У фільмі "Аватар" ми могли з першого погляду сказати, що чужий місяць Пандора кишить чужим життям. В одному грамі ґрунту налічується 50 мільйонів бактеріальних організмів, а у всьому світі бактеріальна біомаса перевищує вміст усіх рослин і тварин. Мікроби можуть рости в екстремальних умовах температури, солоності, кислотності, радіації та тиску. Найбільш вірогідною формою, в якій ми зустрінемо життя деінде в нашій Сонячній системі, є мікробна.
Астробіологам потрібні стратегії виведення наявності чужорідного життя мікробів або його скам’янілих останків. Їм потрібні стратегії для виведення присутності чужорідного життя на далеких планетах інших зірок, які занадто далеко для дослідження космічними кораблями в осяжному майбутньому. Для цього вони прагнуть визначення життя, яке б дозволило надійно відрізнити життя від нежиття.
На жаль, як ми побачили в першій серії цієї серії, незважаючи на величезне зростання наших знань про живе, філософи та вчені не змогли дати такого визначення. Астробіологи отримують якнайкраще, з частковими визначеннями, які мають винятки. Їх пошук орієнтований на особливості життя на Землі, єдине життя, яке ми знаємо на даний момент.
У першій партії ми побачили, як склад земного життя впливає на пошук позаземного життя. Астробіологи шукають середовища, які колись містили або в даний час містять рідку воду і містять складні молекули на основі вуглецю. Однак багато вчених розглядають істотні риси життя як пов'язаність з його можливостями замість складу.
У 1994 році комітет НАСА прийняв визначення життя як "самоокупної хімічної системи, здатної до еволюції дарвінів", заснованої на пропозиції Карла Сагана. Це визначення містить дві особливості, метаболізм та еволюцію, які зазвичай згадуються у визначеннях життя.
Метаболізм - це сукупність хімічних процесів, за допомогою яких живі істоти активно використовують енергію, щоб підтримувати себе, рости та розвиватися. Відповідно до другого закону термодинаміки, система, яка не взаємодіє із зовнішнім середовищем, з часом стане більш неорганізованою та рівномірною. Живі істоти будують і підтримують свій неймовірний, високоорганізований стан, оскільки вони використовують джерела енергії у своєму зовнішньому середовищі для живлення метаболізмом.
Рослини та деякі бактерії використовують енергію сонячного світла для виготовлення більших органічних молекул із більш простих субодиниць. Ці молекули зберігають хімічну енергію, яку згодом можна витягти за допомогою інших хімічних реакцій для живлення їх метаболізму. Тварини та деякі бактерії споживають рослини або інших тварин як їжу. Вони розщеплюють складні органічні молекули в їхній їжі на більш прості, щоб витягти накопичену хімічну енергію. Деякі бактерії можуть використовувати в процесі хіміосинтезу енергію, що міститься в хімічних речовинах, отриманих з неживих джерел.
У статті в 2014 році в Астробіологія, Лукас Джон Мікс, біолог-еволюціонер з Гарварду, назвав метаболічне визначення життя як Життя Халдайна після першопрохідного фізіолога Дж. Б. С. Халдена. Визначення життя Халдана має свої проблеми. Торнадо і вихори, як-от Велика Червона пляма Юпітера, використовують екологічну енергію для підтримання впорядкованої структури, але вони не живі. Вогонь використовує енергію з навколишнього середовища, щоб підтримувати себе і рости, але теж не живе.
Незважаючи на його недоліки, астробіологи використовували визначення Халдена для розробки експериментів. Землевласники вікінгів на Марсі зробили єдину до цього часу спробу безпосередньо випробувати на позаземне життя, виявивши передбачувану метаболічну активність марсіанських мікробів. Вони припускали, що марсіанський метаболізм хімічно схожий на наземний аналог.
Один експеримент прагнув виявити метаболічний розпад поживних речовин на простіші молекули, щоб отримати їх енергію. Друга - спрямована на виявлення кисню як відходів фотосинтезу. Третя намагалася показати виробництво складних органічних молекул із більш простих субодиниць, що також відбувається під час фотосинтезу. Всі три експерименти, здавалося, дали позитивні результати, але багато дослідників вважають, що детальні результати можна пояснити без біології, хімічними окислювачами в ґрунті.
Деякі результати вікінгів залишаються суперечливими і донині. У той час багато дослідників вважали, що невдача знайти органічні матеріали в марсіанській грунті виключає біологічну інтерпретацію результатів обміну речовин. Більш свіжі висновки про те, що марсіанський ґрунт насправді містить органічні молекули, які могли бути знищені перхлоратами під час аналізу вікінгів, і що рідка вода колись була в достатку на поверхні Марса, надає нової правдоподібності твердженню, що Вікінгу, можливо, вдалося виявити життя. Однак самі по собі результати вікінгів не доводили, що життя існує на Марсі, і не виключають цього.
Метаболічна діяльність життя також може залишити свій слід на складі планетарних атмосфер. У 2003 році європейський космічний корабель Mars Express виявив сліди метану в марсіанській атмосфері. У грудні 2014 року команда науковців NASA повідомила, що марсохід Curiosity Mars підтвердив цю знахідку, виявивши атмосферний метан з поверхні Марсія.
Більша частина метану в атмосфері Землі виділяється живими організмами або їх залишками. Підземні бактеріальні екосистеми, які використовують хемосинтез як джерело енергії, є загальними, і вони виробляють метан як продукт метаболізму. На жаль, також існують небіологічні геохімічні процеси, які можуть виробляти метан. Отож, марсіанський метан ще раз засмучує неоднозначність як ознаку життя.
Екстрасолярні планети, що обходять навколо інших зірок, занадто далекі для відвідування космічними кораблями в осяжному майбутньому. Астробіологи досі сподіваються використовувати визначення Халдана для пошуку життя на них. За допомогою космічних телескопів найближчим часом астрономи сподіваються дізнатись склад атмосфер цих планет шляхом аналізу спектру світлових довжин хвиль, відбитих або переданих їх атмосферами. Космічний телескоп "Джеймс Вебб", запланований до запуску в 2018 році, стане першим корисним у цьому проекті. Астробіологи хочуть шукати атмосферні біомарки; гази, що є продуктами обміну речовин живих організмів.
Ще раз цей квест керується єдиним прикладом життєдайної планети, яку ми маємо в даний час; Земля. Близько 21% атмосфери нашої домашньої планети становить кисень. Це дивно, тому що кисень - це високореактивний газ, який, як правило, вступає в хімічні комбінації з іншими речовинами. Вільний кисень повинен швидко зникати з нашого повітря. Він залишається присутнім, оскільки втрати постійно замінюються рослинами та бактеріями, які вивільняють його як продукт метаболізму фотосинтезу.
Сліди метану присутні в атмосфері Землі через хіміосинтетичні бактерії. Оскільки метан і кисень реагують один з одним, жоден не залишатиметься довгий час, якщо живі організми постійно не поповнюють запас. В атмосфері Землі містяться також сліди інших газів, що є побічними продуктами метаболізму.
Взагалі, живі істоти використовують енергію для підтримки атмосфери Землі в стані, далекому від термодинамічної рівноваги, якої вона досягла б без життя. Астробіологи запідозрили будь-яку планету з атмосферою в подібному стані, що переживає життя. Але, що стосується інших випадків, було б важко повністю виключити небіологічні можливості.
Крім метаболізму, комітет NASA визначив еволюцію як основну здатність живих істот. Для того, щоб відбувся еволюційний процес, повинна існувати група систем, де кожна з них здатна надійно відтворювати себе. Незважаючи на загальну надійність відтворення, у відтворювальному процесі також можуть виникати випадкові помилки копіювання, щоб системи мали різні ознаки. Нарешті, системи повинні відрізнятися своєю здатністю до виживання та відтворення, виходячи з переваг чи зобов’язань їх відмінних рис у навколишньому середовищі. Коли цей процес буде повторюватися знов і знов вниз поколіннями, риси систем стануть краще адаптованими до їхнього середовища. Дуже складні риси іноді можуть розвиватися поетапно.
Мікс назвав це Життя Дарвіна визначення, після натураліста ХІХ століття Чарльза Дарвіна, який сформулював теорію еволюції. Як і визначення Халдена, визначення життя Дарвіна має важливі недоліки. У ньому є проблеми, включаючи все, що ми можемо вважати живим. Наприклад, мули не можуть відтворюватись, і тому, за цим визначенням, не вважаються живими.
Незважаючи на такі недоліки, визначення життя Дарвіна є критично важливим, як для вчених, що вивчають походження життя, так і для астробіологів. Сучасна версія теорії Дарвіна може пояснити, як різноманітні та складні форми життя можуть розвиватися з якоїсь початкової простої форми. Необхідна теорія походження життя, щоб пояснити, як початкова проста форма набула здатності розвиватися в першу чергу.
Хімічні системи або форми життя, що зустрічаються на інших планетах чи місяцях нашої Сонячної системи, можуть бути настільки простими, що вони близькі до межі між життям і нежиттю, яку встановлює визначення Дарвіна. Визначення може виявитися життєво важливим для астробіологів, які намагаються вирішити, чи справді знайдена ними хімічна система є життєвою формою. Біологи досі не знають, як зародилося життя. Якщо астробіологи зможуть знайти системи поблизу кордону Дарвіна, їх знахідки можуть мати важливе значення для розуміння походження життя.
Чи можуть астробіологи використовувати визначення Дарвіна для пошуку та вивчення позаземного життя? Навряд чи відвідувальний космічний корабель міг би виявити процес еволюції. Але він може виявити молекулярні структури, необхідні живим організмам, щоб взяти участь в еволюційному процесі. Філософ Марк Бедо запропонував, що мінімальна система, здатна зазнавати еволюцію, повинна мати три речі: 1) хімічний метаболічний процес, 2) контейнер, як клітинна мембрана, для встановлення меж системи та 3) хімічний "Програма", здатна керувати метаболічною діяльністю.
Тут на Землі хімічна програма заснована на генетичній молекулі ДНК. Багато теоретиків походження життя вважають, що генетична молекула найдавніших форм земного життя, можливо, була простішою молекулою рибонуклеїнової кислоти (РНК). Генетична програма важлива для еволюційного процесу, оскільки робить процес відтворення репродуктивного копіювання стабільним, маючи лише випадкові помилки.
І ДНК, і РНК є біополімерами; довгі ланцюгові молекули з безліччю повторюваних субодиниць. Специфічна послідовність субодиниць основи нуклеотидів у цих молекулах кодує генетичну інформацію, яку вони несуть. Щоб молекула могла кодувати всі можливі послідовності генетичної інформації, необхідно, щоб субодиниці виникали в будь-якому порядку.
Стівен Беннер, дослідник обчислювальної геноміки, вважає, що нам, можливо, вдасться розробити експерименти з космічними кораблями для виявлення чужорідних генетичних біополімерів. Він зазначає, що ДНК та РНК - дуже незвичні біополімери, оскільки зміна послідовності, в якій виникають їх субодиниці, не змінює їх хімічних властивостей. Саме ця незвичайна властивість дозволяє цим молекулам бути стабільними носіями будь-якої можливої послідовності генетичного коду.
ДНК і РНК є обома поліелектролітами; молекули з регулярно повторюваними ділянками негативного електричного заряду. Беннер вважає, що саме на це пояснюється їх надзвичайна стабільність. Він вважає, що будь-який чужорідний генетичний біополімер також повинен бути поліелектролітом, і можуть бути розроблені хімічні випробування, за допомогою яких космічний апарат може виявити такі молекули поліелектроліту. Пошук чужорідного аналога ДНК - дуже захоплююча перспектива, і ще одна деталь до головоломки щодо визначення чужорідного життя.
У 1996 році президент Клінтон зробив драматичне повідомлення про можливе відкриття життя на Марсі. Виступ Клінтона був мотивований висновками команди Девіда Маккея з метеоритом Алан Хіллз. Фактично, висновки Маккея виявилися лише однією частиною до більшої загадки можливого життя Марсія. Якщо інопланетянин не пройде повз наші камери очікування, питання про існування позаземного життя навряд чи вдасться вирішити одним експериментом чи раптовим драматичним проривом. Філософи і вчені не мають єдиного, достовірного визначення життя. Отже, астробіологи не мають єдиного тесту на безпечний вогонь, який би вирішив цю проблему. Якщо на Марсі чи в інших місцях Сонячної системи існують прості форми життя, то, мабуть, цей факт з'явиться поступово, грунтуючись на багатьох доказах, що збігаються. Ми дійсно не будемо знати, що шукаємо, поки не знайдемо.
Посилання та додаткове читання:
П. Андерсон (2011) Чи може цікавість визначити, чи знайшов Вікінг життя на Марсі ?, Космічний журнал.
S. K. Atreya, P. R. Mahaffy, A-S. Вонг (2007), метан та споріднені йому види Марса: Походження, втрати, наслідки для життя та житлового середовища, Планетарні та космічні науки, 55:358-369.
М. А. Беда (2010), арістотелівський опис мінімального хімічного життя, Астробіологія, 10(10): 1011-1020.
С. Беннер (2010), Визначення життя, Астробіологія, 10(10):1021-1030.
E. Machery (2012), чому я перестав турбуватися про визначення життя ... і чому ви також повинні так, Синтез, 185:145-164.
G. M. Marion, C. H. Fritsen, H. Eicken, M. C. Payne, (2003) Пошук життя на Європі: Обмеження факторів навколишнього середовища, потенційних місць існування та аналогів Землі. Астробіологія 3(4):785-811.
Л. Дж. Мікс (2015), захищаючи визначення життя, Астробіологія, 15 (1) розміщено в режимі он-лайн перед публікацією.
P. E. Patton (2014) Місяці плутанини: Чому знайти позаземне життя може бути важче, ніж ми думали, Космічний журнал.
Т. Рейєс (2014), цікавий Rover NASA, виявляє метан, органіку на Марсі, космічний журнал.
S. Seeger, M. Schrenk, W. Bains (2012), Астрофізичний вигляд газів біосигнатури на основі Землі. Астробіологія, 12(1): 61-82.
С. Тірард, М. Моранж та А. Ласкано, (2010), визначення життя: коротка історія невловимого наукового починання, Астробіологія, 10(10):1003-1009.
В. Вебстер та численні інші члени наукової команди MSL, (2014) виявлення та мінливість метану Марса в кратері Гале, Наука, Наука виражає ранній зміст.
Чи знайшли землевласники вікінгів на Марсі життєві блоки? Зниклий фрагмент надихає новий погляд на головоломку. Science Daily Featured Research 5 вересня 2010 року
Ровер NASA знаходить активну та стародавню органічну хімію на Марсі, лабораторії реактивного руху, Каліфорнійський технологічний інститут, новини, 16 грудня 2014 року.
