I filmen “Avatar” kunne vi med et øjeblik fortælle, at den fremmede måne Pandora vrimlede af fremmed liv. Der er 50 millioner bakterieorganismer i et enkelt gram jord, og verdensomspændende bakteriel biomasse er større end alle planter og dyr. Mikrober kan vokse i ekstreme miljøer med temperatur, saltholdighed, surhedsgrad, stråling og tryk. Den mest sandsynlige form, hvor vi vil støde på et andet sted i vores solsystem er mikrobiel.
Astrobiologer har brug for strategier til at udlede tilstedeværelsen af fremmed mikrobielt liv eller dets fossiliserede rester. De har brug for strategier til at udlede tilstedeværelsen af fremmed liv på andre stjerners fjerne planeter, som er for langt væk til at udforske med rumfartøjer i en overskuelig fremtid. For at gøre disse ting længes de efter en definition af livet, der ville gøre det muligt at pålideligt skelne liv fra ikke-liv.
Desværre, som vi så i den første del af denne serie, trods en enorm vækst i vores viden om levende ting, har filosoffer og videnskabsfolk ikke været i stand til at fremstille en sådan definition. Astrobiologer klarer sig så godt de kan med definitioner, der er delvis, og som har undtagelser. Deres søgning er rettet mod funktionerne i livet på Jorden, det eneste liv, vi kender i øjeblikket.
I den første rate så vi, hvordan sammensætningen af det jordiske liv påvirker søgen efter udenjordisk liv. Astrobiologer søger efter miljøer, der engang indeholdt eller i øjeblikket indeholder flydende vand, og som indeholder komplekse molekyler baseret på kulstof. Mange videnskabsmænd ser imidlertid på de væsentligste træk ved livet at have at gøre med dets kapacitet i stedet for dets sammensætning.
I 1994 vedtog et NASA-udvalg en definition af livet som et ”selvbærende kemisk system, der er i stand til Darwinian evolution”, baseret på et forslag fra Carl Sagan. Denne definition indeholder to træk, stofskifte og evolution, der typisk nævnes i livsdefinitioner.
Metabolisme er det sæt kemiske processer, hvorved levende ting aktivt bruger energi til at opretholde sig selv, vokse og udvikle sig. I henhold til den anden lov om termodynamik vil et system, der ikke interagerer med dets ydre miljø, blive mere uorganiseret og ensartet med tiden. Levende ting bygger og opretholder deres usandsynlige, meget organiserede tilstand, fordi de udnytter energikilder i deres ydre miljø for at styrke deres stofskifte.
Planter og nogle bakterier bruger solenergiens energi til at fremstille større organiske molekyler ud fra enklere underenheder. Disse molekyler lagrer kemisk energi, der senere kan udvindes ved andre kemiske reaktioner for at styrke deres stofskifte. Dyr og nogle bakterier spiser planter eller andre dyr som mad. De nedbryder komplekse organiske molekyler i deres mad til enklere molekyler for at udtrække deres lagrede kemiske energi. Nogle bakterier kan bruge energien indeholdt i kemikalier, der stammer fra ikke-levende kilder, i processen med kemosyntesen.
I en artikel fra 2014 i Astrobiology, Lucas John Mix, en evolutionær biolog fra Harvard, omtalte den metabolske definition af liv som Haldane Life efter den banebrydende fysiolog J. B. S. Haldane. Haldane-livsdefinitionen har sine problemer. Tornadoer og vorticier som Jupiters Great Red Spot bruger miljøenergi til at opretholde deres ordnede struktur, men lever ikke. Ild bruger energi fra sit miljø til at opretholde sig selv og vokse, men lever heller ikke.
På trods af dets mangler har astrobiologer anvendt Haldane-definitionen til at udtænke eksperimenter. Landingserne i Viking Mars gjorde det hidtil eneste forsøg på direkte at teste for ekstern jordeliv ved at opdage de formodede metaboliske aktiviteter af Martiske mikrober. De antog, at Martins metabolisme kemisk ligner dens jordbaserede modstykke.
Et forsøg forsøgte at påvise den metaboliske nedbrydning af næringsstoffer i enklere molekyler for at udvinde deres energi. Et andet mål var at detektere ilt som et affaldsprodukt fra fotosyntesen. En tredje forsøgte at vise fremstilling af komplekse organiske molekyler ud fra enklere underenheder, hvilket også forekommer under fotosyntesen. Alle tre eksperimenter så ud til at give positive resultater, men mange forskere mener, at de detaljerede fund kan forklares uden biologi af kemiske oxidationsmidler i jorden.
Nogle af Viking-resultaterne er fortsat kontroversielle i dag. På det tidspunkt mente mange forskere, at manglen på at finde organiske materialer i Marsjord udelukkede en biologisk fortolkning af de metaboliske resultater. Den nyere konstatering af, at Marsjord faktisk indeholder organiske molekyler, der muligvis er blevet ødelagt af perchlorater under Viking-analysen, og at flydende vand engang var rigeligt på Mars's overflade giver ny sandsynlighed for påstanden om, at Viking faktisk har været i stand til at opdage liv. Dog i sig selv beviste Viking-resultaterne ikke, at der findes liv på Mars og heller ikke udelukke det.
Livets metaboliske aktiviteter kan også sætte deres præg på sammensætningen af planetariske atmosfærer. I 2003 opdagede det europæiske Mars Express-rumfartøj spor af metan i den Martiske atmosfære. I december 2014 rapporterede et team af forskere fra NASA, at Rover Curiosity Mars havde bekræftet denne konstatering ved detekteret atmosfærisk metan fra Marsoverfladen.
Det meste af metan i Jordens atmosfære frigives af levende organismer eller deres rester. Underjordiske bakterielle økosystemer, der bruger kemosyntesen som en energikilde er almindelige, og de producerer metan som et metabolisk affaldsprodukt. Desværre er der også ikke-biologiske geokemiske processer, der kan producere metan. Så endnu en gang er Martian methane frustrerende tvetydig som et tegn på livet.
Ekstrasolære planeter, der kredser om andre stjerner, er alt for fjernt til at besøge med rumfartøjer i en overskuelig fremtid. Astrobiologer håber stadig at bruge Haldane-definitionen til at søge efter livet på dem. Med nær fremtidige rumteleskoper håber astronomer at lære sammensætningen af disse planeters atmosfærer ved at analysere spektret af lysbølgelængder, der reflekteres eller transmitteres af deres atmosfærer. James Webb-rumteleskopet, der er planlagt til lancering i 2018, vil være den første til at være nyttigt i dette projekt. Astrobiologer ønsker at søge efter atmosfæriske biomarkører; gasser, der er metaboliske affaldsprodukter fra levende organismer.
Endnu en gang styres denne søgen af det eneste eksempel på en livsbærende planet, vi i øjeblikket har; Jorden. Cirka 21% af vores hjemmeplanets atmosfære er ilt. Dette er overraskende, fordi ilt er en meget reaktiv gas, der har en tendens til at komme i kemiske kombinationer med andre stoffer. Fri ilt skal hurtigt forsvinde fra vores luft. Det forbliver til stede, fordi tabet konstant erstattes af planter og bakterier, der frigiver det som et metabolisk affaldsprodukt fra fotosyntesen.
Spor af metan findes i jordens atmosfære på grund af kemosyntetiske bakterier. Da metan og ilt reagerer med hinanden, ville ingen af dem blive i længe, medmindre levende organismer konstant genopfylder forsyningen. Jordens atmosfære indeholder også spor af andre gasser, der er metaboliske biprodukter.
Generelt bruger levende ting energi til at bevare Jordens atmosfære i en tilstand langt fra den termodynamiske ligevægt, den ville nå uden liv. Astrobiologer ville have mistanke om enhver planet med en atmosfære i en lignende tilstand af husly. Men som for de andre tilfælde ville det være svært at udelukke ikke-biologiske muligheder fuldstændigt.
Udover stofskiftet identificerede NASA-udvalget evolutionen som en grundlæggende evne til at leve ting. For at der skal ske en evolutionær proces, skal der være en gruppe af systemer, hvor hver enkelt er i stand til pålideligt at gengive sig selv. På trods af reproduktionens generelle pålidelighed skal der også lejlighedsvis være tilfældige kopieringsfejl i reproduktionsprocessen, så systemerne har forskellige træk. Endelig skal systemerne afvige i deres evne til at overleve og reproducere baseret på fordelene eller forpligtelserne ved deres karakteristiske træk i deres miljø. Når denne proces gentages igen og igen i generationer, vil systemernes træk blive bedre tilpasset deres miljø. Meget komplekse træk kan undertiden udvikle sig trinvis.
Mix kaldet dette the Darwin liv definition efter det nittende århundrede naturalist Charles Darwin, der formulerede evolutionsteorien. Ligesom Haldane-definitionen har Darwin-livsdefinitionen vigtige mangler. Det har problemer med at inkludere alt, hvad vi måske tænker på som levende. Mule, for eksempel, kan ikke gengive sig, og derfor tæller ved denne definition ikke at være i live.
På trods af sådanne mangler er Darwin-livsdefinitionen kritisk vigtig, både for forskere, der studerer livets oprindelse og astrobiologer. Den moderne version af Darwins teori kan forklare, hvordan forskellige og komplekse livsformer kan udvikle sig fra en eller anden indledende form. En teori om livets oprindelse er nødvendig for at forklare, hvordan den oprindelige enkle form erhvervede evnen til at udvikle sig i første omgang.
De kemiske systemer eller livsformer, der findes på andre planeter eller måner i vores solsystem, kan være så enkle, at de er tæt på grænsen mellem liv og ikke-liv, som Darwin-definitionen etablerer. Definitionen kan vise sig at være afgørende for astrobiologer, der prøver at beslutte, om et kemisk system, de har fundet, virkelig kvalificerer sig som en livsform. Biologer ved stadig ikke, hvordan livet opstod. Hvis astrobiologer kan finde systemer nær Darwin-grænsen, kan deres fund være afgørende for at forstå livets oprindelse.
Kan astrobiologer bruge Darwin-definitionen til at finde og studere udenjordisk liv? Det er usandsynligt, at et besøgende rumfartøj kunne opdage selve udviklingsprocessen. Men det kan være i stand til at detektere de molekylære strukturer, som levende organismer har brug for for at kunne deltage i en evolutionær proces. Filosof Mark Bedau har foreslået, at et minimalt system, der er i stand til at gennemgå evolution, skulle have tre ting: 1) en kemisk metabolisk proces, 2) en beholder, ligesom en cellemembran, for at fastlægge systemets grænser, og 3) en kemikalie "Program", der er i stand til at styre de metaboliske aktiviteter.
Her på Jorden er det kemiske program baseret på det genetiske molekyle DNA. Mange teoretikere fra livets oprindelse mener, at det genetiske molekyle i de tidligste jordiske livsformer kan have været den enklere molekyle ribonukleinsyre (RNA). Det genetiske program er vigtigt for en evolutionær proces, fordi det gør reproduktionskopieringsprocessen stabil med kun lejlighedsvise fejl.
Både DNA og RNA er biopolymerer; lange kædelignende molekyler med mange gentagne underenheder. Den specifikke sekvens af nukleotidbaseenheder i disse molekyler koder for den genetiske information, de bærer. Så molekylet kan kode alle mulige sekvenser af genetisk information, det skal være muligt for underenhederne at forekomme i enhver rækkefølge.
Steven Benner, en beregningsmæssig genomikeforsker, mener, at vi muligvis kan udvikle rumfartøjseksperimenter til at påvise fremmede genetiske biopolymerer. Han bemærker, at DNA og RNA er meget usædvanlige biopolymerer, fordi ændring af sekvensen, hvor deres underenheder forekommer, ikke ændrer deres kemiske egenskaber. Det er denne usædvanlige egenskab, der tillader disse molekyler at være stabile bærere af enhver mulig genetisk kodesekvens.
DNA og RNA er begge polyelektrolyter; molekyler med regelmæssigt gentagne områder med negativ elektrisk ladning. Benner mener, at det er dette, der står for deres bemærkelsesværdige stabilitet. Han mener, at enhver fremmed genetisk biopolymer også skulle være en polyelektrolyt, og at der kan udarbejdes kemiske test, hvormed et rumfartøj muligvis kan påvise sådanne polyelektrolytmolekyler. At finde den fremmede modstykke til DNA er et meget spændende perspektiv og et andet stykke til puslespillet om at identificere fremmed liv.
I 1996 afgav præsident Clinton en dramatisk meddelelse om den mulige opdagelse af livet på Mars. Clintons tale var motiveret af resultaterne fra David McKays team med Alan Hills-meteoritten. Faktisk viste McKay-fundene sig at være kun et stykke til det større puslespil om muligt Marsliv. Medmindre en fremmed en dag forbliver forbi vores ventende kameraer, er det usandsynligt, at spørgsmålet om, hvorvidt det er udenjordisk liv, vil blive afgjort ved et enkelt eksperiment eller et pludseligt dramatisk gennembrud. Filosoffer og videnskabsmænd har ikke en enkelt, sikker ild-definition af livet. Astrobiologer har derfor ikke en enkelt sikker-brandtest, der løser problemet. Hvis der findes enkle livsformer på Mars eller andre steder i solsystemet, ser det nu ud til, at denne kendsgerning vil opstå gradvist, baseret på mange sammenhængende bevislinjer. Vi ved ikke rigtig, hvad vi leder efter, indtil vi finder det.
Referencer og videre læsning:
P. Anderson (2011) Kunne nysgerrighed bestemme, om Viking fandt liv på Mars?, Space Magazine.
S. K. Atreya, P. R. Mahaffy, A-S. Wong, (2007), metan og beslægtede sporarter på Mars: Oprindelse, tab, implikationer for livet og levedygtighed, Planetarisk og rumvidenskab, 55:358-369.
M. A. Bedau (2010), en aristotelisk beretning om minimal kemisk levetid, Astrobiology, 10(10): 1011-1020.
S. Benner (2010), Definition life, Astrobiology, 10(10):1021-1030.
E. Machery (2012), Hvorfor jeg stoppede med at bekymre mig om definitionen af livet ... og hvorfor du også burde, Synthese, 185:145-164.
G. M. Marion, C. H. Fritsen, H. Eicken, M. C. Payne, (2003) Søgningen efter liv på Europa: Begrænsende miljøfaktorer, potentielle levesteder og jordanaloger. Astrobiology 3(4):785-811.
L. J. Mix (2015), Forsvar af definitioner af liv, Astrobiology, 15 (1) bogført online inden offentliggørelsen.
P. E. Patton (2014) Måner af forvirring: Hvorfor det kan være sværere at finde fremmed liv, end vi troede, Space Magazine.
T. Reyes (2014) NASAs Curiosity Rover opdager Methane, Organics on Mars, Space Magazine.
S. Seeger, M. Schrenk og W. Bains (2012), Et astrofysisk billede af jordbaserede biosignaturgasser. Astrobiology, 12(1): 61-82.
S. Tirard, M. Morange og A. Lazcano, (2010), Definitionen af livet: En kort historie om en undvigende videnskabelig indsats, Astrobiology, 10(10):1003-1009.
C. Webster og adskillige andre medlemmer af MSL Science-teamet, (2014) Mars metan-detektion og variabilitet ved Gale-krateret, Videnskab, Videnskab udtrykker tidligt indhold.
Fandt landemænd fra Viking Mars livets byggesten? Manglende stykke inspirerer til nyt blik på puslespil. Science Daily Featured Research 5. september 2010
NASA-rover finder aktiv og gammel organisk kemi på Mars, Jet Propulsion-laboratorium, California Institute of Technology, News, 16. december 2014.
