În filmul „Avatar”, am putea spune dintr-o privire că Pandora luna străină a îmbrăcat în viață extraterestră. Există 50 de milioane de organisme bacteriene într-un singur gram de sol, iar biomasa bacteriană la nivel mondial o depășește pe cea a tuturor plantelor și animalelor. Microbii pot crește în medii extreme de temperatură, salinitate, aciditate, radiații și presiune. Cea mai probabilă formă în care vom întâlni viață în altă parte din sistemul nostru solar este microbiană.
Astrobiologii au nevoie de strategii pentru a deduce prezența vieții microbiene extraterestre sau a resturilor fosilizate ale acesteia. Ei au nevoie de strategii pentru a deduce prezența vieții extraterestre pe planetele îndepărtate ale altor stele, care sunt prea departe pentru a explora cu nave spațiale în viitorul previzibil. Pentru a face aceste lucruri, ei doresc o definiție a vieții, care să facă posibilă distincția în mod fiabil a vieții de non-viață.
Din păcate, așa cum am văzut în prima serie a acestei serii, în ciuda creșterii enorme a cunoștințelor noastre despre lucruri vii, filosofii și oamenii de știință nu au reușit să producă o astfel de definiție. Astrobiologii ajung cel mai bine cu definiții care sunt parțiale și care au excepții. Căutarea lor este orientată către trăsăturile vieții de pe Pământ, singura viață pe care o cunoaștem în prezent.
În prima pagină am văzut cum compoziția vieții terestre influențează căutarea vieții extraterestre. Astrobiologii caută medii care conțineau sau conțin în prezent apă lichidă și care conțin molecule complexe pe bază de carbon. Cu toate acestea, mulți oameni de știință consideră trăsăturile esențiale ale vieții ca având legătură cu capacitățile sale în locul compoziției sale.
În 1994, un comitet al NASA a adoptat o definiție a vieții ca un „sistem chimic autosusținător capabil să evolueze darwinian”, pe baza unei sugestii a lui Carl Sagan. Această definiție conține două caracteristici, metabolismul și evoluția, care sunt menționate de obicei în definițiile vieții.
Metabolismul este ansamblul proceselor chimice prin care ființele vii folosesc activ energia pentru a se menține, crește și dezvolta. În conformitate cu a doua lege a termodinamicii, un sistem care nu interacționează cu mediul său extern va deveni mai dezorganizat și mai uniform cu timpul. Ființele vii își construiesc și își mențin starea improbabilă, puternic organizată, deoarece valorifică surse de energie în mediul lor extern pentru a-și alimenta metabolismul.
Plantele și unele bacterii folosesc energia luminii solare pentru a produce molecule organice mai mari din subunități mai simple. Aceste molecule stochează energie chimică care poate fi extrasă ulterior de alte reacții chimice pentru a-și alimenta metabolismul. Animalele și unele bacterii consumă plante sau alte animale ca hrană. Acestea descompun molecule organice complexe din alimentele lor în altele mai simple, pentru a-și extrage energia chimică stocată. Unele bacterii pot folosi energia conținută de substanțele chimice derivate din surse care nu sunt vii în procesul de chimosinteză.
Într-un articol din 2014 în Astrobiologia, Lucas John Mix, biolog evolutiv la Harvard, s-a referit la definiția metabolică a vieții ca Viața Haldane după fiziologul pionier J. B. S. Haldane. Definiția vieții Haldane are problemele sale. Tornadele și vorticele, cum ar fi Marea Punctă Roșie a lui Jupiter folosesc energia de mediu pentru a-și susține structura ordonată, dar nu sunt în viață. Focul folosește energia din mediul său pentru a se menține și crește, dar nici nu este viu.
În ciuda deficiențelor sale, astrobiologii au folosit definiția Haldane pentru a crea experimente. Pământerii vikingi de pe Marte au făcut singura încercare de până acum să testeze direct viața extraterestră, detectând presupuse activități metabolice ale microbilor marțieni. Ei au presupus că metabolismul marțian este similar chimic cu omologul său terestru.
Un experiment a căutat să detecteze descompunerea metabolică a nutrienților în molecule mai simple pentru a-și extrage energia. Un al doilea a vizat detectarea oxigenului ca produs reziduu al fotosintezei. O a treia a încercat să arate fabricarea de molecule organice complexe din subunități mai simple, care apare și în timpul fotosintezei. Toate cele trei experimente par să dea rezultate pozitive, dar mulți cercetători consideră că descoperirile detaliate pot fi explicate fără biologie, prin agenți de oxidare chimici din sol.
Unele dintre rezultatele vikingilor rămân controversate până în zilele noastre. La acea vreme, mulți cercetători au considerat că eșecul de a găsi materiale organice în pământ marțian exclude o interpretare biologică a rezultatelor metabolice. Descoperirea mai recentă a faptului că pământul marțian conține de fapt molecule organice care ar fi putut fi distruse de perclorate în timpul analizei vikinge și că apa lichidă a fost odată abundentă pe suprafața lui Marte conferă o nouă plauzibilitate afirmației că Vikingul a reușit de fapt să reușească să detecteze viaţă. Cu toate acestea, rezultatele vikingilor nu au dovedit că viața există pe Marte și nici nu a exclus-o.
Activitățile metabolice ale vieții își pot lăsa, de asemenea, amprenta asupra compoziției atmosferelor planetare. În 2003, navele spațiale europene Mars Express au detectat urme de metan în atmosfera marțiană. În decembrie 2014, o echipă de oameni de știință NASA a raportat că roverul Curiosity Mars a confirmat această constatare prin detectarea metanului atmosferic de pe suprafața marțiană.
Cea mai mare parte a metanului din atmosfera Pământului este eliberată de organismele vii sau de resturile lor. Ecosistemele bacteriene subterane care utilizează chimiosinteza ca sursă de energie sunt comune și produc metan ca produs deșeu metabolic. Din păcate, există și procese geochimice non-biologice care pot produce metan. Deci, încă o dată, metanul marțian este frustrant ambiguu ca semn de viață.
Planetele extrasolare care orbitează alte stele sunt mult prea îndepărtate pentru a putea fi vizitate cu nave spațiale în viitorul apropiat. Astrobiologii încă speră să folosească definiția Haldane pentru a căuta viață asupra lor. Cu viitoarele telescoape spațiale, astronomii speră să învețe compoziția atmosferelor acestor planete, analizând spectrul lungimilor de undă de lumină reflectate sau transmise de atmosferele lor. Telescopul spațial James Webb programat pentru lansare în 2018, va fi primul care va fi util în acest proiect. Astrobiologii vor să caute biomarkeri atmosferici; gaze care sunt produse reziduale metabolice ale organismelor vii.
Încă o dată, această căutare este ghidată de singurul exemplu de planetă purtătoare de viață pe care o avem în prezent; Pământ. Aproximativ 21% din atmosfera planetei noastre de origine este oxigen. Acest lucru este surprinzător, deoarece oxigenul este un gaz extrem de reactiv, care tinde să intre în combinații chimice cu alte substanțe. Oxigenul liber ar trebui să dispară rapid din aerul nostru. Rămâne prezent, deoarece pierderea este înlocuită în mod constant de plante și bacterii care o eliberează ca un produs metabolic deșeuri al fotosintezei.
Urmele de metan sunt prezente în atmosfera Pământului din cauza bacteriilor chimosintetice. Deoarece metanul și oxigenul reacționează unul cu celălalt, niciuna nu ar rămâne în jur mult timp, dacă organismele vii nu vor reîncărca în mod constant aprovizionarea. Atmosfera Pământului conține și urme de alte gaze care sunt produse secundare metabolice.
În general, ființele vii folosesc energia pentru a menține atmosfera Pământului într-o stare departe de echilibrul termodinamic pe care l-ar atinge fără viață. Astrobiologii ar suspecta orice planetă cu o atmosferă într-o stare similară de viață. Dar, în ceea ce privește celelalte cazuri, ar fi greu să excludem complet posibilitățile non-biologice.
Pe lângă metabolism, comitetul NASA a identificat evoluția ca o abilitate fundamentală a viețuitoarelor. Pentru ca un proces evolutiv să aibă loc, trebuie să existe un grup de sisteme, în care fiecare este capabil să se reproducă în mod fiabil. În ciuda fiabilității generale a reproducerii, trebuie să existe și erori ocazionale de copiere în procesul de reproducere, astfel încât sistemele să aibă trăsături diferite. În cele din urmă, sistemele trebuie să difere în capacitatea lor de a supraviețui și de a se reproduce pe baza beneficiilor sau a pasivului trăsăturilor lor distinctive în mediul lor. Când acest proces se repetă din nou și de-a lungul generațiilor, trăsăturile sistemelor vor deveni mai bine adaptate mediului lor. Trăsăturile foarte complexe pot evolua uneori cu pas.
Se numește asta Viața Darwin definiție, după naturalistul secolului al XIX-lea Charles Darwin, care a formulat teoria evoluției. Ca și definiția Haldane, definiția vieții Darwin are deficiențe importante. Are probleme inclusiv tot ceea ce am putea crede ca fiind viu. De exemplu, mulele nu se pot reproduce și, prin această definiție, nu sunt considerate ca fiind în viață.
În ciuda unor astfel de neajunsuri, definiția vieții Darwin este extrem de importantă, atât pentru oamenii de știință care studiază originea vieții, cât și pentru astrobiologi. Versiunea modernă a teoriei lui Darwin poate explica modul în care forme de viață diverse și complexe pot evolua de la o formă simplă inițială. O teorie a originii vieții este necesară pentru a explica modul în care forma simplă inițială a dobândit capacitatea de a evolua în primul rând.
Sistemele chimice sau formele de viață găsite pe alte planete sau luni din sistemul nostru solar ar putea fi atât de simple încât sunt aproape de granița dintre viață și non-viață pe care o stabilește definiția Darwin. Definiția s-ar putea dovedi vitală pentru astrobiologii care încearcă să decidă dacă un sistem chimic pe care l-au găsit se califică într-adevăr ca formă de viață. Biologii încă nu știu cum a apărut viața. Dacă astrobiologii pot găsi sisteme în apropierea graniței Darwin, descoperirile lor pot fi pivot importante pentru înțelegerea originii vieții.
Pot astrobiologii să folosească definiția Darwin pentru a găsi și studia viața extraterestră? Este puțin probabil ca o navă spațială în vizită să poată detecta procesul de evoluție în sine. Dar poate fi capabil să detecteze structurile moleculare de care organismele vii au nevoie pentru a lua parte la un proces evolutiv. Filozoful Mark Bedau a propus că un sistem minim capabil să sufere o evoluție ar trebui să aibă trei lucruri: 1) un proces metabolic chimic, 2) un recipient, ca o membrană celulară, pentru a stabili limitele sistemului și 3) un produs chimic „Program” capabil să direcționeze activitățile metabolice.
Aici, pe Pământ, programul chimic se bazează pe ADN-ul moleculelor genetice. Mulți teoreticieni ai originii vieții cred că molecula genetică a celor mai vechi forme de viață terestră ar fi putut fi molecula simplă de acid ribonucleic (ARN). Programul genetic este important pentru un proces evolutiv, deoarece face stabilirea procesului de copiere reproductivă, cu erori ocazionale.
Atât ADN-ul cât și ARN sunt biopolimeri; molecule lungi de tip lanț, cu multe subunități repetate. Secvența specifică de subunități de bază nucleotidice din aceste molecule codifică informațiile genetice pe care le transportă. Pentru ca molecula să poată codifica toate secvențele posibile de informații genetice, trebuie să fie posibil ca subunitățile să apară în orice ordine.
Steven Benner, cercetător în domeniul genomicii, consideră că este posibil să putem dezvolta experimente cu nave spațiale pentru a detecta biopolimeri genetici străini. El observă că ADN-ul și ARN-ul sunt biopolimeri foarte neobișnuiți, deoarece schimbarea secvenței în care apar subunitățile lor nu își schimbă proprietățile chimice. Această proprietate neobișnuită este aceea care permite acestor molecule să fie purtătoare stabile ale oricărei secvențe de cod genetice posibile.
ADN și ARN sunt ambele polielectrolite; molecule cu zone repetate regulat de sarcină electrică negativă. Benner consideră că aceasta este ceea ce reprezintă stabilitatea lor remarcabilă. El crede că orice biopolimer genetic extraterestru ar trebui să fie, de asemenea, un polielectrolit și că testele chimice ar putea fi concepute prin care o navă spațială ar putea detecta astfel de molecule de polielectrolit. Găsirea omologului străin al ADN-ului este o perspectivă foarte interesantă și o altă piesă din puzzle-ul de identificare a vieții extraterestre.
În 1996, președintele Clinton, a făcut un anunț dramatic despre posibila descoperire a vieții pe Marte. Discursul lui Clinton a fost motivat de rezultatele echipei lui David McKay cu meteoritul Alan Hills. De fapt, descoperirile McKay s-au dovedit a fi doar o piesă din puzzle-ul mai mare al vieții marțiene posibile. Cu excepția cazului în care un extraterestru străbate într-o zi camerele noastre de așteptare, problema existenței existenței sau nu a vieții extraterestre este probabil să fie soluționată printr-un singur experiment sau o descoperire dramatică bruscă. Filozofii și oamenii de știință nu au o singură definiție sigură a vieții. Prin urmare, astrobiologii nu au un singur test de foc sigur care să rezolve problema. Dacă există forme simple de viață pe Marte sau în altă parte a sistemului solar, acum se pare că acest fapt va apărea treptat, pe baza multor linii de dovezi convergente. Nu vom ști cu adevărat ce căutăm până nu vom găsi acest lucru.
Referințe și lectură ulterioară:
P. Anderson (2011) Ar putea curiozitatea să stabilească dacă Viking a găsit viața pe Marte ?, Space Magazine.
S. K. Atreya, P. R. Mahaffy, A-S. Wong, (2007), Metan și specii de urme conexe de pe Marte: Originea, pierderea, implicațiile asupra vieții și locuința, Știința planetară și spațială, 55:358-369.
M. A. Bedau (2010), Un raport aristotelic al vieții chimice minime, Astrobiologia, 10(10): 1011-1020.
S. Benner (2010), Definirea vieții, Astrobiologia, 10(10):1021-1030.
E. Machery (2012), De ce am încetat să-mi fac griji pentru definiția vieții ... și de ce ar trebui, de asemenea, Synthese, 185:145-164.
G. M. Marion, C. H. Fritsen, H. Eicken, M. C. Payne, (2003) Căutarea vieții pe Europa: Limitarea factorilor de mediu, a habitatelor potențiale și a analogilor Pământului. Astrobiologia 3(4):785-811.
L. J. Mix (2015), Defending definitions of life, Astrobiologia, 15 (1) postate on-line înainte de publicare.
P. E. Patton (2014) Moons of Confusion: De ce să găsești viața extraterestră poate fi mai greu decât am crezut, Space Magazine.
T. Reyes (2014) Curiosity Rover de la NASA detectează metan, Organics on Mars, Space Magazine.
S. Seeger, M. Schrenk și W. Bains (2012), O viziune astrofizică a gazelor biosignature bazate pe Pământ. Astrobiologia, 12(1): 61-82.
S. Tirard, M. Morange și A. Lazcano, (2010), Definiția vieții: O scurtă istorie a unui efort științific evaziv, Astrobiologia, 10(10):1003-1009.
C. Webster, și mulți alți membri ai echipei MSL Science, (2014) detectarea și variabilitatea metanului pe Marte la craterul Gale, Ştiinţă, Știința exprimă conținut timpuriu.
Au găsit proprietarii vikingi Marte blocuri de construcție ale vieții? Piesa care lipsește inspiră noua privire la puzzle. Science Daily Featured Research 5 septembrie 2010
Rover NASA găsește chimie organică activă și antică pe Marte, laboratorul Jet Propulsion, Institutul Tehnologic din California, Știri, 16 decembrie 2014.
