Leven kan niet bestaan zonder water, is een befaamd dogma onder astrobiologen. Allerlei zeer ingewikkelde berekeningen worden losgelaten op exoplaneten om te bepalen of er daadwerkelijk vloeibaar water voor kan komen op een bepaalde plek. Terecht? Nee. Er zijn heel goed ook andere manieren denkbaar waarop leven zou kunnen functioneren.
Wat is leven?
Over een antwoord op deze vraag bakkeleien natuurfilosofen en later biologen al sinds het prille begin van de natuurwetenschap. De kansrijkste benaderingen zijn de thermodynamische:
- leven is als ‘iets’ dat de entropie (wanorde) in de omgeving vergroot en de wanorde binnen de eigen systeemgrenzen verkleint cq de vrije energie binnen vergroot.
en een meer biologisch getinte omschrijving:
- Levende organismen kennen een vorm van stofwisseling (het omzetten van het ene in het andere), houden zichzelf in dezelfde toestand, kunnen groeien, kunnen zich voortplanten en kunnen zich door natuurlijke selectie aanpassen aan hun omgeving in opeenvolgende generaties: evolutie.
Meer info: Wat is leven?
Geen aards leven zonder water
Als de de tweede definitie hanteren: wat leeft moet een stofwisseling kennen etcetera, zien we dat water inderdaad essentieel is als oplosmiddel voor de stofwisseling. Zonder water geen stofwisseling, en dus geen leven. Organismen, zoals zaden, beerdiertjes en bacteriesporen kunnen in uitgedroogde vorm in een soort winterslaap gaan, maar gedurende die tijd vindt er – voorzover bekend – geen stofwisseling plaats. Er zijn geen aardse levensvormen bekend met een stofwisseling zonder water. Nu moet daar wel bij gezegd worden dat we nooit op zoek zijn geweest naar levensvormen die niet op de een of andere manier een ander systeem dan water gebruiken voor hun stofwisseling.
Zou een meercellig ammoniakwezen er zo uit zien?
Ammoniak in plaats van water
Op zeer koude werelden waarop water zo hard bevroren is als rots, verandert ammoniak, NH3, in een vloeistof. Er zou zich in principe een levensvorm in een ammoniakrijke ijswereld kunnen ontwikkelen. Ammoniak gedraagt zich in veel opzichten als water en eiwitten bestaan uit aminozuren, die zich ook heel goed in ammoniak kunnen vormen.
Een probleem met ammoniak is dat het minder polair is dan water. Vetten lossen bijvoorbeeld zonder probleem op in ammoniak. Aangezien celwanden op aarde uit een vetmembraan bestaan, moeten ammoniakcellen een andere, rigide, stof als membraan gebruiken. Ook is het vloeibare temperatuurtraject van ammonia maar klein: van -78 graden tot -34 graden. Overigens: deze temperatuurgrenzen gelden bij een aardse luchtdruk. Is de luchtdruk veel hoger, bijvoorbeeld 50 atmosfeer, dan blijft ammonia vloeibaar over bijna tweehonderd graden. Ammonia verdampt ook makkelijker dan water.
Toch is ammonia het meestgenoemde alternatief voor water[1]. Een mogelijke water-ammoniakoceaan bevindt zich in het binnenste van de grootste maan van Saturnus, Titan. Bij deze lage temperaturen verlopen levensprocessen erg langzaam. Je hoeft dus niet erg bang te zijn dat je huisdier van een ammoniakwereld snel wegkruipt. Al zal dat letterlijk wel een hele opluchting zijn.
Methaanwezens
De oppervlakte van Titan doet merkwaardig aards aan. De vloeistof op het oppervlak is echter geen water, maar methaan, dat een complete hydrologische (of liever gezegd: methanologische) kringloop ondergaat. Af en toe zijn er heftige methaanregenbuien, waarbij enorme methaandruppels tergend langzaam naar beneden vallen. Geen wonder dat astrobiologen enthousiast hebben gespeculeerd over methaangebaseerde wezens. Methaan is echter polair. De bouwstenen van aards leven, zoals eiwitten, lossen dus niet op in methaan. Onderzoekers denken daarom dat methaangebaseerd leven (als het al bestaat), vermoedelijk gebaseerd is op vetachtige stoffen. Titan is zeer koud: op de oppervlakte heersen temperaturen rond de 70 kelvin (rond de -200 graden). Dit leven zal nog veel trager zijn dan ammoniakgebaseerd leven.
Sommige onderzoekers denken dat er inderdaad methaangebaseerd leven voorkomt op Titan. Er verdwijnt namelijk op raadselachtige wijze waterstof uit de atmosfeer. Ze vermoeden dat methaanbewonende organismen deze waterstof verbranden met ethyn (welbekend van de carbidbus) en er ethaan van maken, wat energie oplevert. Voor het verdwijnen van de waterstof zijn er ook andere chemische processen goed denkbaar [2]. De meeste onderzoekers vinden dat ook de meest logische verklaring.
Landing op Titan
Waterstofperoxide–bacteriën op Mars?
Water kent een nogal instabiele en agressieve variant met een extra zuurstofatoom: waterstofperoxide(H2O2). Een mengsel van water en waterstofperoxide trekt zeer sterk water aan. Joop Houtkooper en Dirk Schulze-Makuch denken daarom dat er op Mars wel eens een vorm van leven kan voorkomen dat in plaats van water, een mengsel van deze twee vloeistoffen bevat. Bijkomend voordeel voor bacteriën: dit mengsel bevriest pas bij -56 graden onder nul. Wel zal de biochemie zich moeten beschermen tegen het agressieve peroxide, maar dat is sowieso al noodzakelijk – peroxiden komen op Mars zeer veel voor. Ook zijn er meerdere organismen (van bacteriën tot de bombardeerkever) bekend die geconcentreerde waterstofperoxide gebruiken. [3] De peroxide-hypothese verklaart ook opmerkelijk goed waarom eventuele levensvormen de chemische test van de Marslander Viking uit 1976 hebben kunnen ontgaan. Door ze te verhitten reageerde de agressieve peroxide met de organische bestanddelen en veranderen deze in kooldioxide en water. Kortom: klopt de peroxide-hypothese, dan hebben planeetonderzoekers er al die jaren flink naast gezeten.
Bronnen
1. David Darling, Ammonia-based life
2. Strobel et al., Molecular hydrogen in Titan’s atmosphere: Implications of the measured tropospheric and thermospheric mole fractions, Icarus (2010) (paywall)
3. Joop Houtkooper en Dirk Schulze-Makuch, The H2O2-H2O Hypothesis: Extremophiles Adapted to Conditions on Mars?, European Planetary Science Congress (2007) (gratis)
