I filmen "Avatar" kunde vi på ett ögonblick berätta att den främmande månen Pandora vrimlade av främmande liv. Det finns 50 miljoner bakterieorganismer i ett enda gram jord, och den globala bakteriebiomassan överstiger den för alla växter och djur. Mikrober kan växa i extrema miljöer med temperatur, salthalt, surhet, strålning och tryck. Den mest troliga formen där vi möter livet på andra håll i vårt solsystem är mikrobiell.
Astrobiologer behöver strategier för att dra slutsatsen att det finns ett främmande mikrobiellt liv eller dess fossila rester. De behöver strategier för att dra slutsatsen att främmande liv finns på andra stjärnor i avlägsna planeter, som är för långt borta för att utforska med rymdskepp i överskådlig framtid. För att göra dessa saker, längtar de efter en definition av livet, som skulle göra det möjligt att på ett tillförlitligt sätt skilja livet från icke-livet.
Tyvärr, som vi såg i den första delen av denna serie, har filosofer och forskare, trots enorm tillväxt i vår kunskap om levande saker, inte kunnat producera en sådan definition. Astrobiologer klarar sig så bra de kan med definitioner som är partiella och som har undantag. Deras sökning är inriktad på funktionerna i livet på jorden, det enda liv vi för närvarande känner.
I den första delen såg vi hur jordens livssammansättning påverkar sökandet efter utomjordiskt liv. Astrobiologer söker efter miljöer som en gång innehöll eller för närvarande innehåller flytande vatten, och som innehåller komplexa molekyler baserade på kol. Många forskare anser dock att livets väsentliga egenskaper har att göra med dess kapacitet istället för dess sammansättning.
1994 antog en NASA-kommitté en definition av livet som ett "självbärande kemiskt system med förmåga till Darwinian evolution", baserat på ett förslag från Carl Sagan. Denna definition innehåller två funktioner, metabolism och evolution, som vanligtvis nämns i livsdefinitioner.
Metabolism är uppsättningen kemiska processer genom vilka levande saker aktivt använder energi för att underhålla sig själva, växa och utvecklas. Enligt termodynamikens andra lag kommer ett system som inte interagerar med dess yttre miljö att bli mer oorganiserat och enhetligt med tiden. Levande saker bygger och upprätthåller deras osannolika, mycket organiserade tillstånd eftersom de utnyttjar energikällor i deras yttre miljö för att driva sin ämnesomsättning.
Växter och vissa bakterier använder energin i solljus för att tillverka större organiska molekyler ur enklare underenheter. Dessa molekyler lagrar kemisk energi som senare kan utvinnas genom andra kemiska reaktioner för att driva deras ämnesomsättning. Djur och vissa bakterier konsumerar växter eller andra djur som mat. De bryter ned komplexa organiska molekyler i maten till enklare molekyler för att utvinna sin lagrade kemiska energi. Vissa bakterier kan använda energin i kemikalier som härrör från icke-levande källor i processen med kemosyntes.
I en artikel från 2014 i Astrobiologi, Lucas John Mix, en evolutionär biolog från Harvard, hänvisade till den metabola definitionen av livet som Haldane Life efter den banbrytande fysiologen J. B. S. Haldane. Haldanes livsdefinition har sina problem. Tornadoes och vorticies som Jupiters Great Red Spot använder miljöenergi för att upprätthålla sin ordnade struktur, men lever inte. Eld använder energi från sin miljö för att upprätthålla sig själv och växa, men lever inte heller.
Trots dess brister har astrobiologer använt Haldane-definitionen för att utforma experiment. Landningarna av Viking Mars gjorde hittills det enda försöket att direkt testa för utomjordiskt liv genom att upptäcka den antagna metaboliska verksamheten hos Martiska mikrober. De antog att Martins metabolism kemiskt liknar dess markbundna motsvarighet.
Ett experiment försökte upptäcka metabolisk nedbrytning av näringsämnen i enklare molekyler för att utvinna deras energi. En sekund syftade till att upptäcka syre som en avfallsprodukt från fotosyntes. En tredje försökte visa tillverkningen av komplexa organiska molekyler från enklare underenheter, vilket också inträffar under fotosyntesen. Alla tre experiment tycktes ge positiva resultat, men många forskare tror att de detaljerade resultaten kan förklaras utan biologi, med kemiska oxidationsmedel i jorden.
Några av Viking-resultaten förblir kontroversiella till denna dag. Vid den tiden ansåg många forskare att misslyckandet med att hitta organiska material i marsjord uteslutit en biologisk tolkning av de metaboliska resultaten. Det nyare konstaterandet att Martianjord faktiskt innehåller organiska molekyler som kan ha förstörts av perklorater under Vikinganalysen, och att flytande vatten en gång var rikligt på ytan av Mars ger ny trovärdighet till påståendet att Viking faktiskt kan ha lyckats upptäcka liv. Men i själva verket bevisade inte Viking-resultaten att livet finns på Mars och utesluter det inte.
Livets metaboliska aktiviteter kan också sätta sitt prägel på sammansättningen av planetatmosfärer. År 2003 upptäckte det europeiska rymdskeppet Mars Express spår av metan i den Martiska atmosfären. I december 2014 rapporterade ett team av forskare från NASA att Curiosity Mars rover hade bekräftat detta fynd genom upptäckt atmosfärisk metan från Marsytan.
Det mesta av metan i jordens atmosfär frigörs av levande organismer eller deras rester. Underjordiska bakteriella ekosystem som använder kemosyntes som energikälla är vanliga och de producerar metan som en metabolisk avfallsprodukt. Tyvärr finns det också icke-biologiska geokemiska processer som kan producera metan. Så, ännu en gång, Martian metan är frustrerande tvetydig som ett tecken på livet.
Extrasolära planeter som kretsar kring andra stjärnor är alldeles för långa för att besöka med rymdfarkoster inom överskådlig framtid. Astrobiologer hoppas fortfarande att använda Haldane-definitionen för att söka efter livet på dem. Med nära framtida rymdteleskop hoppas astronomer att lära sig sammansättningen av atmosfärerna på dessa planeter genom att analysera spektrumet av ljusvåglängder som reflekteras eller överförts av deras atmosfärer. James Webb rymdteleskopet som planeras lanseras 2018 kommer att vara det första att vara användbart i detta projekt. Astrobiologer vill söka efter atmosfäriska biomarkörer; gaser som är metaboliska avfallsprodukter från levande organismer.
Återigen styrs denna uppdrag av det enda exemplet på en livsbärande planet vi för närvarande har; Jorden. Cirka 21% av vår hemmaplanetens atmosfär är syre. Detta är överraskande eftersom syre är en mycket reaktiv gas som tenderar att komma in i kemiska kombinationer med andra ämnen. Gratis syre bör snabbt försvinna från vår luft. Det förblir närvarande eftersom förlusten ständigt ersätts av växter och bakterier som frisätter den som en metabolisk avfallsprodukt från fotosyntes.
Spår av metan finns i jordens atmosfär på grund av kemosyntetiska bakterier. Eftersom metan och syre reagerar med varandra skulle ingen av dem stanna kvar länge om inte levande organismer ständigt fyller på försörjningen. Jordens atmosfär innehåller också spår av andra gaser som är metaboliska biprodukter.
I allmänhet använder levande saker energi för att upprätthålla jordens atmosfär i ett tillstånd långt ifrån den termodynamiska jämvikten den skulle nå utan liv. Astrobiologer skulle misstänka någon planet med en atmosfär i ett liknande tillstånd att hamna liv. Men, som för de andra fallen, skulle det vara svårt att helt utesluta icke-biologiska möjligheter.
Förutom metabolism identifierade NASA-kommittén evolution som en grundläggande förmåga för levande saker. För att en evolutionär process ska äga rum måste det finnas en grupp av system, där var och en har förmåga att reproducera sig själv. Trots reproduktionens allmänna tillförlitlighet måste det också finnas tillfälliga kopieringsfel i reproduktionsprocessen så att systemen har olika egenskaper. Slutligen måste systemen skilja sig i sin förmåga att överleva och reproducera baserat på fördelarna eller skulderna med deras distinkta egenskaper i deras miljö. När denna process upprepas om och om igen genom generationerna kommer systemens egenskaper att anpassas bättre till deras miljö. Mycket komplexa egenskaper kan ibland utvecklas steg för steg.
Mix som heter den här Darwin-liv definition, efter 1800-talets naturforskare Charles Darwin, som formulerade evolutionsteorin. Precis som Haldane-definitionen har Darwin-livsdefinitionen viktiga brister. Det har problem med att inkludera allt vi kan tänka oss levande. Mulor, till exempel, kan inte reproducera sig, och därför räknas de inte som levande genom denna definition.
Trots sådana brister är Darwin-livsdefinitionen kritiskt viktig, både för forskare som studerar livets ursprung och astrobiologer. Den moderna versionen av Darwins teori kan förklara hur olika och komplexa livsformer kan utvecklas från en enkel initial form. En teori om livets ursprung behövs för att förklara hur den initiala enkla formen förvärvade förmågan att utvecklas i första hand.
De kemiska systemen eller livsformerna som finns på andra planeter eller månar i vårt solsystem kan vara så enkla att de ligger nära gränsen mellan liv och icke-liv som Darwins definition definierar. Definitionen kan visa sig vara avgörande för astrobiologer som försöker bestämma om ett kemiskt system som de hittat verkligen kan betraktas som en livsform. Biologer vet fortfarande inte hur livet härstammade. Om astrobiologer kan hitta system nära Darwin-gränsen, kan deras resultat vara avgörande för att förstå livets ursprung.
Kan astrobiologer använda Darwin-definitionen för att hitta och studera utomjordiskt liv? Det är osannolikt att ett besökande rymdskepp kan upptäcka själva evolutionens process. Men det kan vara i stånd att upptäcka de molekylära strukturer som levande organismer behöver för att kunna delta i en evolutionär process. Filosof Mark Bedau har föreslagit att ett minimalt system som kan genomgå evolution skulle behöva ha tre saker: 1) en kemisk metabolisk process, 2) en behållare, som ett cellmembran, för att fastställa systemets gränser, och 3) en kemikalie ”Program” som kan styra de metaboliska aktiviteterna.
Här på jorden är det kemiska programmet baserat på den genetiska molekylens DNA. Många teorister från ursprungets liv tror att den genetiska molekylen i de tidigaste jordiska livsformerna kan ha varit den enklare molekylen ribonukleinsyra (RNA). Det genetiska programmet är viktigt för en evolutionär process eftersom det gör den reproduktiva kopieringsprocessen stabil, med bara enstaka fel.
Både DNA och RNA är biopolymerer; långa kedjeliknande molekyler med många upprepande underenheter. Den specifika sekvensen av nukleotidbasunderenheter i dessa molekyler kodar den genetiska informationen de bär. Så att molekylen kan koda alla möjliga sekvenser av genetisk information måste det vara möjligt för underenheterna att förekomma i valfri ordning.
Steven Benner, en beräknande genomikforskare, tror att vi kanske kan utveckla rymdskeppsexperiment för att upptäcka främmande genetiska biopolymerer. Han konstaterar att DNA och RNA är mycket ovanliga biopolymerer eftersom förändring av sekvensen där deras underenheter förekommer inte förändrar deras kemiska egenskaper. Det är denna ovanliga egenskap som tillåter dessa molekyler att vara stabila bärare av alla möjliga genetiska kodesekvenser.
DNA och RNA är båda polyelektrolyter; molekyler med regelbundet upprepade områden med negativ elektrisk laddning. Benner tror att det är detta som står för deras anmärkningsvärda stabilitet. Han tror att någon främmande genetisk biopolymer också skulle behöva vara en polyelektrolyt och att kemiska tester skulle kunna utformas genom vilka ett rymdskepp kan upptäcka sådana polyelektrolytmolekyler. Att hitta den främmande motsvarigheten till DNA är en mycket spännande möjlighet, och en annan bit till pusslet att identifiera främmande liv.
1996 gjorde president Clinton ett dramatiskt tillkännagivande av den möjliga upptäckten av livet på Mars. Clintons tal motiverades av resultaten från David McKays team med Alan Hills meteorit. I själva verket visade sig McKay-slutsatserna bara vara ett stycke till det större pussel om möjligt Martian-liv. Såvida inte en främmande dag en gång går förbi våra väntande kameror, är det osannolikt att frågan om utomjordiskt liv existerar med ett enda experiment eller ett plötsligt dramatiskt genombrott. Filosofer och forskare har inte en enda säkerhetsdefinition av livet. Astrobiologer har därför inte ett enda säker-brandtest som löser problemet. Om det finns enkla livsformer på Mars eller någon annanstans i solsystemet verkar det nu troligt att detta faktum kommer att dyka upp gradvis, baserat på många konvergerande bevislinjer. Vi vet inte riktigt vad vi letar efter förrän vi hittar det.
Referenser och vidare läsning:
P. Anderson (2011) Kan nyfikenhet avgöra om Viking hittade liv på Mars?, Space Magazine.
S. K. Atreya, P. R. Mahaffy, A-S. Wong, (2007), metan och besläktade spårarter på Mars: Ursprung, förlust, implikationer för livet och livsmiljö, Planet- och rymdvetenskap, 55:358-369.
M. A. Bedau (2010), en Aristotelisk berättelse om minimal kemisk livslängd, Astrobiologi, 10(10): 1011-1020.
S. Benner (2010), Definiera livet, Astrobiologi, 10(10):1021-1030.
E. Machery (2012), varför jag slutade oroa mig för definitionen av livet ... och varför du borde också, Synt, 185:145-164.
G. M. Marion, C. H. Fritsen, H. Eicken, M. C. Payne, (2003) Sökandet efter liv på Europa: Begränsa miljöfaktorer, potentiella livsmiljöer och jordanaloger. Astrobiologi 3(4):785-811.
L. J. Mix (2015), Försvara definitioner av liv, Astrobiologi, 15 (1) publicerade online före publiceringen.
P. E. Patton (2014) Månar av förvirring: Varför att hitta utomjordiskt liv kan vara svårare än vi trodde, Space Magazine.
T. Reyes (2014) NASA: s Curiosity Rover upptäcker metan, Organics on Mars, Space Magazine.
S. Seeger, M. Schrenk och W. Bains (2012), En astrofysisk bild av jordbaserade biosignaturgaser. Astrobiologi, 12(1): 61-82.
S. Tirard, M. Morange och A. Lazcano, (2010), Definitionen av livet: En kort historia av en svårfångad vetenskaplig strävan, Astrobiologi, 10(10):1003-1009.
C. Webster, och många andra medlemmar av MSL Science team, (2014) Mars metandetektion och variation i Gale krater, Vetenskap, Vetenskap uttrycker tidigt innehåll.
Hittade Viking Mars-landare livets byggstenar? Saknad pjäs inspirerar till nytt pussel. Science Daily Featured Research 5 september 2010
NASA-rover hittar aktiv och forntida organisk kemi på Mars, Jet Propulsion-laboratorium, California Institute of Technology, News, 16 december 2014.
