Hoe zouden alternatieve, buitenaardse levensvormen eruit kunnen zien?

• Het leven op Aarde (en dus al het leven dat we kennen) berust op koolstof en water.
• Koolstof en water zijn uitstekende ingrediënten bij het maken van leven, maar veel andere elementen zouden onder de juiste omstandigheden in hun plaats kunnen dienen.
• Wat zijn deze alternatieve levensvormen en onder welke omstandigheden zouden ze kunnen floreren?

Al het leven op Aarde, en dus al het leven dat we ooit in het heelal hebben waargenomen, heeft een paar basiskenmerken gemeen. De moleculaire structuren zijn opgebouwd uit koolstof, water fungeert als oplosmiddel en vergemakkelijkt chemische reacties, en het gebruikt DNA of RNA als blauwdruk.

Deze eigenschappen lijken zo alomtegenwoordig dat bijna elke verbinding die we kunnen vinden en koolstof bevat, een organische verbinding wordt genoemd. Koolstof werkt zeer goed als de basis voor de chemie van het leven. Het kan zich verbinden met vele moleculen en zo structuren bouwen die groot genoeg zijn om biologisch relevant te zijn, en de bindingen zijn sterk en stabiel. Ook het gebruik van water en DNA/RNA zijn kennelijk afgestemd op het bestaan van leven.

Maar het feit dat deze eigenschappen van het leven waar zijn op Aarde, betekent niet dat ze overal waar zijn. We kunnen ons gemakkelijk verschillende omgevingen voorstellen waarin alternatieve levensvormen kunnen bestaan. Hier zijn enkele van de belangrijkste manieren waarop we denken dat leven kan verschillen van de standaard die we op aarde zien.

Silicium

Lei Chen en Yan Liang (BeautyOfScience.com) voor Caltech

Een schets van leven op basis van organosilicium. Organosiliciumverbindingen bevatten koolstof-siliciumverbindingen.

Hetzelfde spul waaruit computerchips en elektrische circuits zijn opgebouwd, kan ergens in het heelal ook leven vormen. Koolstof kan bindingen aangaan met maximaal vier andere atomen tegelijk, zich binden aan zuurstof, en polymeerketens vormen, wat het allemaal ideaal maakt voor de complexe chemie van het leven. Silicium, dat net onder koolstof ligt op de tabel der elementen, deelt ook deze eigenschappen.

Ondanks deze kwaliteiten is silicium nog vrij beperkt als basis voor leven. Het kan slechts stabiele bindingen vormen met een beperkt aantal andere elementen; zijn polymeren zouden zeer eentonig zijn, waardoor zijn vermogen om de complexe verbindingen te vormen die nodig zijn om leven te laten ontstaan, wordt beperkt; en de chemie van silicium is niet stabiel in waterige, of waterige, omgevingen. Een ander probleem is dat wanneer koolstof oxideert, het kooldioxide vormt, een gemakkelijk uit te stoten gas. Wanneer silicium oxideert, vormt het siliciumdioxide, ook bekend als silica, kwarts, of zand. Dit vaste afval zou een aantal ernstige mechanische uitdagingen vormen voor leven op basis van silicium. Zo’n hypothetische levensvorm zou bij elke ademteug bakstenen zand uitscheiden, wat een vakantie aan het strand wat huiveringwekkender zou maken.

Onder bepaalde omstandigheden zou een op silicium gebaseerde chemie gunstiger voor leven kunnen zijn dan een op koolstof gebaseerde. Siliciumchemie zou ook veel vatbaarder zijn voor leven in oceanen van koude elementen die we gewoonlijk niet associëren met leven, zoals vloeibare stikstof, methaan, ethaan, neon en argon. Zulke plekken bestaan in het heelal, met name in ons eigen zonnestelsel: Een van de belangrijkste kenmerken van Saturnus’ grootste maan, Titan, zijn meren van vloeibaar ethaan en methaan.

Ammonium

Een tekening van een wereld met leven op basis van ammoniak.Ittiz

De meeste chemische reacties waar het leven op is gebaseerd, vinden plaats in een waterige omgeving. Water lost veel verschillende moleculen op – het is een oplosmiddel, en het hebben van een goed oplosmiddel is een eerste vereiste voor het soort chemie dat leven voortbrengt.

Zoals water, komt ammoniak ook veel voor in het heelal. Het is ook in staat om organische verbindingen op te lossen, net als water, en, in tegenstelling tot water, kan het ook sommige metalen oplossen, wat de mogelijkheid opent om interessantere chemie te gebruiken in levende dingen.

Ammoniak is echter ook ontvlambaar in aanwezigheid van zuurstof; heeft een veel lagere oppervlaktespanning dan water, waardoor het moeilijk is om prebiotische moleculen erg lang bij elkaar te houden; en het smelt- en kookpunt liggen veel lager dan water, op respectievelijk -78°C en -33,15°C. De chemie van het leven op basis van ammoniak zou dus veel trager verlopen, en het metabolisme en de evolutie zouden dus ook trager verlopen. Een belangrijk voorbehoud is echter dat dit de smelt- en kookpunten zijn die voorkomen bij de atmosferische druk op aarde. Onder hogere druk zouden deze waarden stijgen.

Een van de opwindende eigenschappen van leven op basis van ammoniak is dat het zou kunnen bestaan buiten de zogenaamde bewoonbaarheidszone, of het bereik waar vloeibaar water kan bestaan. Titan bijvoorbeeld kan oceanen van ammoniak onder zijn oppervlak hebben, en hoewel het buiten de bewoonbaarheidszone van ons zonnestelsel ligt, zou het om die reden leven kunnen herbergen. Astrobiologen wijzen vaak naar Titan als een mogelijke plek voor alternatieve levensvormen binnen ons eigen zonnestelsel.

Alternatieve chiraliteit

Net zoals een mens links- of rechtshandig kan zijn, kunnen organische moleculen dat ook zijn. Deze moleculen zijn spiegelbeelden van elkaar, maar het leven heeft, om wat voor reden dan ook, de ene of de andere kant gebruikt, wat chiraliteit wordt genoemd. Aminozuren, bijvoorbeeld, zijn “linkshandig”, terwijl de suikers in RNA en DNA “rechtshandig” zijn. Willen deze moleculen met elkaar kunnen samenwerken, dan moeten ze de juiste chiraliteit hebben; als eiwitketens worden gemaakt van aminozuren met gemengde chiraliteit, werken ze gewoon niet. Maar een proteïneketen opgebouwd uit rechtshandige aminozuren, het tegenovergestelde van wat het leven op aarde gebruikt, zou prima werken.

De hele ecologie van de aarde hangt af van deze conventie. Om te kunnen eten, moeten we voedsel consumeren met de juiste chiraliteit. We kunnen geïnfecteerd worden en ons verdedigen tegen infecties met de juiste chiraliteit. Alles op Aarde heeft de juiste chiraliteit, dus dit werkt prima.

Maar buitenaards leven zou kunnen evolueren om de tegenovergestelde chiraliteit te gebruiken als de Aarde. Dit leven zou in de grond gelijk zijn aan het leven op Aarde – met koolstof als ruggengraat en water als oplosmiddel – maar het zou op een van de twee mogelijke manieren met ons interageren. Ten eerste zou er helemaal geen interactie mogelijk zijn. Zelfs als microbieel leven zou proberen ander microbieel leven te eten, zouden de “omgekeerde” suikers onverteerbaar zijn, en zouden virussen zich niet kunnen binden aan gastheercellen. Dit zou waarschijnlijk een goede zaak zijn, omdat we niet willen worden besmet met buitenaardse ziekten.

Maar er zijn beestjes op Aarde die geen chirale voedingsstoffen eten, zoals cyanobacteriën. Een vergelijkbare buitenaardse microbe zou zoveel kunnen eten als hij wil, zich oneindig kunnen voortplanten, en zou nooit door roofdieren in toom gehouden kunnen worden omdat hij zelf de verkeerde chiraliteit zou hebben. Dit zou de voedselketen dramatisch verstoren op een apocalyptische schaal.

Deze alternatieve levensvormen zijn niet de enige die bestaan, maar ze behoren wel tot de meest waarschijnlijke. Veel van wat we weten over scheikunde suggereert dat leven op basis van koolstof en water het meest voorkomt in het heelal, maar we hebben er slechts een exemplaar van kunnen bestuderen: onze eigen planeet. Als we leven op andere werelden vinden, zullen we nog meer inzicht krijgen in hoe levende dingen ontstaan.