Elokuvassa 'Avatar' saatoimme yhdellä silmäyksellä todeta, että muukalainen kuu Pandora oli täynnä muukalaista elämää. Kuitenkin täällä maan päällä runsain elämä ei ole meille tuttuja kasveja ja eläimiä. Runsain elämä on yksinkertaista ja mikroskooppista. Yhdessä grammassa maaperää on 50 miljoonaa bakteeri-organismia, ja maailmanlaajuinen bakteerien biomassa ylittää kaikkien kasvien ja eläinten biomassan. Mikrobit voivat kasvaa äärimmäisissä lämpötiloissa, suolapitoisuudessa, happamuudessa, säteilyssä ja paineissa. Todennäköisin muoto, jossa kohtaamme elämää muualla aurinkokunnassamme, on mikrobi.
Astrobiologit tarvitsevat strategioita päätelläkseen vieraan mikrobielämän tai sen kivettyneen jäännöksen olemassaolosta. He tarvitsevat strategioita päätelläkseen avaruusolennon olemassaolosta muiden tähtien kaukaisilla planeetoilla, jotka ovat liian kaukana tutkittavaksi avaruusaluksilla lähitulevaisuudessa. Tehdäkseen näitä asioita he kaipaavat elämän määritelmää, joka mahdollistaisi elämän luotettavan erottamisen ei-elämästä.
Valitettavasti, kuten näimme tämän sarjan ensimmäinen osa Vaikka tietämyksemme elävistä olennoista on lisääntynyt valtavasti, filosofit ja tiedemiehet eivät ole kyenneet tuottamaan tällaista määritelmää. Astrobiologit pärjäävät parhaansa mukaan määritelmillä, jotka ovat osittaisia ja joissa on poikkeuksia. Heidän hakunsa on suunnattu maapallon elämän piirteisiin, ainoaan elämään, jonka tällä hetkellä tunnemme.
Ensimmäisessä osassa näimme kuinka maanpäällisen elämän koostumus vaikuttaa maan ulkopuolisen elämän etsintään. Astrobiologit etsivät ympäristöjä, jotka sisälsivät tai sisältävät tällä hetkellä nestemäistä vettä ja jotka sisältävät monimutkaisia hiileen perustuvia molekyylejä. Monet tiedemiehet kuitenkin näkevät elämän olennaisten ominaisuuksien liittyvän sen kykyihin sen koostumuksen sijaan.
Vuonna 1994 NASAn komitea hyväksyi elämän määritelmän 'itse ylläpitäväksi kemialliseksi järjestelmäksi, joka kykenee darwinilaiseen evoluutioon' Carl Saganin ehdotuksen perusteella. Tämä määritelmä sisältää kaksi ominaisuutta, aineenvaihdunta ja evoluutio, jotka tyypillisesti mainitaan elämän määritelmissä.
Aineenvaihdunta on joukko kemiallisia prosesseja, joissa elävät olennot käyttävät aktiivisesti energiaa ylläpitääkseen itsensä, kasvaakseen ja kehittyäkseen. Termodynamiikan toisen pääsäännön mukaan järjestelmä, joka ei ole vuorovaikutuksessa ulkoisen ympäristönsä kanssa, tulee ajan myötä hajanaisemmaksi ja yhtenäisemmäksi. Elävät olennot rakentavat ja ylläpitävät epätodennäköistä, erittäin organisoitunutta tilaansa, koska ne valjastavat ulkoisen ympäristönsä energialähteitä aineenvaihdunnan tehostamiseksi.
Kasvit ja jotkut bakteerit käyttävät auringonvalon energiaa valmistaakseen suurempia orgaanisia molekyylejä yksinkertaisemmista alayksiköistä. Nämä molekyylit varastoivat kemiallista energiaa, joka voidaan myöhemmin uuttaa muilla kemiallisilla reaktioilla aineenvaihdunnan tehostamiseksi. Eläimet ja jotkut bakteerit kuluttavat kasveja tai muita eläimiä ravinnoksi. He hajottavat elintarvikkeissaan olevat monimutkaiset orgaaniset molekyylit yksinkertaisemmiksi saadakseen varastoituneen kemiallisen energiansa. Jotkut bakteerit voivat käyttää elottomista lähteistä peräisin olevien kemikaalien sisältämää energiaa kemosynteesiprosessissa.
Vuonna 2014 julkaistussa artikkelissaAstrobiologiaHarvardin evoluutiobiologi Lucas John Mix viittasi elämän metaboliseen määritelmäänHaldanen elämäuraauurtavan fysiologin jälkeen J.B.S. Haldane . Haldane-elämän määritelmässä on ongelmansa. Tornadot ja pyörteet kuten Jupiterin suuri punainen piste käyttävät ympäristön energiaa ylläpitääkseen järjestyksensä rakennetta, mutta eivät ole elossa. Tuli käyttää ympäristöstään tulevaa energiaa ylläpitääkseen itsensä ja kasvaakseen, mutta se ei myöskään ole elossa.
Puutteistaan huolimatta astrobiologit ovat käyttäneet Haldanen määritelmää kokeiden suunnittelussa. The Viking Mars -laskeutujat teki toistaiseksi ainoan yrityksen testata suoraan maan ulkopuolista elämää havaitsemalla marsin mikrobien oletetut metaboliset toimet. He olettivat, että Marsin aineenvaihdunta on kemiallisesti samanlainen kuin maanpäällinen aineenvaihdunta.
Yhdessä kokeessa pyrittiin havaitsemaan ravinteiden metabolinen hajoaminen yksinkertaisemmiksi molekyyleiksi niiden energian saamiseksi. Toisen tarkoituksena oli havaita happi fotosynteesin jätetuotteena. Kolmas yritti osoittaa monimutkaisten orgaanisten molekyylien muodostumista yksinkertaisemmista alayksiköistä, mikä tapahtuu myös fotosynteesin aikana. Kaikki kolme koetta näyttivät tuottavan myönteisiä tuloksia, mutta monet tutkijat uskovat, että yksityiskohtaiset havainnot voidaan selittää ilman biologiaa, maaperän kemiallisilla hapettimilla.
Vuonna 1976 kaksi Viking-avaruusalusta laskeutui Marsiin. Kuvassa on malli Viking-laskeutujasta sekä tähtitieteilijä ja uraauurtava astrobiologi Carl Sagan. Jokainen laskeutuja oli varustettu elämän havaitsemiskokeilla, jotka oli suunniteltu havaitsemaan elämä sen metabolisen toiminnan perusteella. Näiden toimintojen oletettiin olevan kemiallisesti samanlaisia kuin maapallon organismien. Kolme koetta sisälsivät: 1) Merkitty vapautumiskoe, jossa radioaktiivisesti leimattuja orgaanisia ravinteita lisättiin Marsin maaperään. Jos organismeja oli läsnä, oletettiin, että niiden aineenvaihdunta merkitsisi ravinteiden hajottamista energiasisällön kannalta ja leimatun hiilidioksidin vapauttamista jätetuotteena. 2) Kaasunvaihtokoe, jossa Marsin maaperälle annettiin ravinteita ja valoa ja tarkkailtiin hapen vapautumista. Maapallolla organismit, jotka vangitsevat auringonvalon energiaa fotosynteesin kautta, kuten kasvit ja jotkut bakteerit, vapauttavat happea jätetuotteena. 3) Pyrolyyttinen vapautuskoe, jossa Marsin maaperä asetettiin kammioon, jossa oli radioaktiivisesti leimattua hiilidioksidia. Jos maaperässä olisi organismeja, jotka fotosyntetisoivat kuten maapallolla, niiden aineenvaihduntaprosessit ottaisivat kaasua vastaan ja käyttäisivät auringonvalon energiaa monimutkaisempien orgaanisten molekyylien valmistamiseen. Radioaktiivista hiiltä vapautuisi, kun nämä monimutkaisemmat molekyylit hajottaisiin kuumentamalla näytettä. Kaikki kolme koetta tuottivat positiiviselta vaikuttavia tuloksia. Useimmat tutkijat kuitenkin hylkäsivät tämän tulkinnan, koska monien tulosten yksityiskohdat saattoivat selittää olettamuksella, että maaperässä oli kemiallisia hapettavia aineita elämän sijasta, ja koska Viking ei onnistunut havaitsemaan orgaanisia aineita Marsin maaperästä. Tämä tulkinta, erityisesti leimatun vapautuskokeen osalta, on edelleen kiistanalainen tähän päivään asti, ja sitä on ehkä tarkasteltava uudelleen viimeaikaisten löydösten perusteella.
Kiitokset: NASA/Jet Propulsion Laboratory, Caltech
Jotkut Viking-tuloksista ovat kiistanalaisia tähän päivään asti . Tuolloin monet tutkijat katsoivat, että epäonnistuminen orgaanisten materiaalien löytämisessä Marsin maaperästä sulki pois aineenvaihdunnan tulosten biologisen tulkinnan. Tuoreempi havainto, että Marsin maaperä todella sisältää orgaanisia molekyylejä, jotka perkloraatit ovat saattaneet tuhota Viking-analyysin aikana, ja että nestemäistä vettä oli kerran runsaasti Marsin pinnalla, antaa uutta uskottavuutta väitteelle, että Viking on saattanut todella onnistua havaitsemaan. elämää. Viking-tulokset eivät kuitenkaan itsessään osoittaneet, että Marsissa on elämää, eivätkä sulkeneet sitä pois.
Elämän aineenvaihduntatoiminnat voivat myös jättää jälkensä planeettojen ilmakehän koostumukseen. Vuonna 2003 Euroopan Mars Express -avaruusalus havaitsi jälkiä metaanista Marsin ilmapiirissä. Joulukuussa 2014 NASAn tutkijoiden ryhmä ilmoitti, että Curiosity Mars-kulkija oli vahvistanut tämän löydön Marsin pinnalta havaitun ilmakehän metaanin avulla.
Suurin osa maapallon ilmakehän metaanista vapautuu elävistä organismeista tai niiden jäännöksistä. Kemosynteesiä energianlähteenä käyttävät maanalaiset bakteeriekosysteemit ovat yleisiä, ja ne tuottavat metaania aineenvaihdunnan jätetuotteena. Valitettavasti on olemassa myös ei-biologisia geokemiallisia prosesseja, jotka voivat tuottaa metaania. Joten jälleen kerran, Marsin metaani on turhauttavan moniselitteinen elämän merkki.
Auringon ulkopuoliset planeetat, jotka kiertävät muita tähtiä, ovat aivan liian kaukana vierailtaviksi avaruusaluksilla lähitulevaisuudessa. Astrobiologit toivovat edelleen voivansa käyttää Haldanen määritelmää elämän etsimiseen heiltä. Lähitulevaisuuden avaruusteleskooppien avulla tähtitieteilijät toivovat oppivansa näiden planeettojen ilmakehän koostumuksen analysoimalla niiden ilmakehän heijastaman tai lähettämän valon aallonpituuksien spektriä. James Webb -avaruusteleskooppi on tarkoitus laukaista vuonna 2018, on ensimmäinen, joka on hyödyllinen tässä projektissa . Astrobiologit haluavat etsiä ilmakehän biomarkkereita; kaasut, jotka ovat elävien organismien aineenvaihdunnan jätetuotteita.
Jälleen kerran, tätä tutkimusta ohjaa ainoa esimerkki elämää kantavasta planeettasta, joka meillä tällä hetkellä on; Maapallo. Noin 21 % kotiplaneettamme ilmakehästä on happea. Tämä on yllättävää, koska happi on erittäin reaktiivinen kaasu, joka pyrkii kemiallisiin yhdistelmiin muiden aineiden kanssa. Vapaan hapen pitäisi nopeasti kadota ilmastamme. Se pysyy läsnä, koska hävikki korvataan jatkuvasti kasveilla ja bakteereilla, jotka vapauttavat sen fotosynteesin metabolisena jätetuotteena.
Maan ilmakehässä on jäämiä metaanista kemosynteettisten bakteerien vuoksi. Koska metaani ja happi reagoivat keskenään, kumpikaan ei säilyisi pitkään, elleivät elävät organismit jatkuvasti täydentäisi tarjontaa. Maan ilmakehä sisältää myös jäämiä muista kaasuista, jotka ovat aineenvaihdunnan sivutuotteita.
Yleensä elävät olennot käyttävät energiaa pitääkseen maapallon ilmakehän tilassa, joka on kaukana termodynaamisesta tasapainosta, jonka se saavuttaisi ilman elämää. Astrobiologit epäilevät minkä tahansa planeetan, jonka ilmakehä on samanlainen, elävän. Mutta kuten muissa tapauksissa, olisi vaikea sulkea kokonaan pois ei-biologisia mahdollisuuksia.
Aineenvaihdunnan lisäksi NASAn komitea havaitsi evoluutio elävien olentojen peruskykynä. Jotta evoluutioprosessi voisi tapahtua, on oltava järjestelmäryhmä, jossa jokainen pystyy luotettavasti toistamaan itsensä. Yleisestä lisääntymisen luotettavuudesta huolimatta lisääntymisprosessissa on myös satunnaisia kopiointivirheitä, jotta järjestelmillä on erilaisia ominaisuuksia. Lopuksi, järjestelmien on erotettava selviytymis- ja lisääntymiskyvystään niiden ympäristön ominaispiirteiden etujen tai vastuiden perusteella. Kun tätä prosessia toistetaan yhä uudelleen sukupolvien jälkeen, järjestelmien ominaisuudet mukautuvat paremmin ympäristöönsä. Hyvin monimutkaiset piirteet voivat joskus kehittyä askel askeleelta.
Sekoitus nimesi tämänDarwinin elämämääritelmä 1800-luvun naturalistien jälkeen Charles darwin , joka muotoili evoluutioteorian. Kuten Haldanen määritelmä, Darwinin elämän määritelmässä on merkittäviä puutteita. Sillä on vaikeuksia, mukaan lukien kaikki, mitä voimme ajatella elävänä. Esimerkiksi muulit eivät voi lisääntyä, joten tämän määritelmän mukaan niitä ei pidetä elävinä.
Näistä puutteista huolimatta Darwinin elämän määritelmä on erittäin tärkeä sekä elämän syntyä tutkiville tiedemiehille että astrobiologeille. Darwinin teorian moderni versio voi selittää, kuinka monimuotoiset ja monimutkaiset elämänmuodot voivat kehittyä jostain alkuperäisestä yksinkertaisesta muodosta. Elämän alkuperän teoria tarvitaan selittämään, kuinka alkuperäinen yksinkertainen muoto sai alun perin kehittymiskyvyn.
Aurinkokuntamme muilta planeetoilta tai kuiilta löytyvät kemialliset järjestelmät tai elämänmuodot saattavat olla niin yksinkertaisia, että ne ovat lähellä Darwinin määritelmän määrittelemää elämän ja ei-elämän välistä rajaa. Määritelmä saattaa osoittautua elintärkeäksi astrobiologeille, jotka yrittävät päättää, kelpaako heidän löytämänsä kemiallinen järjestelmä todella elämänmuodoksi. Biologit eivät vieläkään tiedä, miten elämä syntyi. Jos astrobiologit löytävät järjestelmiä läheltä Darwinin rajaa, heidän löydöksensä voivat olla ratkaisevan tärkeitä elämän alkuperän ymmärtämisessä.
Voivatko astrobiologit käyttää Darwinin määritelmää maan ulkopuolisen elämän löytämiseen ja tutkimiseen? On epätodennäköistä, että vieraileva avaruusalus pystyisi havaitsemaan itse evoluutioprosessin. Mutta se saattaa kyetä havaitsemaan molekyylirakenteet, joita elävät organismit tarvitsevat voidakseen osallistua evoluutioprosessiin. Filosofi Mark Bedau on ehdottanut, että evoluutioon kykenevässä minimaalisessa järjestelmässä tulisi olla kolme asiaa: 1) kemiallinen aineenvaihduntaprosessi, 2) säiliö, kuten solukalvo, määrittääkseen järjestelmän rajat ja 3) kemikaali. 'ohjelma', joka pystyy ohjaamaan aineenvaihduntaa.
Täällä maan päällä kemiallinen ohjelma perustuu geneettiseen DNA-molekyyliin. Monet elämän alkuperäteoreetikot ajattelevat, että varhaisimpien maanpäällisten elämänmuotojen geneettinen molekyyli on saattanut olla yksinkertaisempi ribonukleiinihappomolekyyli (RNA). Geneettinen ohjelma on tärkeä evoluutioprosessille, koska se tekee lisääntymiskopiointiprosessista vakaan, ja siinä on vain satunnaisia virheitä.
Sekä DNA että RNA ovat biopolymeerejä; pitkiä ketjumaisia molekyylejä, joissa on monia toistuvia alayksiköitä. Näiden molekyylien nukleotidiemäsalayksiköiden spesifinen sekvenssi koodaa niiden kuljettamaa geneettistä informaatiota. Jotta molekyyli voi koodata kaikki mahdolliset geneettisen tiedon sekvenssit, alayksiköiden on voitava esiintyä missä tahansa järjestyksessä.
Laskennallisen genomiikan tutkija Steven Benner uskoo, että saatamme pystyä kehittämään avaruusaluskokeita avaruusolennon geneettisten biopolymeerien havaitsemiseksi. Hän huomauttaa, että DNA ja RNA ovat hyvin epätavallisia biopolymeerejä, koska niiden alayksiköiden esiintymissekvenssin muuttaminen ei muuta niiden kemiallisia ominaisuuksia. Juuri tämä epätavallinen ominaisuus sallii näiden molekyylien olla minkä tahansa mahdollisen geneettisen koodisekvenssin stabiileja kantajia.
DNA ja RNA ovat molemmat polyelektrolyyttejä; molekyylejä, joissa on säännöllisesti toistuvia negatiivisen sähkövarauksen alueita. Benner uskoo, että tämä selittää heidän huomattavan vakauden. Hän uskoo, että minkä tahansa muukalaisen geneettisen biopolymeerin pitäisi olla myös polyelektrolyytti, ja että voitaisiin suunnitella kemiallisia testejä, joilla avaruusalus voisi havaita tällaisia polyelektrolyyttimolekyylejä. DNA:n muukalaisen vastineen löytäminen on erittäin jännittävä mahdollisuus ja toinen pala muukalaisen elämän tunnistamiseen.
Deoksiribonukleiinihappo (DNA) on geneettinen materiaali kaikelle tunnetulle elämälle maapallolla. DNA on biopolymeeri, joka koostuu alayksiköiden sarjasta. Alayksiköt koostuvat nukleotidiemäspareista, jotka sisältävät puriinin (adeniini A tai guaniini G) ja pyrimidiinin (tymiini T tai sytosiini C). DNA voi sisältää nukleotidiemäspareja missä tahansa järjestyksessä ilman, että sen kemialliset ominaisuudet muuttuvat. Tämä ominaisuus on harvinainen biopolymeereissä ja mahdollistaa sen, että DNA koodaa geneettistä informaatiota emäsparien sekvenssissä. Tämä stabiilius johtuu siitä tosiasiasta, että jokainen emäspari sisältää fosfaattiryhmiä (koostuvat fosfori- ja happiatomeista) ulkopuolella negatiivisella nettovarauksella. Nämä toistuvat negatiiviset varaukset tekevät DNA:sta polyelektrolyytin. Laskennallisen genomiikan tutkija Steven Benner on olettanut, että muukalainen geneettinen materiaali tulee olemaan myös polyelektrolyyttibiopolymeeriä ja että siksi voitaisiin suunnitella kemiallisia testejä vieraiden geneettisten molekyylien havaitsemiseksi.
Luotto: Zephyr
Vuonna 1996 presidentti Clinton teki a dramaattinen ilmoitus mahdollisesta elämän löytämisestä Marsista. Clintonin puhetta motivoivat David McKayn ryhmän löydöt Alan Hillsin meteoriitista. Itse asiassa McKayn löydökset osoittautuivat vain yhdeksi palaksi mahdollisen marsin elämän laajempaan palapeliin. Ellei muukalainen jonakin päivänä kulje odottavien kamerojemme ohi, kysymystä siitä, onko maan ulkopuolista elämää olemassa vai ei, ei todennäköisesti ratkaista yhdellä kokeella tai äkillisellä dramaattisella läpimurtolla. Filosofeilla ja tiedemiehillä ei ole yhtä varmaa määritelmää elämälle. Astrobiologeilla ei näin ollen ole yhtä varmaa testiä, joka ratkaisee ongelman. Jos Marsissa tai muualla aurinkokunnassa on olemassa yksinkertaisia elämänmuotoja, näyttää nyt todennäköiseltä, että tämä tosiasia tulee esiin vähitellen, perustuen moniin lähentyviin todisteisiin. Emme todellakaan tiedä mitä etsimme ennen kuin löydämme sen.
Referenssit ja lisätietoa:
P. S. Anderson (2011) Voisiko uteliaisuus määrittää, löysikö Viking elämää Marsista? , Universe Today.
S. K. Atreya, P. R. Mahaffy, A-S. Wong, (2007), Metaani ja siihen liittyvät hivenlajit Marsissa: alkuperä, menetys, vaikutukset elämään ja asuttavuus ,Planeetta- ja avaruustiede, 55: 358-369.
M. A. Bedau (2010), Aristotelilainen kertomus minimaalisesta kemiallisesta elämästä, Astrobiologia, 10 (10): 1011-1020.
S. A. Benner (2010), Elämän määritteleminen ,Astrobiologia, 10 (10): 1021-1030.
E. Machery (2012), Miksi lakkasin murehtimasta elämän määritelmää… ja miksi sinun pitäisi myös,synteesi, 185: 145-164.
G. M. Marion, C. H. Fritsen, H. Eicken, M. C. Payne, (2003) Elämän etsintä Europassa: rajoittavat ympäristötekijät, mahdolliset elinympäristöt ja maaperän analogit .Astrobiologia3 (4): 785-811.
L. J. Mix (2015), Puolustaa elämän määritelmiä ,Astrobiologia, 15(1), julkaistu verkossa ennen julkaisua.
P. E. Patton (2014) Sekaannuksen kuut: Miksi maan ulkopuolisen elämän löytäminen voi olla vaikeampaa kuin luulimme, Universumi tänään.
T. Reyes (2014) NASAn Curiosity Rover havaitsee metaanin, orgaaniset aineet Marsissa , Universe Today.
S. Seeger, M. Schrenk ja W. Bains (2012), Astrofysikaalinen näkemys maanpäällisistä biosignature-kaasuista. Astrobiologia, 12 (1): 61-82.
S. Tirard, M. Morange ja A. Lazcano, (2010), Elämän määritelmä: lyhyt historia vaikeasta tieteestä,Astrobiologia, 10 (10): 1003-1009.
C. R. Webster ja monet muut MSL Science -tiimin jäsenet, (2014) Marsin metaanin havaitseminen ja vaihtelevuus Galen kraatterissa ,Tiede, Tiede ilmaista varhaista sisältöä.
Löysivätkö Viking Marsin laskeutujat elämän rakennuspalikoita? Puuttuva pala inspiroi palapeliin uutta ilmettä. Science Daily Featured Research 5.9.2010
NASAn mönkijä löytää aktiivista ja ikivanhaa orgaanista kemiaa Marsista , Jet Propulsion laboratory, California Institute of Technology, News, 16. joulukuuta 2014.