Във филма „Аватар“ бихме могли да разберем с един поглед, че извънземната луна Пандора кипи от извънземен живот. В един грам почва има 50 милиона бактериални организми и бактериалната биомаса в световен мащаб надвишава тази на всички растения и животни. Микробите могат да растат в екстремни среди на температура, соленост, киселинност, радиация и налягане. Най-вероятната форма, в която ще срещнем живота другаде в нашата Слънчева система, е микробната.
Астробиолозите се нуждаят от стратегии за извеждане на наличието на извънземен микробен живот или неговите фосилизирани останки. Те се нуждаят от стратегии за извеждане на присъствието на извънземен живот на далечните планети на други звезди, които са твърде далеч, за да се проучат с космически кораби в обозримо бъдеще. За да направят тези неща, те копнеят за определение на живота, което би позволило надеждното разграничаване на живота от нежизнения.
За съжаление, както видяхме в първата част от тази поредица, въпреки огромен растеж в познанията ни за живите същества, философите и учените не успяха да дадат такова определение. Астробиолозите се справят с най-добрите възможности с частични дефиниции и с изключения. Търсенето им е насочено към особеностите на живота на Земята, единственият живот, който познаваме в момента.
В първата вноска видяхме как съставът на земния живот влияе на търсенето на извънземен живот. Астробиолозите търсят среда, която някога е съдържала или в момента съдържа течна вода и съдържаща сложни молекули на базата на въглерод. Много учени обаче гледат на основните характеристики на живота като на общо с неговите способности вместо със състава си.
През 1994 г. комитетът на НАСА прие дефиницията на живота като „самоподдържаща се химическа система, способна да развива еволюция на Дарвин“, базирана на предложение на Карл Сагън. Това определение съдържа две характеристики, метаболизъм и еволюция, които обикновено се споменават в дефинициите на живота.
Метаболизмът е съвкупността от химични процеси, чрез които живите същества активно използват енергия, за да се поддържат, да растат и да се развиват. Според втория закон на термодинамиката система, която не взаимодейства с външната си среда, ще стане по-неорганизирана и еднородна с времето. Живите същества изграждат и поддържат своето невероятно, високо организирано състояние, защото те използват източници на енергия във външната си среда, за да захранват метаболизма си.
Растенията и някои бактерии използват енергията на слънчевата светлина за производството на по-големи органични молекули от по-прости субединици. Тези молекули съхраняват химическа енергия, която по-късно може да бъде извлечена чрез други химични реакции, за да задвижват метаболизма си. Животните и някои бактерии консумират растения или други животни като храна. Те разграждат сложни органични молекули в храната си на по-прости, за да извлекат запаметената си химическа енергия. Някои бактерии могат да използват енергията, съдържаща се в химикали, получени от неживи източници в процеса на химиосинтеза.
В статия от 2014 г. в Астробиология, Лукас Джон Микс, Харвардски еволюционен биолог, посочи метаболичното определение на живота като Халдайн живот след пионерския физиолог J. B. S. Haldane. Определението за живота на Халдан има своите проблеми. Торнадо и вихри като Великата червена точка на Юпитер използват енергията на околната среда, за да поддържат подредената си структура, но не са живи. Огънят използва енергия от средата си, за да поддържа себе си и да расте, но и не е жив.
Въпреки недостатъците му, астробиолозите са използвали определението на Халдан, за да създадат експерименти. Приземяващите викинги на Марс направиха единствения опит досега директно да направят тест за извънземен живот, като откриха предполагаемите метаболитни активности на марсианските микроби. Те предположиха, че марсианският метаболизъм е химически подобен на наземния му колега.
Един експеримент се стреми да открие метаболитния разпад на хранителните вещества в по-прости молекули, за да извлече енергията им. Втори има за цел да открие кислорода като отпадъчен продукт на фотосинтезата. Трета се опита да покаже производството на сложни органични молекули от по-прости субединици, което се случва и по време на фотосинтезата. И трите експеримента изглежда дават положителни резултати, но много изследователи смятат, че подробните находки могат да бъдат обяснени без биология, чрез химически окислители в почвата.
Някои от резултатите на викингите остават противоречиви и до днес. По онова време много изследователи смятат, че неуспехът в намирането на органични материали в марсианската почва изключва биологичното тълкуване на метаболитните резултати. По-скорошното откритие, че марсианската почва действително съдържа органични молекули, които биха могли да бъдат унищожени от перхлорати по време на анализа на викингите и че течната вода някога е била в изобилие на повърхността на Марс, дава нова правдоподобност на твърдението, че Викингът наистина е успял да открие живот. Сами по себе си обаче резултатите от викингите не доказват, че животът съществува на Марс, нито го изключват.
Метаболитните активности на живота също могат да оставят своя отпечатък върху състава на планетарните атмосфери. През 2003 г. европейският космически кораб Mars Express откри следи от метан в марсианската атмосфера. През декември 2014 г. екип от учени от НАСА съобщи, че марсоходът на Curiosity Марс е потвърдил тази находка чрез открит атмосферен метан от повърхността на Марсиан.
По-голямата част от метана в земната атмосфера се отделя от живи организми или техните останки. Обичайни са подземните бактериални екосистеми, които използват хемосинтеза като източник на енергия и произвеждат метан като метаболитен отпадъчен продукт. За съжаление има и небиологични геохимични процеси, които могат да произвеждат метан. Така че, още веднъж, марсианският метан е разочароващо двусмислен като знак за живот.
Екстрасоларните планети, обикалящи около други звезди, са твърде далечни за посещение с космически кораби в обозримо бъдеще. Астробиолозите все още се надяват да използват определението Халдан, за да търсят живот на тях. С близките бъдещи космически телескопи астрономите се надяват да научат състава на атмосферите на тези планети, като анализират спектъра на дължините на светлинните вълни, отразени или предадени от тяхната атмосфера. Космическият телескоп „Джеймс Уеб“, планиран за пускане през 2018 г., ще бъде първият полезен в този проект. Астробиолозите искат да търсят атмосферни биомаркери; газове, които са метаболитни отпадни продукти на живи организми.
Още веднъж този стремеж се ръководи от единствения пример за животворна планета, която имаме в момента; Земята. Около 21% от атмосферата на нашата планета е кислород. Това е изненадващо, защото кислородът е силно реактивен газ, който има тенденция да влиза в химически комбинации с други вещества. Свободният кислород трябва бързо да изчезне от нашия въздух. Тя остава налична, защото загубата непрекъснато се заменя от растения и бактерии, които я отделят като метаболитен отпадъчен продукт на фотосинтезата.
Следи от метан присъстват в земната атмосфера поради химиосинтетични бактерии. Тъй като метанът и кислородът реагират един с друг, нито един от двамата няма да остане наоколо за дълго, освен ако живите организми постоянно попълват снабдяването. Земната атмосфера съдържа и следи от други газове, които са метаболитни странични продукти.
Като цяло живите същества използват енергия, за да поддържат атмосферата на Земята в състояние, далеч от термодинамичното равновесие, което би достигнало без живот. Астробиолозите биха заподозряли всяка планета с атмосфера в подобно състояние, в която живеят живот. Но що се отнася до останалите случаи, би било трудно напълно да се изключат небиологичните възможности.
Освен метаболизма, комитетът на НАСА определи еволюцията като основна способност на живите същества. За да се случи еволюционният процес, трябва да има група системи, в които всяка от тях може да се възпроизведе надеждно. Въпреки общата надеждност на възпроизвеждането, трябва да има и случайни грешки при копиране в репродуктивния процес, така че системите да имат различни черти. И накрая, системите трябва да се различават по своята способност да оцеляват и да се възпроизвеждат въз основа на ползите или задълженията на техните отличителни черти в средата им. Когато този процес се повтаря отново и отново надолу поколенията, чертите на системите ще станат по-добре адаптирани към тяхната среда. Много сложни черти понякога могат да се развиват стъпка по стъпка.
Микс нарече това Дарвин живот определение, след естественика от XIX век Чарлз Дарвин, който формулира теорията на еволюцията. Подобно на дефиницията на Халдан, дефиницията за живота на Дарвин има важни недостатъци. Той има проблеми, включително всичко, което може да смятаме за живо. Мюлетата например не могат да се възпроизвеждат и така, по това определение, не се считат за живи.
Въпреки такива недостатъци, дефиницията за живота на Дарвин е критично важна както за учените, изучаващи произхода на живота, така и за астробиолозите. Съвременната версия на теорията на Дарвин може да обясни как разнообразните и сложни форми на живот могат да се развият от някаква първоначална проста форма. Необходима е теория за произхода на живота, за да се обясни как първоначалната проста форма придоби способността да се развива на първо място.
Химическите системи или жизнените форми, открити на други планети или луни в нашата Слънчева система, може да са толкова прости, че да са близо до границата между живота и неживота, която установява определението на Дарвин. Определението може да се окаже жизненоважно за астробиолозите, които се опитват да решат дали една химическа система, която са открили, наистина се квалифицира като форма на живот. Биолозите все още не знаят как е възникнал животът. Ако астробиолозите могат да намерят системи близо до границата на Дарвин, техните открития могат да бъдат от основно значение за разбирането на произхода на живота.
Могат ли астробиолозите да използват определението на Дарвин, за да намерят и изучат извънземен живот? Малко вероятно е гостуващият космически кораб да открие, за да обработи самата еволюция. Но може да е в състояние да открие молекулните структури, от които живите организми се нуждаят, за да участват в еволюционния процес. Философът Марк Бедо предложи, че минимална система, способна да претърпи еволюция, трябва да има три неща: 1) химичен метаболитен процес, 2) контейнер, подобно на клетъчна мембрана, за установяване на границите на системата и 3) химикал „Програма“, способна да ръководи метаболитните дейности.
Тук на Земята химическата програма се основава на генетичната молекула ДНК. Много теоретици на произхода на живота смятат, че генетичната молекула от най-ранните наземни форми на живот може да е била по-простата молекула рибонуклеинова киселина (РНК). Генетичната програма е важна за еволюционния процес, защото прави процеса на репродуктивно копиране стабилен, само с случайни грешки.
И ДНК, и РНК са биополимери; дълги верижни молекули с много повтарящи се субединици. Специфичната последователност от нуклеотидни основни субединици в тези молекули кодира генетичната информация, която носят. За да може молекулата да кодира всички възможни последователности на генетична информация, трябва да е възможно подразделенията да възникнат в произволен ред.
Стивън Бенер, изследовател на изчислителната геномия, смята, че може да успеем да разработим експерименти за космически кораби, за да открием извънземни генетични биополимери. Той отбелязва, че ДНК и РНК са много необичайни биополимери, защото промяната на последователността, в която възникват техните субединици, не променя техните химични свойства. Именно това необичайно свойство позволява тези молекули да бъдат стабилни носители на всяка възможна последователност на генетичен код.
ДНК и РНК са и двете полиелектролити; молекули с редовно повтарящи се области на отрицателен електрически заряд. Бенер смята, че това е причината за тяхната забележителна стабилност. Той смята, че всеки извънземен генетичен биополимер също трябва да бъде полиелектролит и че могат да бъдат разработени химически тестове, чрез които космически кораб може да открие такива полиелектролитни молекули. Намирането на извънземния колега на ДНК е много вълнуваща перспектива и още едно парче към пъзела за идентифициране на извънземния живот.
През 1996 г. президентът Клинтън направи драматично съобщение за възможното откриване на живот на Марс. Речта на Клинтън беше мотивирана от откритията на екипа на Дейвид Маккей с метеорита Алън Хилс. Всъщност констатациите на Маккей се оказаха само едно парче от по-големия пъзел от възможния марсиански живот. Освен ако някой извънземен някой ден не застане покрай нашите чакащи камери, въпросът за съществуването на извънземен живот е малко вероятно да бъде уреден чрез един експеримент или внезапен драматичен пробив. Философите и учените нямат една-единствена категорична дефиниция на живота. Следователно астробиолозите нямат нито един тест за сигурен огън, който да реши проблема. Ако на Марс или другаде в Слънчевата система съществуват прости форми на живот, сега изглежда вероятно този факт да се появи постепенно, въз основа на много сближаващи се доказателства. Всъщност няма да знаем какво търсим, докато не го намерим.
Референции и допълнително четене:
П. Андерсън (2011) Може ли любопитството да определи дали Викингът е намерил живот на Марс ?, Space Magazine.
S. K. Atreya, P. R. Mahaffy, A-S. Wong, (2007), Метан и сродни видове следи на Марс: Произход, загуба, последици за живота и обитаемост, Планетарни и космически науки, 55:358-369.
М. А. Бедау (2010), Аристотелевски отчет за минималния химически живот, Астробиология, 10(10): 1011-1020.
S. Benner (2010), Определяне на живота, Астробиология, 10(10):1021-1030.
E. Machery (2012), Защо спрях да се притеснявам за дефиницията на живота… и защо също така трябва, Синтез, 185:145-164.
G. M. Marion, C. H. Fritsen, H. Eicken, M. C. Payne, (2003) Търсенето на живот в Европа: Ограничаване на факторите на околната среда, потенциалните местообитания и земните аналози. Астробиология 3(4):785-811.
L. J. Mix (2015), Защита на определенията на живота, Астробиология, 15 (1), публикувани онлайн преди публикуването.
P. E. Patton (2014) Луни на объркване: Защо да намерим извънземен живот може да е по-трудно, отколкото си мислехме, Space Magazine.
T. Reyes (2014) Любопитният ровър на НАСА открива метан, органични вещества на Марс, космическо списание.
S. Seeger, M. Schrenk и W. Bains (2012), Астрофизичен изглед на биосигнатурни газове, базирани на Земята. Астробиология, 12(1): 61-82.
S. Tirard, M. Morange и A. Lazcano, (2010), Определението на живота: кратка история на неуловимо научно начинание, Астробиология, 10(10):1003-1009.
В. Вебстър и много други членове на екипа на MSL Science, (2014) откриване и променливост на метан на Марс в кратер Гале, наука, Science Express ранно съдържание.
Намериха ли местните жители на Марс Викинг строителни блокове? Липсващото парче вдъхновява нов поглед към пъзела. Science Daily Featured Research 5 септември 2010 г.
Роувърът на НАСА намира активна и древна органична химия на Марс, лаборатория за реактивни двигатели, Калифорнийския технологичен институт, News, 16 декември 2014 г.
