volledig werkende kopie van zichzelf produceren. Een moderne computer kan heel wat, maar dat toch echt niet.” Richter: „De mogelijkheid dat zo’n cel spontaan bij toeval ontstaat, tart elke realistische kansberekening.” Hoe dergelijk leven op aarde terecht is gekomen, is dan ook een buitengewoon moeilijk wetenschappelijk probleem.

Een planeet moet over heel veel bijzondere eigenschappen beschikken om leven mogelijk te maken. Zoals voldoende aantrekkingskracht om een atmosfeer vast te houden. Maar de dampkring moet niet zo’n sterke druk veroorzaken dat die alles op de planeet vermorzelt.

„Onze atmosfeer bevat zuurstof om stofwisseling in onze cellen mogelijk te maken. Een atmosfeer van pure zuurstof zou te rijk zijn voor de cellen, die zouden erdoor worden vernietigd, terwijl er op het land catastrofale bosbranden zouden ontstaan. Het lijkt erop dat de mix van zo’n 20 procent zuurstof en 80 procent stikstof ideaal is voor leven zoals wij dat kennen”, verklaart Richter.

Die atmosfeer beschermt de planeet ook tegen gevaarlijke straling van zijn ster. De zon straalt ultraviolet licht uit, dat levende cellen kan beschadigen. Maar de aardse atmosfeer filtert het meeste uv-licht er weer uit.

Een sleutelfactor die een planeet beschermt tegen de vernietigende effecten van zijn ster is een magnetisch veld. Het magnetisch veld van de aarde houdt de stroom van elektronen en protonen uit de zon tegen zodat deze de aarde niet raken. Dat magnetische veld mag niet te sterk en niet te zwak zijn. Is het te sterk, dan zou het de korst van de planeet uiteenscheuren. Een te zwak veld houdt niet genoeg deeltjes van de ster tegen.

Een andere voorwaarde voor leven is de snelheid waarmee een planeet om zijn as draait. Een planeet die elk uur volledig ronddraait, geeft levende organismen te weinig tijd voor rust en activiteit. Bij een rotatiesnelheid van eenmaal per maand zijn de dagen en nachten veel te lang. Richter: „Op aarde is het eigenlijk precies goed met dagen van 24 uur.”

Leven is ten slotte sterk afhankelijk van vloeibaar water. „Het meeste leven komt voor op plaatsen waar de temperatuur ergens varieert tussen het vriespunt en het kookpunt van water”, vervolgt de Amerikaan. „Was de gemiddelde afstand tot de zon 5 procent groter, dan zou al het water op aarde bevriezen. Als de aarde zich 5 procent dichter bij de zon zou bevinden, zou de aarde veranderen in een onleefbare sauna.”

De maan is voor het leven op aarde niet minder belangrijk. Hij heeft ruwweg een aantrekkingskracht van een zesde van die van de aarde. Daardoor voorkomt de maan dat de aardas heen en weer gaat slingeren. In dat geval zouden er geen seizoenen mogelijk zijn.

Door zijn zwaartekracht veroorzaakt de maan getijden op aarde: hij trekt vooral het water van de oceanen op aarde aan. Door de getijden mengt het water van de oceanen zich op verschillende diepten. Een te kleine maan zou het leven op aarde sterk verarmen doordat er nauwelijks eb en vloed zou optreden. Met een te grote maan zou het vloedwater over de continenten spoelen en een enorme erosie veroorzaken. De aarde zou onleefbaar worden.

Hoe kan dit unieke samenspel tussen de aarde, de zon en de maan bij toeval zijn ontstaan? Al die variabelen moeten immers ook nog eens allemaal tegelijk aanwezig zijn voor een en dezelfde planeet.

Bijzonder

Het lijkt er veel op dat de aarde speciaal voor de mens is ingericht. De Amerikaanse hoogleraar aardwetenschappen Robert Hazen merkt in zijn boek ”The Story of Earth” (2012) op dat Mars slechts 500 soorten mineralen kent en Venus 1000, maar de aarde meer dan 4600. Twee derde van de mineralen op aarde kan niet bestaan in een wereld zonder leven; ze hebben onder meer de hedendaagse technologische samenleving mogelijk gemaakt.

Het bestaan van één bewoonbare planeet is al bijzonder. Richter: „Laat staan dat ongerichte evolutie er leven kan brengen van een schoonheid en complexiteit zoals we die op aarde vinden.”

De Amerikaan constateert dat er bij de NASA nogal wat wensdenkers werken die enorm veel geld steken in de zoektocht naar leven elders in het heelal. „Tegen alle redelijke kansen in. Waarom? Alleen vanwege de onderliggende filosofie dat tijd en toeval –de twee poten waarop de evolutietheorie rust– alle leven op aarde hebben geproduceerd. Maar niemand heeft ooit aangetoond dat toevallige processen leven kunnen voortbrengen. Op aarde niet, en zeker elders in het heelal niet.”

Spacecraft Earth. A Guide for Passengers, dr. Henry Richter en David F. Coppedge; uitg. Creation Book Publishers, Powder Springs, 2017; ISBN 9781942773481; 168 blz.; € 9,-

A Fortunate Universe. Life in a Finely Tuned Cosmos, Geraint F. Lewis en Luke. A. Barnes; Cambridge University Press, Cambridge, 2019; ISBN 9781107156616; 374 blz.; € 20,-

…

Kleine kans op bewoonbare planeet

Om leven mogelijk te maken moet een planeet zich een baan in een leefbare zone rond zijn centrale ster bevinden. Maar dat is niet genoeg. Hij moet aan elf andere kenmerken voldoen. Dan nog is de lijst niet compleet.

De ster moet zich bevinden in een smalle band aan de buitenkant van zijn melkweg en meedraaien met de melkweg om botsingen met andere sterren te voorkomen.

De ster moet zich rustig gedragen. Een zogeheten G2-ster zoals onze zon is ideaal.

De ster mag geen extreme zonnewind produceren die de atmosfeer van de leefbare planeet vernietigt.

De planeet moet een vrijwel constante afstand hebben tot zijn ster voor een stabiele plaats in de leefbare zone; dus geen sterk elliptische baan.

De leefbare zone mag niet sterk wisselen.

De leefbare zone moet lang genoeg bestaan om leven in stand te houden.

De chemie op de planeet en de hitte-uitstraling moeten de beschikbaarheid van vloeibaar water mogelijk maken.

De planeet moet ioniserende straling van zijn ster uitfilteren.

De planeet mag niet voortdurend met één kant naar zijn ster toegekeerd zijn.

De planeetas moet zijn gekanteld ten opzichte van de ster om seizoenen mogelijk te maken.

Paradoxaal genoeg moet er leven aanwezig zijn om leven op een planeet mogelijk te maken. Bestaand leven heeft onder meer een grote invloed op de samenstelling van de atmosfeer van de planeet.

De Amerikaan Henry Richter berekent op basis van deze criteria de kans dat een willekeurige planeet hieraan voldoet.

Naar schatting zijn er zo’n 100 miljard melkwegen, elk met zo’n 100 miljard sterren, in totaal 10exp22 –een 1 met 22 nullen– sterren. Een op de 10.000 lijkt op de zon. Dat beperkt de mogelijkheden tot 10exp18 sterren. Stel, een op de 10.000 van deze sterren heeft een planeet in een leefbare zone. Dat levert 10exp14 kandidaat-planeten op. „De mogelijkheid dat elk van de genoemde eigenschappen aanwezig is op een planeet geven we een kans van 5 procent – hoewel 1 procent al veel is.”

De som van Richter komt ten slotte uit op een kans van 10exp-15 voor 10exp14 kandidaat-planeten. De vermenigvuldiging levert ten slotte op 10exp-1 of 0,1 planeet waarop leven mogelijk is. Richter: „Dat is minder dan een.” Dat er toch één bewoonbare planeet bestaat, mag dus wel een wonder heten.