ASTROBIOLOGIE: GESCHIEDENIS, ONDERWERP VAN STUDIE EN BELANG - BIOLOGIE - 2024

De astrobiologie of exobiologie is een tak van de biologie die zich bezighoudt met de oorsprong, verspreiding en dynamiek van leven in de context van zowel onze planeet als het hele universum. We zouden dan kunnen zeggen dat als wetenschap astrobiologie voor het universum is, wat biologie voor planeet Aarde is.

Vanwege het brede werkingsspectrum van de astrobiologie komen andere wetenschappen daarin samen, zoals: natuurkunde, scheikunde, astronomie, moleculaire biologie, biofysica, biochemie, kosmologie, geologie, wiskunde, informatica, sociologie, antropologie, archeologie, onder anderen.

Figuur 1. Artistieke interpretatie van het verband tussen leven en verkenning van de ruimte. Bron: NASA / Cheryse Triano

Astrobiologie beschouwt het leven als een fenomeen dat 'universeel' zou kunnen zijn. Het behandelt hun mogelijke contexten of scenario's; de vereisten en minimumvoorwaarden; de betrokken processen; zijn uitgebreide processen; onder andere onderwerpen. Het is niet beperkt tot intelligent leven, maar onderzoekt elk mogelijk type leven.

Geschiedenis van astrobiologie

De geschiedenis van de astrobiologie gaat misschien terug tot het begin van de mensheid als soort en haar vermogen om zichzelf in vraag te stellen over de kosmos en het leven op onze planeet. Van daaruit ontstaan ​​de eerste visioenen en verklaringen die vandaag de dag nog steeds aanwezig zijn in de mythen van veel volkeren.

De aristotelische visie

Het aristotelische visioen beschouwde de zon, de maan, de rest van de planeten en sterren als perfecte bollen die om ons heen cirkelden en concentrische cirkels om ons heen maakten.

Deze visie vormde het geocentrische model van het universum en was de conceptie die de mensheid tijdens de middeleeuwen kenmerkte. Waarschijnlijk had de vraag naar het bestaan ​​van 'bewoners' buiten onze planeet destijds geen steek gehouden.

De Copernicaanse visie

In de middeleeuwen stelde Nicolás Copernicus zijn heliocentrische model voor, dat de aarde plaatste als nog een planeet die rond de zon draait.

Deze benadering had een diepgaande invloed op de manier waarop we naar de rest van het universum kijken en zelfs naar onszelf kijken, aangezien het ons op een plek plaatste die misschien niet zo 'speciaal' was als we hadden gedacht. Dan de mogelijkheid van het bestaan ​​van andere planeten die vergelijkbaar zijn met de onze en daarmee van leven dat verschilt van degene die we kennen.

Figuur 2. Het heliocentrische systeem van Copernicus. Bron: publiek domein, via Wikimedia Commons

Eerste ideeën over buitenaards leven

De Franse schrijver en filosoof Bernard le Bovier de Fontenelle stelde aan het einde van de 17e eeuw al voor dat er leven op andere planeten zou kunnen bestaan.

In het midden van de 18e eeuw schreven veel van de geleerden die bij de Verlichting betrokken waren, over buitenaards leven. Zelfs vooraanstaande astronomen uit die tijd, zoals Wright, Kant, Lambert en Herschel, gingen ervan uit dat planeten, manen en zelfs kometen bewoond konden worden.

Dit is hoe de 19e eeuw begon met een meerderheid van academische wetenschappers, filosofen en theologen, die de overtuiging deelden dat er op bijna alle planeten buitenaards leven bestaat. Dit werd destijds als een goede aanname beschouwd, gebaseerd op een groeiend wetenschappelijk begrip van de kosmos.

De overweldigende verschillen tussen de hemellichamen van het zonnestelsel (wat betreft hun chemische samenstelling, atmosfeer, zwaartekracht, licht en warmte) werden genegeerd.

Toen de kracht van telescopen echter toenam en met de komst van spectroscopie, konden astronomen de chemie van nabijgelegen planetaire atmosferen beginnen te begrijpen. Het kan dus worden uitgesloten dat nabijgelegen planeten werden bewoond door organismen die vergelijkbaar zijn met terrestrische organismen.

Studieobject van astrobiologie

Astrobiologie richt zich op de studie van de volgende basisvragen:

• Wat is leven?
• Hoe is het leven op aarde ontstaan?
• Hoe evolueert en ontwikkelt het leven zich?
• Is er elders in het universum leven?
• Wat is de toekomst van het leven op aarde en elders in het universum, als het bestaat?

Veel andere vragen komen voort uit deze vragen, allemaal gerelateerd aan het object van studie van astrobiologie.

Mars als model voor studie en verkenning van de ruimte

De rode planeet Mars is het laatste bastion van hypothesen over buitenaards leven binnen het zonnestelsel geweest. Het idee van het bestaan ​​van leven op deze planeet kwam oorspronkelijk uit waarnemingen van astronomen in de late 19e en vroege 20e eeuw.

Ze voerden aan dat de sporen op het oppervlak van Mars in feite kanalen waren die waren gebouwd door een populatie van intelligente organismen. Deze patronen worden nu beschouwd als het product van de wind.

De missies

De Mariner-ruimtesondes zijn een voorbeeld van het ruimtetijdperk dat begon in de late jaren 1950. Dit tijdperk maakte het mogelijk om direct de planetaire en maanoppervlakken in het zonnestelsel te visualiseren en te onderzoeken; en daarmee de claims van meercellige en gemakkelijk herkenbare buitenaardse levensvormen in het zonnestelsel uitgesloten.

In 1964 stuurde NASA's Mariner 4-missie de eerste close-upfoto's van het oppervlak van Mars, waarop een in wezen woestijnplaneet te zien was.

Bij latere missies naar Mars en de buitenplaneten was een gedetailleerd beeld van die lichamen en hun manen mogelijk en, vooral in het geval van Mars, een gedeeltelijk begrip van hun vroege geschiedenis.

In verschillende buitenaardse omgevingen vonden de wetenschappers omgevingen die niet veel verschilden van bewoonde omgevingen op aarde.

De belangrijkste conclusie van deze eerste ruimtemissies was de vervanging van speculatieve veronderstellingen door chemisch en biologisch bewijs, waardoor het objectief bestudeerd en geanalyseerd kon worden.

Is er leven op Mars? De missie

In eerste instantie ondersteunen de resultaten van de Mariner-missies de hypothese van het niet-bestaan ​​van leven op Mars. We moeten echter bedenken dat er macroscopisch leven werd gezocht. Latere missies hebben twijfel doen rijzen over de afwezigheid van microscopisch leven.

Figuur 3. Orbitale en terrestrische sonde van de Viking-missie. Bron: Don Davis, via Wikimedia Commons

Van de drie experimenten die zijn ontworpen om leven te detecteren, uitgevoerd door de grondsonde van de Viking-missie, waren er bijvoorbeeld twee positief en één negatief.

Desondanks zijn de meeste wetenschappers die betrokken zijn bij de Viking-sonde-experimenten het erover eens dat er geen bewijs is van bacterieel leven op Mars en dat de resultaten officieel niet doorslaggevend zijn.

Figuur 4. Landingsonde (Lander) van de Viking-missie. Bron: NASA / JPL-Caltech / University of Arizona, via Wikimedia Commons

Missies

Na de controversiële resultaten van de Viking-missies lanceerde de European Space Agency (ESA) in 2003 de Mars Express-missie, speciaal ontworpen voor exobiologische en geochemische studies.

Deze missie omvatte een sonde genaamd Beagle 2 (gelijk aan het schip waar Charles Darwin reisde), ontworpen om te zoeken naar tekenen van leven op het ondiepe oppervlak van Mars.

Deze sonde verloor helaas het contact met de aarde en kon zijn missie niet naar tevredenheid uitvoeren. Een soortgelijk lot had de NASA-sonde "Mars Polar Lander" in 1999.

Missie

Na deze mislukte pogingen bereikte NASA's Phoenix-missie in mei 2008 Mars, met buitengewone resultaten in slechts 5 maanden. Zijn belangrijkste onderzoeksdoelstellingen waren exobiologisch, klimatologisch en geologisch.

Deze sonde kon het bestaan ​​aantonen van:

• Sneeuw in de atmosfeer van Mars.
• Water in de vorm van ijs onder de bovenste lagen van deze planeet.
• Basale bodems met een pH tussen 8 en 9 (althans in het gebied dicht bij de afdaling).
• Vloeibaar water op het oppervlak van Mars in het verleden

De verkenning van Mars gaat door

De verkenning van Mars gaat vandaag door met hightech robotinstrumenten. De missies van de Rovers (MER-A en MER-B) hebben indrukwekkend bewijs geleverd dat er wateractiviteit was op Mars.

Zo zijn er bewijzen gevonden van zoet water, kokende bronnen, een dichte atmosfeer en een actieve waterkringloop.

Figuur 5. Tekening van de Rover MER-B (Opportunity) op het oppervlak van Mars. Bron: NASA / JPL / Cornell University, Maas Digital LLC, via Wikimedia Commons

Op Mars is bewijs verkregen dat sommige rotsen zijn gevormd in aanwezigheid van vloeibaar water, zoals Jarosite, gedetecteerd door de MER-B (Opportunity) Rover, die actief was van 2004 tot 2018.

De Rover MER-A (Curiosity) heeft seizoensfluctuaties in methaan gemeten, die altijd verband hielden met biologische activiteit (gegevens gepubliceerd in 2018 in het tijdschrift Science). Hij heeft ook organische moleculen gevonden zoals thiofeen, benzeen, tolueen, propaan en butaan.

Figuur 6. Seizoensgebonden fluctuatie van methaanniveaus op Mars, gemeten door de Rover MER-A (Curiosity). Bron: NASA / JPL-Caltech

Er was water op Mars

Hoewel het oppervlak van Mars momenteel onherbergzaam is, is er duidelijk bewijs dat in het verre verleden het klimaat op Mars ervoor zorgde dat vloeibaar water, een essentieel ingrediënt voor het leven zoals we dat kennen, zich ophoopt op het oppervlak.

Uit Rover MER-A (Curiosity) gegevens blijkt dat miljarden jaren geleden een meer in de Gale-krater alle ingrediënten bevatte die nodig zijn voor het leven, inclusief chemische componenten en energiebronnen.

Martiaanse meteorieten

Sommige onderzoekers beschouwen meteorieten op Mars als goede bronnen van informatie over de planeet, en suggereren zelfs dat er natuurlijke organische moleculen zijn en zelfs microfossielen van bacteriën. Deze benaderingen zijn onderwerp van wetenschappelijk debat.

Figuur 7. Microscopisch beeld van de interne structuur van de ALH84001-meteoriet, met structuren die lijken op bacillen. Bron: NASA, via Wikimedia Commons

Deze meteorieten van Mars zijn zeer zeldzaam en vertegenwoordigen de enige direct analyseerbare monsters van de rode planeet.

Panspermia, meteorieten en kometen

Een van de hypothesen die de studie van meteorieten (en ook kometen) begunstigt, wordt panspermie genoemd. Dit bestaat uit de aanname dat in het verleden de kolonisatie van de aarde plaatsvond, door micro-organismen die in deze meteorieten kwamen.

Tegenwoordig zijn er ook hypothesen die suggereren dat het aardwater afkomstig is van kometen die in het verleden onze planeet hebben gebombardeerd. Bovendien wordt aangenomen dat deze kometen mogelijk oermoleculen hebben meegebracht, die de ontwikkeling van leven mogelijk hebben gemaakt of zelfs al ontwikkeld leven dat erin is ondergebracht.

Onlangs, in september 2017, voltooide de European Space Agency (ESA) met succes de Rosseta-missie, gelanceerd in 2004. Deze missie bestond uit de verkenning van komeet 67P / Churyumov-Gerasimenko met de Philae-sonde die hem bereikte en er omheen cirkelde, om daal dan af. De resultaten van deze missie worden nog bestudeerd.

Belang van astrobiologie

Fermi's paradox

Men kan zeggen dat de oorspronkelijke vraag die de studie van de aastrobiologie motiveert, is: zijn we alleen in het universum?

Alleen al in de Melkweg zijn er honderden miljarden sterrenstelsels. Dit feit, in combinatie met de ouderdom van het universum, suggereert dat leven een algemeen verschijnsel zou moeten zijn in onze melkweg.

Rond dit onderwerp is de vraag van de Nobelprijswinnende natuurkundige Enrico Fermi beroemd: "Waar is iedereen?", Die hij vroeg in de context van een lunch, waar het feit dat de melkweg vol zou moeten zijn, werd besproken van het leven.

De vraag leidde uiteindelijk tot de Paradox die zijn naam draagt ​​en die op de volgende manier wordt uitgedrukt:

Het SETI-programma en de zoektocht naar buitenaardse intelligentie

Een mogelijk antwoord op de Fermi-paradox zou kunnen zijn dat de beschavingen waar we aan denken er wel zijn, maar we hebben er niet naar gezocht.

In 1960 startte Frank Drake samen met andere astronomen een programma voor Search for Extraterrestrial Intelligence (SETI).

Dit programma heeft zich samen met de NASA ingespannen om te zoeken naar tekenen van buitenaards leven, zoals radio- en microgolfsignalen. De vragen hoe en waar naar deze signalen moet worden gezocht, hebben in veel takken van de wetenschap tot grote vooruitgang geleid.

Figuur 8. Radiotelescoop gebruikt door SETI in Arecibo, Puerto Rico. Bron: JidoBG, van Wikimedia Commons

In 1993 annuleerde het Amerikaanse Congres de financiering aan NASA voor dit doel, als gevolg van misvattingen over de betekenis van wat de zoektocht inhoudt. Vandaag wordt het SETI-project gefinancierd met particuliere middelen.

Het SETI-project heeft zelfs Hollywood-films voortgebracht, zoals Contact, met actrice Jodie Foster in de hoofdrol en geïnspireerd door de gelijknamige roman van de wereldberoemde astronoom Carl Sagan.

Drake's vergelijking

Frank Drake heeft het aantal beschavingen met communicatieve vaardigheden geschat, met behulp van de uitdrukking die zijn naam draagt:

N = R * xf _p xn _e xf _l xf _ik xf _c X L

Waarbij N staat voor het aantal beschavingen met het vermogen om met de aarde te communiceren en wordt uitgedrukt als een functie van andere variabelen zoals:

• R *: de snelheid waarmee sterren worden gevormd die lijken op onze zon
• f _p : de fractie van deze sterrenstelsels met planeten
• n _e : het aantal aardachtige planeten per planetenstelsel
• f _l : de fractie van deze planeten waar leven zich ontwikkelt
• f _i : de fractie waarin intelligentie ontstaat
• f _c : de fractie van communicatief geschikte planeten
• L: de "levensverwachting" van deze beschavingen.

Drake formuleerde deze vergelijking als een hulpmiddel om het probleem te 'dimensioneren', en niet als een element om concrete schattingen te maken, aangezien veel van de termen buitengewoon moeilijk in te schatten zijn. Er is echter consensus dat het aantal dat het neigt te gooien groot is.

Nieuwe scenario's

Opgemerkt moet worden dat toen de Drake-vergelijking werd geformuleerd, er zeer weinig aanwijzingen waren voor planeten en manen buiten ons zonnestelsel (exoplaneten). Het was in de jaren negentig dat het eerste bewijs van exoplaneten verscheen.

Figuur 9. Kepler-telescoop. Bron: NASA, via Wikimedia Commons

Zo ontdekte NASA's Kepler-missie 3.538 exoplaneetkandidaten, waarvan er minstens 1.000 geacht worden zich in de "bewoonbare zone" van het beschouwde systeem te bevinden (afstand die het bestaan ​​van vloeibaar water mogelijk maakt).

Astrobiologie en de verkenning van de uiteinden van de aarde

Een van de verdiensten van astrobiologie is dat het voor een groot deel het verlangen heeft geïnspireerd om onze eigen planeet te verkennen. Dit in de hoop naar analogie de werking van het leven in andere omgevingen te begrijpen.

De studie van hydrothermale ventilatieopeningen op de oceaanbodem heeft ons bijvoorbeeld in staat gesteld om voor het eerst het leven te observeren dat geen verband houdt met fotosynthese. Dat wil zeggen, deze onderzoeken hebben ons laten zien dat er systemen kunnen zijn waarin het leven niet afhankelijk is van zonlicht, wat altijd als een onmisbare vereiste werd beschouwd.

Dit stelt ons in staat om mogelijke scenario's te veronderstellen voor leven op planeten waar vloeibaar water te vinden is, maar onder dikke lagen ijs, die de aankomst van licht naar organismen zouden verhinderen.

Een ander voorbeeld is de studie van de droge valleien van Antarctica. Daar hebben ze fotosynthetische bacteriën verkregen die beschut in rotsen overleven (endolytische bacteriën).

In dit geval dient de rots zowel als ondersteuning als als bescherming tegen de ongunstige omstandigheden van de plaats. Deze strategie is ook aangetroffen in zoutvlakten en warmwaterbronnen.

Figuur 10. McMurdo Dry Valleys op Antarctica, een van de plaatsen op aarde die het meest op Mars lijken. Bron: US Department of State uit de Verenigde Staten, via Wikimedia Commons

Astrobiologische perspectieven

De wetenschappelijke zoektocht naar buitenaards leven is tot dusverre niet succesvol geweest. Maar het wordt steeds geavanceerder omdat astrobiologisch onderzoek nieuwe inzichten oplevert. Het volgende decennium van astrobiologische verkenning zal zien:

• Meer inspanningen om Mars en de ijzige manen van Jupiter en Saturnus te verkennen.
• Een ongekend vermogen om extrasolaire planeten te observeren en analyseren.
• Meer mogelijkheden om eenvoudigere levensvormen in het laboratorium te ontwerpen en te bestuderen.

Al deze vorderingen zullen ongetwijfeld onze kans vergroten om leven te vinden op aardachtige planeten. Maar misschien bestaat buitenaards leven niet of is het zo verspreid door de melkweg dat we bijna geen kans hebben het te vinden.

Zelfs als het laatste scenario waar is, verbreedt onderzoek in de astrobiologie ons perspectief van het leven op aarde en zijn plaats in het universum steeds meer.

Referenties

1. Chela-Flores, J. (1985). Evolutie als een collectief fenomeen. Journal of Theoretische biologie, 117 (1), 107-118. doi: 10.1016 / s0022-5193 (85) 80166-1
2. Eigenbrode, JL, Summons, RE, Steele, A., Freissinet, C., Millan, M., Navarro-González, R.,… Coll, P. (2018). Organische stof bewaard in 3 miljard jaar oude modderstenen bij Gale krater, Mars. Wetenschap, 360 (6393), 1096-1101. doi: 10.1126 / science.aas9185
3. Goldman, AD (2015). Astrobiologie: een overzicht. In: Kolb, Vera (eds). ASTROBIOLOGIE: een evolutionaire benadering CRC Press
4. Goordial, J., Davila, A., Lacelle, D., Pollard, W., Marinova, MM, Greer, CW,… Whyte, LG (2016). Het nadert de koude-aride grenzen van het microbiële leven in de permafrost van een bovenste droge vallei, Antarctica. The ISME Journal, 10 (7), 1613-1624. doi: 10.1038 / ismej.2015.239
5. Krasnopolsky, VA (2006). Enkele problemen hadden betrekking op de oorsprong van methaan op Mars. Icarus, 180 (2), 359-367. doi: 10.1016 / j.icarus.2005.10.015
6. LEVIN, GV & STRAAT, PA (1976). Viking Labeled Release Biology Experiment: tussentijdse resultaten. Science, 194 (4271), 1322-1329. doi: 10.1126 / science.194.4271.1322
7. Ten Kate, IL (2018). Organische moleculen op Mars. Wetenschap, 360 (6393), 1068-1069. doi: 10.1126 / science.aat2662
8. Webster, CR, Mahaffy, PR, Atreya, SK, Moores, JE, Flesch, GJ, Malespin, C.,… Vasavada, AR (2018). Achtergrondniveaus van methaan in de atmosfeer van Mars vertonen sterke seizoensvariaties. Wetenschap, 360 (6393), 1093-1096. doi: 10.1126 / science.aaq0131
9. Whiteway, JA, Komguem, L., Dickinson, C., Cook, C., Illnicki, M., Seabrook, J.,… Smith, PH (2009). Mars Water-ijswolken en neerslag. Science, 325 (5936), 68-70. doi: 10.1126 / science.1172344