Filmā “Avatar” mēs vienā mirklī varējām pateikt, ka svešzemju mēness Pandora aizrauj svešu dzīvi. Vienā gramā augsnes ir 50 miljoni baktēriju organismu, un visā pasaulē baktēriju biomasa pārsniedz visu augu un dzīvnieku biomasu. Mikrobi var augt ekstrēmās temperatūras, sāļuma, skābuma, radiācijas un spiediena vidēs. Visticamākais veids, kādā mēs saskarsimies ar dzīvi citur mūsu Saules sistēmā, ir mikrobi.
Astrobiologiem vajadzīgas stratēģijas, lai secinātu par svešas mikrobu dzīvības klātbūtni vai tās pārakmeņojušos palieku klātbūtni. Viņiem ir vajadzīgas stratēģijas, lai secinātu par svešas dzīves esamību uz citu zvaigžņu tālajām planētām, kuras ir pārāk tālu, lai pārskatāmā nākotnē varētu izpētīt ar kosmosa kuģiem. Lai veiktu šīs lietas, viņi ilgojas pēc dzīves definīcijas, kas ļautu ticami atšķirt dzīvi no nedzīvības.
Diemžēl, kā mēs redzējām šīs sērijas pirmajā daļā, neskatoties uz milzīgo zināšanu pieaugumu par dzīvajām lietām, filozofi un zinātnieki nav spējuši izveidot šādu definīciju. Astrobiologi pēc iespējas labāk izprot nepilnīgas definīcijas, kurām ir izņēmumi. Viņu meklēšana ir vērsta uz dzīvības iezīmēm uz Zemes - vienīgo dzīvību, kuru mēs šobrīd zinām.
Pirmajā daļā mēs redzējām, kā zemes dzīves sastāvs ietekmē ārpuszemes dzīves meklējumus. Astrobiologi meklē vidi, kurā savulaik bija vai atradās šķidrs ūdens, un kurā ir sarežģītas molekulas, kuru pamatā ir ogleklis. Daudzi zinātnieki tomēr uzskata, ka dzīves galvenās iezīmes ir saistītas ar tās spējām, nevis tās sastāvu.
1994. gadā NASA komiteja pieņēma Karla Sagāna ieteikumu par dzīvības definīciju kā “pašpietiekamu ķīmisku sistēmu, kas spējīga Darvinijas evolūcijā”. Šajā definīcijā ir divas pazīmes - metabolisms un evolūcija, kuras parasti tiek pieminētas dzīves definīcijās.
Metabolisms ir ķīmisko procesu kopums, kurā dzīvās lietas aktīvi izmanto enerģiju, lai uzturētu sevi, augtu un attīstītos. Saskaņā ar otro termodinamikas likumu sistēma, kas nav mijiedarbībā ar ārējo vidi, laika gaitā kļūs neorganizētāka un vienveidīgāka. Dzīvas lietas veido un uztur savu maz ticamo, ļoti organizēto stāvokli, jo ārējā vidē izmanto enerģijas avotus, lai veicinātu vielmaiņu.
Augi un dažas baktērijas izmanto saules gaismas enerģiju, lai no vienkāršākām apakšvienībām iegūtu lielākas organiskās molekulas. Šīs molekulas uzkrāj ķīmisko enerģiju, kuru vēlāk var iegūt ar citām ķīmiskām reakcijām, lai pastiprinātu to metabolismu. Dzīvnieki un dažas baktērijas uzturā lieto augus vai citus dzīvniekus. Viņi sadala sarežģītās organiskās molekulas pārtikā vienkāršākās, lai iegūtu uzkrāto ķīmisko enerģiju. Dažas baktērijas ķīmiskās sintēzes procesā var izmantot enerģiju, kas atrodas ķimikālijās, kuras iegūtas no nedzīviem avotiem.
2014. gada rakstā Astrobioloģija, Hārvardas evolūcijas biologs Lūkass Džons Kuks atsaucās uz dzīves metabolisma definīciju kā Haldānas dzīve pēc celmlauža fiziologa J. B. S. Haldāna. Haldānas dzīves definīcijai ir savas problēmas. Tornado un virpuļi, piemēram, Jupitera lieliskais sarkanais plankums, izmanto apkārtējās vides enerģiju, lai uzturētu to sakārtoto struktūru, bet nav dzīvi. Uguns izmanto savas vides enerģiju, lai sevi uzturētu un augtu, bet arī nav dzīvs.
Neskatoties uz tā trūkumiem, astrobiologi ir izmantojuši Haldanas definīciju eksperimentu izstrādei. Viking Marsa zemes īpašnieki līdz šim ir veikuši vienīgo mēģinājumu tieši pārbaudīt ārpuszemes dzīvību, atklājot Marsa mikrobu domājamās metabolisma aktivitātes. Viņi pieņēma, ka Marsa metabolisms ir ķīmiski līdzīgs tā sauszemes līdziniekam.
Viens eksperiments centās noteikt barības vielu metabolisma sadalīšanos vienkāršākās molekulās, lai iegūtu enerģiju. Otrais mērķis bija noteikt skābekli kā fotosintēzes atkritumu produktu. Trešais mēģināja parādīt sarežģītu organisko molekulu ražošanu no vienkāršākām apakšvienībām, kas notiek arī fotosintēzes laikā. Visi trīs eksperimenti šķita pozitīvi, taču daudzi pētnieki uzskata, ka sīki izstrādātos atradumus var izskaidrot bez bioloģijas ar ķīmiskiem oksidējošiem līdzekļiem augsnē.
Daži no Vikingu rezultātiem joprojām ir pretrunīgi līdz šai dienai. Tajā laikā daudzi pētnieki uzskatīja, ka nespēja atrast organiskos materiālus Marsa augsnē izslēdz metabolisma rezultātu bioloģisku interpretāciju. Nesenāks secinājums, ka Marsa augsnē faktiski ir organiskas molekulas, kuras Vikinga analīzes laikā varēja iznīcināt perhlorāti, un ka Marsa virspusē kādreiz bija daudz šķidruma, dod jaunu ticamību apgalvojumam, ka Viking, iespējams, ir izdevies atklāt dzīvi. Tomēr paši par sevi vikingu rezultāti nepierādīja, ka dzīvība pastāv uz Marsa, un to neizslēdza.
Dzīves metabolisma aktivitātes var atstāt pēdas arī planētas atmosfēras sastāvā. 2003. gadā Eiropas kosmiskais kuģis Mars Express atklāja metāna pēdas Marsa atmosfērā. 2014. gada decembrī NASA zinātnieku komanda ziņoja, ka maršruts Curiosity Mars ir apstiprinājis šo atradumu, atklājot atmosfēras metānu no Marsa virsmas.
Lielāko daļu metāna Zemes atmosfērā izdala dzīvie organismi vai to atliekas. Bieži sastopamas zemes dzīļu baktēriju ekosistēmas, kuras kā enerģijas avotu izmanto ķīmisko sintēzi, un no tām rodas metāns kā vielmaiņas atkritumu produkts. Diemžēl ir arī nebioloģiski ģeoķīmiskie procesi, kas var radīt metānu. Tātad Marsa metāns atkal ir nomākti neviennozīmīgs kā dzīvības pazīme.
Ārkārtas planētas, kas riņķo ap citām zvaigznēm, ir pārāk tālas, lai pārredzamā nākotnē tās varētu apmeklēt ar kosmosa kuģiem. Astrobiologi joprojām cer izmantot Haldānes definīciju, lai meklētu dzīvību uz tiem. Ar tuvākās nākotnes kosmosa teleskopiem astronomi cer uzzināt šo planētu atmosfēras sastāvu, analizējot to atmosfēras atstaroto vai pārraidīto gaismas viļņu garumu spektru. Džeimsa Veba kosmiskais teleskops, kuru paredzēts palaist 2018. gadā, būs pirmais, kas būs noderīgs šajā projektā. Astrobiologi vēlas meklēt atmosfēras biomarķerus; gāzes, kas ir dzīvo organismu metaboliski atkritumu produkti.
Atkal šie meklējumi balstās uz vienīgo dzīvības nesošās planētas piemēru, kāds mums šobrīd ir; Zeme. Apmēram 21% mūsu mājas planētas atmosfēras ir skābeklis. Tas ir pārsteidzoši, jo skābeklis ir ļoti reaģējoša gāze, kurai ir tendence iekļūt ķīmiskās kombinācijās ar citām vielām. Brīvajam skābeklim vajadzētu ātri izzust no mūsu gaisa. Tas paliek klāt, jo zaudējumus pastāvīgi aizstāj augi un baktērijas, kas tos atbrīvo kā fotosintēzes metaboliskos atkritumus.
Ķīmiski sintētisko baktēriju dēļ Zemes atmosfērā ir metāna pēdas. Tā kā metāns un skābeklis reaģē viens ar otru, neviens no tiem ilgi nepaliktu apkārt, ja vien dzīvie organismi nepārtraukti papildinātu krājumus. Zemes atmosfērā ir arī pēdas citām gāzēm, kas ir metabolisma blakusprodukti.
Kopumā dzīvās lietas izmanto enerģiju, lai uzturētu Zemes atmosfēru stāvoklī, kas atrodas tālu no termodinamiskā līdzsvara, kuru tā sasniegtu bez dzīvības. Astrobiologiem būtu aizdomas par jebkuru planētu ar atmosfēru līdzīgā dzīves stāvoklī. Bet tāpat kā citos gadījumos būtu grūti pilnībā izslēgt nebioloģiskās iespējas.
Papildus metabolismam NASA komiteja evolūciju identificēja kā dzīvu lietu pamatprasmi. Lai notiktu evolūcijas process, ir jābūt sistēmu grupai, kur katra no tām spēj sevi droši reproducēt. Neskatoties uz reproducēšanas vispārējo uzticamību, reproducēšanas procesā neregulāri jāveic arī nejaušas kopēšanas kļūdas, lai sistēmām būtu atšķirīgas iezīmes. Visbeidzot, sistēmām jābūt atšķirīgām to spējā izdzīvot un reproducēt, pamatojoties uz ieguvumiem vai saistībām, ko rada viņu atšķirīgās iezīmes viņu vidē. Ja šis process tiks atkārtots atkal un atkal paaudzēs, sistēmu īpašības labāk pielāgosies to videi. Ļoti sarežģītas iezīmes dažreiz var attīstīties pakāpeniski.
Miks to nosauca Darvina dzīve definīcija pēc deviņpadsmitā gadsimta naturālista Čārlza Darvina, kurš formulēja evolūcijas teoriju. Tāpat kā Haldānes definīcijā, Darvina dzīves definīcijā ir nozīmīgi trūkumi. Tai ir grūti iekļaut visu, kas mums varētu šķist dzīvs. Piemēram, moli nevar reproducēt, un tāpēc pēc šīs definīcijas tos neuzskata par dzīviem.
Neskatoties uz šādiem trūkumiem, Darvina dzīves definīcija ir kritiski svarīga gan zinātniekiem, kuri pēta dzīvības izcelsmi, gan astrobiologiem. Darvina teorijas modernā versija var izskaidrot, cik daudzveidīgas un sarežģītas dzīves formas var attīstīties no kādas sākotnējās vienkāršās formas. Dzīves izcelsmes teorija ir nepieciešama, lai izskaidrotu, kā sākotnējā vienkāršā forma ieguva spēju attīstīties.
Ķīmiskās sistēmas vai dzīvības formas, kas atrodamas uz citām mūsu Saules sistēmas planētām vai pavadoņiem, varētu būt tik vienkāršas, ka tās ir tuvu robežai starp dzīvību un nedzīvību, ko nosaka Darvina definīcija. Šī definīcija var izrādīties būtiska astrobiologiem, kuri mēģina izlemt, vai viņu atrastā ķīmiskā sistēma patiešām uzskatāma par dzīvības formu. Biologi joprojām nezina, kā radusies dzīvība. Ja astrobiologi var atrast sistēmas netālu no Dārvina robežas, viņu atradumi var būt ārkārtīgi svarīgi, lai izprastu dzīvības izcelsmi.
Vai astrobiologi var izmantot Darvina definīciju, lai atrastu un izpētītu ārpuszemes dzīvi? Maz ticams, ka apmeklējošais kosmosa kuģis varētu atklāt pats evolūcijas procesu. Bet tas varētu būt spējīgs noteikt molekulārās struktūras, kas dzīviem organismiem nepieciešami, lai piedalītos evolūcijas procesā. Filozofs Marks Bedau ir ierosinājis, ka minimālai sistēmai, kas spēj attīstīties evolūcijai, vajadzētu būt trim lietām: 1) ķīmisks metabolisma process, 2) konteiners, piemēram, šūnu membrāna, lai noteiktu sistēmas robežas, un 3) ķīmiska viela “Programma”, kas spēj vadīt vielmaiņas aktivitātes.
Šeit, uz Zemes, ķīmiskās programmas pamatā ir ģenētiskās molekulas DNS. Daudzi dzīvības izcelsmes teorētiķi domā, ka agrāko sauszemes dzīvības formu ģenētiskā molekula, iespējams, bija vienkāršākā molekulas ribonukleīnskābe (RNS). Ģenētiskajai programmai ir liela nozīme evolūcijas procesā, jo tā reproduktīvās kopēšanas procesu padara stabilu, ar tikai gadījuma kļūdām.
Gan DNS, gan RNS ir biopolimēri; garas ķēdes formas molekulas ar daudzām atkārtojošām apakšvienībām. Šajās molekulās esošā nukleotīdu bāzes apakšvienību specifiskā secība kodē ģenētisko informāciju, ko tās pārvadā. Lai molekula varētu kodēt visas iespējamās ģenētiskās informācijas sekvences, subvienībām jābūt iespējai notikt jebkurā secībā.
Skaitļojošās genomikas pētnieks Stīvens Benners uzskata, ka mēs, iespējams, varēsim attīstīt kosmosa kuģu eksperimentus svešu ģenētisko biopolimēru noteikšanai. Viņš norāda, ka DNS un RNS ir ļoti neparasti biopolimēri, jo, mainot secību, kurā notiek to apakšvienības, nemainās to ķīmiskās īpašības. Tieši šī neparastā īpašība ļauj šīm molekulām būt stabiliem jebkuras iespējamās ģenētiskā koda secības nesējiem.
Gan DNS, gan RNS ir polioelektrolīti; molekulas ar regulāri atkārtotiem negatīvā elektriskā lādiņa apgabaliem. Benners uzskata, ka tieši tas nozīmē viņu ievērojamo stabilitāti. Viņš domā, ka jebkuram svešzemju ģenētiskajam biopolimēram vajadzētu būt arī polioelektrolītam un ka varētu tikt izstrādāti ķīmiski testi, ar kuru palīdzību kosmosa kuģis varētu atklāt šādas polioelektrolītu molekulas. DNS svešzemju līdzinieka atrašana ir ļoti aizraujoša iespēja, un tas ir vēl viens elements svešzemju dzīves identificēšanai.
1996. gadā prezidents Klintons dramatiski paziņoja par iespējamo dzīvības atklāšanu uz Marsa. Klintona runu motivēja Deivida Makkeja komandas atklājumi ar Alan Hills meteorītu. Faktiski McKay atradumi izrādījās tikai viens gabals lielākai iespējamās Marsa dzīves mīklai. Ja vien kāds citplanētietis kādreiz neienāk garām mūsu gaidīšanas kamerām, maz ticams, ka jautājums par to, vai pastāv ārpuszemes dzīve, tiks nokārtots ar vienu eksperimentu vai pēkšņu dramatisku izrāvienu. Filozofiem un zinātniekiem nav vienotas dzīves definīcijas. Tāpēc astrobiologiem nav viena droša ugunsdrošības testa, kas atrisinātu šo problēmu. Ja Marsā vai citur Saules sistēmā pastāv vienkāršas dzīvības formas, tagad šķiet iespējams, ka šis fakts parādīsies pakāpeniski, balstoties uz daudzām saplūstošām pierādījumu līnijām. Mēs īsti nezinām, ko mēs meklējam, kamēr to neatradīsim.
Atsauces un turpmākā lasīšana:
P. Andersons (2011) Vai zinātkāre varētu noteikt, vai Vikings atrada dzīvību uz Marsa ?, kosmosa žurnāls.
S. K. Atreya, P. R. Mahaffy, A-S. Wong, (2007), Metāns un radniecīgās pēdas sugas uz Marsa: izcelsme, zudums, ietekme uz dzīvību un apdzīvojamība, Planētu un kosmosa zinātne, 55:358-369.
M. A. Bedau (2010), Aristotelian pārskats par minimālu ķīmisko dzīvi, Astrobioloģija, 10(10): 1011-1020.
S. Benners (2010), dzīves definēšana, Astrobioloģija, 10(10):1021-1030.
E. Mačerijs (2012), Kāpēc es pārstāju uztraukties par dzīves definīciju ... un kāpēc arī jums vajadzētu, Sintēze, 185:145-164.
G. M. Marions, C. H. Fritsens, H. Eikens, M. C. Payne, (2003) Dzīves meklēšana vietnē Europa: Vides faktoru, potenciālo dzīvotņu un Zemes analogu ierobežošana. Astrobioloģija 3(4):785-811.
L. J. Mix (2015), Aizstāvot dzīves definīcijas, Astrobioloģija, 15 (1), publicēts tiešsaistē pirms publicēšanas.
P. E. Pattons (2014) Neskaidrības mēneši: Kāpēc ārpuszemes dzīves atrašana var būt grūtāka, nekā mēs domājām, žurnāls Space.
T. Reyes (2014) NASA Curiosity Rover nosaka metānu, Organics on Mars, Space Magazine.
S. Seeger, M. Schrenk un W. Bains (2012), Zemes biosarakstu gāzu astrofizisks skats. Astrobioloģija, 12(1): 61-82.
S. Tirard, M. Morange un A. Lazcano, (2010), Dzīves definīcija: Nevēlamu zinātnisko centienu īsa vēsture, Astrobioloģija, 10(10):1003-1009.
C. Vebsters un daudzi citi MSL Science komandas locekļi (2014) Marsa metāna noteikšana un mainīgums Gale krāterī, Zinātne, Zinātne pauž agru saturu.
Vai Viking Mars piezemētāji atrada dzīves pamatelementus? Trūkstošais gabals iedvesmo mīkla jaunu izskatu. Zinātniskās publikācijas Science Daily Featured Research 2010. gada 5. septembris
NASA rovers atrod aktīvo un seno organisko ķīmiju uz Marsa, Jet Propulsion laboratorijā, Kalifornijas Tehnoloģiju institūtā, News, 2014. gada 16. decembris.
