Elokuvassa ”Avatar” voimme kertoa yhdellä silmäyksellä, että muukalainen kuu Pandora kärsi vieraselämästä. Yhdessä grammassa maaperää on 50 miljoonaa bakteeri-organismia, ja maailmanlaajuinen bakteerien biomassa ylittää kaikkien kasvien ja eläinten biomassan. Mikrobit voivat kasvaa äärimmäisissä ympäristöissä, joissa on lämpötila, suolapitoisuus, happamuus, säteily ja paine. Todennäköisin muoto, jossa kohtaamme elämää muualla aurinkokuntamme sisällä, on mikrobi.
Astrobiologit tarvitsevat strategioita vieraan mikrobi-elämän tai sen kivettyneiden jäännösten päätelmästä päätelmistä. He tarvitsevat strategioita päätelläkseen vieraiden elämän läsnäolon muiden tähtiä käyttävissä planeetissa, jotka ovat liian kaukana tutkiakseen avaruusaluksella lähitulevaisuudessa. Näiden asioiden tekemiseksi he kaipaavat elämän määritelmää, joka mahdollistaisi elämän luotettavan erottamisen muusta kuin elämästä.
Valitettavasti, kuten olemme nähneet tämän sarjan ensimmäisessä erässä, filosofit ja tutkijat eivät ole kyenneet tuottamaan tällaista määritelmää huolimatta elävien olosuhteiden tietämyksen valtavasta kasvusta. Astrobiologit saavat parhaan mahdollisen määritelmän, joka on osittainen ja jolla on poikkeuksia. Heidän haunsa on suunnattu elämän piirteille maapallolla, ainoaan elämään, jonka me tällä hetkellä tiedämme.
Ensimmäisessä erässä näimme, kuinka maanpäällisen elämän koostumus vaikuttaa maapallon ulkopuolisen elämän etsimiseen. Astrobiologit etsivät ympäristöjä, jotka sisälsivät tai sisältävät nykyisin nestemäistä vettä ja jotka sisältävät monimutkaisia hiileihin perustuvia molekyylejä. Monet tutkijat katsovat kuitenkin elämän olennaiset piirteet liittyvän sen kykyihin sen koostumuksen sijasta.
Vuonna 1994 NASA-komitea hyväksyi Carl Saganin ehdotuksen perusteella elämän määritelmän "omavaraisena kemiallisena järjestelmänä, joka kykenee Darwinian evoluutioon". Tämä määritelmä sisältää kaksi ominaisuutta, aineenvaihduntaa ja evoluutiota, jotka mainitaan tyypillisesti elämän määritelmissä.
Aineenvaihdunta on joukko kemiallisia prosesseja, joiden avulla elävät elimet käyttävät aktiivisesti energiaa itsensä ylläpitämiseen, kasvamiseen ja kehittymiseen. Termodynamiikan toisen lain mukaan järjestelmä, joka ei ole vuorovaikutuksessa ulkoisen ympäristönsä kanssa, muuttuu ajan myötä järjestäytyneemmäksi ja yhtenäisemmäksi. Elävät asiat rakentavat ja ylläpitävät epätodennäköistä, hyvin organisoitunutta tilaa, koska ne valjastavat ulkoisen ympäristön energialähteet aineenvaihdunnan tehostamiseksi.
Kasvit ja jotkut bakteerit käyttävät auringonvalon energiaa suurempien orgaanisten molekyylien valmistukseen yksinkertaisemmista alayksiköistä. Nämä molekyylit varastoivat kemiallista energiaa, joka voidaan myöhemmin erottaa muilla kemiallisilla reaktioilla niiden aineenvaihdunnan tehostamiseksi. Eläimet ja jotkut bakteerit kuluttavat kasveja tai muita eläimiä ruuana. Ne hajottavat ruuan monimutkaiset orgaaniset molekyylit yksinkertaisemmiksi, jolloin saadaan varastoitu kemiallinen energia. Jotkut bakteerit voivat käyttää ei-elävistä lähteistä johdettujen kemikaalien sisältämää energiaa kemosynteesin prosessissa.
Vuoden 2014 artikkelissa astrobiology, Harvardin evoluutiobiologi Lucas John Mix viittasi elämän metaboliseen määritelmään Haldane-elämä uraauurtavan fysiologin J. B. S. Haldane jälkeen. Haldane-elämän määritelmällä on ongelmia. Tornaadot ja pyörteet, kuten Jupiterin Great Red Spot, käyttävät ympäristöenergiaa ylläpitääkseen niiden järjestystä rakennetta, mutta eivät ole hengissä. Tuli käyttää ympäristöstään tulevaa energiaa ylläpitääkseen itseään ja kasvaakseen, mutta ei ole myöskään elossa.
Puutteistaan huolimatta astrobiologit ovat käyttäneet Haldanen määritelmää kokeiden laatimiseen. Viking Marsin laskeuttajat ovat toistaiseksi ainoa yritys tutkia suoraan maan ulkopuolista elämää havaitsemalla Marsin mikrobien oletetut metaboliset aktiivisuudet. He olettivat, että marsilainen aineenvaihdunta on kemiallisesti samanlainen kuin maanpäällinen vastine.
Yhdessä kokeessa pyrittiin havaitsemaan ravintoaineiden metabolinen hajoaminen yksinkertaisemmiksi molekyyleiksi energiansa ottamiseksi. Toinen tarkoitus oli havaita happi fotosynteesin jätteenä. Kolmasosa yritti osoittaa monimutkaisten orgaanisten molekyylien valmistuksen yksinkertaisemmista alayksiköistä, mikä tapahtuu myös fotosynteesin aikana. Kaikki kolme kokeilua näyttivät antavan positiivisia tuloksia, mutta monien tutkijoiden mielestä yksityiskohtaiset havainnot voidaan selittää ilman biologiaa maaperän kemiallisilla hapettimilla.
Jotkut Viking-tuloksista ovat kiistanalaisia tänäkin päivänä. Tuolloin monet tutkijat kokivat, että orgaanisten aineiden löytämättä jättäminen Marsin maaperästä sulki pois aineenvaihdunnan tulosten biologisen tulkinnan. Tuoreempi havainto siitä, että Marsin maaperä todella sisältää orgaanisia molekyylejä, jotka perkloraatit ovat saattaneet tuhota Viking-analyysin aikana, ja että nestemäistä vettä oli kerran runsaasti Marsin pinnalla, antavat uuden uskottavuuden väitteelle, että Viking on ehkä onnistunut havaitsemaan elämään. Itse asiassa Viking-tulokset eivät kuitenkaan osoittaneet, että elämä on olemassa Marsissa, eikä sulkenut sitä pois.
Elämän metaboliset aktiivisuudet voivat myös jättää jälkensä planeetta-ilmakehän koostumukseen. Vuonna 2003 eurooppalainen Mars Express -aluksen alus havaitsi metaanin jälkiä Marsin ilmakehässä. Joulukuussa 2014 NASA: n tutkijoiden ryhmä kertoi, että Curiosity Mars -kulkija oli vahvistanut tämän havainnon havaitsemalla ilmakehän metaanin Marsin pinnalta.
Elävät organismit tai niiden jäännökset vapauttavat suurimman osan maan ilmakehän metaanista. Maanalaiset bakteeriekosysteemit, jotka käyttävät kemosynteesiä energialähteenä, ovat yleisiä, ja ne tuottavat metaania metabolisena jätetuotteena. Valitettavasti on myös ei-biologisia geokemiallisia prosesseja, jotka voivat tuottaa metaania. Joten jälleen kerran, marsilainen metaani on turhauttavasti epäselvä merkkinä elämästä.
Muita tähtiä kiertävät ulkopuoliset planeetat ovat aivan liian kaukana vierailuun avaruusaluksilla lähitulevaisuudessa. Astrobiologit toivovat edelleen käyttävänsä haldane-määritelmää etsimään heille elämää. Lähitulevaisuuden avaruusteleskooppien avulla tähtitieteilijät toivovat oppivan näiden planeettojen ilmakehän koostumuksen analysoimalla niiden ilmakehän heijastaman tai välittämän valon aallonpituusspektriä. James Webbin avaruusteleskooppi, joka on tarkoitus käynnistää vuonna 2018, on ensimmäinen hyödyllinen projekti. Astrobiologit haluavat etsiä ilmakehän biomarkkereita; kaasut, jotka ovat elävien organismien metabolisia jätetuotteita.
Jälleen kerran tätä pyrkimystä ohjaa ainoa esimerkki nykyisestä elämää kantavasta planeetasta; Maan. Noin 21% kotiplaneettamme ilmakehästä on happi. Tämä on yllättävää, koska happi on erittäin reaktiivinen kaasu, jolla on taipumus ryhtyä kemiallisiin yhdistelmiin muiden aineiden kanssa. Vapaa happi tulisi katoa nopeasti ilmastamme. Se pysyy läsnä, koska menetykset korvataan jatkuvasti kasveilla ja bakteereilla, jotka vapauttavat sen fotosynteesin aineenvaihduntajätteenä.
Maan ilmakehässä on läsnä metaanimääriä kemosynteettisten bakteerien takia. Koska metaani ja happi reagoivat keskenään, kumpikaan ei pysyisi pitkään, elleivät elävät organismit täydentäisi jatkuvasti tarjontaa. Maan ilmakehässä on myös jälkiä muista kaasuista, jotka ovat metabolisia sivutuotteita.
Yleensä elävät esineet käyttävät energiaa ylläpitääkseen maan ilmakehää tilassa, joka on kaukana termodynaamisesta tasapainosta, jonka se saavuttaisi ilman elämää. Astrobiologit epäilevät mitä tahansa planeettaa, jolla on ilmapiiri samanlaisessa elämäntilassa. Mutta kuten muissakin tapauksissa, olisi vaikea sulkea täysin pois biologisia mahdollisuuksia.
Aineenvaihdunnan lisäksi NASA-komitea määritteli evoluution elävien olentojen perustavaksi kyvyksi. Jotta evoluutioprosessi tapahtuisi, on oltava ryhmä järjestelmiä, joissa kukin pystyy toistamaan itsensä luotettavasti. Huolimatta lisääntymisen yleisestä luotettavuudesta, lisääntymisprosessissa on myös satunnaisia satunnaisia kopiointivirheitä, jotta järjestelmillä olisi erilaisia piirteitä. Lopuksi, järjestelmien on erotettava kykynsä selviytyä ja lisääntyä niiden erityispiirteiden hyötyjen tai vastuiden perusteella ympäristössä. Kun tämä prosessi toistetaan uudestaan ja uudestaan sukupolvien ajan, järjestelmien piirteet mukautuvat paremmin ympäristöönsä. Hyvin monimutkaiset piirteet voivat joskus kehittyä askel askeleelta.
Mix nimitti tämän Darwinin elämä määritelmä, yhdeksästoista luvun luonnontieteilijä Charles Darwinin jälkeen, joka muotoili evoluutioteorian. Kuten Haldanen määritelmä, Darwinin elämänmäärittelyllä on merkittäviä puutteita. Sillä on vaikeuksia sisällyttää kaikki sellaiset, jotka voimme ajatella elävinä. Esimerkiksi muulit eivät pysty lisääntymään, joten tätä määritelmää ei pidetä elävinä.
Tällaisista puutteista huolimatta Darwinin elämänmäärittely on kriittisen tärkeä sekä elämän alkuperää tutkiville tutkijoille että astrobiologeille. Darwinin teorian nykyaikainen versio voi selittää kuinka monipuoliset ja monimutkaiset elämän muodot voivat kehittyä jostakin alkuperäisestä yksinkertaisesta muodosta. Elämän alkuperän teoriaa tarvitaan selittämään, kuinka alkuperäinen yksinkertainen muoto sai kyvyn kehittyä ensinnäkin.
Kemialliset järjestelmät tai elämämuodot, joita löytyy muilta aurinkokunnan planeetoilta tai kuuilta, voivat olla niin yksinkertaisia, että ne ovat lähellä elämän ja ei-elämän välistä rajaa, jonka Darwinin määritelmä vahvistaa. Määritelmä saattaa osoittautua elintärkeäksi astrobiologeille, jotka yrittävät päättää, onko heidän löytämä kemiallinen järjestelmä todella elämän muoto. Biologit eivät vieläkään tiedä kuinka elämä sai alkunsa. Jos astrobiologit löytävät järjestelmiä lähellä Darwinin rajaa, heidän löytönsä voi olla erittäin tärkeä elämän alkuperän ymmärtämiseksi.
Voivatko astrobiologit käyttää Darwinin määritelmää löytääkseen ja tutkiakseen maan ulkopuolista elämää? On epätodennäköistä, että vieraileva avaruusalus havaitsisi itse evoluutioprosessinsa. Mutta se saattaa kyetä havaitsemaan molekyylirakenteet, joita elävät organismit tarvitsevat voidakseen osallistua evoluutioprosessiin. Filosofi Mark Bedau on ehdottanut, että evoluutioon kykenevässä minimaalisessa järjestelmässä olisi oltava kolme asiaa: 1) kemiallinen aineenvaihduntaprosessi, 2) säiliö, kuten solumembraani, järjestelmän rajojen määrittämiseksi, ja 3) kemiallinen ”Ohjelma”, joka kykenee ohjaamaan aineenvaihdunnan aktiviteetteja.
Täällä maan päällä kemiallinen ohjelma perustuu geenimolekyylin DNA: han. Monet elämän alkuperäteoreetikot ajattelevat, että aikaisimpien maanpäällisten elämämuotojen geneettinen molekyyli on saattanut olla yksinkertaisempi ribonukleiinihappo (RNA). Geneettinen ohjelma on tärkeä evoluutioprosessille, koska se tekee lisääntymiskopiointiprosessista vakaan, vain satunnaisten virheiden kanssa.
Sekä DNA että RNA ovat biopolymeerejä; pitkät ketjumaiset molekyylit, joissa on monia toistuvia alayksiköitä. Näiden molekyylien nukleotidiemäsyksiköiden spesifinen sekvenssi koodaa niiden kantamaa geneettistä tietoa. Jotta molekyyli voi koodata kaikkia mahdollisia geneettisen informaation sekvenssejä, alayksiköiden on oltava mahdollisia tapahtua missä tahansa järjestyksessä.
Laskennallinen genomitutkija Steven Benner uskoo, että voimme ehkä kehittää avaruusaluksia koskevia kokeita vieraiden geneettisten biopolymeerien havaitsemiseksi. Hän huomauttaa, että DNA ja RNA ovat hyvin epätavallisia biopolymeerejä, koska niiden alayksiköiden esiintymisjärjestyksen muuttaminen ei muuta niiden kemiallisia ominaisuuksia. Juuri tämä epätavallinen ominaisuus antaa näiden molekyylien olla minkä tahansa mahdollisen geneettisen koodisekvenssin stabiileja kantajia.
DNA ja RNA ovat molemmat polyelektrolyyttejä; molekyylit, joilla on säännöllisesti toistuvia negatiivisen sähkövarauksen alueita. Benner uskoo, että heidän vastuunsa on vakaa. Hänen mielestään kaikkien vierasperäisten geneettisten biopolymeerien tulisi olla myös polyelektrolyyttejä ja että voitaisiin laatia kemiallisia testejä, joilla avaruusalukset voisivat havaita tällaisia polyelektrolyyttimolekyylejä. DNA: n vieraan vastineen löytäminen on erittäin mielenkiintoinen mahdollisuus ja toinen pala palapeliin tunnistaa vieraan elämä.
Vuonna 1996 presidentti Clinton antoi dramaattisen ilmoituksen mahdollisesta elämän löytämisestä Marsissa. Clintonin puheen motivoi David McKayn joukkueen havainnot Alan Hills -meteoriitin kanssa. Itse asiassa McKayn löytöt osoittautuivat vain yhdeksi kappaleeksi mahdollisen marsilaisen elämän suurempaan palapeliin. Ellei jokin päivä ulkomaalainen lähde odotuskameroidemme ohi, kysymystä siitä, onko maan ulkopuolista elämää olemassa, ei todennäköisesti ratkaista yhdellä kokeilulla tai äkillisellä dramaattisella läpimurtolla. Filosofilla ja tutkijoilla ei ole yhtä ja varmaa tulosta elämästä. Astrobiologeilla ei näin ollen ole yhtä ainoaa varmistustestiä, joka ratkaisee asian. Jos Marsissa tai muualla aurinkokunnassa on olemassa yksinkertaisia elämänmuotoja, näyttää todennäköiseltä, että se tosiasia ilmenee vähitellen monien toisiinsa liittyvien todisteiden perusteella. Emme oikeasti tiedä mitä etsimme, kunnes löydämme sen.
Viitteet ja lisälukemat:
P. Anderson (2011) Voisiko uteliaisuus selvittää, löysikö Viking elämää Marsilla ?, Avaruuslehti.
S. K. Atreya, P. R. Mahaffy, A-S. Wong, (2007), Metaani ja siihen liittyvät jälkilajit Marsilla: alkuperä, menetykset, vaikutukset elämään ja asettavuus, Planeetta- ja avaruustiede, 55:358-369.
M. A. Bedau (2010), aristotelilainen kuvaus vähimmäiskemikaalista, astrobiology, 10(10): 1011-1020.
S. Benner (2010), Elämän määrittely, astrobiology, 10(10):1021-1030.
E. Machery (2012), Miksi lopetin huolestumisen elämän määritelmästä ... ja miksi sinun pitäisi myös, Synthese, 185:145-164.
G. M. Marion, C. H. Fritsen, H. Eicken, M. C. Payne, (2003) Elämänhaku Euroopassa: Ympäristötekijöiden, potentiaalisten elinympäristöjen ja maan analogien rajoittaminen. astrobiology 3(4):785-811.
L. J. Mix (2015), elämän määritelmien puolustaminen, astrobiology, 15 (1) lähetetty verkossa ennen julkaisua.
P. E. Patton (2014) Sekaannuskuut: Miksi maapallon ulkopuolisen elämän löytäminen voi olla vaikeampaa kuin luulimme, Space Magazine.
T. Reyes (2014) NASA: n Curiosity Rover havaitsee metaanin, Organics on Mars, Space Magazine.
S. Seeger, M. Schrenk ja W. Bains (2012), astrofysiikanäkymä maapallon biosignaatiokaasuista. astrobiology, 12(1): 61-82.
S. Tirard, M. Morange ja A. Lazcano, (2010), Elämän määritelmä: Lyhyt historia vaikeasta tieteellisestä yrityksestä astrobiology, 10(10):1003-1009.
C. Webster ja monet muut MSL Science -ryhmän jäsenet (2014) Marsin metaanin havaitseminen ja variaatio Gale-kraatterissa, tiede, Tiede ilmaisee varhaisen sisällön.
Löysivätkö Viking Marsin laskeuttajat elämän rakennuspalikoita? Puuttuva pala inspiroi palapelin uutta ilmettä. Science Daily -tehtävissä oleva tutkimus 5. syyskuuta 2010
NASA-rover löytää aktiivista ja muinaista orgaanista kemiaa Marsista, Jet Propulsion -laboratoriosta, Kalifornian teknologiainstituutista, News, 16. joulukuuta 2014.
