HET LEVEN IS INGEWIKKELD, ZEGGEN OOK ASTROBIOLOGEN Natalie Elliot
Onderwerp : een betere manier om buitenaards leven te herkennen.
Een nieuwe theorie suggereert dat onderzoek naar moleculaire complexiteit het bestaan van buitenaards leven zou kunnen bewijzen – en wel binnenkort.
In de zoektocht naar buitenaards leven dachten wetenschappers meermaals tekenen van leven aan te treffen, maar die blijken dan achteraf niet zo overtuigend te zijn. In de zeventiger jaren zou een vleugje radioactieve koolstof uit de Marsbodem op microbiële activiteit wijzen, maar drie andere experimenten leverden niets op. In 1996 ontdekten wetenschappers ‘microbiële fossielen’ in een meteoriet afkomstig van Mars en aangetroffen op Antarctica, maar ook hier toonden latere studies aan dat deze fossielen evengoed via andere routes kunnen ontstaan. Ook in de atmosfeer van Venus vond men aanzienlijke hoeveelheden fosfine (H3F) een gas dat op aarde hoofdzakelijk door micro-organismen wordt geproduceerd. Andere wetenschappers stelden dat het gas, indien het aanwezig was, het resultaat was van ongewone vulkanische activiteit. De reden dat astrobiologen alleen maar vage tekens van buitenaards leven vinden, komt omdat ze op zoek moeten naar eenvoudige, robuuste levensvormen die uiterst barre omstandigheden aankunnen. En dergelijke chemische stoffen en structuren die we met organismen op aarde associëren, kunnen vaak ook abiotisch gevormd worden. Bovendien kan de chemie van buitenaards leven totaal verschillen met dat op onze planeet. Men zoekt dan ook naar een betere manier om te zoeken.
Een nieuwe ‘assemblagetheorie’ keert eenvoudige chemische verbindingen de rug toe en richt zich meer tot de fundamentele complexiteit van het leven. Immers, elke vorm van biologie, waar ook in het heelal, zal informatie coderen in complexe assemblages van moleculen die meetbaar verschillend zijn van levenloze materie. Voor biofysicus Sara Walker betekent de assemblagetheorie een nieuw hoofdstuk in het vakgebied: ‘een eerste sprankje van ons vermogen om diepe theoretische ideeën over de aard van het leven in een lab te kunnen testen en koppelen aan empirische waarnemingen’. Zoeken naar complexiteit is in de astrobiologie al een tijdje in opmars. Wetenschappers hebben het onderzoek naar eenvoudige chemische verbindingen, die dikwijls leiden tot dubbelzinnige resultaten, vervangen door theorieën en definities van het leven op basis van gesofisticeerde processen zoals metabolisme, aanpassing, replicatie en evolutie. Op die manier willen ze levende van niet-levende systemen onderscheiden. Sinds 1994 hanteert NASA trouwens volgende definitie van ‘leven’ : ‘leven is een zichzelf in stand houdend systeem dat in staat is tot darwinistische evolutie’.
De achterliggende concepten zijn echter moeilijk te testen en te kwantificeren, want wat is bijvoorbeeld de juiste definitie van ‘darwinistische evolutie’. Evolutiebiologen kunnen geen instrument bouwen dat op zoek gaat naar ‘evolutie’, ‘voortplanting’ of ‘metabolisme’. Met de assemblagetheorie beschikt men nu over een duidelijkere, algemenere manier om leven te herkennen. Ze is gestoeld op twee verwante ideeën: fysieke complexiteit en veelheid. Naarmate deze twee eigenschappen toenemen voor een bepaald object in een bepaalde omgeving, neemt de kans op abiotische oorsprong af. Het gaat dan om de ‘abondantie’ van het object, terwijl de complexiteit wordt gemeten door een schatting te maken van het aantal assemblagestappen. Bij een kiezelstrand gaat het daarom duidelijk om een levenloos proces, in tegenstelling met een strand bezaaid met complex gevormde schelpen. Bij de toepassing van deze theorie kijken onderzoekers in het bijzonder naar de moleculen. Hun complexiteit wordt daarbij volgens een massa-assemblage index (MA). Daartoe werden 2,5 miljoen moleculen op basis van deze index gerangschikt. Zo hebben eenvoudige moleculen een lage MA, zoals het genoemde fosfinegas (MA amper 1) en het aminozuur tryptofaan een MA-waarde van 12 (12 waterstofatomen en 2 stikstof- en zuurstofatomen). Vanaf een MA-waarde van ongeveer 15 wordt de kans astronomisch klein dat een molecule in aardse omstandigheden op abiotische wijze gevormd wordt (minder dan één op 600 triljard, volgens Lee Cronin). We moeten echter opletten dat moleculen met lagere MA-waarden toch biomarkers kunnen zijn (bvb zuurstofmolecule) en bovendien gaat het hier om ‘aardse omstandigheden’. Met behulp van de assemblagetheorie zal men dus de kloof in kaart moeten brengen die moet bestaan tussen abiotisch gevormde en door levende systemen gevormde chemische verbindingen, hier of elders.
Cronin en zijn collega’s hebben dan hun theoretische berekeningen van moleculaire complexiteit afgetoetst via massaspectrometrische fragmentatie van een hele reeks moleculen en stoffen. De experimentele resultaten leunden dicht aan leunden dicht aan bij de theoretische voorspellingen en maakten het correcte onderscheid tussen allerlei levende, niet-levende en dode stoffen (o.a E.colli, gist, alkaloïden, steenkool, as, graniet … en zelfs bier). Astrobioloog Heather Graham testte de theorie met een reeks ongelabelde monsters van o.a. een miljoenen oud fossiel en van een meteoriet die rijk was aan organische maar abiotische koolstofverbindingen. Het fossiele materiaal werd geïdentificeerd als een teken van leven, terwijl de MA-waarde van de Murchison meteoriet onder de drempel van 15 bleef. De publicatie van deze resultaten zorgde alvast voor de nodige opwinding, maar Steven Benner vindt dat – ondanks het enthousiasme van hemzelf en zijn collega’s – er nog veel onbeantwoorde vragen overblijven. Hij vraagt zich af of hun werk wel kan toegepast worden in ‘uiterst exotische omgevingen’ zoals de atmosfeer van Venus. Als er hoog in de wolken boven Venus leven is, zou dat een heel erg verschillende chemische logica moeten volgen dan hier op aarde. Volgens Benner is dus Venus de uitgelezen plaats om op korte termijn moleculaire complexiteit als maatstaf te testen.
De monsters van Benner zijn echter ondergedompeld in zwavelzuur en de complexiteit van organische moleculen is door afbraak reeds verlaagd. Cronin blijft de hoop koesteren om via reconstructie ook in de moeilijkste monsters metingen te kunnen doen. Green en anderen bij de NASA vroegen zich af of de assemblagetheorie inzetbaar is om de gegevens te analyseren van de vele massaspectrometers die bij verschillende interplanetaire missies van het ruimteagentschap naar andere werelden werden verzameld. Helaas was de sonde Cassini bij de tocht door de waterdamppluimen van de ijzige maan Enceladus alleen uitgerust om massa’s tot 100 amu (atomaire massa-eenheden) te registreren, terwijl de theorie alleen opgaat voor moleculen meer een massa van 150 amu of meer. Halverwege de jaren 2030 zal een quadcopter de atmosfeer en het oppervlak van Titan gaan verkennen De massaspectrometer van Dragonfly zou dan wel in staat zijn om complexe moleculen te detecteren.
In de toekomst kan men op astrobiologische hotspots in ons zonnestelsel naar moleculaire complexiteit op zoek gaan en de assemblagetheorie kan volgens Cronin uiteindelijk zelfs gebruikt worden om potentiële biomarkers te analyseren die door grote telescopen worden waargenomen in de atmosfeer van mogelijk bewoonbare exoplaneten. Met die schat aan nieuwe ideeën kunnen zowel theoretische als experimentele wetenschappers aan de slag om de kosmische complexiteit van het leven beter te begrijpen en op te sporen.
Bron: Natalie Elliot in EOS 1 van januari 2022 – ‘Het leven is ingewikkeld, zeggen ook astrobiologen’ p40-43
Een nieuwe theorie suggereert dat onderzoek naar moleculaire complexiteit het bestaan van buitenaards leven zou kunnen bewijzen – en wel binnenkort.
In de zoektocht naar buitenaards leven dachten wetenschappers meermaals tekenen van leven aan te treffen, maar die blijken dan achteraf niet zo overtuigend te zijn. In de zeventiger jaren zou een vleugje radioactieve koolstof uit de Marsbodem op microbiële activiteit wijzen, maar drie andere experimenten leverden niets op. In 1996 ontdekten wetenschappers ‘microbiële fossielen’ in een meteoriet afkomstig van Mars en aangetroffen op Antarctica, maar ook hier toonden latere studies aan dat deze fossielen evengoed via andere routes kunnen ontstaan. Ook in de atmosfeer van Venus vond men aanzienlijke hoeveelheden fosfine (H3F) een gas dat op aarde hoofdzakelijk door micro-organismen wordt geproduceerd. Andere wetenschappers stelden dat het gas, indien het aanwezig was, het resultaat was van ongewone vulkanische activiteit. De reden dat astrobiologen alleen maar vage tekens van buitenaards leven vinden, komt omdat ze op zoek moeten naar eenvoudige, robuuste levensvormen die uiterst barre omstandigheden aankunnen. En dergelijke chemische stoffen en structuren die we met organismen op aarde associëren, kunnen vaak ook abiotisch gevormd worden. Bovendien kan de chemie van buitenaards leven totaal verschillen met dat op onze planeet. Men zoekt dan ook naar een betere manier om te zoeken.
Een nieuwe ‘assemblagetheorie’ keert eenvoudige chemische verbindingen de rug toe en richt zich meer tot de fundamentele complexiteit van het leven. Immers, elke vorm van biologie, waar ook in het heelal, zal informatie coderen in complexe assemblages van moleculen die meetbaar verschillend zijn van levenloze materie. Voor biofysicus Sara Walker betekent de assemblagetheorie een nieuw hoofdstuk in het vakgebied: ‘een eerste sprankje van ons vermogen om diepe theoretische ideeën over de aard van het leven in een lab te kunnen testen en koppelen aan empirische waarnemingen’. Zoeken naar complexiteit is in de astrobiologie al een tijdje in opmars. Wetenschappers hebben het onderzoek naar eenvoudige chemische verbindingen, die dikwijls leiden tot dubbelzinnige resultaten, vervangen door theorieën en definities van het leven op basis van gesofisticeerde processen zoals metabolisme, aanpassing, replicatie en evolutie. Op die manier willen ze levende van niet-levende systemen onderscheiden. Sinds 1994 hanteert NASA trouwens volgende definitie van ‘leven’ : ‘leven is een zichzelf in stand houdend systeem dat in staat is tot darwinistische evolutie’.
De achterliggende concepten zijn echter moeilijk te testen en te kwantificeren, want wat is bijvoorbeeld de juiste definitie van ‘darwinistische evolutie’. Evolutiebiologen kunnen geen instrument bouwen dat op zoek gaat naar ‘evolutie’, ‘voortplanting’ of ‘metabolisme’. Met de assemblagetheorie beschikt men nu over een duidelijkere, algemenere manier om leven te herkennen. Ze is gestoeld op twee verwante ideeën: fysieke complexiteit en veelheid. Naarmate deze twee eigenschappen toenemen voor een bepaald object in een bepaalde omgeving, neemt de kans op abiotische oorsprong af. Het gaat dan om de ‘abondantie’ van het object, terwijl de complexiteit wordt gemeten door een schatting te maken van het aantal assemblagestappen. Bij een kiezelstrand gaat het daarom duidelijk om een levenloos proces, in tegenstelling met een strand bezaaid met complex gevormde schelpen. Bij de toepassing van deze theorie kijken onderzoekers in het bijzonder naar de moleculen. Hun complexiteit wordt daarbij volgens een massa-assemblage index (MA). Daartoe werden 2,5 miljoen moleculen op basis van deze index gerangschikt. Zo hebben eenvoudige moleculen een lage MA, zoals het genoemde fosfinegas (MA amper 1) en het aminozuur tryptofaan een MA-waarde van 12 (12 waterstofatomen en 2 stikstof- en zuurstofatomen). Vanaf een MA-waarde van ongeveer 15 wordt de kans astronomisch klein dat een molecule in aardse omstandigheden op abiotische wijze gevormd wordt (minder dan één op 600 triljard, volgens Lee Cronin). We moeten echter opletten dat moleculen met lagere MA-waarden toch biomarkers kunnen zijn (bvb zuurstofmolecule) en bovendien gaat het hier om ‘aardse omstandigheden’. Met behulp van de assemblagetheorie zal men dus de kloof in kaart moeten brengen die moet bestaan tussen abiotisch gevormde en door levende systemen gevormde chemische verbindingen, hier of elders.
Cronin en zijn collega’s hebben dan hun theoretische berekeningen van moleculaire complexiteit afgetoetst via massaspectrometrische fragmentatie van een hele reeks moleculen en stoffen. De experimentele resultaten leunden dicht aan leunden dicht aan bij de theoretische voorspellingen en maakten het correcte onderscheid tussen allerlei levende, niet-levende en dode stoffen (o.a E.colli, gist, alkaloïden, steenkool, as, graniet … en zelfs bier). Astrobioloog Heather Graham testte de theorie met een reeks ongelabelde monsters van o.a. een miljoenen oud fossiel en van een meteoriet die rijk was aan organische maar abiotische koolstofverbindingen. Het fossiele materiaal werd geïdentificeerd als een teken van leven, terwijl de MA-waarde van de Murchison meteoriet onder de drempel van 15 bleef. De publicatie van deze resultaten zorgde alvast voor de nodige opwinding, maar Steven Benner vindt dat – ondanks het enthousiasme van hemzelf en zijn collega’s – er nog veel onbeantwoorde vragen overblijven. Hij vraagt zich af of hun werk wel kan toegepast worden in ‘uiterst exotische omgevingen’ zoals de atmosfeer van Venus. Als er hoog in de wolken boven Venus leven is, zou dat een heel erg verschillende chemische logica moeten volgen dan hier op aarde. Volgens Benner is dus Venus de uitgelezen plaats om op korte termijn moleculaire complexiteit als maatstaf te testen.
De monsters van Benner zijn echter ondergedompeld in zwavelzuur en de complexiteit van organische moleculen is door afbraak reeds verlaagd. Cronin blijft de hoop koesteren om via reconstructie ook in de moeilijkste monsters metingen te kunnen doen. Green en anderen bij de NASA vroegen zich af of de assemblagetheorie inzetbaar is om de gegevens te analyseren van de vele massaspectrometers die bij verschillende interplanetaire missies van het ruimteagentschap naar andere werelden werden verzameld. Helaas was de sonde Cassini bij de tocht door de waterdamppluimen van de ijzige maan Enceladus alleen uitgerust om massa’s tot 100 amu (atomaire massa-eenheden) te registreren, terwijl de theorie alleen opgaat voor moleculen meer een massa van 150 amu of meer. Halverwege de jaren 2030 zal een quadcopter de atmosfeer en het oppervlak van Titan gaan verkennen De massaspectrometer van Dragonfly zou dan wel in staat zijn om complexe moleculen te detecteren.
In de toekomst kan men op astrobiologische hotspots in ons zonnestelsel naar moleculaire complexiteit op zoek gaan en de assemblagetheorie kan volgens Cronin uiteindelijk zelfs gebruikt worden om potentiële biomarkers te analyseren die door grote telescopen worden waargenomen in de atmosfeer van mogelijk bewoonbare exoplaneten. Met die schat aan nieuwe ideeën kunnen zowel theoretische als experimentele wetenschappers aan de slag om de kosmische complexiteit van het leven beter te begrijpen en op te sporen.
Bron: Natalie Elliot in EOS 1 van januari 2022 – ‘Het leven is ingewikkeld, zeggen ook astrobiologen’ p40-43
