Vo filme „Avatar“ sme mohli na prvý pohľad povedať, že mimozemský mesiac Pandora sa hemží mimozemským životom. Na jednom grame pôdy je 50 miliónov bakteriálnych organizmov a celosvetová bakteriálna biomasa prevyšuje množstvo rastlín a živočíchov. Mikróby môžu rásť v extrémnom prostredí, ako je teplota, slanosť, kyslosť, žiarenie a tlak. Najpravdepodobnejšia forma, v ktorej sa stretneme so životom inde v našej slnečnej sústave, je mikrobiálna.
Astrobiológovia potrebujú stratégie na odvodenie prítomnosti mimozemského mikrobiálneho života alebo jeho fosílnych zvyškov. Potrebujú stratégie na odvodenie prítomnosti mimozemského života na vzdialených planétach iných hviezd, ktoré sú príliš ďaleko na to, aby mohli v dohľadnej budúcnosti preskúmať kozmickú loď. Aby to mohli robiť, túžia po definícii života, ktorá by umožnila spoľahlivo odlíšiť život od neživota.
Bohužiaľ, ako sme videli v prvej časti tejto série, filozofi a vedci napriek obrovskému rastu našich vedomostí o živých veciach nedokázali vytvoriť takúto definíciu. Astrobiológovia sa snažia čo najlepšie dosiahnuť definície, ktoré sú čiastočné a ktoré majú výnimky. Ich hľadanie je zamerané na rysy života na Zemi, jediný život, ktorý poznáme.
V prvej splátke sme videli, ako zloženie pozemského života ovplyvňuje hľadanie mimozemského života. Astrobiológovia hľadajú prostredia, ktoré kedysi obsahovali alebo v súčasnosti obsahujú tekutú vodu a ktoré obsahujú zložité molekuly na báze uhlíka. Mnohí vedci však považujú základné rysy života za spoločné s jeho schopnosťami, nie so zložením.
V roku 1994 prijal výbor NASA definíciu života ako „sebestačný chemický systém schopný darwinovskej evolúcie“, založený na návrhu Carla Sagana. Táto definícia obsahuje dve vlastnosti, metabolizmus a vývoj, ktoré sa zvyčajne uvádzajú v definíciách života.
Metabolizmus je súbor chemických procesov, pomocou ktorých živé zvieratá aktívne využívajú energiu na udržanie seba, rast a rozvoj. Podľa druhého termodynamického zákona sa systém, ktorý nebude interagovať so svojím vonkajším prostredím, bude časom viac dezorganizovaný a jednotný. Živé veci vytvárajú a udržiavajú svoj nepravdepodobný, vysoko organizovaný stav, pretože využívajú zdroje energie vo svojom vonkajšom prostredí na poháňanie svojho metabolizmu.
Rastliny a niektoré baktérie využívajú energiu slnečného svetla na výrobu väčších organických molekúl z jednoduchších podjednotiek. Tieto molekuly ukladajú chemickú energiu, ktorá sa môže neskôr extrahovať inými chemickými reakciami, aby sa posilnil ich metabolizmus. Zvieratá a niektoré baktérie konzumujú rastliny alebo iné zvieratá ako jedlo. Rozkladajú zložité organické molekuly v potravinách na jednoduchšie, aby extrahovali uloženú chemickú energiu. Niektoré baktérie môžu pri chemosyntéze využívať energiu obsiahnutú v chemikáliách pochádzajúcich z neživých zdrojov.
V článku z roku 2014 v astrobiológieLucas John Mix, Harvardov evolučný biológ, nazýval metabolickú definíciu života ako Haldane Life po priekopníckom fyziologovi J. B. S. Haldaneovi. Definícia Haldanovho života má svoje problémy. Tornáda a víry, ako napríklad Veľká červená škvrna od Jupitera, využívajú environmentálnu energiu na udržanie svojej usporiadanej štruktúry, ale nie sú nažive. Oheň využíva energiu zo svojho prostredia na udržanie sa a rast, ale nie je nažive.
Napriek svojim nedostatkom astrobiológovia vymysleli experimenty pomocou Haldanovej definície. Vikingovia z Marsu urobili doteraz jediný pokus o priame testovanie mimozemského života zistením predpokladaných metabolických aktivít marťanských mikróbov. Predpokladali, že marťanský metabolizmus je chemicky podobný jeho pozemskému náprotivku.
Jeden experiment sa snažil zistiť metabolické rozdelenie živín na jednoduchšie molekuly, aby sa získala ich energia. Druhá bola zameraná na detekciu kyslíka ako odpadového produktu fotosyntézy. Tretia sa pokúsila ukázať výrobu komplexných organických molekúl z jednoduchších podjednotiek, ku ktorým dochádza aj pri fotosyntéze. Zdá sa, že všetky tri experimenty priniesli pozitívne výsledky, ale mnohí vedci sa domnievajú, že podrobné zistenia možno vysvetliť bez biológie chemickými oxidačnými činidlami v pôde.
Niektoré z výsledkov Vikingov sú dodnes kontroverzné. V tom čase mnohí vedci cítili, že ak nenájdu organické materiály v marťanskej pôde, vylučuje biologická interpretácia metabolických výsledkov. Najnovšie zistenie, že marťanská pôda skutočne obsahuje organické molekuly, ktoré mohli byť počas Vikingovej analýzy zničené perchloráty a že tekutá voda bola kedysi hojná na povrchu Marsu, dodáva novú vierohodnosť tvrdeniu, že Vikingovi sa skutočne podarilo zistiť life. Samotné výsledky Vikingov však nedokázali, že život existuje na Marse, ani ho nevylučujú.
Metabolické činnosti života môžu tiež zanechať stopy na zložení planétovej atmosféry. V roku 2003 kozmická loď European Mars Express odhalila stopy metánu v atmosfére Marsu. V decembri 2014 tím vedcov NASA informoval, že kuriozita Mars rover potvrdila tento nález zisteným atmosférickým metánom z povrchu Marsu.
Väčšinu metánu v zemskej atmosfére uvoľňujú živé organizmy alebo ich zvyšky. Podzemné bakteriálne ekosystémy, ktoré používajú chemosyntézu ako zdroj energie, sú bežné a produkujú metán ako produkt metabolického odpadu. Bohužiaľ existujú aj nebiologické geochemické procesy, ktoré môžu produkovať metán. Takže ešte raz je marťanský metán frustrujúco nejednoznačný ako znak života.
Extrasolárne planéty obiehajúce iné hviezdy sú príliš ďaleko na to, aby sa dali v dohľadnej budúcnosti navštíviť s kozmickou loďou. Astrobiológovia stále dúfajú, že použijú Haldanovu definíciu na hľadanie života na nich. S vesmírnymi ďalekohľadmi v blízkej budúcnosti sa astronómovia snažia naučiť zloženie atmosféry týchto planét analyzovaním spektra svetelných vlnových dĺžok odrážaných alebo prenášaných ich atmosférami. Uvedenie vesmírneho teleskopu James Webb naplánované na rok 2018 bude prvým, ktorý bude v tomto projekte užitočný. Astrobiológovia chcú hľadať atmosférické biomarkery; plyny, ktoré sú metabolickými odpadovými produktmi živých organizmov.
Toto hľadanie sa ešte raz riadi jediným príkladom životaschopnej planéty, ktorú v súčasnosti máme; Zeme. Asi 21% atmosféry našej domácej planéty je kyslík. To je prekvapujúce, pretože kyslík je vysoko reaktívny plyn, ktorý má tendenciu vstúpiť do chemických kombinácií s inými látkami. Voľný kyslík by mal z nášho vzduchu rýchlo zmiznúť. Zostáva prítomná, pretože strata sa neustále nahrádza rastlinami a baktériami, ktoré ju uvoľňujú ako metabolický odpad z fotosyntézy.
Stopy metánu sú prítomné v zemskej atmosfére kvôli chemosyntetickým baktériám. Pretože metán a kyslík navzájom reagujú, ani jeden by nezdržal dlho, pokiaľ živé organizmy nepretržite dopĺňajú zásoby. Atmosféra Zeme obsahuje aj stopy iných plynov, ktoré sú metabolickými vedľajšími produktmi.
Živé veci všeobecne používajú energiu na udržanie zemskej atmosféry v stave ďaleko od termodynamickej rovnováhy, ktorú by dosiahli bez života. Astrobiológovia by mali podozrenie na akúkoľvek planétu s atmosférou v podobnom stave života. Rovnako ako v ostatných prípadoch by však bolo ťažké úplne vylúčiť nebiologické možnosti.
Výbor NASA okrem metabolizmu identifikoval vývoj ako základnú schopnosť živých vecí. Aby došlo k vývojovému procesu, musí existovať skupina systémov, z ktorých každý je schopný sa spoľahlivo reprodukovať. Napriek všeobecnej spoľahlivosti reprodukcie musia v reprodukčnom procese existovať aj občasné chyby pri kopírovaní, aby systémy mali odlišné vlastnosti. Nakoniec, systémy sa musia líšiť v schopnosti prežiť a reprodukovať sa na základe výhod alebo povinností ich charakteristických čŕt v ich prostredí. Ak sa tento proces opakuje znova a znova po generácie, vlastnosti systému sa lepšie prispôsobia ich prostrediu. Veľmi zložité črty sa niekedy môžu vyvíjať postupne.
Mix to nazval Darwinov život definícia, po 19. storočí prírodovedec Charles Darwin, ktorý sformuloval teóriu evolúcie. Rovnako ako Haldaneova definícia, aj Darwinova definícia života má dôležité nedostatky. Má problémy so zahrnutím všetkého, čo by sme mohli považovať za živé. Napríklad Mules sa nemôže reprodukovať, a preto sa podľa tejto definície nepovažuje za živé.
Napriek týmto nedostatkom je definícia Darwinovho života kriticky dôležitá pre vedcov, ktorí študujú pôvod života, ako aj pre astrobiológov. Moderná verzia Darwinovej teórie môže vysvetliť, ako sa rôzne a zložité formy života môžu vyvíjať z počiatočnej jednoduchej formy. Teória pôvodu života je potrebná na vysvetlenie toho, ako pôvodná jednoduchá forma získala schopnosť vyvíjať sa na prvom mieste.
Chemické systémy alebo formy života, ktoré sa nachádzajú na iných planétach alebo mesiacoch v našej slnečnej sústave, môžu byť také jednoduché, že sa nachádzajú blízko hranice medzi životom a neživotom, ktorú stanovuje Darwinova definícia. Táto definícia sa môže ukázať ako nevyhnutná pre astrobiológov, ktorí sa snažia rozhodnúť, či sa chemický systém, ktorý našli, skutočne kvalifikuje ako forma života. Biológovia stále nevedia, ako vznikol život. Ak astrobiológovia nájdu systémy blízko hranice Darwina, ich zistenia môžu byť zásadne dôležité pre pochopenie pôvodu života.
Môžu astrobiológovia použiť definíciu Darwina na nájdenie a štúdium mimozemského života? Je nepravdepodobné, že by hosťujúca kozmická loď mohla zistiť samotný proces evolúcie. Môže však byť schopný zistiť molekulárne štruktúry, ktoré živé organizmy potrebujú, aby sa mohli zúčastniť na evolučnom procese. Filozof Mark Bedau navrhol, že minimálny systém schopný podstúpiť vývoj by mal mať tri veci: 1) chemický metabolický proces, 2) nádobu, ako je bunková membrána, na stanovenie hraníc systému, a 3) chemickú látku „Program“ schopný riadiť metabolické činnosti.
Tu na Zemi je chemický program založený na genetickej molekule DNA. Mnohí teoretici vzniku života si myslia, že genetickou molekulou najskorších pozemských foriem života mohla byť jednoduchšia molekula ribonukleovej kyseliny (RNA). Genetický program je dôležitý pre vývojový proces, pretože robí proces reprodukčného kopírovania stabilným a má iba občasné chyby.
DNA aj RNA sú biopolyméry; dlhé reťazcové molekuly s mnohými opakujúcimi sa podjednotkami. Špecifická sekvencia podjednotiek nukleotidovej bázy v týchto molekulách kóduje genetické informácie, ktoré nesú. Aby molekula mohla kódovať všetky možné sekvencie genetickej informácie, musí byť možné, aby sa podjednotky vyskytovali v akomkoľvek poradí.
Steven Benner, výskumný pracovník v oblasti výpočtovej genomiky, verí, že môžeme vyvinúť experimenty s kozmickými loďami na detekciu cudzích genetických biopolymérov. Poznamenáva, že DNA a RNA sú veľmi neobvyklé biopolyméry, pretože zmena sekvencie, v ktorej sa vyskytujú ich podjednotky, nemení ich chemické vlastnosti. Je to táto neobvyklá vlastnosť, ktorá umožňuje, aby tieto molekuly boli stabilnými nosičmi akejkoľvek možnej genetickej kódovej sekvencie.
DNA aj RNA sú polyelektrolyty; molekuly s pravidelne sa opakujúcimi oblasťami negatívneho elektrického náboja. Benner je presvedčený, že to je dôvod, pre ktorý je ich pozoruhodná stabilita. Myslí si, že akýkoľvek cudzí genetický biopolymér by tiež musel byť polyelektrolytom a že by bolo možné navrhnúť chemické testy, pomocou ktorých by kozmická loď mohla takéto polyelektrolytové molekuly zistiť. Nájdenie mimozemského náprotivku DNA je veľmi vzrušujúca vyhliadka a ďalší kúsok skladačky identifikácie mimozemského života.
V roku 1996 prezident Clinton dramaticky oznámil možný objav života na Marse. Clintonova reč bola motivovaná zisteniami tímu Davida McKaya s meteoritom Alan Hills. Zistenia McKay sa v skutočnosti ukázali ako jeden kus väčšej záhady možného života na Marse. Pokiaľ sa mimozemšťan niekedy okolo našich čakacích kamier nezamierne, je otázne, či existuje mimozemský život, nepravdepodobne vyriešené jediným experimentom alebo náhlym dramatickým prienikom. Filozofi a vedci nemajú jednotnú definíciu života. Astrobiológovia preto nemajú jediný test s istotou, že sa problém vyrieši. Ak na Marse alebo inde v slnečnej sústave existujú jednoduché formy života, zdá sa pravdepodobné, že táto skutočnosť sa objaví postupne na základe mnohých zbiehajúcich sa dôkazov. Skutočne nebudeme vedieť, čo hľadáme, kým to nenájdeme.
Referencie a ďalšie čítanie:
P. Anderson (2011) Mohla by zvedavosť určiť, či Viking našiel život na Marse ?, Space Magazine.
S. K. Atreya, P.R. Mahaffy, A-S. Wong, (2007), metán a súvisiace stopové druhy na Marse: pôvod, strata, dôsledky pre život a obývateľnosť, Planetárna a vesmírna veda, 55:358-369.
M. A. Bedau (2010), Aristoteliánsky popis minimálnej chemickej životnosti, astrobiológie, 10(10): 1011-1020.
S. Benner (2010), Definovanie života, astrobiológie, 10(10):1021-1030.
E. Machery (2012), prečo som sa prestal báť definície života ... a prečo by ste mali tiež Synthese, 185:145-164.
G. M. Marion, C. H. Fritsen, H. Eicken, M. C. Payne, (2003) Hľadanie života na Európe: Obmedzujúce environmentálne faktory, potenciálne biotopy a analógy Zeme. astrobiológie 3(4):785-811.
L. J. Mix (2015), Obrana definícií života, Astrobiológia, 15 (1) zverejnené online pred uverejnením.
P. E. Patton (2014) Mesiace zmätku: Prečo nájsť mimozemský život môže byť ťažšie, ako sme si mysleli, Space Magazine.
T. Reyes (2014), NASA's Curiosity Rover detekuje metán, Organics on Mars, Space Magazine.
S. Seeger, M. Schrenk a W. Bains (2012), Astrofyzikálny pohľad na biosignátne plyny na Zemi. astrobiológie, 12(1): 61-82.
S. Tirard, M. Morange a A. Lazcano, (2010), Definícia života: Stručná história nepolapiteľného vedeckého úsilia, astrobiológie, 10(10):1003-1009.
C. Webster a mnoho ďalších členov tímu vedy MSL Science (2014), detekcia a variabilita metánu Mars v kráteri Gale, veda, Veda vyjadruje skorý obsah.
Našli vikingovia z Viking Mars stavebné kamene? Chýbajúci kúsok inšpiruje nový pohľad na puzzle. Najlepší vedecký denný výskum 5. septembra 2010
NASA rover nájde aktívnu a starú organickú chémiu na Marse, laboratórium Jet Propulsion, California Institute of Technology, News, 16. decembra 2014.
