Op jacht naar sporen van leven in buitenaardse atmosferen ligt de focus vaak op ons bekende biosignaturen zoals zuurstof en methaan. Maar ook lachgas kan wijzen op de aanwezigheid van buitenaards leven, zo stellen onderzoekers nu.

Zijn we alleen? Het is een vraag die de mensheid al eeuwenlang bezighoudt. En eindelijk hebben we de middelen om die prangende vraag van een antwoord te voorzien. Zo rijdt op Mars momenteel een wagentje rond dat actief zoekt naar sporen van (vergane) Marsbewoners en zijn er plannen om ook een sonde naar Jupiters maan Europa te sturen om uit te vogelen of die leven kan herbergen. Een robot naar andere werelden sturen om daar te zoeken naar sporen van leven, is een prima benadering voor relatief nabije werelden die deel uitmaken van ons eigen zonnestelsel, maar leent zich minder goed voor de zoektocht naar buitenaards leven op exoplaneten: planeten die zich buiten ons zonnestelsel bevinden. Simpelweg omdat zelfs de reis naar de dichtstbijzijnde exoplaneet – Proxima b – decennialang zou duren. Maar onderzoekers hebben daar wat op bedacht. In plaats van die verre werelden met een bezoekje te vereren en ter plekke naar sporen van leven te zoeken, willen ze hun atmosferen op afstand gaan ‘uitlezen’. Het enige wat je daarvoor nodig hebt, is een superkrachtige telescoop. En die hebben we sinds kort: de James Webb Space Telescope. Met deze telescoop kunnen onderzoekers de samenstelling van buitenaardse atmosferen vaststellen en nagaan of die atmosferen elementen herbergen die hinten op de aanwezigheid van leven. Dergelijke elementen worden ook wel biosignaturen genoemd. Bekende voorbeelden zijn zuurstof en methaan (zie kader). Maar als het aan onderzoekers ligt, gaan we verder kijken dan die twee populaire opties en opent James Webb ook de jacht op…lachgas, oftewel N2O.

De atmosfeer van de aarde is vandaag de dag rijk aan zuurstof. Maar dat is niet altijd zo geweest; toen de aarde net gevormd was, herbergde deze noch in de atmosfeer, noch in de oceanen zuurstof. Dat begon zo’n 2,4 miljard jaar geleden echter te veranderen, toen bacteriën middels fotosynthese meer en meer zuurstof gingen produceren. De hogere zuurstofconcentraties maakten de evolutie van hogere levensvormen mogelijk, waarvan een deel ook weer zuurstof ging produceren en zo steeg de zuurstofconcentratie geleidelijk aan naar het huidige niveau. Daarmee is de hoge zuurstofconcentratie in de aardatmosfeer dus een direct gevolg van de aanwezigheid van leven. Maar de aanwezigheid van zuurstof maakt ook de aanwezigheid van methaan in diezelfde aardatmosfeer wat raadselachtig. Want zuurstof en methaan reageren vrij snel met elkaar, waardoor er koolstofdioxide en water ontstaat. In die zin zou je – zeker met het oog op de hoge zuurstofconcentratie – dan ook eigenlijk niet verwachten dat de aardatmosfeer vrij methaan herbergt. Het feit dat dat wel het geval is, hint er dan ook op dat er voortdurend nieuw methaan wordt aangemaakt. Nu kan methaan op twee manieren gevormd worden: door geologische processen en door leven. En juist het feit dat het samen met zuurstof in de aardatmosfeer voorkomt, hint op het laatste. Wanneer buitenaardse wezens van een afstandje naar onze planeet kijken, zouden ze uit de aanwezigheid van zuurstof en methaan in de aardatmosfeer dan ook voorzichtig kunnen afleiden dat onze planeet hoogstwaarschijnlijk leven herbergt. En op een vergelijkbare manier kunnen wij door de atmosfeer van andere planeten te onderzoeken, nagaan of die misschien leven herbergen.

“Er wordt veel nagedacht over zuurstof en methaan als biosignaturen,” stelt onderzoeker Eddie Schwieterman. “Veel minder onderzoekers hebben ook distikstofmonoxide (in de volksmond beter bekend als lachgas, red.) serieus als biosignatuur overwogen. En wij denken dat dat onterecht is.”

Lachgas is hier schaars
Dat lachgas tot op heden als biosignatuur een beetje is afgeserveerd, komt doordat de atmosfeer van de aarde – de enige planeet waarvan we met zekerheid kunnen stellen dat deze leven herbergt – niet rijk is aan distikstofmonoxide. Maar, zo stellen Schwieterman en collega’s, dat kan in het verleden weleens anders zijn geweest. “De mate waarin N2O in onze atmosfeer voorkomt, wordt gedicteerd door de omvang van bronnen van lachgas en de snelheid waarmee dat lachgas – voornamelijk door UV-straling – wordt afgebroken,” legt Schwieterman aan Scientias.nl uit. “De (niet-industriële) productie van lachgas op aarde komt voor het grootste deel voor rekening van levensvormen. Organismen kunnen bepaalde vormen van stikstof omzetten in lachgas om zo cellulaire energie te verkrijgen. De stikstofcyclus kent echter nog een volgende en laatste stap, waarbij dat lachgas omgezet wordt in moleculair stikstof (N2), maar die stap is relatief lastig en vereist de aanwezigheid van een speciaal enzym dat nitrous oxide reductase wordt genoemd. De effectiviteit van dit enzym hangt af van omgevingsfactoren en dan met name van de aanwezigheid van koper, dat het enzym nodig heeft. Op de hedendaagse aarde is de stikstofcyclus vrij efficiënt en wordt het meeste biologische lachgas uiteindelijk omgezet in N2, hoewel ook wel een deel van het lachgas in de atmosfeer weglekt.” Maar in het verleden kan dat weleens heel anders zijn geweest. “In het Proterozoïcum, tussen 2,5 en 0,5 miljard jaar geleden, kunnen grote hoeveelheden zwavel en lage hoeveelheden zuurstof in de oceaan de hoeveelheid koper sterk beperkt hebben, waardoor er veel grotere hoeveelheden lachgas in de atmosfeer weglekten. Nu kunnen we ons voorstellen dat vergelijkbare omstandigheden vandaag de dag voorkomen op een exoplaneet of in een stikstofcyclus die nog niet zodanig geëvolueerd is dat het enzym dat nodig is voor die laatste stap (N2O naar N2) voorhanden is.”

Methaan en lachgas

We moeten lachgas – ondanks dat het hier in de aardatmosfeer relatief schaars is – dus niet te snel uitsluiten als biosignatuur, zo vinden Schwieterman en collega’s. Temeer, omdat lachgas met onze huidige gereedschappen een stukje gemakkelijker in buitenaardse atmosferen op te sporen is dan zuurstof. “James Webb is bijvoorbeeld niet gevoelig genoeg om de zuurstofconcentraties zoals we die vandaag de dag in de aardatmosfeer aantreffen in buitenaardse atmosferen te meten. Maar de telescoop zou bijvoorbeeld in de atmosfeer van rotsachtige planeten in het TRAPPIST-1-systeem wel methaan kunnen detecteren. En onze resultaten suggereren dat James Webb ook eventueel lachgas zou kunnen zien. De detectie van zowel methaan als lachgas in de atmosfeer van zo’n planeet zou net zo’n overtuigend biosignatuur zijn als de detectie van methaan en zuurstof.”

Of beter nog: methaan, lachgas en zuurstof
Maar ook in de toekomst, als er nog krachtigere observatoria komen, waarmee ook aardachtige zuurstofconcentraties kunnen worden opgespoord, is het belangrijk om verder te kijken dan zuurstof en methaan alleen, zo benadrukt Schwieterman. “Hoe meer potentiële biosignaturen we kunnen detecteren, hoe zekerder we er in onze uiteindelijke beoordeling van de leefbaarheid van de planeet ook van kunnen zijn dat deze daadwerkelijk leven herbergt. Als we in de toekomst zowel zuurstof, methaan als lachgas in een atmosfeer aantreffen, zouden we daarmee al behoorlijk wat twijfels die er omtrent de aanwezigheid van leven op die planeet zouden kunnen zijn, kunnen wegnemen.”

Abiotisch of biotisch?
Daarnaast moeten we ook niet vergeten dat methaan en zuurstof – zeker als de één zonder de ander in een atmosfeer voorkomt – als biosignaturen ook de nodige tekortkomingen kennen. Zo zijn er scenario’s denkbaar waarbij ze ook in de afwezigheid van leven in een atmosfeer op kunnen hopen. “Zo weten we bijvoorbeeld dat methaan op gasreuzen zoals Jupiter en Saturnus voorkomt en veel wetenschappers hebben al scenario’s geschetst waarin abiotisch zuurstof (oftewel zuurstof dat niet door leven is voortgebracht, red.) zich in de atmosfeer van exoplaneten – weliswaar in de afwezigheid van methaan – kan verzamelen. Daarnaast zijn er ook in de Marsatmosfeer kleine hoeveelheden abiotisch zuurstof en ozon te vinden.” Kortom: zuurstof en methaan zijn in ieder geval op zichzelf geen keihard bewijs dat een planeet leven herbergt. Lachgas is wat dat betreft wat overtuigender. “Hoewel er kleine abiotische bronnen van lachgas bekend zijn, zoals bijvoorbeeld bliksem, kennen we nog geen abiotische processen die zodanig veel lachgas zouden kunnen voortbrengen dat sprake is van een concentratie die we in een planetaire atmosfeer zouden kunnen detecteren.”

Na jaren naar de komst van James Webb te hebben uitgezien, is de telescoop sinds enkele maanden daadwerkelijk actief. En het is dan ook een kwestie van tijd voor deze de ogen richt op buitenaardse atmosferen en daadwerkelijk op zoek zal gaan naar biosignaturen, zoals methaan en – na dit onderzoek – misschien ook wel lachgas. Het lijkt daarbij echter niet aannemelijk dat we op basis van de door de telescoop verzamelde data ook echt kunnen concluderen dat een planeet leven herbergt, zo benadrukt Schwieterman. “In het best denkbare scenario zouden we een sterke aanwijzing kunnen vinden dat er leven op een planeet is.” Maar ook dat zou al een gamechanger zijn. Goede kandidaten in die zoektocht naar sterke aanwijzingen voor leven zijn er genoeg, maar voor Schwieterman springen er toch een paar uit. “Er zijn twee veelbelovende systemen die rotsachtige planeten herbergen en door James Webb gekarakteriseerd zullen worden: TRAPPIST-1 en SPECULOOS-2. De moedersterren zijn in beide gevallen kleine, lichtzwakke, rode dwergsterren waarvan we weten dat ze zeer actief zijn. Het is mogelijk dat ze met hun activiteit de atmosferen van hun planeten hebben doen eroderen. Maar als dat niet zo is, zijn er wel enkele werelden in deze systemen – zoals TRAPPIST-1e – die zich op de juiste afstand van de moederster bevinden om op hun oppervlak vloeibaar water en misschien wel leven te herbergen. Als die planeten een robuuste biosfeer hebben, zou James Webb gassen als methaan en lachgas in grote hoeveelheden kunnen aantreffen. Het zijn een hoop ‘als-en’, maar we mogen blijven hopen dat we geluk hebben.”