I filmen “Avatar” kunne vi med et øyeblikk fortelle at den fremmede månen Pandora vrimlet av fremmed liv. Det finnes 50 millioner bakterieorganismer i et gram gram jord, og verdensomspennende bakteriell biomasse overstiger den for alle planter og dyr. Mikrober kan vokse i ekstreme miljøer med temperatur, saltholdighet, surhet, stråling og trykk. Den mest sannsynlige formen for å møte liv andre steder i solsystemet vårt er mikrobiell.
Astrobiologer trenger strategier for å utlede tilstedeværelsen av fremmed mikrobielt liv eller fossiliserte rester av det. De trenger strategier for å utlede tilstedeværelsen av fremmed liv på andre stjerners planeter, som er for langt unna å utforske med romfartøy i overskuelig fremtid. For å gjøre disse tingene, lengter de etter en definisjon av livet, som vil gjøre det mulig å pålitelig skille liv fra ikke-liv.
Dessverre, som vi så i den første delen av denne serien, til tross for enorm vekst i vår kunnskap om levende ting, har filosofer og forskere ikke vært i stand til å produsere en slik definisjon. Astrobiologer klarer seg så godt de kan med definisjoner som er delvis, og som har unntak. Deres søk er rettet mot funksjonene i livet på jorden, det eneste livet vi for øyeblikket kjenner.
I det første avdraget så vi hvordan sammensetningen av det jordiske livet påvirker søket etter utenomjordisk liv. Astrobiologer søker etter miljøer som en gang inneholdt eller for tiden inneholder flytende vann, og som inneholder komplekse molekyler basert på karbon. Mange forskere ser imidlertid på de essensielle trekkene i livet som å gjøre med dets kapasiteter i stedet for dets sammensetning.
I 1994 vedtok en NASA-komité en definisjon av livet som et "selvopprettholdende kjemisk system som er i stand til Darwinian evolusjon", basert på et forslag fra Carl Sagan. Denne definisjonen inneholder to funksjoner, metabolisme og evolusjon, som vanligvis er nevnt i definisjoner av livet.
Metabolisme er settet med kjemiske prosesser der levende ting aktivt bruker energi for å opprettholde seg selv, vokse og utvikle seg. I henhold til den andre loven om termodynamikk, vil et system som ikke samhandler med det ytre miljøet bli mer uorganisert og enhetlig med tiden. Levende ting bygger og opprettholder sin usannsynlige, meget organiserte tilstand fordi de utnytter energikilder i deres ytre miljø for å styrke stoffskiftet.
Planter og noen bakterier bruker solenergiens energi til å produsere større organiske molekyler av enklere underenheter. Disse molekylene lagrer kjemisk energi som senere kan hentes ut av andre kjemiske reaksjoner for å styrke metabolismen. Dyr og noen bakterier konsumerer planter eller andre dyr som mat. De bryter ned komplekse organiske molekyler i maten til enklere, for å utvinne den lagrede kjemiske energien. Noen bakterier kan bruke energien i kjemikalier som stammer fra ikke-levende kilder i prosessen med kjemosyntese.
I en artikkel fra 2014 i astrobiologi, Lucas John Mix, en evolusjonsbiolog fra Harvard, omtalte den metabolske definisjonen av livet som Haldane Life etter den banebrytende fysiologen J. B. S. Haldane. Livsdefinisjonen på Haldane har sine problemer. Tornadoer og virvler som Jupiters Great Red Spot bruker miljøenergi for å opprettholde sin ryddige struktur, men lever ikke. Brann bruker energi fra omgivelsene for å opprettholde seg selv og vokse, men er ikke i live heller.
Til tross for manglene har astrobiologer brukt Haldane-definisjonen for å utforme eksperimenter. Landingene av Viking Mars gjorde hittil det eneste forsøket på å teste direkte for utenomjordisk liv ved å oppdage den antatte metabolske aktiviteten til Martiske mikrober. De antok at metabolisme i Mars er kjemisk lik den bakken.
Et eksperiment forsøkte å oppdage metabolsk nedbrytning av næringsstoffer i enklere molekyler for å trekke ut energien deres. Et sekund tok sikte på å oppdage oksygen som et avfallsprodukt fra fotosyntesen. En tredje prøvde å vise fremstilling av komplekse organiske molekyler fra enklere underenheter, noe som også forekommer under fotosyntesen. Alle tre eksperimenter så ut til å gi positive resultater, men mange forskere mener at de detaljerte funnene kan forklares uten biologi, med kjemiske oksidasjonsmidler i jorda.
Noen av Viking-resultatene er fortsatt kontroversielle i dag. På den tiden mente mange forskere at mangelen på å finne organiske materialer i Marsjord utelukket en biologisk tolkning av de metabolske resultatene. Det nyere funnet at Marsjord faktisk inneholder organiske molekyler som kan ha blitt ødelagt av perklorater under Viking-analysen, og at flytende vann en gang var rikelig på overflaten av Mars, gir ny sannsynlighet for påstanden om at Viking faktisk har lyktes i å oppdage liv. Imidlertid viste ikke Viking-resultatene av seg selv at livet eksisterer på Mars og utelukker det heller ikke.
De metabolske aktivitetene i livet kan også sette sitt preg på sammensetningen av planetariske atmosfærer. I 2003 oppdaget det europeiske romfartøyet Mars Express spor av metan i den Martiske atmosfæren. I desember 2014 rapporterte et team av forskere fra NASA at Curiosity Mars-roveren hadde bekreftet dette funnet ved oppdaget atmosfærisk metan fra Marsoverflaten.
Det meste av metan i jordens atmosfære frigjøres av levende organismer eller deres rester. Underjordiske bakterielle økosystemer som bruker kjemosyntese som energikilde er vanlige, og de produserer metan som metabolsk avfallsprodukt. Dessverre er det også ikke-biologiske geokjemiske prosesser som kan produsere metan. Så, nok en gang, er Martian metan frustrerende tvetydig som et tegn på livet.
Ekstrasolære planeter som kretser rundt andre stjerner er altfor fjernt til å besøke med romfartøy i overskuelig fremtid. Astrobiologer håper fremdeles å bruke Haldane-definisjonen for å søke etter livet på dem. Med nær fremtidige romteleskoper håper astronomer å lære sammensetningen av atmosfærene til disse planetene ved å analysere spekteret av lysbølgelengder som reflekteres eller overføres av deres atmosfærer. James Webb romteleskopet som er planlagt lansert i 2018, vil være den første til å være nyttig i dette prosjektet. Astrobiologer ønsker å søke etter atmosfæriske biomarkører; gasser som er metabolske avfallsprodukter fra levende organismer.
Nok en gang blir denne søken styrt av det eneste eksemplet på en livsbærende planet vi har; Jord. Cirka 21% av hjemmeplanetens atmosfære er oksygen. Dette er overraskende fordi oksygen er en svært reaktiv gass som har en tendens til å komme i kjemiske kombinasjoner med andre stoffer. Fri oksygen skal raskt forsvinne fra luften vår. Det forblir til stede fordi tapet stadig erstattes av planter og bakterier som frigjør det som et metabolsk avfallsprodukt fra fotosyntesen.
Spor av metan er til stede i jordens atmosfære på grunn av kjemosyntetiske bakterier. Siden metan og oksygen reagerer med hverandre, ville ingen av dem holde seg lenge med mindre levende organismer stadig fylte på forsyningen. Jordens atmosfære inneholder også spor av andre gasser som er metabolske biprodukter.
Generelt bruker levende ting energi for å opprettholde Jordens atmosfære i en tilstand langt fra den termodynamiske likevekten den ville nådd uten liv. Astrobiologer ville mistenke enhver planet med en atmosfære i en lignende tilstand som huser liv. Men, som for de andre tilfellene, ville det være vanskelig å utelukke ikke-biologiske muligheter fullstendig.
Foruten metabolisme, identifiserte NASA-komiteen evolusjonen som en grunnleggende evne til å leve ting. For at en evolusjonsprosess skal skje, må det være en gruppe systemer, der hver og en er i stand til pålitelig å reprodusere seg selv. Til tross for reproduksjonens generelle pålitelighet, må det også være sporadiske kopieringsfeil i reproduksjonsprosessen, slik at systemene har forskjellige egenskaper. Endelig må systemene variere i sin evne til å overleve og reprodusere basert på fordelene eller forpliktelsene til deres karakteristiske trekk i miljøet. Når denne prosessen gjentas om og om igjen gjennom generasjonene, vil egenskapene til systemene bli bedre tilpasset miljøet. Svært komplekse egenskaper kan noen ganger utvikle seg trinnvis.
Mix som heter dette the Darwin-livet definisjon, etter det nittende århundreets naturforsker Charles Darwin, som formulerte evolusjonsteorien. I likhet med Haldane-definisjonen har Darwin-livsdefinisjonen viktige mangler. Det har problemer med å inkludere alt vi kanskje tenker på som levende. Mules, for eksempel, kan ikke reprodusere seg, og derfor, med denne definisjonen, teller ikke at de er i live.
Til tross for slike mangler, er Darwin-livsdefinisjonen kritisk viktig, både for forskere som studerer livets opprinnelse og astrobiologer. Den moderne versjonen av Darwins teori kan forklare hvordan forskjellige og sammensatte livsformer kan utvikle seg fra en enkel innledende form. En teori om livets opprinnelse er nødvendig for å forklare hvordan den første enkle formen tilegnet seg evnen til å utvikle seg i utgangspunktet.
De kjemiske systemene eller livsformene som finnes på andre planeter eller måner i solsystemet vårt, kan være så enkle at de ligger nær grensen mellom liv og ikke-liv som Darwin-definisjonen etablerer. Definisjonen kan vise seg å være avgjørende for astrobiologer som prøver å avgjøre om et kjemisk system de har funnet virkelig kvalifiserer som en livsform. Biologer vet fortsatt ikke hvordan livet oppsto. Hvis astrobiologer kan finne systemer nær Darwin-grensen, kan funnene deres være sentralt viktig for å forstå livets opprinnelse.
Kan astrobiologer bruke Darwin-definisjonen for å finne og studere utenomjordisk liv? Det er lite sannsynlig at et besøkende romfartøy kan oppdage selve evolusjonsprosessen. Men det kan være i stand til å oppdage molekylstrukturer som levende organismer trenger for å ta del i en evolusjonsprosess. Filosof Mark Bedau har foreslått at et minimalt system som er i stand til å gjennomgå evolusjon, må ha tre ting: 1) en kjemisk metabolsk prosess, 2) en beholder, som en cellemembran, for å etablere grensene for systemet, og 3) en kjemisk "Program" som er i stand til å styre de metabolske aktivitetene.
Her på jorden er det kjemiske programmet basert på det genetiske molekylet DNA. Mange teoretikere fra livets opprinnelse tror at det genetiske molekylet i de tidligste terrestriske livsformene kan ha vært den enklere molekylet ribonukleinsyre (RNA). Det genetiske programmet er viktig for en evolusjonær prosess fordi det gjør reproduksjonskopieringsprosessen stabil, med bare sporadiske feil.
Både DNA og RNA er biopolymerer; lange kjedelignende molekyler med mange repeterende underenheter. Den spesifikke sekvensen av nukleotidbaseenheter i disse molekylene koder for den genetiske informasjonen de har. For at molekylet kan kode for alle mulige sekvenser av genetisk informasjon, må det være mulig for underenhetene å forekomme i hvilken som helst rekkefølge.
Steven Benner, en beregningsgenomisk forsker, mener at vi kan være i stand til å utvikle romfartøyeksperimenter for å oppdage fremmede genetiske biopolymerer. Han bemerker at DNA og RNA er veldig uvanlige biopolymerer, fordi endring av sekvensen som deres underenheter forekommer ikke endrer deres kjemiske egenskaper. Det er denne uvanlige egenskapen som gjør at disse molekylene kan være stabile bærere av enhver mulig genetisk kodesekvens.
DNA og RNA er begge polyelektrolytter; molekyler med regelmessig gjentagende områder med negativ elektrisk ladning. Benner mener at det er dette som står for deres bemerkelsesverdige stabilitet. Han mener at en hvilken som helst fremmed genetisk biopolymer også ville trenge å være en polyelektrolytt, og at kjemiske tester kan bli utviklet som et romfartøy kan oppdage slike polyelektrolyttmolekyler. Å finne den fremmede motstykket til DNA er et veldig spennende perspektiv, og et annet stykke til puslespillet om å identifisere fremmedliv.
I 1996 ga president Clinton en dramatisk kunngjøring om den mulige oppdagelsen av livet på Mars. Clintons tale var motivert av funnene fra David McKays team med Alan Hills-meteoritten. Faktisk viste McKay-funnene seg å være bare ett stykke til det større puslespillet om mulig marsliv. Med mindre en fremmed en dag dunker forbi våre ventende kameraer, er det usannsynlig at spørsmålet om utenomjordisk liv eksisterer eller ikke, vil bli avgjort ved et enkelt eksperiment eller et plutselig dramatisk gjennombrudd. Filosofer og forskere har ikke en eneste definisjon av livet. Astrobiologer har følgelig ikke en eneste sikkerhetsbrann-test som vil avgjøre problemet. Hvis det eksisterer enkle livsformer på Mars, eller andre steder i solsystemet, virker det nå som sannsynlig at det faktum vil dukke opp gradvis, basert på mange konvergerende bevislinjer. Vi vet ikke helt hva vi leter etter før vi finner det.
Referanser og videre lesning:
P. Anderson (2011) Kunne nysgjerrigheten avgjøre om Viking fant Life on Mars?, Space Magazine.
S. K. Atreya, P. R. Mahaffy, A-S. Wong, (2007), metan og beslektede sporarter på Mars: Opprinnelse, tap, implikasjoner for livet og levedyktighet, Planeten og romfag, 55:358-369.
M. A. Bedau (2010), en aristotelisk beretning om minimal kjemisk levetid, astrobiologi, 10(10): 1011-1020.
S. Benner (2010), Defining life, astrobiologi, 10(10):1021-1030.
E. Machery (2012), hvorfor jeg sluttet å bekymre meg for definisjonen av livet ... og hvorfor du også burde gjøre det, Synt, 185:145-164.
G. M. Marion, C. H. Fritsen, H. Eicken, M. C. Payne, (2003) Jakten på livet på Europa: Begrensende miljøfaktorer, potensielle naturtyper og jordanaloger. astrobiologi 3(4):785-811.
L. J. Mix (2015), Defending definitions of life, astrobiologi, 15 (1) lagt ut online i forkant av publiseringen.
P. E. Patton (2014) Måner av forvirring: Hvorfor det å finne utenomjordisk liv kan være vanskeligere enn vi trodde, Space Magazine.
T. Reyes (2014) NASAs Curiosity Rover oppdager metan, Organics on Mars, Space Magazine.
S. Seeger, M. Schrenk, og W. Bains (2012), Et astrofysisk syn på jordbaserte biosignaturgasser. astrobiologi, 12(1): 61-82.
S. Tirard, M. Morange, og A. Lazcano, (2010), Definisjonen av livet: En kort historie om en unnvikende vitenskapelig innsats, astrobiologi, 10(10):1003-1009.
C. Webster, og mange andre medlemmer av MSL Science team, (2014) Mars metan deteksjon og variasjon ved Gale krater, Vitenskap, Vitenskap uttrykker tidlig innhold.
Fant Viking Mars-landere livets byggesteiner? Manglende brikke inspirerer til nytt blikk på puslespillet. Science Daily Featured Research 5. september 2010
NASA-rover finner aktiv og eldgamle organisk kjemi på Mars, Jet Propulsion laboratorium, California Institute of Technology, News, 16. desember 2014.
