V filmu 'Avatar' bi lahko že na prvi pogled ugotovili, da je tuja luna Pandora ki je bil poln tujega življenja. Tu na Zemlji pa najbolj obilno življenje niso rastline in živali, ki jih poznamo. Najbolj obilno življenje je preprosto in mikroskopsko. V enem gramu zemlje je 50 milijonov bakterijskih organizmov, bakterijska biomasa po vsem svetu pa presega biomaso vseh rastlin in živali. Mikrobi lahko rastejo v ekstremnih okoljih temperature, slanosti, kislosti, sevanja in pritiska. Najverjetnejša oblika, v kateri bomo srečali življenje drugje v našem sončnem sistemu, je mikrobna.
Astrobiologi potrebujejo strategije za sklepanje o prisotnosti tujerodnega mikrobnega življenja ali njegovih fosiliziranih ostankov. Potrebujejo strategije za sklepanje o prisotnosti nezemeljskega življenja na oddaljenih planetih drugih zvezd, ki so predaleč, da bi jih lahko v bližnji prihodnosti raziskovali z vesoljskimi plovili. Da bi to naredili, hrepenijo po definiciji življenja, ki bi omogočila zanesljivo razlikovanje med življenjem in neživljenjem.
Na žalost, kot smo videli v prvi del te serije Kljub ogromnemu porastu našega znanja o živih bitjih filozofi in znanstveniki niso mogli izdelati takšne definicije. Astrobiologi se kar najbolje spopadajo z definicijami, ki so delne in imajo izjeme. Njihovo iskanje je usmerjeno v značilnosti življenja na Zemlji, edinem življenju, ki ga trenutno poznamo.
V prvem delu smo videli, kako sestava zemeljskega življenja vpliva na iskanje nezemeljskega življenja. Astrobiologi iščejo okolja, ki so nekoč ali trenutno vsebujejo tekočo vodo in ki vsebujejo kompleksne molekule na osnovi ogljika. Mnogi znanstveniki pa menijo, da so bistvene značilnosti življenja povezane z njegovimi zmogljivostmi in ne z njegovo sestavo.
Leta 1994 je odbor NASA na podlagi predloga Carla Sagana sprejel definicijo življenja kot 'samovzdrževalnega kemičnega sistema, ki je sposoben Darwinove evolucije'. Ta definicija vsebuje dve značilnosti, metabolizem in evolucijo, ki sta običajno omenjeni v definicijah življenja.
Presnova je niz kemičnih procesov, s katerimi živa bitja aktivno uporabljajo energijo za vzdrževanje, rast in razvoj. Po drugem zakonu termodinamike bo sistem, ki ni v interakciji s svojim zunanjim okoljem, sčasoma postal bolj neorganiziran in enoten. Živa bitja gradijo in ohranjajo svoje neverjetno, visoko organizirano stanje, ker izkoriščajo vire energije v svojem zunanjem okolju, da poganjajo svoj metabolizem.
Rastline in nekatere bakterije uporabljajo energijo sončne svetlobe za proizvodnjo večjih organskih molekul iz enostavnejših podenot. Te molekule shranjujejo kemično energijo, ki jo je mogoče pozneje pridobiti z drugimi kemičnimi reakcijami za pospeševanje njihove presnove. Živali in nekatere bakterije uživajo rastline ali druge živali kot hrano. Kompleksne organske molekule v hrani razgradijo na enostavnejše, da pridobijo shranjeno kemično energijo. Nekatere bakterije lahko v procesu kemosinteze uporabijo energijo, ki jo vsebujejo kemikalije, pridobljene iz neživih virov.
V članku iz leta 2014 vAstrobiologijaLucas John Mix, harvardski evolucijski biolog, je presnovno definicijo življenja označil kotŽivljenje Haldanepo pionirskem fiziologu J. B. S. Haldane . Haldaneova definicija življenja ima svoje težave. Tornadi in vrtinčki kot Jupitrova velika rdeča pega uporabljajo okoljsko energijo za vzdrževanje svoje urejene strukture, vendar niso živi. Ogenj uporablja energijo iz svojega okolja za vzdrževanje in rast, vendar tudi ni živ.
Kljub pomanjkljivostim so astrobiologi uporabili Haldanovo definicijo za načrtovanje eksperimentov. The Pristajalci Viking Mars naredila edini doslej poskus neposrednega testiranja nezemeljskega življenja z odkrivanjem domnevnih presnovnih aktivnosti marsovskih mikrobov. Domnevali so, da je metabolizem na Marsu kemično podoben njegovemu kopenskemu dvojniku.
Eden od poskusov je poskušal odkriti presnovno razgradnjo hranil v enostavnejše molekule za pridobivanje njihove energije. Drugi je bil namenjen odkrivanju kisika kot odpadnega produkta fotosinteze. Tretji je poskušal prikazati izdelavo kompleksnih organskih molekul iz enostavnejših podenot, kar se zgodi tudi med fotosintezo. Zdi se, da so vsi trije poskusi dali pozitivne rezultate, vendar mnogi raziskovalci verjamejo, da je podrobne ugotovitve mogoče razložiti brez biologije, s kemičnimi oksidacijskimi sredstvi v tleh.
Leta 1976 sta dve vesoljski plovili Viking pristali na Marsu. Slika je modela pristajalnega letala Viking, skupaj z astronomom in pionirskim astrobiologom Carlom Saganom. Vsaka pristajalna naprava je bila opremljena s poskusi za odkrivanje življenja, namenjenimi odkrivanju življenja na podlagi njegovih metabolnih aktivnosti. Te dejavnosti naj bi bile kemično podobne tistim zemeljskih organizmov. Trije poskusi so vključevali: 1) eksperiment z označenim sproščanjem, pri katerem so bila v marsovsko zemljo dodana radioaktivno označena organska hranila. Če bi bili organizmi prisotni, se je domnevalo, da bi njihov metabolizem vključeval razgradnjo hranilnih snovi za njihovo energijsko vsebnost in sproščanje označenega ogljikovega dioksida kot odpadnega produkta. 2) Poskus izmenjave plinov, pri katerem so marsovsko zemljo oskrbeli s hranili in svetlobo ter spremljali sproščanje kisika. Na Zemlji organizmi, ki zajemajo energijo sončne svetlobe s procesom fotosinteze, kot so rastline in nekatere bakterije, sproščajo kisik kot odpadni produkt. 3) Poskus pirolitičnega sproščanja, pri katerem so marsovsko zemljo postavili v komoro z radioaktivno označenim ogljikovim dioksidom. Če bi bili v tleh organizmi, ki bi fotosintetizirali kot tisti na Zemlji, bi njihovi presnovni procesi zavzeli plin in uporabili energijo sončne svetlobe za proizvodnjo bolj zapletenih organskih molekul. Radioaktivni ogljik bi se sprostil, ko bi te bolj zapletene molekule razgradili s segrevanjem vzorca. Vsi trije poskusi so dali nekaj, kar se je zdelo kot pozitivne rezultate. Vendar pa je večina znanstvenikov zavrnila to razlago, ker bi lahko podrobnosti številnih rezultatov razložili s predpostavko, da so v tleh kemični oksidanti namesto življenja, in ker Viking ni uspel odkriti organskih materialov v marsovski zemlji. Ta razlaga, zlasti za eksperiment z označenim sproščanjem, ostaja sporna do danes in jo bo morda treba ponovno pregledati na podlagi nedavnih ugotovitev.
Zasluge: NASA/Laboratorij za reaktivni pogon, Caltech
Nekateri rezultati Vikinga ostajajo sporne še danes . Takrat so mnogi raziskovalci menili, da neuspeh pri iskanju organskih materialov v marsovski zemlji izključuje biološko razlago presnovnih rezultatov. Novejša ugotovitev, da marsova tla dejansko vsebujejo organske molekule, ki bi jih lahko uničili perklorati med analizo Vikinga, in da je bilo na površini Marsa nekoč v izobilju tekoče vode, daje novo verodostojnost trditvi, da je Vikingu morda dejansko uspelo odkriti življenje. Vendar rezultati Vikinga sami po sebi niso dokazali, da življenje na Marsu obstaja, niti ga niso izključili.
Presnovne dejavnosti življenja lahko pustijo pečat tudi na sestavi planetarnega ozračja. Leta 2003 je evropski Vesoljsko plovilo Mars Express je odkrilo sledi metana v ozračju Marsa. Decembra 2014 je skupina Nasinih znanstvenikov poročala, da je Marsov rover Curiosity je to ugotovitev potrdil z zaznanim atmosferskim metanom z Marsovega površja.
Večino metana v Zemljino ozračje sprostijo živi organizmi ali njihovi ostanki. Podzemni bakterijski ekosistemi, ki uporabljajo kemosintezo kot vir energije, so pogosti in proizvajajo metan kot odpadni produkt presnove. Na žalost obstajajo tudi nebiološki geokemični procesi, ki lahko proizvajajo metan. Marsov metan je torej še enkrat frustrirajuće dvoumen kot znak življenja.
Ekstrasolarni planeti, ki krožijo okoli drugih zvezd, so preveč oddaljeni, da bi jih v bližnji prihodnosti obiskali z vesoljskimi plovili. Astrobiologi še vedno upajo, da bodo uporabili Haldaneovo definicijo za iskanje življenja na njih. Astronomi upajo, da bodo z vesoljskimi teleskopi bližnje prihodnosti izvedeli sestavo atmosfere teh planetov z analizo spektra svetlobnih valovnih dolžin, ki jih odbijajo ali prenašajo njihove atmosfere. Vesoljski teleskop James Webb, načrtovan za izstrelitev leta 2018, bo prvi koristen pri tem projektu . Astrobiologi želijo iskati atmosferske biomarkerje; plini, ki so presnovni odpadni produkti živih organizmov.
Še enkrat, to iskanje vodi edini primer planeta, ki nosi življenje, ki ga trenutno imamo; Zemlja. Približno 21 % atmosfere našega domačega planeta je kisik. To je presenetljivo, saj je kisik zelo reaktiven plin, ki se nagiba k kemičnim kombinacijam z drugimi snovmi. Prosti kisik bi moral hitro izginiti iz našega zraka. Ostaja prisoten, ker izgubo nenehno nadomeščajo rastline in bakterije, ki jo sproščajo kot presnovni odpadni produkt fotosinteze.
Sledovi metana so prisotni v Zemljini atmosferi zaradi kemosintetskih bakterij. Ker metan in kisik reagirata drug z drugim, noben ne bi ostal dolgo prisoten, razen če bi živi organizmi nenehno dopolnjevali zalogo. Zemljina atmosfera vsebuje tudi sledi drugih plinov, ki so presnovni stranski produkti.
Na splošno živa bitja uporabljajo energijo za vzdrževanje Zemljine atmosfere v stanju, ki je daleč od termodinamičnega ravnovesja, ki bi ga dosegla brez življenja. Astrobiologi bi sumili, da je vsak planet z atmosfero v podobnem stanju življenja. Toda v drugih primerih bi bilo težko popolnoma izključiti nebiološke možnosti.
Poleg presnove je odbor NASA ugotovil evolucijo kot temeljna sposobnost živih bitij. Za evolucijski proces mora obstajati skupina sistemov, kjer je vsak sposoben zanesljivo reproducirati samega sebe. Kljub splošni zanesljivosti reprodukcije morajo biti v reproduktivnem procesu tudi občasne naključne napake pri kopiranju, tako da imajo sistemi različne lastnosti. Končno se morajo sistemi razlikovati po svoji sposobnosti preživetja in razmnoževanja glede na koristi ali obveznosti njihovih značilnih lastnosti v svojem okolju. Ko se ta proces znova in znova ponavlja v generacijah, se bodo lastnosti sistemov bolje prilagodile njihovemu okolju. Zelo zapletene lastnosti se lahko včasih razvijejo po korakih.
Mix je to poimenovalDarwinovo življenjedefinicija, po naravoslovcu devetnajstega stoletja Charles Darwin , ki je oblikoval teorijo evolucije. Tako kot Haldaneova definicija ima tudi Darwinova definicija življenja pomembne pomanjkljivosti. Težave ima, vključno z vsem, kar bi lahko pomislili kot živo. Mule se na primer ne morejo razmnoževati, zato se po tej definiciji ne štejejo za žive.
Kljub takšnim pomanjkljivostim je Darwinova definicija življenja kritično pomembna, tako za znanstvenike, ki preučujejo izvor življenja, kot za astrobiologe. Sodobna različica Darwinove teorije lahko razloži, kako se lahko raznolike in zapletene oblike življenja razvijejo iz neke začetne preproste oblike. Za razlago, kako je začetna preprosta oblika sploh pridobila sposobnost razvoja, je potrebna teorija o izvoru življenja.
Kemični sistemi ali življenjske oblike, ki jih najdemo na drugih planetih ali lunah v našem sončnem sistemu, so lahko tako preprosti, da so blizu meje med življenjem in neživljenjem, ki jo določa Darwinova definicija. Definicija bi se lahko izkazala za ključnega pomena za astrobiologe, ki se skušajo odločiti, ali je kemični sistem, ki so ga našli, res kvalificiran kot življenjska oblika. Biologi še vedno ne vedo, kako je nastalo življenje. Če lahko astrobiologi najdejo sisteme blizu Darwinove meje, so lahko njihove ugotovitve ključnega pomena za razumevanje izvora življenja.
Ali lahko astrobiologi uporabijo Darwinovo definicijo za iskanje in preučevanje nezemeljskega življenja? Malo verjetno je, da bi gostujoče vesoljsko plovilo zaznalo sam proces evolucije. Toda morda bi lahko zaznal molekularne strukture, ki jih potrebujejo živi organizmi, da lahko sodelujejo v evolucijskem procesu. Filozof Mark Bedau je predlagal, da bi moral minimalni sistem, ki je sposoben evolucije, imeti tri stvari: 1) kemični presnovni proces, 2) vsebnik, kot je celična membrana, za določitev meja sistema in 3) kemikalijo. 'program', ki je sposoben usmerjati presnovne aktivnosti.
Tukaj na Zemlji kemični program temelji na genetski molekuli DNK. Mnogi teoretiki izvora življenja menijo, da je bila genetska molekula najzgodnejših kopenskih življenjskih oblik morda preprostejša molekula ribonukleinske kisline (RNA). Genetski program je pomemben za evolucijski proces, ker naredi proces reprodukcijskega kopiranja stabilen, le z občasnimi napakami.
Tako DNK kot RNA sta biopolimera; dolge verižne molekule s številnimi ponavljajočimi se podenotami. Specifično zaporedje nukleotidnih baznih podenot v teh molekulah kodira genetske informacije, ki jih nosijo. Da lahko molekula kodira vsa možna zaporedja genetskih informacij, mora biti možno, da se podenote pojavljajo v poljubnem vrstnem redu.
Steven Benner, raziskovalec računalniške genomike, verjame, da bomo morda lahko razvili eksperimente v vesoljskih plovilih za odkrivanje tujih genetskih biopolimerov. Opaža, da sta DNK in RNA zelo nenavadna biopolimera, ker sprememba zaporedja, v katerem se pojavljajo njune podenote, ne spremeni njihovih kemičnih lastnosti. Prav ta nenavadna lastnost omogoča tem molekulam, da so stabilni nosilci katerega koli možnega zaporedja genetskega koda.
DNK in RNA sta oba polielektrolita; molekule z redno ponavljajočimi se območji negativnega električnega naboja. Benner meni, da je to razlog za njihovo izjemno stabilnost. Meni, da bi moral biti vsak tuj genetski biopolimer tudi polielektrolit in da bi se lahko razvili kemični testi, s katerimi bi vesoljsko plovilo zaznalo takšne molekule polielektrolita. Iskanje tujega dvojnika DNK je zelo vznemirljiva možnost in še en del uganke prepoznavanja nezemeljskega življenja.
Deoksiribonukleinska kislina (DNK) je genetski material za vse znano življenje na Zemlji. DNK je biopolimer, sestavljen iz niza podenot. Podenote so sestavljene iz nukleotidnih baznih parov, ki vsebujejo purin (adenin A ali gvanin G) in pirimidin (timin T ali citozin C). DNK lahko vsebuje nukleotidne bazne pare v poljubnem vrstnem redu, ne da bi se njene kemične lastnosti spremenile. Ta lastnost je pri biopolimerih redka in omogoča, da DNK kodira genetske informacije v zaporedju svojih baznih parov. Ta stabilnost je posledica dejstva, da vsak par baz na zunanji strani vsebuje fosfatne skupine (sestavljene iz atomov fosforja in kisika) z neto negativnim nabojem. Ti ponavljajoči se negativni naboji naredijo DNK polielektrolit. Raziskovalec računalniške genomike Steven Benner je domneval, da bo tujerodni genetski material tudi polielektrolitni biopolimer in da bi zato lahko izdelali kemične teste za odkrivanje tujih genetskih molekul.
Zasluge: Zephyr
Leta 1996 je predsednik Clinton naredil a dramatična napoved o možnem odkritju življenja na Marsu. Clintonov govor je bil motiviran z ugotovitvami ekipe Davida McKaya z meteoritom Alan Hills. Pravzaprav se je izkazalo, da so ugotovitve McKaya le en del večje uganke možnega življenja na Marsu. Če se nekega dne tujec ne sprehodi mimo naših čakajočih kamer, je malo verjetno, da bo vprašanje, ali nezemeljsko življenje obstaja ali ne, rešeno z enim samim poskusom ali nenadnim dramatičnim prebojom. Filozofi in znanstveniki nimajo ene same, zanesljive definicije življenja. Astrobiologi zato nimajo niti enega zanesljivega testa, ki bi rešil težavo. Če preproste oblike življenja obstajajo na Marsu ali drugje v sončnem sistemu, se zdaj zdi verjetno, da se bo to dejstvo pokazalo postopoma, na podlagi številnih zbliženih dokazov. V resnici ne bomo vedeli, kaj iščemo, dokler tega ne najdemo.
Reference in nadaljnje branje:
P. S. Anderson (2011) Bi lahko radovednost ugotovila, ali je Viking našel življenje na Marsu? , Vesolje danes.
S. K. Atreya, P. R. Mahaffy, A-S. Wong, (2007), Metan in sorodne vrste v sledovih na Marsu: izvor, izguba, posledice za življenje in možnost bivanja ,Znanost o planetu in vesolju, 55: 358-369.
M. A. Bedau (2010), Aristotelov opis minimalnega kemičnega življenja, Astrobiologija, 10 (10): 1011-1020.
S. A. Benner (2010), Opredelitev življenja ,Astrobiologija, 10 (10): 1021-1030.
E. Macchery (2012), Zakaj sem prenehal skrbeti za definicijo življenja … in zakaj bi moral tudi ti,sinteza, 185: 145-164.
G. M. Marion, C. H. Fritsen, H. Eicken, M. C. Payne, (2003) Iskanje življenja na Evropi: omejevalni okoljski dejavniki, potencialni habitati in zemeljski analogi .Astrobiologija3 (4): 785-811.
L. J. Mix (2015), Zagovarjanje definicij življenja ,Astrobiologija, 15(1), objavljeno na spletu pred objavo.
P. E. Patton (2014) Moons of Confusion: Zakaj je iskanje nezemeljskega življenja morda težje, kot smo mislili, Vesolje danes.
T. Reyes (2014) NASA Curiosity Rover zazna metan, organske snovi na Marsu , Vesolje danes.
S. Seeger, M. Schrenk in W. Bains (2012), Astrofizični pogled na zemeljske biosignaturne pline. Astrobiologija, 12 (1): 61-82.
S. Tirard, M. Morange in A. Lazcano, (2010), Definicija življenja: kratka zgodovina izmuzljivega znanstvenega prizadevanja,Astrobiologija, 10 (10): 1003-1009.
C. R. Webster in številni drugi člani ekipe MSL Science, (2014) Odkrivanje metana na Marsu in variabilnost v kraterju Gale ,znanost, Znanost izražajo zgodnjo vsebino.
Ali so pristajalci Vikinga na Marsu našli gradnike življenja? Manjkajoči kos navdihuje nov pogled na sestavljanko. Science Daily Featured Research 5. september 2010
NASA rover najde aktivno in starodavno organsko kemijo na Marsu , Laboratorij za reaktivni pogon, California Institute of Technology, News, 16. december 2014.
