В фильме «Аватар» мы можем сразу увидеть, что инопланетная луна Пандора кишит инопланетной жизнью. В одном грамме почвы содержится 50 миллионов бактериальных организмов, а бактериальная биомасса по всему миру превышает биомассу всех растений и животных. Микробы могут расти в экстремальных условиях температуры, солености, кислотности, радиации и давления. Наиболее вероятной формой, в которой мы встретим жизнь в других местах нашей солнечной системы, является микробная.
Астробиологам нужны стратегии для определения присутствия чужеродной микробной жизни или ее окаменелых останков. Им нужны стратегии для вывода о существовании инопланетной жизни на далеких планетах других звезд, которые слишком далеко, чтобы их можно было исследовать с помощью космических кораблей в обозримом будущем. Чтобы сделать эти вещи, они жаждут определения жизни, которое позволило бы надежно отличить жизнь от не жизни.
К сожалению, как мы видели в первой части этой серии, несмотря на огромный рост наших знаний о живых существах, философы и ученые не смогли дать такое определение. Астробиологи справляются как можно лучше с определениями, которые являются частичными и имеют исключения. Их поиск ориентирован на особенности жизни на Земле, единственной жизни, которую мы в настоящее время знаем.
В первом выпуске мы увидели, как состав земной жизни влияет на поиск внеземной жизни. Астробиологи ищут среды, которые когда-то содержали или в настоящее время содержат жидкую воду, и которые содержат сложные молекулы на основе углерода. Многие ученые, однако, считают, что существенные черты жизни связаны с ее способностями, а не с ее составом.
В 1994 году комитет НАСА принял определение жизни как «самоподдерживающейся химической системы, способной эволюции Дарвина», основанной на предложении Карла Сагана. Это определение содержит две особенности: метаболизм и эволюцию, которые обычно упоминаются в определениях жизни.
Метаболизм - это совокупность химических процессов, посредством которых живые существа активно используют энергию для поддержания себя, роста и развития. Согласно второму закону термодинамики, система, которая не взаимодействует с внешней средой, со временем станет более дезорганизованной и однородной. Живые существа строят и поддерживают свое невероятное, высокоорганизованное состояние, потому что они используют источники энергии в своей внешней среде для усиления своего метаболизма.
Растения и некоторые бактерии используют энергию солнечного света для производства более крупных органических молекул из более простых субъединиц. Эти молекулы накапливают химическую энергию, которая впоследствии может быть извлечена другими химическими реакциями для усиления их метаболизма. Животные и некоторые бактерии потребляют растения или других животных в пищу. Они расщепляют сложные органические молекулы в своей пище на более простые, чтобы извлечь их запасенную химическую энергию. Некоторые бактерии могут использовать энергию, содержащуюся в химических веществах, полученных из неживых источников, в процессе хемосинтеза.
В статье 2014 года в астробиологияЛукас Джон Микс, биолог-эволюционист из Гарварда, назвал метаболическое определение жизни Холдейн Лайф после физиологии первопроходца Дж. Б. С. Холдейна. Определение жизни Холдейна имеет свои проблемы. Торнадо и вихри, такие как Большое Красное Пятно Юпитера, используют энергию окружающей среды для поддержания своей упорядоченной структуры, но не живы. Огонь использует энергию из окружающей среды, чтобы поддерживать себя и расти, но также не жив.
Несмотря на недостатки, астробиологи использовали определение Холдейна для разработки экспериментов. Лендеры Viking Mars сделали пока единственную попытку напрямую проверить внеземную жизнь, обнаружив предполагаемую метаболическую активность марсианских микробов. Они предположили, что марсианский метаболизм химически подобен своему земному аналогу.
Один эксперимент был направлен на выявление метаболического распада питательных веществ в более простые молекулы для извлечения их энергии. Вторая была направлена на то, чтобы обнаружить кислород как ненужный продукт фотосинтеза. Третий попытался показать производство сложных органических молекул из более простых субъединиц, что также происходит во время фотосинтеза. Все три эксперимента, похоже, дали положительные результаты, но многие исследователи считают, что подробные результаты можно объяснить без биологии химическими окислителями в почве.
Некоторые из результатов Viking остаются спорными по сей день. В то время многие исследователи считали, что неспособность найти органические материалы в марсианской почве исключает биологическую интерпретацию результатов метаболизма. Более недавний вывод о том, что марсианская почва действительно содержит органические молекулы, которые могли быть уничтожены перхлоратами во время анализа викингов, и что когда-то жидкой воды было достаточно на поверхности Марса, дает новое правдоподобное утверждение о том, что викинг, возможно, действительно преуспел в обнаружении жизнь. Однако сами по себе результаты викингов не доказали существования жизни на Марсе и не исключают ее.
Метаболические жизнедеятельности могут также оставить свой след в составе планетных атмосфер. В 2003 году европейский космический аппарат Mars Express обнаружил следы метана в атмосфере Марса. В декабре 2014 года группа ученых из НАСА сообщила, что марсоход Curiosity Mars подтвердил эту находку, обнаружив атмосферный метан с поверхности Марса.
Большая часть метана в атмосфере Земли выделяется живыми организмами или их останками. Подземные бактериальные экосистемы, которые используют хемосинтез в качестве источника энергии, являются общими, и они производят метан в качестве продукта метаболических отходов. К сожалению, существуют также небиологические геохимические процессы, которые могут производить метан. Итак, еще раз, марсианский метан разочаровывает неоднозначно как признак жизни.
Внесолнечные планеты, вращающиеся вокруг других звезд, находятся слишком далеко, чтобы посетить космический корабль в обозримом будущем. Астробиологи все еще надеются использовать определение Холдейна для поиска жизни на них. С помощью космических телескопов ближайшего будущего астрономы надеются узнать состав атмосфер этих планет, анализируя спектр световых длин волн, отражаемых или передаваемых их атмосферой. Космический телескоп Джеймса Вебба, запуск которого запланирован на 2018 год, станет первым, кто будет полезен в этом проекте. Астробиологи хотят искать атмосферные биомаркеры; газы, которые являются продуктами метаболизма живых организмов.
Еще раз, этот квест руководствуется единственным примером жизненной планеты, которую мы имеем в настоящее время; Земля. Около 21% атмосферы нашей родной планеты - это кислород. Это удивительно, потому что кислород является высокореактивным газом, который имеет тенденцию вступать в химические комбинации с другими веществами. Свободный кислород должен быстро исчезнуть из нашего воздуха. Это остается, потому что потеря постоянно заменяется растениями и бактериями, которые выпускают это как продукт метаболического отхода фотосинтеза.
Следы метана присутствуют в атмосфере Земли из-за хемосинтетических бактерий. Поскольку метан и кислород реагируют друг с другом, ни один из них не останется надолго, если живые организмы не будут постоянно пополнять запасы. Атмосфера Земли также содержит следы других газов, которые являются побочными продуктами метаболизма.
В общем, живые существа используют энергию для поддержания атмосферы Земли в состоянии, далеком от термодинамического равновесия, которого она достигла бы без жизни. Астробиологи заподозрили бы любую планету с атмосферой в подобном состоянии укрывающей жизни. Но, как и в других случаях, было бы трудно полностью исключить небиологические возможности.
Помимо метаболизма, комитет НАСА определил эволюцию как фундаментальную способность живых существ. Для осуществления эволюционного процесса должна существовать группа систем, каждая из которых способна надежно воспроизводить себя. Несмотря на общую надежность воспроизведения, в процессе репродукции также должны быть случайные случайные ошибки копирования, так что системы приобретают разные черты. Наконец, системы должны различаться по своей способности выживать и воспроизводиться в зависимости от выгод или обязательств их отличительных черт в окружающей среде. Когда этот процесс повторяется снова и снова на протяжении поколений, черты систем станут лучше адаптированы к их среде. Очень сложные черты могут иногда развиваться поэтапно.
Микс назвал это Дарвинская жизнь определение, после натуралиста девятнадцатого века Чарльза Дарвина, который сформулировал теорию эволюции. Как и определение Холдейна, определение жизни Дарвина имеет важные недостатки. У него есть проблемы, включая все, что мы можем считать живым. Мулы, например, не могут размножаться, и поэтому, по этому определению, не считаются живыми.
Несмотря на такие недостатки, определение жизни Дарвина является критически важным как для ученых, изучающих происхождение жизни, так и для астробиологов. Современная версия теории Дарвина может объяснить, как разнообразные и сложные формы жизни могут развиваться из какой-то начальной простой формы. Теория происхождения жизни необходима, чтобы объяснить, как первоначальная простая форма приобрела способность развиваться в первую очередь.
Химические системы или формы жизни, обнаруженные на других планетах или лунах в нашей солнечной системе, могут быть настолько простыми, что они близки к границе между жизнью и не-жизнью, которую устанавливает определение Дарвина. Это определение может оказаться жизненно важным для астробиологов, пытающихся решить, действительно ли найденная ими химическая система относится к форме жизни. Биологи до сих пор не знают, как возникла жизнь. Если астробиологи смогут найти системы вблизи границы Дарвина, их результаты могут иметь решающее значение для понимания происхождения жизни.
Могут ли астробиологи использовать определение Дарвина для поиска и изучения внеземной жизни? Маловероятно, что посещающий космический корабль сможет обнаружить процесс самой эволюции. Но он может быть способен обнаруживать молекулярные структуры, которые необходимы живым организмам для участия в эволюционном процессе. Философ Марк Бедо предположил, что минимальная система, способная к эволюции, должна иметь три вещи: 1) химический метаболический процесс, 2) контейнер, подобный клеточной мембране, для установления границ системы, и 3) химическое вещество. «Программа», способная направлять метаболические действия.
Здесь, на Земле, химическая программа основана на генетической молекуле ДНК. Многие теоретики происхождения жизни считают, что генетическая молекула самых ранних земных форм жизни, возможно, была более простой молекулой рибонуклеиновой кислоты (РНК). Генетическая программа важна для эволюционного процесса, потому что она делает процесс репродуктивного копирования стабильным, с редкими ошибками.
И ДНК, и РНК являются биополимерами; длинные цепочечные молекулы со многими повторяющимися субъединицами. Конкретная последовательность субъединиц нуклеотидных оснований в этих молекулах кодирует генетическую информацию, которую они несут. Чтобы молекула могла кодировать все возможные последовательности генетической информации, для субъединиц должна быть возможность в любом порядке.
Стивен Беннер, исследователь вычислительной геномики, считает, что мы можем разработать эксперименты на космических кораблях для обнаружения чужеродных генетических биополимеров. Он отмечает, что ДНК и РНК являются очень необычными биополимерами, потому что изменение последовательности, в которой встречаются их субъединицы, не меняет их химических свойств. Именно это необычное свойство позволяет этим молекулам быть стабильными носителями любой возможной последовательности генетического кода.
ДНК и РНК оба являются полиэлектролитами; молекулы с регулярно повторяющимися участками отрицательного электрического заряда. Беннер считает, что именно этим объясняется их замечательная стабильность. Он считает, что любой чужеродный генетический биополимер также должен быть полиэлектролитом, и что могут быть разработаны химические испытания, с помощью которых космический аппарат может обнаружить такие молекулы полиэлектролита. Поиск инопланетного аналога ДНК - это очень захватывающая перспектива, и еще одна часть головоломки идентификации инопланетной жизни.
В 1996 году президент Клинтон сделал резкое объявление о возможном открытии жизни на Марсе. Выступление Клинтон было мотивировано находками команды Дэвида Маккея с метеоритом Алана Хилса. Фактически, результаты Маккея оказались всего лишь одной частью большой загадки возможной марсианской жизни. Если инопланетянин когда-нибудь не пройдет мимо наших камер ожидания, вопрос о том, существует ли внеземная жизнь, вряд ли будет решен одним экспериментом или внезапным драматическим прорывом. Философы и ученые не имеют единого, безошибочного определения жизни. Следовательно, у астробиологов нет ни одного надежного теста, который бы разрешил проблему. Если простые формы жизни существуют на Марсе или где-либо еще в Солнечной системе, сейчас представляется вероятным, что этот факт возникнет постепенно, основываясь на многочисленных сходящихся линиях доказательств. Мы действительно не будем знать, что мы ищем, пока не найдем это.
Ссылки и дальнейшее чтение:
П. Андерсон (2011). Может ли любопытство определить, нашел ли Викинг жизнь на Марсе ?, журнал Space.
S.K. Atreya, P.R. Mahaffy, A-S. Вонг, (2007), Метан и родственные ему следовые виды на Марсе: происхождение, потеря, последствия для жизни и обитаемость, Планетная и космическая наука, 55:358-369.
М. А. Бедау (2010), Аристотелевское объяснение минимальной химической жизни, астробиология, 10(10): 1011-1020.
С. Беннер (2010), Определение жизни, астробиология, 10(10):1021-1030.
Э. Мачери (2012), Почему я перестал беспокоиться об определении жизни ... и почему вы должны также, синтезированное, 185:145-164.
G.M.Marion, C.H.Fritsen, H.Eicken, M.C.Payne, (2003). Поиск жизни на Европе: ограничение факторов окружающей среды, потенциальных мест обитания и аналогов Земли. астробиология 3(4):785-811.
Л. Дж. Микс (2015), Защита определений жизни, астробиология15 (1) размещено в режиме онлайн до публикации.
P. E. Patton (2014) «Луна путаницы: почему найти внеземную жизнь может быть сложнее, чем мы думали», журнал «Space».
Т. Рейес (2014). Марсоход Curiosity обнаруживает метан, органику на Марсе, журнал Space.
С. Сигер, М. Шренк и У. Бейнс (2012). Астрофизический взгляд на биосигнатурные газы Земли. астробиология, 12(1): 61-82.
S. Tirard, M. Morange и A. Lazcano, (2010), Определение жизни: краткая история неуловимой научной деятельности, астробиология, 10(10):1003-1009.
C. Вебстер и многие другие члены научной группы MSL, (2014) Обнаружение и изменчивость метана на Марсе в кратере Гейла, НаукаНаука выражает раннее содержание.
Нашли ли приземлители Викингов Марс строительные блоки жизни? Недостающая часть вдохновляет новый взгляд на загадку. Science Daily Featured Research 5 сентября 2010 г.
Марсоход НАСА обнаруживает активную и древнюю органическую химию на Марсе, лаборатория реактивного движения, Калифорнийский технологический институт, Новости, 16 декабря 2014 г.
