W filmie „Avatar” na pierwszy rzut oka mogliśmy stwierdzić, że obcy księżyc Pandora roi się od obcego życia. W jednym gramie gleby znajduje się 50 milionów organizmów bakteryjnych, a światowa biomasa bakteryjna przewyższa biomasę wszystkich roślin i zwierząt. Mikroby mogą rosnąć w ekstremalnych warunkach temperatury, zasolenia, kwasowości, promieniowania i ciśnienia. Najbardziej prawdopodobną formą, w której spotkamy życie gdzie indziej w naszym Układzie Słonecznym, jest drobnoustrój.
Astrobiologowie potrzebują strategii wnioskowania o obecności obcego życia mikrobiologicznego lub jego skamieniałych szczątków. Potrzebują strategii wnioskowania o obecności obcego życia na odległych planetach innych gwiazd, które są zbyt daleko, by badać je statkiem kosmicznym w dającej się przewidzieć przyszłości. Aby to zrobić, tęsknią za definicją życia, która umożliwiłaby wiarygodne odróżnienie życia od nie-życia.
Niestety, jak widzieliśmy w pierwszej części tej serii, pomimo ogromnego wzrostu naszej wiedzy o żywych istotach, filozofowie i naukowcy nie byli w stanie stworzyć takiej definicji. Astrobiologowie radzą sobie najlepiej, jak potrafią, z częściowymi definicjami i wyjątkami. Ich poszukiwania dotyczą cech życia na Ziemi, jedynego życia, jakie obecnie znamy.
W pierwszej części widzieliśmy, jak skład życia ziemskiego wpływa na poszukiwanie życia pozaziemskiego. Astrobiologowie szukają środowisk, które kiedyś zawierały lub obecnie zawierają ciekłą wodę i które zawierają złożone molekuły oparte na węglu. Wielu naukowców uważa jednak, że podstawowe cechy życia mają związek z jego możliwościami, a nie z ich składem.
W 1994 r. Komitet NASA przyjął definicję życia jako „samowystarczalny system chemiczny zdolny do darwinowskiej ewolucji”, na podstawie sugestii Carla Sagana. Ta definicja zawiera dwie cechy, metabolizm i ewolucję, o których zwykle wspomina się w definicjach życia.
Metabolizm to zestaw procesów chemicznych, w których żywe istoty aktywnie wykorzystują energię do utrzymania siebie, wzrostu i rozwoju. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki system, który nie wchodzi w interakcje z otoczeniem zewnętrznym, z czasem stanie się bardziej zdezorganizowany i jednolity. Istoty żywe budują i utrzymują swój nieprawdopodobny, wysoce zorganizowany stan, ponieważ wykorzystują źródła energii w swoim środowisku zewnętrznym do zasilania swojego metabolizmu.
Rośliny i niektóre bakterie wykorzystują energię słoneczną do wytwarzania większych cząsteczek organicznych z prostszych podjednostek. Cząsteczki te przechowują energię chemiczną, którą można później pozyskać w wyniku innych reakcji chemicznych w celu wzmocnienia ich metabolizmu. Zwierzęta i niektóre bakterie spożywają rośliny lub inne zwierzęta jako pokarm. Rozkładają złożone cząsteczki organiczne w żywności na prostsze, aby wydobyć zgromadzoną energię chemiczną. Niektóre bakterie mogą wykorzystywać energię zawartą w chemikaliach pochodzących z nieożywionych źródeł w procesie chemosyntezy.
W artykule z 2014 r. W Astrobiologia, Lucas John Mix, biolog ewolucyjny z Harvardu, określił metaboliczną definicję życia jako Życie Haldane po pionierskim fizjologu J. B. S. Haldane. Definicja życia Haldane ma swoje problemy. Tornada i wiry, takie jak Wielka Czerwona Plama Jowisza, zużywają energię środowiskową, aby utrzymać uporządkowaną strukturę, ale nie żyją. Ogień zużywa energię ze swojego otoczenia, aby utrzymać się i rosnąć, ale też nie żyje.
Pomimo niedociągnięć astrobiologowie wykorzystali definicję Haldane do opracowania eksperymentów. Lądowniki Viking Mars podjęły jedyną jak dotąd próbę bezpośredniego przetestowania życia pozaziemskiego, wykrywając rzekomą aktywność metaboliczną mikrobów marsjańskich. Zakładali, że metabolizm marsjański jest chemicznie podobny do jego ziemskiego odpowiednika.
W jednym eksperymencie próbowano wykryć rozkład metaboliczny składników odżywczych na prostsze cząsteczki w celu wydobycia ich energii. Drugi miał na celu wykrycie tlenu jako produktu ubocznego fotosyntezy. Trzeci próbował pokazać wytwarzanie złożonych cząsteczek organicznych z prostszych podjednostek, co ma również miejsce podczas fotosyntezy. Wszystkie trzy eksperymenty wydawały się dawać pozytywne wyniki, ale wielu badaczy uważa, że szczegółowe odkrycia można wyjaśnić bez biologii przez chemiczne utleniacze w glebie.
Niektóre wyniki Wikingów pozostają do dziś kontrowersyjne. W tym czasie wielu badaczy uważało, że brak znalezienia materiałów organicznych w glebie marsjańskiej wykluczył biologiczną interpretację wyników metabolicznych. Niedawne odkrycie, że gleba marsjańska faktycznie zawiera cząsteczki organiczne, które mogły zostać zniszczone przez nadchlorany podczas analizy Vikinga oraz że ciekła woda była kiedyś obfita na powierzchni Marsa, nadaje nową wiarygodność twierdzeniu, że Vikingowi udało się wykryć życie. Same wyniki Wikingów nie dowodzą jednak, że życie istnieje na Marsie, ani nie wykluczają go.
Aktywności metaboliczne życia mogą również odcisnąć swoje piętno na składzie planetarnych atmosfer. W 2003 r. Europejski statek kosmiczny Mars Express wykrył ślady metanu w marsjańskiej atmosferze. W grudniu 2014 r. Zespół naukowców z NASA poinformował, że łazik Curiosity Mars potwierdził to odkrycie, wykrywając metan atmosferyczny z powierzchni Marsa.
Większość metanu w ziemskiej atmosferze jest uwalniana przez żywe organizmy lub ich pozostałości. Podziemne ekosystemy bakteryjne wykorzystujące chemosyntezę jako źródło energii są powszechne i wytwarzają metan jako produkt przemiany materii. Niestety istnieją również niebiologiczne procesy geochemiczne, które mogą wytwarzać metan. Tak więc jeszcze raz marsjański metan jest frustrująco dwuznaczny jako znak życia.
Planety pozasłoneczne krążące wokół innych gwiazd są zbyt odległe, aby można je było odwiedzić statkiem kosmicznym w dającej się przewidzieć przyszłości. Astrobiologowie wciąż mają nadzieję, że będą używać definicji Haldane do szukania życia na nich. Dzięki teleskopom kosmicznym w niedalekiej przyszłości astronomowie mają nadzieję poznać skład atmosfery tych planet, analizując spektrum długości fal światła odbitych lub transmitowanych przez ich atmosfery. Kosmiczny teleskop Jamesa Webba, którego premiera planowana jest na 2018 rok, będzie pierwszym, który będzie przydatny w tym projekcie. Astrobiologowie chcą szukać biomarkerów atmosferycznych; gazy będące produktami przemiany materii organizmów żywych.
Po raz kolejny w tym zadaniu kieruje się jedynym przykładem planety noszącej życie; Ziemia. Około 21% atmosfery naszej planety macierzystej to tlen. Jest to zaskakujące, ponieważ tlen jest wysoce reaktywnym gazem, który ma skłonność do wchodzenia w kombinacje chemiczne z innymi substancjami. Wolny tlen powinien szybko zniknąć z naszego powietrza. Pozostaje obecny, ponieważ utratę tę stale zastępują rośliny i bakterie, które uwalniają ją jako produkt przemiany materii z fotosyntezy.
Ślady metanu są obecne w ziemskiej atmosferze z powodu bakterii chemosyntetycznych. Ponieważ metan i tlen reagują ze sobą, żadne z nich nie pozostanie na długo, chyba że żywe organizmy stale uzupełniają zapasy. Atmosfera ziemska zawiera także ślady innych gazów, które są metabolicznymi produktami ubocznymi.
Ogólnie rzecz biorąc, żywe stworzenia zużywają energię do utrzymania atmosfery ziemskiej w stanie dalekim od równowagi termodynamicznej, którą osiągnąłby bez życia. Astrobiologowie podejrzewaliby każdą planetę o atmosferze w podobnym stanie życia. Jednak podobnie jak w innych przypadkach, trudno byłoby całkowicie wykluczyć niebiologiczne możliwości.
Oprócz metabolizmu komitet NASA uznał ewolucję za podstawową zdolność życia. Aby nastąpił proces ewolucyjny, musi istnieć grupa systemów, przy czym każdy z nich jest w stanie niezawodnie się odtwarzać. Pomimo ogólnej niezawodności reprodukcji, zdarzają się również sporadyczne błędy kopiowania w procesie reprodukcji, aby systemy miały różne cechy. Wreszcie, systemy muszą różnić się zdolnością przetrwania i reprodukcji w zależności od korzyści lub zobowiązań wynikających z ich charakterystycznych cech w środowisku. Kiedy proces ten będzie się powtarzał w kolejnych pokoleniach, cechy systemów będą lepiej dostosowywane do ich środowiska. Bardzo złożone cechy mogą czasem ewoluować krok po kroku.
Mix nazwał to Życie Darwina definicja, po dziewiętnastym wieku przyrodnik Charles Darwin, który sformułował teorię ewolucji. Podobnie jak definicja Haldane, definicja życia Darwina ma istotne wady. Ma problem z włączeniem wszystkiego, co moglibyśmy uznać za żywe. Na przykład muły nie mogą się rozmnażać, więc zgodnie z tą definicją nie liczą się jako żywe.
Pomimo takich niedociągnięć definicja życia Darwina jest niezwykle ważna, zarówno dla naukowców badających pochodzenie życia, jak i astrobiologów. Współczesna wersja teorii Darwina może wyjaśnić, jak różnorodne i złożone formy życia mogą ewoluować od jakiejś początkowej prostej formy. Potrzebna jest teoria pochodzenia życia, aby wyjaśnić, w jaki sposób początkowa prosta forma nabrała zdolności do ewolucji.
Układy chemiczne lub formy życia znajdujące się na innych planetach lub księżycach w naszym Układzie Słonecznym mogą być tak proste, że zbliżają się do granicy między życiem a nie-życiem, którą ustanawia definicja Darwina. Definicja może okazać się niezbędna dla astrobiologów próbujących zdecydować, czy znaleziony przez nich układ chemiczny naprawdę kwalifikuje się jako forma życia. Biolodzy wciąż nie wiedzą, jak powstało życie. Jeśli astrobiologowie potrafią znaleźć układy w pobliżu granicy Darwina, ich odkrycia mogą być niezwykle ważne dla zrozumienia źródła życia.
Czy astrobiologowie mogą używać definicji Darwina do wyszukiwania i studiowania życia pozaziemskiego? Jest mało prawdopodobne, aby odwiedzający statek kosmiczny wykrył sam proces ewolucji. Ale może być w stanie wykryć struktury molekularne potrzebne organizmom żywym, aby wziąć udział w procesie ewolucyjnym. Filozof Mark Bedau zaproponował, że minimalny system zdolny do ewolucji musiałby mieć trzy rzeczy: 1) chemiczny proces metaboliczny, 2) pojemnik, taki jak błona komórkowa, w celu ustalenia granic systemu, i 3) chemiczny „Program” zdolny do kierowania czynnościami metabolicznymi.
Na Ziemi program chemiczny oparty jest na DNA cząsteczki genetycznej. Wielu teoretyków pochodzenia życia uważa, że cząsteczką genetyczną najwcześniejszych ziemskich form życia mogła być prostsza cząsteczka kwasu rybonukleinowego (RNA). Program genetyczny jest ważny dla procesu ewolucyjnego, ponieważ zapewnia stabilność procesu kopiowania reprodukcyjnego, z jedynie sporadycznymi błędami.
Zarówno DNA, jak i RNA są biopolimerami; długie łańcuchowe cząsteczki z wieloma powtarzającymi się podjednostkami. Konkretna sekwencja podjednostek zasad nukleotydowych w tych cząsteczkach koduje przenoszoną przez nie informację genetyczną. Aby cząsteczka mogła kodować wszystkie możliwe sekwencje informacji genetycznej, musi być możliwe, aby podjednostki występowały w dowolnej kolejności.
Steven Benner, badacz genomiki obliczeniowej, uważa, że możemy być w stanie opracować eksperymenty statków kosmicznych w celu wykrycia obcych genetycznych biopolimerów. Zauważa, że DNA i RNA są bardzo niezwykłymi biopolimerami, ponieważ zmiana sekwencji, w której występują ich podjednostki, nie zmienia ich właściwości chemicznych. Ta niezwykła właściwość pozwala tym cząsteczkom być stabilnymi nośnikami dowolnej możliwej sekwencji kodu genetycznego.
Zarówno DNA, jak i RNA są polielektrolitami; cząsteczki z regularnie powtarzającymi się obszarami ujemnego ładunku elektrycznego. Benner uważa, że to właśnie stanowi o ich niezwykłej stabilności. Uważa, że każdy obcy genetyczny biopolimer również musiałby być polielektrolitem i że można by opracować testy chemiczne, za pomocą których statek kosmiczny mógłby wykryć takie cząsteczki polielektrolitu. Znalezienie obcego odpowiednika DNA jest bardzo ekscytującą perspektywą i kolejnym elementem układanki identyfikacji życia obcego.
W 1996 roku prezydent Clinton dramatycznie ogłosił możliwe odkrycie życia na Marsie. Przemówienie Clintona było motywowane odkryciami zespołu Davida McKaya z meteorytem Alan Hills. W rzeczywistości odkrycia McKaya okazały się tylko jednym kawałkiem większej układanki możliwego życia na Marsie. O ile kosmita któregoś dnia nie minie naszych oczekujących kamer, kwestia, czy istnieje życie pozaziemskie, prawdopodobnie nie zostanie rozstrzygnięta przez pojedynczy eksperyment lub nagły dramatyczny przełom. Filozofowie i naukowcy nie mają jednej, pewnej definicji życia. Astrobiologowie w związku z tym nie mają ani jednego pewnego testu ognistego, który rozwiązałby problem. Jeśli na Marsie lub w innym miejscu w Układzie Słonecznym istnieją proste formy życia, wydaje się prawdopodobne, że fakt ten pojawi się stopniowo, w oparciu o wiele zbieżnych linii dowodów. Tak naprawdę nie będziemy wiedzieć, czego szukamy, dopóki go nie znajdziemy.
Referencje i dalsza lektura:
P. Anderson (2011) Czy ciekawość może ustalić, czy Viking znalazł życie na Marsie ?, Space Magazine.
S. K. Atreya, P. R. Mahaffy, A-S. Wong, (2007), Metan i powiązane gatunki śladowe na Marsie: pochodzenie, utrata, implikacje dla życia i zamieszkiwania, Nauki planetarne i kosmiczne, 55:358-369.
M. A. Bedau (2010), arystotelesowski opis minimalnego życia chemicznego, Astrobiologia, 10(10): 1011-1020.
S. Benner (2010), Defining life, Astrobiologia, 10(10):1021-1030.
E. Machery (2012), Dlaczego przestałem się martwić definicją życia… i dlaczego również powinieneś, Synteza, 185:145-164.
G. M. Marion, C. H. Fritsen, H. Eicken, M. C. Payne, (2003) Poszukiwanie życia w Europie: Ograniczanie czynników środowiskowych, potencjalnych siedlisk i analogii Ziemi. Astrobiologia 3(4):785-811.
L. J. Mix (2015), Defending definitions of life, Astrobiologia, 15 (1) opublikowane online przed publikacją.
P. E. Patton (2014) Księżyce zamieszania: Dlaczego znalezienie życia pozaziemskiego może być trudniejsze niż my, magazyn kosmiczny.
T. Reyes (2014) NASA Curiosity Rover wykrywa metan, substancje organiczne na Marsie, magazyn Space.
S. Seeger, M. Schrenk i W. Bains (2012), Astrofizyczny obraz ziemskich gazów biosignaturowych. Astrobiologia, 12(1): 61-82.
S. Tirard, M. Morange i A. Lazcano, (2010), Definicja życia: krótka historia nieuchwytnego przedsięwzięcia naukowego, Astrobiologia, 10(10):1003-1009.
C. Webster i wielu innych członków zespołu naukowego MSL, (2014) Wykrywanie i zmienność metanu na Marsie w kraterze Gale, NaukaNauka wyraża wczesne treści.
Czy lądowniki Viking Mars znalazły podstawowe elementy życia? Brakujący element inspiruje nowe spojrzenie na układankę. Science Daily Featured Research 5 września 2010 r
Łazik NASA znajduje na Marsie aktywną i starożytną chemię organiczną, Jet Propulsion laboratory, California Institute of Technology, News, 16 grudnia 2014.
