Ve filmu „Avatar“ jsme mohli na první pohled říct, že mimozemský měsíc Pandora se hemží mimozemským životem. V jednom gramu půdy je 50 milionů bakteriálních organismů a celosvětová bakteriální biomasa převyšuje biomasu všech rostlin a zvířat. Mikroby mohou růst v extrémních podmínkách teploty, slanosti, kyselosti, záření a tlaku. Nejpravděpodobnější forma, ve které se setkáme se životem jinde v naší sluneční soustavě, je mikrobiální.
Astrobiologové potřebují strategie pro odvozování přítomnosti mimozemského mikrobiálního života nebo jeho zkamenělých pozůstatků. Potřebují strategie pro odvozování přítomnosti mimozemského života na vzdálených planetách jiných hvězd, které jsou příliš daleko na prozkoumání s kosmickou lodí v dohledné budoucnosti. Chcete-li tyto věci dělat, touží po definici života, která by umožnila spolehlivě odlišit život od neživota.
Bohužel, jak jsme viděli v první části této série, přes obrovský růst našich znalostí o živých věcech, filozofové a vědci nebyli schopni takovou definici vytvořit. Astrobiologové se snaží, jak nejlépe umí, s definicemi, které jsou částečné a mají výjimky. Jejich hledání je zaměřeno na rysy života na Zemi, jediný život, který v současnosti známe.
V první splátce jsme viděli, jak složení pozemského života ovlivňuje hledání mimozemského života. Astrobiologové hledají prostředí, které kdysi obsahovalo nebo v současné době obsahuje kapalnou vodu a které obsahuje komplexní molekuly na bázi uhlíku. Mnoho vědců však považuje základní rysy života za spojitost s jeho schopnostmi namísto složení.
V roce 1994 přijala komise NASA definici života jako „soběstačný chemický systém schopný darwinovské evoluce“, založený na návrhu Carla Sagana. Tato definice obsahuje dva rysy, metabolismus a evoluci, které jsou obvykle uvedeny v definicích života.
Metabolismus je soubor chemických procesů, pomocí nichž živé bytosti aktivně využívají energii k udržení, růstu a rozvoji. Podle druhého zákona o termodynamice se systém, který neinteraguje s jeho vnějším prostředím, časem stane více narušeným a jednotným. Živé věci vytvářejí a udržují svůj nepravděpodobný, vysoce organizovaný stav, protože využívají zdroje energie ve svém vnějším prostředí k napájení svého metabolismu.
Rostliny a některé bakterie využívají energii slunečního záření k výrobě větších organických molekul z jednodušších podjednotek. Tyto molekuly ukládají chemickou energii, která může být později extrahována jinými chemickými reakcemi, aby podpořila jejich metabolismus. Zvířata a některé bakterie konzumují rostliny nebo jiná zvířata jako jídlo. Rozdělují složité organické molekuly v potravě na jednodušší, aby extrahovaly jejich uloženou chemickou energii. Některé bakterie mohou při chemosyntéze využívat energii obsaženou v chemikáliích získaných z neživých zdrojů.
V článku z roku 2014 v AstrobiologieLucas John Mix, Harvardův evoluční biolog, označoval metabolickou definici života jako Haldane Life po průkopnickém fyziologu J. B. S. Haldanovi. Definice Haldaneova života má své problémy. Tornáda a víry, jako je Velká červená skvrna Jupiteru, využívají k udržení své řádné struktury energii prostředí, ale nejsou naživu. Oheň využívá energii ze svého okolí, aby se udržel a rostl, ale není naživu.
Přes své nedostatky astrobiologové použili Haldanovu definici k vymýšlení experimentů. Vikingští Marsové přistáli zatím jediným pokusem o přímý test na mimozemský život detekcí předpokládaných metabolických aktivit marťanských mikrobů. Předpokládali, že marťanský metabolismus je chemicky podobný jeho pozemskému protějšku.
Jeden experiment se snažil odhalit metabolické rozložení živin na jednodušší molekuly, aby se získala jejich energie. Druhá byla zaměřena na detekci kyslíku jako odpadního produktu fotosyntézy. Třetí se pokusil ukázat výrobu komplexních organických molekul z jednodušších podjednotek, ke kterým také dochází během fotosyntézy. Zdá se, že všechny tři experimenty přinesly pozitivní výsledky, ale mnoho vědců se domnívá, že podrobné poznatky lze vysvětlit bez biologie chemickými oxidačními činidly v půdě.
Některé z výsledků Vikingů jsou dodnes kontroverzní. Mnoho vědců tehdy mělo pocit, že selhání nalezení organických materiálů v marťanské půdě vylučuje biologickou interpretaci metabolických výsledků. Novější zjištění, že marťanská půda skutečně obsahuje organické molekuly, které by mohly být během Vikingovy analýzy zničeny chloristany, a že tekutá voda byla kdysi na povrchu Marsu hojná, propůjčuje nové věrohodnosti tvrzení, že Viking mohl ve skutečnosti detekovat život. Samotné výsledky Vikingů však neprokázaly, že život existuje na Marsu, ani jej nevylučují.
Metabolické aktivity života mohou také zanechat stopy na složení planetárních atmosfér. V roce 2003 zjistila kosmická sonda European Mars Express stopy marťanské atmosféry. V prosinci 2014 tým vědců NASA informoval, že kuriozita Mars rover potvrdila tento nález detekovaným atmosférickým metanem z povrchu Marsu.
Většina metanu v zemské atmosféře je uvolňována živými organismy nebo jejich pozůstatky. Podzemní bakteriální ekosystémy, které používají chemosyntézu jako zdroj energie, jsou běžné a produkují metan jako metabolický odpad. Bohužel existují také nebiologické geochemické procesy, které mohou produkovat metan. Takže ještě jednou je marťanský metan frustrovaně dvojznačný jako znamení života.
Extrasolarní planety obíhající kolem jiných hvězd jsou v dohledné budoucnosti příliš daleko na to, aby mohly navštívit kosmickou loď. Astrobiologové stále doufají, že použijí Haldanovu definici k hledání života na nich. S kosmickými dalekohledy v blízké budoucnosti doufají astronomové, že se naučí složení atmosféry těchto planet analýzou spektra světelných vlnových délek odrážených nebo přenášených jejich atmosférami. První vesmírný dalekohled James Webb, který má být uveden na trh v roce 2018, bude jako první v tomto projektu užitečný. Astrobiologové chtějí hledat atmosférické biomarkery; plyny, které jsou metabolickými odpadními produkty živých organismů.
Ještě jednou je tento úkol veden jediným příkladem planety nesoucí život, kterou v současné době máme; Země. Asi 21% atmosféry naší domovské planety je kyslík. To je překvapivé, protože kyslík je vysoce reaktivní plyn, který má sklon vstoupit do chemických kombinací s jinými látkami. Volný kyslík by měl rychle zmizet z našeho vzduchu. Zůstává přítomna, protože ztráta je neustále nahrazována rostlinami a bakteriemi, které ji uvolňují jako metabolický odpad z fotosyntézy.
Stopy metanu jsou přítomny v zemské atmosféře kvůli chemosyntetickým bakteriím. Protože metan a kyslík spolu reagují, ani jeden by nezůstal dlouho, pokud živé organismy nepřetržitě doplňovaly zásoby. Atmosféra Země také obsahuje stopy jiných plynů, které jsou metabolickými vedlejšími produkty.
Živé věci obecně používají energii k udržování zemské atmosféry ve stavu daleko od termodynamické rovnováhy, ke které by došlo bez života. Astrobiologové by měli podezření na jakoukoli planetu s atmosférou v podobném stavu, v němž se skrývá život. Stejně jako v ostatních případech by však bylo obtížné zcela vyloučit nebiologické možnosti.
Kromě metabolismu identifikovala komise NASA evoluci jako základní schopnost živých věcí. Aby došlo k evolučnímu procesu, musí existovat skupina systémů, z nichž každý je schopen se spolehlivě reprodukovat. I přes obecnou spolehlivost reprodukce musí být v reprodukčním procesu také příležitostné chyby při kopírování, aby systémy měly odlišné rysy. Konečně, systémy se musí lišit ve své schopnosti přežít a reprodukovat se na základě výhod nebo závazků jejich charakteristických rysů v jejich prostředí. Když se tento proces opakuje znovu a znovu po generace, vlastnosti systémů se lépe přizpůsobí jejich prostředí. Velmi složité rysy se někdy mohou vyvíjet krok za krokem.
Mix to pojmenoval Darwinův život definice, po devatenáctém století přírodovědec Charles Darwin, který formuloval teorii evoluce. Stejně jako definice Haldane má definice života Darwina důležité nedostatky. Má potíže se zahrnutím všeho, co bychom mohli považovat za živé. Například mezky se nemohou reprodukovat, a tak se podle této definice nepočítá jako živá.
Přes tyto nedostatky je Darwinova definice života kriticky důležitá, jak pro vědce studující původ života, tak pro astrobiology. Moderní verze Darwinovy teorie může vysvětlit, jak rozmanité a složité formy života se mohou vyvinout z nějaké počáteční jednoduché formy. Teorie původu života je potřebná k vysvětlení toho, jak počáteční jednoduchá forma získala schopnost vyvíjet se na prvním místě.
Chemické systémy nebo formy života, které se nacházejí na jiných planetách nebo měsících v naší sluneční soustavě, mohou být tak jednoduché, že jsou blízko hranici mezi životem a neživotem, kterou stanoví Darwinova definice. Definice by se mohla ukázat jako zásadní pro astrobiology, kteří se snaží rozhodnout, zda chemický systém, který našli, skutečně odpovídá životní formě. Biologové stále nevědí, jak vznikl život. Pokud astrobiologové najdou systémy poblíž Darwinovy hranice, mohou být jejich poznatky zásadně důležité pro pochopení původu života.
Mohou astrobiologové použít Darwinovu definici k nalezení a studiu mimozemského života? Je nepravděpodobné, že by hostující kosmická loď mohla detekovat samotný proces evoluce. Může však být schopen detekovat molekulární struktury, které živé organismy potřebují, aby se mohly účastnit evolučního procesu. Filozof Mark Bedau navrhl, že minimální systém schopný podstoupit evoluci by měl mít tři věci: 1) chemický metabolický proces, 2) kontejner, jako je buněčná membrána, pro stanovení hranic systému, a 3) chemická látka „Program“ schopný řídit metabolické činnosti.
Zde na Zemi je chemický program založen na genetické molekule DNA. Mnoho teoretiků vzniku života si myslí, že genetická molekula nejčasnějších pozemských forem života může být jednodušší molekula ribonukleové kyseliny (RNA). Genetický program je důležitý pro evoluční proces, protože způsobuje, že proces reprodukčního kopírování je stabilní a má jen občasné chyby.
DNA i RNA jsou biopolymery; dlouhé řetězcové molekuly s mnoha opakujícími se podjednotkami. Specifická sekvence podjednotek nukleotidové báze v těchto molekulách kóduje genetickou informaci, kterou nesou. Aby molekula mohla kódovat všechny možné sekvence genetické informace, musí být možné, aby se podjednotky vyskytovaly v jakémkoli pořadí.
Steven Benner, výzkumný pracovník v oblasti výpočetní genomiky, věří, že bychom mohli být schopni vyvinout experimenty s kosmickými loděmi pro detekci mimozemských genetických biopolymerů. Poznamenává, že DNA a RNA jsou velmi neobvyklé biopolymery, protože změna sekvence, ve které se vyskytují jejich podjednotky, nemění jejich chemické vlastnosti. Je to tato neobvyklá vlastnost, která umožňuje těmto molekulám být stabilními nosiči jakékoli možné sekvence genetického kódu.
DNA i RNA jsou polyelektrolyty; molekuly s pravidelně se opakujícími oblastmi negativního elektrického náboje. Benner věří, že to je to, co odpovídá za jejich pozoruhodnou stabilitu. Myslí si, že jakýkoli mimozemský genetický biopolymer by také musel být polyelektrolyt a že by bylo možné navrhnout chemické testy, pomocí kterých by kosmická loď mohla detekovat takové molekuly polyelektrolytu. Nalezení mimozemského protějšku DNA je velmi vzrušující vyhlídka a další kousek skládačky identifikace mimozemského života.
V roce 1996 prezident Clinton učinil dramatické oznámení o možném objevu života na Marsu. Clintonova řeč byla motivována zjištěními týmu Davida McKaye s meteoritem Alan Hills. Ve skutečnosti se ukázalo, že zjištění McKay byla pouze jedním kusem většího puzzle možného marťanského života. Pokud se mimozemšťan jednoho dne neobejde kolem našich čekacích kamer, není pravděpodobné, že by otázka, zda existuje mimozemský život, byla vyřešena jediným experimentem nebo náhlým dramatickým průlomem. Filozofové a vědci nemají definici života s jistým ohněm. Astrobiologové proto nemají jediný test spolehlivého požáru, který by problém vyřešil. Pokud na Marsu nebo kdekoli jinde ve sluneční soustavě existují jednoduché formy života, zdá se pravděpodobné, že se tato skutečnost objeví postupně, na základě mnoha sbíhajících se důkazních linií. Opravdu nebudeme vědět, co hledáme, dokud to nenajdeme.
Reference a další čtení:
P. Anderson (2011) Mohla by zvědavost určit, zda Viking našel život na Marsu ?, Space Magazine.
S. K. Atreya, P. R. Mahaffy, A-S. Wong, (2007), Methan a související stopové druhy na Marsu: původ, ztráta, důsledky pro život a obyvatelnost, Planetární a kosmická věda, 55:358-369.
M. A. Bedau (2010), Aristoteliánský popis minimální chemické životnosti, Astrobiologie, 10(10): 1011-1020.
S. Benner (2010), Definování života, Astrobiologie, 10(10):1021-1030.
E. Machery (2012), proč jsem se přestal bát definice života… a proč byste také měli, Synthese, 185:145-164.
G. M. Marion, C. H. Fritsen, H. Eicken, M. C. Payne, (2003) Hledání života na Evropě: Omezení environmentálních faktorů, potenciálních stanovišť a analogů Země. Astrobiologie 3(4):785-811.
L. J. Mix (2015), Obrana definic života, Astrobiologie, 15 (1) zveřejněno online před zveřejněním.
P. E. Patton (2014) Měsíce zmatku: Proč najít mimozemský život může být těžší, než jsme si mysleli, Space Magazine.
T. Reyes (2014) NASA's Curiosity Rover detekuje methan, Organics on Mars, Space Magazine.
S. Seeger, M. Schrenk a W. Bains (2012), Astrofyzikální pohled na biosignature plyny na Zemi. Astrobiologie, 12(1): 61-82.
S. Tirard, M. Morange a A. Lazcano, (2010), Definice života: Stručná historie nepolapitelného vědeckého úsilí, Astrobiologie, 10(10):1003-1009.
C. Webster a řada dalších členů týmu MSL Science, (2014) detekce a variabilita methanu Mars v kráteru Gale, Věda, Věda vyjadřuje raný obsah.
Našli Viking Mars landers stavební kameny? Chybějící kousek inspiruje nový pohled na puzzle. Science Daily Featured Research 5. září 2010
NASA rover najde aktivní a starověkou organickou chemii na Marsu, laboratoř Jet Propulsion, California Institute of Technology, News, 16. prosince 2014.
