De juiste elementen & organische stoffen. Waar vinden we die?
Vloeibaar water lijkt uniek en onmisbaar om levende cellen te laten ontstaan en ontwikkelen. Daar is een lange lijst van goede redenen voor, waar we verder nog op terug komen. Maar even essentieel is natuurlijk de materie waaruit leven is opgebouwd. Is dit soort materie overal in het Zonnestelsel beschikbaar?
De elementen
Logischerwijs is levende materie opgebouwd met de chemische elementen die overal rijkelijk beschikbaar zijn. Ons Zonnestelsel en ons Melkwekstelsel is op dat vlak niet uniek. Net zoals andere plaatsen in het heelal bevat het voornamelijk waterstof en helium. Bekijk eens de top tien van meest voorkomende elementen in de Melkweg:
Al deze elementen zijn er niet altijd geweest in het heelal. Kort gezegd ging het zo:
Ten tijde van de big bang was er nog geen sprake van materie in de vorm van atomen. De eerste atomen die zich vormden waren Waterstof, en in mindere mate Helium. Deze elementen konden zich vervolgens gaan concentreren in sterren. In de kern van die sterren werd eerst veel meer Helium gevormd, en in later fase zwaardere elementen. Zo werden de eerste 26 elementen uit de tabel van Mendeljev overal in het jonge heelal gevormd. Op het einde van hun bestaan exploderen sterren, en strooien ze al die elementen rond in de omgeving. Alle elementen die zo ontstaan, zijn lichter dan ijzer tot en met ijzer zelf (Fe, element 26).
Sommige sterren werden heel zwaar, en explodeerden in zeer geweldadige Supernova’s. Bij dit soort explosies werden nog zwaardere elementen gevormd, zoals zwaardere metalen en nog zwaardere radio-actieve elementen.
Op Aarde is het leven grotendeels samengesteld met de zes elementen die dikwijls in 1 woord CHNOPS genoemd worden. Dus: koolstof (C), waterstof (H), Stikstof (N), zuurstof (O), fosfor (P), en zwavel (S).
Helium is voor het leven niet interessant, omdat het een erg inert element is. Dat wil zeggen, het bindt zich niet met andere elementen om moleculen te vormen.
Fosfor komt pas op plaats nr 17 in dit lijstje! Onze Zon – dus ook ons Zonnestelsel – heeft een relatief hoog gehalte aan fosfor. Maar dan nog is Fosfor veruit de minst voorkomend van de CHNOPS reeks. Het is dus niet zo vreemd dat plantengroei bijvoorbeeld dikwijls beperkt wordt door de beperkte beschikbare fosfor in de bodem. Meststoffen bevatten dan ook meestal fosfaten (maar ook stikstofhoudende moleculen). We zullen later zien dat fosfaten en vrij zuurstofgas op Aarde zeer waarschijnlijk de limiterende factoren waren om complex meercellig leven (= dieren en planten) te doen ontstaan en gedijen.
Moleculen
Als we gaan kijken op kleinere schaal, namelijk binnen ons Zonnestelsel, dan zien we dat die individuele elementen zowat overal voorkomen. Echter, als we binnen het Zonnestelsel kijken naar de moleculen die ze vormen, dan zien we toch wel een erg ongelijke verdeling over de ruimte.
De belangrijkste oorzaak heeft te maken met de afstand tot onze ster, de Zon. We moeten daarvoor even terug naar het ontstaan van ons Zonnestelsel.
Een reusachtige wolk van gas en stof werd verstoord, waarschijnlijk door een explosie van een nabij gelegen supernova. Hierdoor ging die hele wolk gaan bewegen en roteren, waardoor de moleculen tegen elkaar botsten en begonnen te klonteren. Dat klonteren begint vanwege de aantrekking tussen moleculen vanwege de (deel)ladingen die ze dragen, en eens ze een minimale massa verwerven, neemt zwaartekracht de hoofdrol. Vervolgens begon de zwaartekracht tussen die grotere klonters een grotere rol op te nemen, en begon de wolk in mekaar te storten naar het midden toe. Meer dan 99% van de aanwezige materie concentreerde zich centraal, en vormde zo een protoster. Dit is een ster die nog niet zwaar genoeg is om spontaan kernfusie te veroorzaken in haar kern.
Wanneer de protoster van ons Zonnestelsel zwaar genoeg werd, begon de Zon voor het eerst te stralen. Dit gebeurt wanneer de materie in het centrum zo hard tegen mekaar geduwd wordt (door zwaartekracht), dat er spontaan kernfusies ontstaan.
Overblijvende materie die niet door de ster was opgeslokt bestond voornamelijk uit kleine moleculen zoals:
Gassen:
- Waterstofgas H2
- Helium He
Vluchtige materie, gas of vast (ijs):
- Water H2O
- Ammonium NH3
- Methaan CH4
- Koolstofdioxide CO2
- Koolstofmonoxide CO
Vaste materie:
- Metalen en metaaloxiden
- Siliciumverbindingen (steenmineralen)
Merk op dat een groot deel van deze kleine moleculen (vluchtige materie) in gasvorm zijn wanneer ze dichter bij de ster zijn, en in vaste vorm (bevroren) als ze verder van de ster zijn. Die denkbeeldige grens tussen ‘dichter’ en ‘verder’ wordt de ijslijn genoemd. De ijslijn is eigenlijk ietwat verschillend voor elke molecule.
Ondertussen nam de straling van de Zon toe, en is de zonnewind ontstaan. Dit is een constante uitstraling van een ster van zeer snelle deeltjes (protonen, elektronen, ionen) in alle richtingen. De zonnewind begon de overgebleven gaswolk overal rond de protoplaneten weg te blazen. Tussen de Zon en de ijslijn werd extra veel materie weggeblazen omdat daar de meeste vluchtige materie in gasvorm was. Je kreeg dus een differentiatie in ruwweg twee grote zones:
- Een dichtere zone (tussen de Zon en de ijslijn) waar voornamelijk mineralen en metalen overbleven, met een veel lagere dichtheid aan materie.
- Een verdere zone (voorbij de ijslijn) met grotere dichtheid en erg veel bevroren brokstukken (kometen, planetoiden en bevroren stof)
In de dichte zone zijn de gesteenteplaneten ontstaan, en verderop de grote gas- en ijsreuzen. De brokstukken met bevroren vluchtige materie is nadien wel voor een deel door verstoring door grote planeten naar alle richtingen geslingerd. Onder meer het binnenste deel van het Zonnestelsel heeft daardoor een meteorenregen gekend gedurende de eerste honderden miljoenen jaren. Daardoor zijn de gesteenteplaneten nog lang na hun vorming terug extra aangerijkt met die zogenaamde vluchtige materie, onder meer water. Over het aandeel of het belang van deze aanrijking voor de binnenste planeten bestaat erg veel discussie.
De vele ijsbrokken uit die begintijd van het Zonnestelsel zijn ook nu nog steeds op meerdere plaatsen terug te vinden in de vorm van kometen, planetoïden en ruimtestof. Uit onderzoek van deze ‘oerbrokstukken’ blijkt dat er naast de dominerende ‘basismoleculen’ ook allerlei organische stoffen van nature in voorkomen, zoals eenvoudige suikers, vetzuren, aminozuren, alkanen en alkenen, alcoholen, enz. en soms zelfs nucleotiden (bouwstenen van DNA/RNA). Ook deze zijn achteraf met de meteorenregens op de gesteenteplaneten terecht gekomen.
We kunnen besluiten dat vanwege deze ontstaansgeschiedenis de elementen en bouwstenen van het leven over het hele Zonnestelsel verspreid zijn. In principe is er dus geen regio waar de bouwstenen van het leven niet voorhanden zijn.
