2013-01 MIRA Ceti sprak met... Emmanuelle Javaux

Geef toe, waarde lezer, één van de boeiendste dingen die in het universum voorkomen wordt zichtbaar wanneer jij in de spiegel kijkt, dan zie je namelijk mooi en hoogintelligent leven. Een vraag die vervolgens kan gesteld worden is deze: is er nog leven elders in het universum? En zo ja, wat mogen we ons daarbij voorstellen?

Voor een degelijk antwoord trok MIRA Ceti naar Luik, daar hadden we aan het departement geologie van de universiteit een lange babbel over leven op Aarde en over mogelijk leven buiten de Aarde met professor en departementshoofd Emmanuelle Javaux (°1967). Zij is biologe en doctor in de geologie, maar in haar onderzoek - met wereldfaam overigens -  combineert zij ook nog andere wetenschappelijke disciplines.

 

Professor Javaux, wat is het hoofddoel van het multidisciplinair onderzoek waar u mee bezig bent?

 

Het hoofddoel van mijn onderzoek is te begrijpen hoe het leven sinds zijn ontstaan is geëvolueerd in de loop van de eerste drie miljard jaar van zijn bestaan, d.w.z. tussen ongeveer drie en een half miljard jaar en vijfhonderd miljoen jaar geleden. Ik maak gebruik van verschillende methoden om steeds oudere sporen van leven te detecteren, ik probeer om die te identificeren en te bepalen om welk soort leven het gaat. Daardoor wordt het mogelijk ingrijpende gebeurtenissen en wendingen in verband met de evolutie van het leven te dateren. Ik probeer ook te begrijpen waarom een bepaald soort leven precies in die periode van de Aarde verschijnt, mogelijk is er een verband met veranderingen die de planeet in de loop van haar evolutie heeft ondergaan. Hoe meer men teruggaat in de tijd, des te meer worden de sporen van leven microscopisch klein. Het wordt dan ook steeds moeilijker om te bewijzen dat het wel degelijk sporen van leven zijn, en niet zomaar wat morfologieën of sporen die het resultaat zijn van puur fysische of chemische reacties die totaal niets met leven te maken hebben.

Astrobiologie interesseert mij ook sterk omdat de zoektocht naar sporen van leven op Aarde een onderzoek is dat meteen ook toepasbaar is bij de zoektocht naar buitenaards leven. De instrumenten die we bij dit onderzoek gebruiken in onze labo's zijn dezelfde als degene die we gebruiken op de rovers Curiosity nu of ExoMars binnen enkele jaren om te speuren naar leven op Mars. Ik ben ook enorm geboeid door de vraag waarom er leven is op Aarde, welke de noodzakelijke voorwaarden zijn opdat er leven zou ontstaan en zich vervolgens kan in stand houden op een planeet. Mijn onderzoeksdomein betreft de leefbaarheid van planeten, en is per definitie multidisciplinair. We werken mee aan een federaal project waar twee federale instellingen bij betrokken zijn, de Koninklijke Sterrenwacht van België en het Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie, twee Vlaamse universiteiten, de UGent en de VUB, en twee Franstalige universiteiten, de ULB en onze universiteit in Luik. Door die samenwerking zijn er bij dit project heel wat verschillende competenties betrokken: geologie, geochemie, biologie, astrofysica, geofysica, en door dit alles te combineren proberen we de evolutie van de leefbaarheid van de Aarde in de loop der tijden te begrijpen. We proberen een antwoord te vinden op vragen als: Wanneer is het leven kunnen ontstaan op Aarde? Wat zorgt ervoor dat het leven kan blijven bestaan op onze planeet? Is er daarvoor een geologische activiteit nodig zoals platentektoniek? Is er daarvoor een magnetisch veld nodig? Wat is de rol van de inwendige activiteit van onze planeet? En vervolgens proberen we hetgeen we in dit verband allemaal ontdekken uit te breiden naar andere objecten in ons zonnestelsel. Wat is het verschil met buurplaneten Mars en Venus? Zijn die planeten ooit leefbaar geweest in de loop van de ruim vier miljard jaar dat ze bestaan?  

 

De NASA hield in 2010 een opzienbarende persconferentie waarin gesteld werd dat men in het Mono Lake een nieuwe categorie bacteriën had ontdekt die in staat zouden zijn om zonder gebruik te maken van water maar op basis van arsenicum organische moleculen te vormen. Dit zou belangrijke consequenties kunnen hebben voor het astrobiologisch onderzoek, nietwaar?

 

Toch even opmerken dat de NASA die verklaring nadien serieus heeft genuanceerd. Ze zijn een beetje te voorbarig geweest met hun verklaring dat arsenicum  de plaats kan innemen van fosfaat bij de werking van het DNA. De elementen die de basis vormen van het leven zijn koolstof, waterstof, zuurstof, stikstof, fosfor en zwavel. De onderzoekers i.v.m. die bacteriën uit het Mono Lake hadden het idee opgevat dat in de specifieke gevallen waar niet fosfaat maar arsenicum de ruggengraat vormt van het DNA er van een andere genetische code sprake zou moeten zijn. Maar een weinig later zijn ze tot het inzicht gekomen dat de organismen in kwestie weliswaar gebruik maken van arsenicum, maar het niet integreren in hun DNA. Er is dus geen sprake van arsenicum als vervanger voor fosfaat.

Deze historie sluit mooi aan bij het reeds bestaande idee dat er bacteriën zijn die zich hebben aangepast aan een omgeving rijk aan arsenicum, net zoals er bacteriën voorkomen in kernreactoren, in waterlopen met een extreem hoge zuurtegraad, in het ijs op Antarctica of in hete hydrothermale bronnen op de bodem van de oceaan waar geen licht kan doordringen. Leven komt dus waarlijk overal voor op Aarde. Dit soort organismen dat voorkomt in extreme omstandigheden noemt men extremofielen. Het is trouwens zeer interessant om de diversiteit van het leven op Aarde te bestuderen, zo krijgen we zicht op de limieten waarbinnen leven mogelijk is. En zo komen we tot de vaststelling dat die limieten zeer breed zijn, als er maar een beetje water voorhanden is, zelfs al is het maar zeer tijdelijk.

Een van de dingen die we hier in Luik doen in samenwerking met onze collega's van de universiteit van Gent is het onderzoeken van microbiële tapijten die afkomstig zijn uit meren op Antarctica. Annick Wilmotte is als biologe verbonden aan de universiteit van Luik, zij is gespecialiseerd in cyanobacteriën en bestudeert de genetische verscheidenheid van deze micro-organismen. Samen met haar onderzoek ik sedimenten uit die Antarctische meren. Het gaat niet om zeer oude sedimenten, ze zijn maar zo'n drieduizend jaar oud, maar ik probeer te achterhalen hoe die cyanobacteriën in de sedimenten gepreserveerd zijn, en of er unieke sporen zijn voor cyanobacteriën die we vervolgens ook kunnen terugvinden in veel oudere rotsen. Cyanobacteriën zijn heel belangrijk voor de evolutie van het leven op onze planeet, het zijn immers de bacteriën die een belangrijk soort metabolisme hebben ontwikkeld, namelijk de fotosynthese die ervoor zorgt dat er zuurstof vrijkomt in de atmosfeer. Er zijn nog organismen die aan fotosynthese doen door gebruik te maken van het zonlicht als energiebron, maar enkel de cyanobacteriën hebben een speciaal type fotosynthese ontwikkeld met zuurstof als afvalproduct van hun metabolisme. Sinds ongeveer twee en een half miljard jaar komt op die manier zuurstof vrij, die heeft zich opgestapeld in de atmosfeer en heeft er de chemie van veranderd. En dat proces heeft ten slotte een evolutie mogelijk gemaakt die leidde tot complexe en mobiele organismen zoals dieren en mensen. Met het onderzoek dat wij hier aan de universiteit verrichten proberen wij te achterhalen in welke periode de cyanobacteriën zijn ontstaan. We proberen sporen te vinden in zo oud mogelijke rotsen om te zien wanneer zij werkelijk begonnen invloed uit te oefenen op de planeet en op het aanwezige leven. Ze zijn dus echt wel belangrijk voor het leven op Aarde. En aangezien ze ervoor verantwoordelijk zijn dat zuurstof in de atmosfeer terecht komt, spelen ze door de transformatie van zuurstof tot  ozon ook een rol bij het ontstaan van de ozonlaag. Ozon is bovendien een molecule die we gemakkelijk kunnen herkennen in het spectrum van de aardatmosfeer. En zoiets klinkt astrofysici als muziek in de oren. Het moet dus immers ook mogelijk zijn om op grond van spectraalanalyse ozon te ontdekken in de atmosfeer van aardachtige exoplaneten. En dat zou erop kunnen wijzen dat er op die planeten effectief leven aanwezig is.

 

Hoe zou u astrobiologie definiëren?

 

In de astrobiologie bestudeert men de oorsprong, de evolutie en de verspreiding van het leven in het heelal, waarbij we vetrekken bij het onderzoek op Aarde omdat dit nu eenmaal de enige biologische planeet is die we kennen en omdat we hier het leven ook rechtstreeks kunnen bestuderen. Vervolgens gaan we hetgeen we weten over het leven op Aarde extrapoleren naar het universum dat ons omringt. En dat vergt noodzakelijkerwijs een samenwerking tussen verschillende wetenschappelijke disciplines, hetgeen een zeer interessant proces is.

Zijn wij alleen in het heelal? De oude Grieken hebben zich die vraag al gesteld - zoals trouwens bijna alle belangrijke vragen die er te stellen zijn. Wij hebben het geluk te leven in een periode waarin we de technologie ter beschikking hebben zodat we over die vraag niet louter hoeven te filosoferen, wij kunnen daadwerkelijk op zoek gaan naar sporen van leven op een planeet buiten de Aarde. Met ruimtesondes kunnen we enkel maar ter plaatse gaan bij objecten uit ons eigen zonnestelsel, voor verder gelegen objecten moeten we beroep doen op indirecte technieken zoals het bestuderen van de spectra van de atmosferen van exoplaneten. Stel dat men op een dag erin slaagt om sporen van mogelijk buitenaards leven op een dergelijke manier te detecteren, dan blijft het probleem dat dit positieve antwoord bij de zoektocht naar buitenaards leven nooit als absoluut zeker kan beschouwd worden. Als een buitenaards wezen zowat twee miljard jaar geleden de Aarde had bekeken, dan zou hij geconfronteerd zijn met een planeet waarop het leven krioelde. Er waren toen al enorm veel verschillende soorten micro-organismen, en die produceerden massaal veel methaan. En er was ten gevolge van vulkaanuitbarstingen ook veel koolstofdioxide in de atmosfeer. Het gaat in beide gevallen om gassen die zowel door biologische als door puur fysische processen kunnen geproduceerd worden. Het zou bijgevolg moeilijk zijn om met zekerheid te zeggen dat er in die periode leven was op Aarde, tenzij men ter plaatse aan de rand van de zee grote rotsachtige structuren had kunnen waarnemen die door micro-organismen waren opgebouwd. Dat zou een onweerlegbaar bewijs zijn dat er leven is op deze planeet.

 

Het beroemde experiment van Stanley Miller, speelt dat een belangrijke rol in het biologisch onderzoek naar de oorsprong van het leven?

 

Het is een experiment met zeer zeker een belangrijke historische waarde omdat Stanley Miller ermee heeft aangetoond dat eenvoudige moleculen die deel uitmaken van cellen kunnen ontstaan in zeer eenvoudige omstandigheden. Miller heeft in zijn proefbuizen suikers, basen en aminozuren geproduceerd, dat zijn moleculen die we kunnen beschouwen als de bouwstenen van het leven, maar die ook te vinden zijn in meteorieten of in interstellaire wolken. Dat toont maar aan dat organische scheikunde iets banaals is in het universum dat zich kan voordoen in de meest primitieve omstandigheden. Toen Stanley Miller in 1953 de resultaten van zijn experimenten publiceerde in het gezaghebbende tijdschrift Science zorgde dat waarlijk voor veel beroering en enthousiasme in wetenschappelijke kringen. Het was immers een experimentele bevestiging van de vermaarde hypothese van Alexander Oparin en John Haldane. Die twee wetenschappers hadden onafhankelijk van mekaar in de loop van de eerste decennia van de twintigste eeuw een theorie voorgesteld waarin het mogelijk was om met de energie en de ultravioletstraling van de Zon, en met de energie ten gevolge van blikseminslagen moleculen te vormen met een meer complexe structuur in de oeratmosfeer van de Aarde. Vervolgens kwamen die moleculen in de oersoep terecht, d.w.z. de oceanen rondom de continenten. Deze ideeën waren trouwens al eerder geopperd in het midden van de negentiende eeuw door niemand minder dan Charles Darwin. Hij had het over een kleine poel met lauw water waarin zich een chemische evolutie kon voltrekken die uiteindelijk zou leiden tot het ontstaan van leven.

De jaren die volgden op het succesverhaal van Miller zagen het oorspronkelijke enthousiasme voor zijn bevindingen echter vrij snel wegebben, dit ten gevolge van recentere inzichten door nieuw geologisch onderzoek waaruit bleek dat de oorspronkelijke atmosfeer meer oxiderend was dan hetgeen beschreven stond in de experimenten die Miller in Science had gepubliceerd. Methaan, ammoniak en water waren dus belangrijker dan koolstofdioxide. Hetgeen Miller had geëxperimenteerd op basis van een atmosfeer met vooral koolstofdioxide was bijgevolg niet in overeenstemming met de toestand van de originele aardatmosfeer.

Maar in 2008, kort voor Stanley Miller zou komen te overlijden, publiceerden zijn oud-studenten Antonio Lascano en Jeffrey Bada een artikel waarin ze beschreven hoe ze de experimenten van Miller hadden overgedaan. Alle proefbuizen van alle experimenten die Stanley Miller had uitgevoerd met het uitproberen van de meest uiteenlopende omstandigheden waren allemaal bewaard gebleven. Zij hebben de experimenten overgedaan door gebruik te maken van gereduceerde mineralen, d.w.z. mineralen waarvan het oxidatiegetal verlaagd is door het toevoegen van elektronen. Door dat te doen vermindert de oxiderende werking van de koolstofdioxide die normaal funest is voor moleculen in wording. Die gereduceerde mineralen zoals gereduceerd ijzer nemen immers een deel van de aanwezige zuurstof op. Zo'n jonge Aarde met gereduceerd ijzer in de mineralen en rotsen is heel plausibel. De uitkomst van de experimenten van Lascano en Bada was spectaculair: er vormden zich allerlei moleculen die de voorlopers zijn van echte levensvormen. Dat zijn experimenten dus uiteindelijk toch tot een positief resultaat hebben geleid heeft Stanley Miller vlak voor zijn dood nog vernomen, en dat vind ik toch fijn voor hem.

Tegenwoordig begrijpen we dus dat de zogenaamde prebiotische moleculen kunnen ontstaan in die omstandigheden van de oeratmosfeer, maar dat dit ook kan gebeuren in hydrothermale, d.w.z. heel warme omstandigheden, en ook in interstellaire wolken en in meteorieten vinden we aminozuren. Conclusie: de bouwstenen van het leven kunnen op verschillende manieren ontstaan. Nu komt het erop aan te achterhalen hoe de overgang plaatsvindt van die bouwstenen van het leven naar complexe systemen als RNA en vervolgens DNA.

Dat mechanisme is nog niet goed begrepen, en dan moet ook nog de oorsprong van de genetische code ontdekt worden en ook hoe de membranen rond de cellen ontstaan zijn. Rond al onze cellen zit immers een dubbel membraan dat bestaat uit lipiden. Is eerst dat membraan ontstaan of was er eerst de genetische code? Er zijn een aantal denkpistes die suggereren dat er eerst een mineraal membraan was vooraleer er een membraan ontstond dat opgebouwd uit lipiden. Als we zien wat er momenteel op gebied van dat onderzoek in de beste labo's ter wereld gebeurt, kunnen we vaststellen dat er zeer interessant werk wordt geleverd, bv. door Jack Szostak en zijn team in Harvard. Hij plaatst eenvoudige lipiden in bepaalde oplossingen, en vervolgens vormen die lipiden kleine vesikels of blaasjes met een dubbel membraan. Een deel van de molecule voelt zich aangetrokken tot de vloeistof, terwijl het andere deel er niet moet van weten. Als men dergelijke lipiden in de vloeistof plaatst, begint dit mengsel zich te organiseren waarbij er dus vesikels ontstaan met een dubbele laag. Het doet denken aan de cellen die we vandaag kennen, maar het membraan van onze cellen is wel veel meer ontwikkeld en gesofisticeerder. Vervolgens voegen Szostak en zijn team aan die oplossing verschillende soorten RNA toe die zelfstandig in die blaasjes gaan binnendringen en die zichzelf gaan kopiëren naarmate men materiaal aan de oplossing toevoegt. Afhankelijk van bepaalde manipulaties gaan de vesikels zich delen, en zo ontstaat een systeem van protocellen die zichzelf delen met hun genetisch materiaal erin besloten.

Wetenschappers proberen de grens steeds verder te verleggen, en op een bepaald moment zal men uiteindelijk begrijpen hoe het leven waarmee men experimenteert ontstaan is. Maar men zal nooit kunnen achterhalen of de context van het labo werkelijk overeenkomt met de omstandigheden waarin het leven op Aarde is ontstaan aangezien die omstandigheden immers al heel lang geleden volledig zijn uitgewist.

Dat wat betreft de oorsprong van het leven. Zelf werk ik op hetgeen daarop volgt, namelijk wanneer we de eerste sporen ontdekken van mogelijke levensvormen. Hoe kunnen we er zeker van zijn dat hetgeen we bestuderen wel degelijk leven is? Welke criteria dienen we bij dat onderzoek te hanteren? Als we de tijd meerdere miljoenen of miljarden jaren laten voortschrijden, komen we op een bepaald punt uit bij levensvormen die de voorouders zijn van het leven zoals we het momenteel kennen op onze planeet. Het gaat dan over de drie grote domeinen waarin we alle levensvormen kunnen indelen. We beschikken dan over allerlei hulpmiddelen en technieken om te werk te gaan, ik probeer de microfossielen die ik bestudeer te identificeren om te achterhalen wanneer het leven zich verder is gaan diversifiëren.

 

U hebt het over de drie domeinen van het leven. Kan u die voor ons kort even schetsen?

 

Het leven zoals we het nu kennen op Aarde kunnen we onderverdelen in drie grote klassen of domeinen. Er zijn de bacteriën, de archaea en de eukaryoten. De eerste twee domeinen zijn microscopische organismen die men samen ook prokaryoten noemt omdat zij in tegenstelling tot de eukaryoten in hun cellen geen kernen hebben. Maar de bacteriën verschillen evenveel van de archaea als zij van de eukaryoten verschillen of de archaea van de eukaryoten. De eukaryoten omvatten een hele verscheidenheid aan organismen, waaronder de meercelligen zoals de planten, de dieren, wij, mensen, de paddenstoelen, de algen, maar vooral ook een heel uitgebreide categorie eencelligen die men protisten noemt. Hetgeen alle eukaryoten gemeenschappelijk hebben is dat hun cellen gekenmerkt zijn door een complexe structuur met een kern, een cytoskelet en allerlei organellen binnen in de cel. Tussen de prokaryoten onderling zijn er heel veel verschillen, op gebied van hun metabolisme zijn ze erg complex, ze koloniseren werkelijk alle mogelijke, zelfs de meest extreme leefomgevingen, terwijl de eukaryoten wel een complexe celstructuur hebben, maar in vergelijking met de prokaryoten niet aangepast zijn aan heel verscheiden omstandigheden. Die drie domeinen hebben een gemeenschappelijke origine, en hun laatste gemeenschappelijke voorouder wordt LUCA genoemd. LUCA is een acroniem en staat voor 'Last Universel Commun Ancester'. Let wel, het gaat dus niet om de eerste cellulaire levensvormen die op Aarde verschenen zijn. LUCA is zelf ontstaan op basis van natuurlijke selectie. Voordien heeft er een hele evolutie plaatsgevonden van verschillende populaties cellen die uiteindelijk niet wisten te overleven. Nog eerder waren er de eerste cellulaire levensvormen, maar men weet helemaal niet of die reeds een membraan van lipiden hadden en een genetische code zoals dat vandaag het geval is, of een membraan van mineralen met bijhorende genetische code. De onderzoekers trachten LUCA te reconstrueren op basis van karakteristieken die de drie domeinen van het moderne leven gemeenschappelijk hebben. LUCA was reeds een complex organisme, een verzameling cellen met DNA en een membraan van lipiden. Over welke lipiden het precies gaat weet men niet, omdat het membraan bij de drie domeinen door verschillende lipiden wordt gevormd. Vooraleer het DNA bestond moet er een periode zijn geweest waarin het wat eenvoudiger RNA de dienst uitmaakte. Op een bepaald moment zijn dan de proteïnen verschenen, waardoor het RNA kon evolueren tot DNA. Maar daarover zijn alle wetenschappers het niet eens. Er zijn er die denken dat er vooraleer het tijdperk van het RNA aanbrak er daarvoor mogelijk nog een periode was waarin de proteïnen heel belangrijk waren in het evolutieproces, dit omdat in de prebiotische periode aminozuren nu eenmaal zo gemakkelijk ontstaan via organische scheikundige reacties. Misschien bestond er voor het RNA-tijdperk nog een veel eenvoudiger genetische code? Er waren oorspronkelijk die organische moleculen, de bouwstenen waaruit het leven zou ontstaan, maar leven zelf was het nog niet. Op een bepaald moment is de overgang gemaakt van scheikunde naar biologie, van levenloze naar levende organismen. Dat kan proces kan in een vrij korte tijdspanne gebeurd zijn, of ook niet. Dat weet men niet. In welke omstandigheden dat proces zich heeft voorgedaan weet men ook niet goed, er zijn zoals eerder gezegd meerdere hypothesen. Is het leven ontstaan aan het aardoppervlak in een meertje met lauw water of in de oersoep? Vond het zijn oorsprong onder water in hete hydrothermale bronnen? Heeft de aanvoer van organisch materiaal uit de ruimte via meteorieten ook een rol gespeeld, waarbij de oersoep door die buitenaardse invoer net voldoende verrijkt werd om leven te doen ontstaan? Dat zijn allerlei vragen waarover momenteel duchtig gedebatteerd wordt door biologen en astrobiologen.

 

Welke criteria zijn essentieel om te bepalen of we met leven te maken hebben of niet?

 

Het leven eenduidig definiëren is niet gemakkelijk, het is als het definiëren van tijd of energie: we hebben een aanvoelen van wat het is, we maken er gebruik van, kunnen ermee werken, maar een definitie opstellen waar iedereen zich in kan vinden is bijna onmogelijk. Men kan het hebben over het leven als een ingrediënt of als een eigenschap. Natuurkundigen zullen spreken over de thermodynamica ervan, scheikundigen over de scheikunde ervan en biologen over het biologische aspect. Biologen zullen spreken over zeven fundamentele levensfuncties. Er is de homeostase, d.w.z. het vermogen om de toestand van het interne milieu van een organisme constant te houden. De bouwstenen van het leven zijn cellen, dus komen tot een georganiseerde structuur is een tweede essentieel kenmerk. Voorts de opname van energie in die structuren om te komen tot stofwisseling of metabolisme. Daardoor is er sprake van groei en aanpassingen, hetgeen leidt tot evolutie. Het kunnen reageren op inwendige en/of uitwendige stimuli is een ander kenmerk. En natuurlijk mogen we de voortplanting niet vergeten.

Als we die eigenschappen van het leven één per één bekijken, vinden we voorbeelden van entiteiten die één of meerdere van die eigenschappen bevatten en toch niet leven. Maar als we alle eigenschappen die specifiek voor het leven zijn samen bekijken, dan krijgen we zicht op wat biologen bedoelen met leven. Genetisch materiaal dat informatie draagt en kan evolueren via natuurlijke selectie, dat is alvast essentieel bij de studie van levende organismen.

Als ik dan mijn eigen onderzoeksdomein erbij haal, is het zaak om in die oude gesteenten die ik bestudeer sporen van leven te herkennen. Mocht ik u een dinosaurusbot tonen, zou het meteen duidelijk zijn dat het gaat om iets biologisch, maar als ik u een microscopisch klein blaasje zou tonen dat omgeven wordt door een membraan, dan is het veel minder makkelijk om te bepalen of het om een levensvorm gaat of niet. Ik bestudeer oeroude fossielen die 3,2 miljard jaar oud zijn. Het gaat om kleine vesikels uit organisch materiaal die in een bepaald type rots bewaard zijn gebleven in een laag versteende modder.

 

Hoe gaat u dan te werk om te achterhalen of het al dan niet om levensvormen gaat?

 

Er zijn verschillende criteria volgens dewelke we kunnen proberen te bewijzen dat het wel degelijk om sporen van leven gaat. Het eerste wat we moeten doen is aantonen dat het bestudeerde object zich binnen het gesteente bevindt, we noemen dat de endogeneïteit van het object. Daartoe snijden we de rots in schijven, zo krijgen we verschillende secties waarin duidelijk te zien is of het object in de rots zit dan wel dat we te maken hebben met een contaminatie van buitenaf. Vervolgens moeten we bewijzen dat het object dezelfde leeftijd heeft als het gesteente waarin het zich bevindt. Het kan zijn dat we een rots hebben waarin zich later een micro-organisme een weg geboord heeft om dan in die rots te fossiliseren, maar dat organisme heeft dan wel een leeftijd die niet dezelfde is als die van de rots. Of er kunnen barsten in de rots zitten waarlangs vloeistoffen circuleren, ook op die manier kunnen micro-organismen zich in de rots nestelen, maar ook hier gaat het om indringers van nadien. Om zoveel mogelijk vergissingen uit te sluiten gaan we in eerste instantie kijken naar stukken gesteente die voldoende ver verwijderd zijn van zones met mogelijke contaminaties. We nemen dan stalen in die stukken rots waar leven plausibel zou kunnen zijn. In de eerste fase situeert het onderzoek zich dus op macroscopisch vlak, waarbij we de algemene geologische context bepalen om te zien of het een habitat betreft waarin leven zich mogelijk of moeilijk zou kunnen voordoen. Dan gaan we naar een microscopisch onderzoek waarbij we secties van het gesteente bekijken om een directe blik te kunnen werpen op de minuscule objecten die we bestuderen.

Als ik tijdens mijn onderzoek probeer te achterhalen of de organische stalen die ik aan het bestuderen ben dezelfde leeftijd hebben als het gesteente, maak ik gebruik van een techniek die we de Ramanspectroscopie noemen. Op die manier kan in aantonen dat de koolstof in dat organisch materiaal verhit is tot dezelfde temperatuur als die van de rots. We kunnen via de mineralen die in het gesteente aanwezig zijn te weten komen tot welke temperatuur dat gesteente is verhit, als we dat doen krijgen we zicht op de geologische geschiedenis van de rots in kwestie. Naarmate er zich opeenvolgende sedimenten in lagen afzetten, gaan de onderste sedimentlagen een steeds hogere druk en temperatuur ondergaan, en gaan ze van structuur veranderen, dit fenomeen noemen we metamorfisme. Dit fenomeen speelt nog sterker wanneer het een gevolg is van botsingen van de tektonische platen die de aardkorst vormen. Als er zich op die manier bergketens vormen is het wel evident dat dit gepaard gaat met een enorme druk en temperatuur. De gesteenten transformeren zich, en zo kan het metamorfisme eventuele sporen van leven die in die gesteenten aanwezig zijn, doen verdwijnen. Door het toepassen van een aantal geochemische technieken en door het analyseren van de verschillende mineralen die in de rotsen aanwezig zijn, kunnen we de graad van metamorfisme die het gesteente heeft ondergaan achterhalen. Als dan de graad van metamorfisme die de koolstof in ons bestudeerd staal ondergaan heeft compatibel is met die van het omringende gesteente, mogen we concluderen dat het object dezelfde leeftijd heeft als de rots. Het organische materiaal van mijn onderzoek had de vorm van kleine vesikels, blaasjes omgeven door een membraan, die platgedrukt waren in een richting parallel aan de lagen van de rots. Dit toont aan dat die vesikels gesedimenteerd zijn op hetzelfde moment als de modder waarin ze zich bevonden. En geleidelijk is dat alles versteend.

 

Nu nog bewijzen dat het om biologische structuren gaat.

 

Inderdaad, het onderzoek was in deze fase nog niet afgelopen. De vesikels die ik aan het bestuderen was heb ik geëxtraheerd uit de rots, dat kon ik doen door gebruik te maken van bepaalde zuren die wel de mineralen oplossen, maar niet het aanwezige organische materiaal. Met behulp van een elektronenmicroscoop is het mogelijk om ultrafijne schijfjes rots te bestuderen van nauwelijks 60 nanometer dik, daarmee werd zichtbaar dat de vesikels ovale, afgeplatte celkernen hebben met daarin plooien. Het gaat dus om organische structuren die aanvankelijk vervormbaar waren, net zoals een ballon, die kunnen we ook platdrukken en er komen dan soms plooien in. Door de afplatting werden de celkernen uitgeperst, en nu zijn ze dus leeg en zijn ze bewaard in het gesteente, ze zijn er zelfs deel van gaan uitmaken.

Daarnaast kunnen we allerlei soorten biochemische analyses uitvoeren, vertrekkend van elementen die kenmerkend zijn voor biologische processen. Zo is er een techniek die we de isotopische fractionatie noemen. Koolstof bv. bestaat onder de vorm van een aantal verschillende isotopen. Als we met levensvormen te maken hebben, zullen we van geval tot geval die ene of die andere isotoop tegenkomen. In het gesteente kunnen we al die verschillende isotopen opmeten, en zo krijgen we er zicht op of het om mogelijk biologische structuren gaat of niet.

Samenvattend kunnen we stellen dat er vier werkmethodes bruikbaar zijn om in zeer oude gesteenten sporen van leven terug te vinden. We kunnen om te beginnen fossielen vinden, die kunnen groot of microscopisch klein zijn, dan hebben we direct bewijs dat het om versteende levensvormen gaat. We kunnen te werk gaan via isotopische fractionatie, en dat dan voor die elementen die typisch zijn voor het leven zoals koolstof, stikstof, zuurstof, zwavel, fosfor en ijzer. Er is ook de methode die gebruik maakt van zogenaamde biomarkers. Cholesterol bv. kan in rotsen bewaard blijven onder de vorm van cholestaan. Dat is een gefossiliseerde molecule die we kunnen opsporen. De aanwezigheid ervan wijst erop dat er in die periode een organisme moet geweest zijn dat kon evolueren tot cholestaan. Een ander gekend voorbeeld is petroleum, dat is een mengsel koolwaterstoffen dat ontstaan is uit resten van organisch materiaal. En dan hebben we nog rotsachtige structuren die ontstaan zijn door biologische afzettingen, zoals de stromatolieten. Die kunnen zeer groot of zeer klein zijn en ontstaan wanneer hele populaties cyanobacteriën een bepaald sedimentkorreltje of mineraal invangen, zo ontstaan rotsachtige ophopingen die conisch van vorm kunnen zijn, of met allerhande vertakkingen of golvingen. Er zijn al stromatolieten sinds 3,5 miljard jaar en ze komen nog altijd in de natuur voor.

Maar we moeten in ieder geval steeds behoedzaam te werk gaan, want voor elk van die vier methodes om naar levensvormen te speuren in oude gesteenten zijn er ook niet-biologische processen mogelijk die in bepaalde omstandigheden een zelfde chemie of een zelfde morfologie kunnen genereren. Vooraleer we definitieve conclusies trekken over een bepaald studieobject, moeten we de hele geologische context erbij betrekken om zeker te kunnen zijn dat het wel degelijk om biologische organismen gaat.

 

En voor het onderzoek naar buitenaards leven gaat men op een vergelijkbare manier te werk?

 

Als we de overstap naar het onderzoeksdomein van de astrobiologie maken, denken we in de eerste plaats aan de speurtocht naar leven op onze buurplaneet Mars. En dan zullen inderdaad onze methodes om te zoeken naar leven op Aarde van pas komen, rekening houdend met de specifieke omstandigheden op Mars.

Begin december 2012 verschenen er in de pers berichten waarbij wereldkundig werd gemaakt dat de NASA-rover Curiosity sporen van koolstof had ontdekt in een staal van de Marsbodem dat het toestel had geanalyseerd. Vooreerst moet bij een dergelijke ontdekking nagegaan worden of de koolstof afkomstig is van Mars zelf of dat het gaat om koolstof die vanaf de Aarde met Curiosity meegereisd is. De NASA heeft intussen kunnen aantonen dat het niet om aardse contaminatie gaat. Nu is koolstof wel een element dat overal in het universum voorkomt, het zou best kunnen gaan om organische moleculen die op Mars terechtgekomen zijn via de inslag van meteorieten. Ik wil hier graag nog eens onderstrepen dat organisch niet wil zeggen biologisch, men denkt vaak dat het om hetzelfde gaat, maar organisch wil enkel zeggen dat het gaat om moleculen die minstens een koolstofatoom bevatten. Dan komt het er nu dus op aan te ontdekken of die koolstof van biologische herkomst is of niet. Maakt hij deel uit van complexe moleculen die niet ontstaan kunnen zijn door enkel maar niet-biologische reacties of is de koolstof afkomstig van een meteoriet?

Voor Marsmissies waarbij men op het planeetoppervlak gaat speuren naar buitenaards leven komt het er in de eerste plaats op aan om de geologische context te bepalen van het gebied waar men het onderzoek verricht, men zoekt naar sporen van vloeibaar water en gaat na of het een mogelijke habitat voor levensvormen betreft. Pas daarna gaat men met robotwagentjes beginnen zoeken naar directe of indirecte sporen van leven.

Momenteel is Curiosity actief op Mars, binnen enkele jaren zal ook de ESA een rover op de rode planeet hebben. Als alles volgens plan verloopt, zal ExoMars vanaf 2018 uitgerust zijn met een instrument om in de bodem te boren zodat niet alleen aan het oppervlak maar ook daaronder rechtstreeks naar levensvormen kan gezocht worden.

De meest interessante periode uit de geologische geschiedenis van Mars wat betreft dergelijk onderzoek is de periode waarin Mars nog een vrij sterk magnetisch veld had en een redelijk dichte atmosfeer. Toen stroomde er ook vloeibaar water over het Marsoppervlak. De fossielen van meer dan drie miljard jaar oud uit mijn onderzoek zijn bewaard gebleven in een bepaald soort klei, het zijn fylosilicaten, en die heeft men ook al gevonden op Mars. Als er op Mars sporen van leven zouden zijn of zelfs van organisch materiaal dat niet biologisch is, dan zijn dit soort kleigronden een ideale plek waarin dat organische materiaal bewaard zou kunnen gebleven zijn. Ons onderzoek op Aarde waarbij we stalen bestuderen waarvan we weten dat ze leven bevatten en andere stalen waarvan we weten dat ze geen leven bevatten, is dus de ideale voorbereiding voor een gelijkaardig onderzoek op Mars met een zelfde soort onderzoeksinstrumenten, maar dan wel aangepast aan de omstandigheden ginds.

Er zijn buiten Mars ook nog andere plaatsen in het zonnestelsel waar het de moeite loont om naar buitenaards leven te zoeken.

De Jupitermaan Europa is omgeven door een ijskorst, maar daaronder bevindt zich een dikke laag vloeibaar gezouten water die door de getijdenwerking van de nabije reuzenplaneet voldoende doorheen gewoeld wordt. Europa beschikt wellicht over meer vloeibaar water dan het water van alle oceanen op Aarde samen. We zien aan het oppervlak rond die vele breuken en groeven in het ijs rode en oranje afzettingen, dat wijst op verbindingen met zuurstof en mogelijk de aanwezigheid van organische moleculen. Nadeel is wel dat het water van Europa zich onder een laag ijs van meer dan tien kilometer dik bevindt, met als gevolg dat het daar aardedonker is. Fotosynthese zal daar dus niet aan de orde zijn. Maar voor biologische processen kan ook geothermische warmte een rol spelen, of misschien is er insijpeling van complexe moleculen vanaf het oppervlak. Het zal niet gemakkelijk zijn om doorheen de ijskorst te komen, maar men is toch al ruimtevaartmissies aan het ontwerpen met als doel die laag vloeibaar water te bereiken. Zo wil men achterhalen of dat water in contact is met rotsachtig materiaal of niet. De mineralen die in gesteenten voorkomen zouden immers een noodzakelijke voedingsbron zijn voor leven.

En dan is er ook Titan, de grote maan van Saturnus. Men was er al veel eerder van overtuigd dat er zich aan het oppervlak van Titan vloeibare meren van methaan zouden bevinden, en dankzij de aan de gang zijnde Amerikaans-Europese missie Cassini-Huygens werden die verwachtingen door waarnemingen ook effectief bevestigd. Methaan is een molecule die wij in onze dagdagelijkse omgeving kennen als een gas, maar deze verbinding van één enkel koolstofatoom met vier waterstofatomen is vloeibaar bij een temperatuur van plusminus -180° Celsius, en dat is de oppervlaktetemperatuur op Titan. Bij dergelijke lage temperaturen vinden chemische reacties maar heel langzaam plaats, dus persoonlijk denk ik niet dat er zich in vloeibaar methaan biologische processen afspelen. Maar volgens sommige modellen over het inwendige van Titan zou er zich onder het bevroren oppervlak een zilte oceaan kunnen bevinden. Dus het is zeker de moeite om in de toekomst nieuwe projecten te ontwikkelen om op al die zaken beter zicht te krijgen.

 

Bij de zoektocht naar buitenaards leven draait het altijd om organische chemie, waarom is dat?

 

Omdat organische chemie nu eenmaal iets heel banaals blijkt te zijn in het universum, moleculen waarin koolstof een bepalende rol speelt ontstaan vlot onder de meest verscheiden omstandigheden in het heelal. In tegenstelling tot bv. silicium is koolstof een element dat het mogelijk maakt om heel complexe moleculen te doen ontstaan. En om de verbindingen tussen verschillende moleculen op basis van silicium te verbreken is beduidend meer energie nodig dan om dat te doen bij moleculen op basis van koolstof. Organische chemie ontstaat op een eenvoudige en natuurlijke manier, en we zien ze overal aan het werk, waar we ook kijken in het heelal. Het is ook via die weg dat het leven op Aarde is ontstaan. En dat is de reden waarom we denken dat, als er ook leven elders is, het zeer waarschijnlijk gebaseerd is op organische chemie. De vraag die we ons dan kunnen stellen is over welk type leven het gaat.

Daar weten we niets over, maar het idee is dat het zal interageren met zijn omgeving, dat het die zal wijzigen en er sporen in zal achterlaten die we kunnen verklaren op basis van fysische en chemische processen die ons bekend zijn. Het is zeker zo dat we bij onze zoektocht naar buitenaards leven een beeld voor ogen hebben dat sterk bepaald wordt door de levensvormen die we op Aarde kennen, maar als we ooit iets zouden vinden dat wijst op buitenaards leven, hopen we toch kennis te maken met organismen die er een andere morfologie, metabolisme, enzovoort op nahouden. Er zijn astrobiologen die zich een ander soort biochemie proberen voor te stellen die zich afspeelt in een ander soort vloeistof dan in water. En bij de buitenaardse levensvormen die we zoeken gaat het voornamelijk om micro-organismen.

Er zijn natuurlijk ook onderzoekers die naar veel complexere levensvormen zoeken die intelligent zijn en bij voorkeur ook technologisch zodanig geëvolueerd dat wij met hen in contact kunnen treden. Maar we moeten op dat vlak misschien toch wel niet al te veel hoop koesteren zo we de evolutie van het leven op onze planeet als maatstaf nemen: na het ontstaan van de Aarde deed het leven vrij snel zijn intrede, maar het was microscopisch klein. Het duurde vervolgens miljarden jaren vooraleer het zich ontwikkelde tot wat wij intelligent leven noemen. Qua technologische vooruitgang is het pas sinds de vorige eeuw dat wij in staat zijn om via ruimtevaart en elektromagnetische golven onszelf kenbaar te maken aan de buitenwereld. Het is trouwens niet gezegd dat het leven elders op een vergelijkbare manier zou evolueren.

Volgens mij is het weinig waarschijnlijk dat er intelligent en technologisch geëvolueerd buitenaards leven is waarmee wij in contact kunnen treden. Wat we wel kunnen detecteren – en misschien zelfs in een niet al te verre toekomst – is buitenaards microbieel leven.

Laten we ons eens de vraag stellen over de voorwaarden die moeten vervuld zijn opdat er leven zou kunnen voorkomen op een planeet of op een maan van een planeet. Is het voldoende dat men er vloeibaar water aantreft, organisch materiaal en een energiebron om er te kunnen van uitgaan dat er daar leven is of kan zijn?

Nemen we onze eigen Aarde, dat is een complexe planeet die geologisch erg actief is. De aardkorst is voortdurend in beweging, er vormen zich gebergteketens en allerlei vormen van reliëf en er is erosie. Kleine stukjes gesteenten en mineralen worden afgevoerd naar de zeeën, terwijl de hydrothermale activiteit op de bodem van de oceanen ook allerlei elementen doet vrijkomen. En zo raken de zeeën rijkelijk voorzien van voedingsstoffen die essentieel zijn voor de groei en het overleven van biologische organismen. Dan hebben we nog het gegeven dat de kern van de Aarde gedeeltelijk vast en gedeeltelijk vloeibaar is, waardoor er een magnetisch veld ontstaat dat onze atmosfeer beschermt. Die atmosfeer is voldoende dik opdat er aan het oppervlak vloeibaar water zou voorkomen. Ook belangrijk is de aanwezigheid bij onze planeet van een grote maan die zorgt dat de rotatieas van de Aarde stabiel is, en het gegeven dat de Aarde zich op de juiste afstand van de Zon bevindt zodat het hier niet te warm en niet te koud is om leven te doen gedijen.

Dat zijn wel een boel voorwaarden bij elkaar, de kans dat gelijkaardige omstandigheden ook elders samen voorkomen is misschien niet groot. Maar is het anderzijds nodig dat al die voorwaarden ook tegelijkertijd vervuld zijn om buitenaards leven te kunnen krijgen? Dat weten we niet. Als er enkele basisvoorwaarden aanwezig zijn zie ik niet in waarom er geen leven zou kunnen ontstaan. Hoe leven precies ontstaat, weten we nog steeds niet, maar het is alleszins een gevolg van een chemische evolutie in welbepaalde omstandigheden die steeds complexer wordt.

 

De laatste jaren ontdekt men op Aarde allerlei levensvormen in extreme omgevingen waar men vroeger niet eens ging zoeken omdat leven daar toch onmogelijk zou zijn. Niet dus. Is dit geen sterk argument ten gunste van het idee dat leven zelfs in de meest barre omstandigheden kan bestaan, en dus ook buiten onze planeet?

 

Mag ik misschien toch eerst even opmerken dat die zogenaamde extreme omstandigheden een wel erg antropocentrische visie verraden. Het gaat om omstandigheden die misschien extreem zijn ten opzichte van onze levenswijze, maar je kan de omstandigheden op Aarde voor dezelfde moeite evenzeer extreem noemen, en toch is het leven zoals wij dat kennen er beginnen groeien en bloeien. Levensvormen in volgens ons extreme omstandigheden noemen we extremofielen, maar dat type leven is misschien wel het meest verspreid en meest voorkomend, in het verleden en nu, op Aarde en elders in het heelal.

Maar inderdaad, als we het vanuit ons standpunt bekijken, zorgen de extremofielen die we op Aarde ontdekken voor steeds bredere marges waarbinnen leven kan bestaan. Er is ook het gegeven dat organische chemie overal in het heelal voorkomt en dat er buiten ons zonnestelsel zovele systemen van planeten blijken te bestaan bij andere sterren, met ongetwijfeld ook vele aardachtige rotsplaneten in leefbare zones. Dit alles overtuigt mij ervan dat we met aan zekerheid grenzende waarschijnlijkheid kunnen stellen dat buitenaards leven bestaat. Of we het ook ooit effectief ontdekken is een andere vraag, maar ook op dat vlak ben ik optimistisch. Maar ook als we dit buitenaardse leven de komende jaren of zelfs decennia niet zouden ontdekken, blijft het belangrijk te blijven zoeken en nieuwsgierig te zijn. De drang om te weten hoe het is bij andere planeetsystemen, in andere sterrenstelsels, enzovoort maakt het ook mogelijk om een beter zicht te krijgen op onze eigen plaats en evolutie in het grote geheel. Zo kunnen we ons er uiteindelijk ook van bewust worden hoe bijzonder, uniek en kostbaar de planeet is die wij bewonen. En hoe bijzonder ons eigen bestaan is. Mensen hebben bovendien meer nodig dan alleen maar brood en spelen, ze moeten ook van iets kunnen dromen, er moeten projecten zijn die hen kunnen enthousiast maken.

 

En u zorgt er alvast mee voor dat we kunnen blijven dromen, mevrouw Javaux, bedankt voor het interview.