Przed rokiem 1976, kiedy Viking 1 i 2 stały się pierwszymi statkami kosmicznymi, które z powodzeniem wylądowały i działały na powierzchni Marsa, globalna wyobraźnia desperacko pragnęła czerwonej planety, która żyła życiem. Lądowniki Viking zostały zaprojektowane do testowania drobnoustrojów, ale prawdziwą nadzieją, jaką obdarzali nawet najbardziej zmęczeni naukowcy planetarni, było to, że sonda NASA odkryje skomplikowane życie na Marsie - coś, co się przeleciało, a może chropowaty krzew. W końcu Mars był naszą ostatnią, najlepszą nadzieją po tym, jak astronomowie (i statek kosmiczny Mariner 2) na zawsze pokonali pojęcie dinozaurów tłukących się po wilgotnych, wenusjańskich torfowiskach. To był Mars albo popiersie; Merkury był po prostu zbyt blisko słońca, a poza pas asteroid, jak sądzono, leżała kraina gazowych gigantów i zamarzniętych księżyców bez mikrobów.
Eksploracja Układu Słonecznego od czasów Vikinga reprezentuje świat po świecie chwytający się czegoś - wszystkiego - co mogłoby sugerować życie takim, jakie znamy (lub życiem takim, jakiego nie znamy). Dziś oceany księżyca Jowisza Europa są tym, czym były bagna Wenus i kanały Marsa w XX wieku: być może najlepsza opcja na unicestwienie ludzkiej samotności. Kolejna sztandarowa misja NASA na zewnętrznych planetach, Europa Clipper, będzie próbowała określić, czy lodowy księżyc nadaje się do zamieszkania. Jakiś przyszły lądownik lub pływak będzie musiał znaleźć życie, jeśli ono tam jest. Strefa mieszkalna Układu Słonecznego obejmuje teraz potencjalnie każdą planetę w Układzie Słonecznym. Enceladus i Tytan, krążący wokół Saturna, są dobrymi kandydatami, podobnie jak Tryton wokół Neptuna. Podobnie jak woda, życie może być wszędzie.
A jednak znaleźliśmy go tylko tutaj, gdzie tętni - gdzie wydaje się niezniszczalny, pomimo wielu zdarzeń na poziomie wyginięcia. Asteroida zderza się z Ziemią i niszczy prawie wszystko? Mikroby tworzą dom w pęknięciach spowodowanych impaktorem zabójcy i wszystko zaczyna się od nowa. W oparciu o naszą próbkę jednego świata, gdy życie zaczyna się, bardzo, bardzo trudno jest odejść. I tak szukamy dalej.
Mozaika Europy, czwartego co do wielkości księżyca Jowisza, wykonana ze zdjęć wykonanych przez statek kosmiczny Galileo w 1995 i 1998 r. Uważa się, że Europa ma globalny ocean pod powierzchnią z większą ilością wody niż Ziemia, co czyni go jednym z najbardziej obiecujących miejsc w Układzie Słonecznym dla astrobiologów w poszukiwaniu życia. (NASA / JPL-Caltech / SETI Institute) Iskrzenie życia z martwości - znane jako abiogeneza - jest procesem, który naukowcy dopiero zaczynają rozumieć. Astronomowie, biolodzy, chemicy i planetolodzy pracują razem, aby skrupulatnie złożyć puzzle, które krzyżują dyscypliny i przedmioty niebieskie. Na przykład niedawno stwierdzono, że chondryty węglowe - niektóre z najstarszych skał w Układzie Słonecznym - zawierają kwas pirogronowy, który jest niezbędny do metabolizmu. Kiedy chondryty padały na tę planetę jak meteoryty, mogły one zapłodnić Ziemię bez życia. Ta teoria nie odpowiada na wszechogarniające pytanie: „Skąd pochodzimy?”, Ale stanowi kolejną wskazówkę w poszukiwaniu tego, jak to się wszystko zaczęło.
Abiogeneza nawet nie wymaga DNA - a przynajmniej DNA, ponieważ istnieje we wszystkich znanych formach życia. DNA składa się z czterech zasad nukleotydowych, ale na początku tego roku genetycy stworzyli syntetyczne DNA przy użyciu ośmiu zasad. (Nazwali to DNA hachimoji.) Ten dziwny kod genetyczny może tworzyć stabilne podwójne helisy. Może się rozmnażać. Może nawet mutować. Naukowcy nie stworzyli życia; udowodnili jednak, że nasza koncepcja życia jest w najlepszym razie prowincjonalna.
„Ziemski”
Podczas gdy praca w laboratoriach pomoże zdefiniować, w jaki sposób życie może powstać z materii nieożywionej, teleskopy kosmiczne, takie jak Kepler, który zakończył działalność w ubiegłym roku, oraz TESS, który wystartował w ubiegłym roku, znajdują nowe planety do badań. Te statki kosmiczne szukają egzoplanet za pomocą metody tranzytowej, wykrywając maleńkie spadki światła gwiazdy, gdy planeta przechodzi między nami a nami. Dwadzieścia pięć lat temu istnienie planet krążących wokół innych gwiazd było hipotetyczne. Teraz egzoplanety są tak prawdziwe, jak te krążące wokół naszego Słońca. Sam Kepler odkrył co najmniej 2662 egzoplanet. Większość z nich jest niegościnna dla życia, jakie znamy, chociaż garstka jest czasami określana jako „ziemska”.
„Kiedy mówimy:„ Znaleźliśmy planetę najbardziej podobną do Ziemi ”, ludzie czasami mają na myśli, że promień jest właściwy, masa jest odpowiednia i musi znajdować się w strefie zamieszkiwalnej”, mówi John Wenz, autor The Lost Planets, historia wczesnych prób polowania na egzoplanetę, która zostanie opublikowana w tym roku przez MIT Press. „Ale wiemy, że większość odkrytych egzoplanet znajduje się wokół czerwonych karłów. Ich środowisko nie musi być bardzo podobne do Ziemi i istnieje duża szansa, że wielu z nich nie będzie miało atmosfery ”.
To nie tak, że Ziemia jest najbardziej wyjątkową planetą we wszechświecie. W naszym Układzie Słonecznym Wenus łatwo zarejestrowałaby się w kosmicznych łowcach egzoplanet jako bliźniak Ziemi. Ale trudniej jest znaleźć planety takie jak Ziemia, zarówno dlatego, że są mniejsze od gazowych gigantów, jak i dlatego, że nie krążą wokół swoich gwiazd-gospodarzy tak blisko, jak planety wokół czerwonych karłów.
„Możliwe, że prawdziwe planety podobne do Ziemi są niezwykle powszechne, ale nie mamy zasobów, które moglibyśmy przeznaczyć na ich poszukiwania”, mówi Wenz. Najbardziej obiecującą dotychczas odkrytą egzoplanetą Earth 2.0 jest Kepler-452b, która jest nieco większa od Ziemi, z nieco większą masą i ma przyjemną 385-dniową orbitę wokół gwiazdy podobnej do Słońca. Problem polega na tym, że może nie istnieć, jak sugerują badania z zeszłego roku. Może to być po prostu szum statystyczny, ponieważ jego wykrycie było na granicy możliwości Keplera, a statek kosmiczny zginął, zanim można było przeprowadzić dalsze obserwacje.
Artystyczna koncepcja Kepler-186f, egzoplanety wielkości Ziemi około 500 lat świetlnych stąd, która krąży w strefie życia gwiazdy. Planeta jest mniejsza niż dziesięć procent od Ziemi, a jej gwiazda macierzysta ma około połowę wielkości i masy Słońca. (NASA Ames / JPL-Caltech / T. Pyle) Po uruchomieniu na początku 2020 roku kosmiczny teleskop Jamesa Webba będzie celował w wiele egzoplanet odkrytych przez Keplera i TESS. Będzie w stanie rozdzielić odległe światy na piksel lub dwa, ale odpowie na palące pytania w nauce egzoplanet, takie jak to, czy planeta krążąca wokół czerwonej karły może utrzymać swoją atmosferę pomimo częstych rozbłysków i erupcji z takich planet gwiazdy. JWST może nawet przedstawić pośrednie dowody istnienia obcych oceanów.
„Nie zobaczysz kontynentów” - mówi Wenz. „[Ale] możesz spojrzeć na coś i zobaczyć niebieską kropkę lub rodzaj odgazowania, jaki można sobie wyobrazić z ciągłego cyklu odparowywania”.
Strefa Abiogenezy
Katalog Habitable Exoplanet zawiera obecnie 52 światy poza naszym Układem Słonecznym, które mogą podtrzymywać życie, choć wiadomości mogą nie być tak ekscytujące. Bycie we właściwej odległości od gwiazdy, aby temperatura powierzchni unosiła się powyżej zera i poniżej wrzenia, nie jest jedynym wymogiem życia - i na pewno nie jedynym wymogiem rozpoczęcia życia. Według Marcosa Jusino-Maldonado, badacza z University of Puerto Rico w Mayaguez, prawidłowa ilość światła ultrafioletowego (UV) padającego na planetę z gwiazdy macierzystej jest jednym ze sposobów, w jaki życie może powstać z cząsteczek organicznych w środowiskach prebiotycznych (choć nie jedyny sposób).
„Aby reakcje pozwalały na pojawienie się abiogenezy, planeta musi znajdować się w strefie nadającej się do zamieszkania, ponieważ potrzebuje ciekłej wody powierzchniowej”, mówi Jusino-Maldonado. „Zgodnie z pierwotną teorią zupy cząsteczki i słona woda reagują i ostatecznie powstają życie.” Uważa się jednak, że reakcje te iskrzą tylko w miejscu zwanym strefą abiogenezy. „Jest to krytyczny obszar wokół gwiazdy, w którym ważne dla życia cząsteczki prekursorowe mogą być wytwarzane w wyniku reakcji fotochemicznych.”
Promieniowanie UV mogło być kluczem do wywołania reakcji, które prowadzą do powstawania bloków życia na Ziemi, takich jak nukleotydy, aminokwasy, lipidy i ostatecznie RNA. Badania w 2015 r. Sugerowały, że cyjanowodór - prawdopodobnie sprowadzony na Ziemię, gdy węgiel w meteorytach reagował z azotem w atmosferze - mógł być kluczowym składnikiem tych reakcji napędzanych światłem UV.
Aby dalej przetestować teorię, w ubiegłym roku, jak podano w czasopismach Science Advances and Chemistry Communications, naukowcy wykorzystali lampy UV do napromieniowania mieszaniny siarkowodoru i jonów cyjanowodoru. Powstałe reakcje fotochemiczne zostały następnie porównane z tą samą mieszaniną chemikaliów przy braku światła UV, a naukowcy odkryli, że promieniowanie UV było wymagane do reakcji w celu wytworzenia prekursorów RNA niezbędnych do życia.
RNA (kwas rybonukleinowy) i DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy) są kwasami nukleinowymi, które wraz z węglowodanami, lipidami i białkami są niezbędne dla wszystkich znanych form życia. (Sponk / Roland1952 przez Wikicommons pod CC BY-SA 3.0) Aby fotochemia UV mogła wytworzyć te komórkowe elementy budulcowe, długość fali światła UV musi wynosić około 200 do 280 nanometrów. Jusino-Maldonado mówi, że w swojej pracy koncepcja ta została zastosowana w modelu mieszkalnej egzoplanety. „Ze wszystkich nadających się do zamieszkania egzoplanet tylko osiem z nich znajduje się w strefie nadającej się do zamieszkania i strefie abiogenezy”.
Chociaż wszystkie osiem znajduje się zarówno w strefach zamieszkiwanych, jak i strefach abiogenezy, żadna z nich nie jest szczególnie sprzyjająca życiu, mówi Jusino-Maldonado. Każdy z ośmiu światów jest albo „super-Ziemią”, albo „mini-Neptunem”. Najbardziej prawdopodobnymi kandydatami są Kepler-452b (jeśli istnieje) i może τ Cet e (jeśli jego promień jest odpowiedni). Żadne światy wielkości Ziemi nie zostały jeszcze odkryte zarówno w strefach zamieszkiwanych, jak i abiogenezy.
Ustalanie standardów
Podczas poszukiwań prawdziwie zamieszkałego świata obcych, astrobiologowie próbują stworzyć ramy do kategoryzacji, dyskusji i badań tych planet. Wielkie naukowe prace do pracy wymagają standardów definicji i pomiaru. Astrobiologia jest stosunkowo młodym kierunkiem studiów, a jednym z palących, nietrywialnych pytań, na jakie się stawia, jest to, jak definiuje się warunki do zamieszkania? Jak definiujesz życie?
„Pracuję nad tym problemem od dziesięciu lat”, mówi Abel Mendéz, astrobiolog planetarny i dyrektor Planetary Habitability Laboratory na uniwersytecie w Puerto Rico w Arecibo. „Wiedziałem, że problem zamieszkiwania wymaga pracy. Wszyscy mieli do czynienia z tym, jak to zdefiniować. ”Na początku tego roku, podczas 50. dorocznej Konferencji Nauk Księżycowych i Planetarnych w Houston w Teksasie, Mendéz przedstawił swoje ostatnie prace nad globalnym modelem siedliska powierzchni, mającym zastosowanie do planet zarówno w naszym Układzie Słonecznym, jak i poza nim .
Po przeczesaniu literatury zdał sobie sprawę, że astrobiologowie nie byli pierwszymi, którzy napotkali problemy z definicją, kategoryzacją i jednolitością w odniesieniu do zamieszkiwania. Czterdzieści lat temu ekolodzy zmagali się z tym samym wyzwaniem. „Wszyscy określali warunki mieszkaniowe tak, jak tego chcieli w różnych dokumentach” - mówi Mendéz. W latach 80. ekolodzy zebrali się, by stworzyć formalną definicję. Wyliczyli średnie w celu zmierzenia zamieszkiwania, opracowując system o zakresie od 0 do 1, przy czym 0 oznacza, że nie nadaje się do zamieszkania, a 1 jest wysoce nadający się do zamieszkania.
Mendéz mówi, że posiadanie pojedynczych ram było kluczowe dla rozwoju ekologii i bardzo brakuje jej w astrobiologii. Budowanie modelu mieszkalności dla całych planet rozpoczęto od zidentyfikowania zmiennych, które można obecnie zmierzyć. „Po opracowaniu formalnego systemu można z niego zbudować systemy i stworzyć bibliotekę nadającą się do zamieszkania w różnych kontekstach”.
Wykres egzoplanet potencjalnie nadających się do zamieszkania. (Abel Mendez / Planetary Habitability Lab / UPR-Arecibo) Po pierwsze, Mendéz musiał zmierzyć się z jedynym pomiarem przydatności siedliska „1” w znanym wszechświecie. „Jeśli proponujesz model mieszkalny, musisz sprawić, by Ziemia działała”, mówi. Jego laboratorium wykorzystało swój model do porównania siedlisk różnych biomów, takich jak pustynie, oceany, lasy i tundra.
„Jeśli obliczymy siedlisko regionu - nie biorąc pod uwagę życia, ale ile masy i energii jest dostępnych na niezależne życie - jest to bardziej pomiar środowiskowy. Korelujemy to z rzeczywistym pomiarem produktywności biologicznej w regionie: naszą podstawową prawdą. To nasz test. ”Kiedy jego grupa dokonała oceny siedliska środowiskowego i produktywności biologicznej, odkryli coś, co Mendéz określił jako„ niezłą korelację ”.
Obecnie model Mendéza dotyczący siedliska uwzględnia zdolność planet skalistych do wspierania wód powierzchniowych, wiek i zachowanie ich gwiazd, a także dynamikę orbity i siły pływowe działające na te światy. Model uwzględnia masę i energię w systemie oraz procent tej masy i energii dostępnej dla gatunku lub biosfery. (Ten procent jest najtrudniejszą częścią równania. Nie można na przykład twierdzić, że 100 procent masy Ziemi jest dostępne do życia).
Ograniczony do „cienkiej warstwy przy powierzchni ciała planetarnego” model określa, czy Ziemia nadaje się do zamieszkania na 1, wczesny Mars ma być mniejszy lub równy 0, 034, a Titan mniejszy lub równy 0, 000139. Model jest niezależny od rozważanego rodzaju życia - na przykład zwierzęta kontra rośliny - a światy takie jak Europa z „podziemnymi biosferami” nie zostały jeszcze uwzględnione.
Takie prace przygotowawcze są nieocenione, ale ich zdolność do przewidywania zamieszkiwania jest nadal ograniczona, częściowo dlatego, że dotyczy tylko życia, jakie znamy. W 2017 r. Naukowcy Cornell opublikowali artykuł ujawniający dowody na cząsteczkę akrylonitrylu (cyjanek winylu) na Tytanie, która hipotetycznie może być kluczem do życia opartego na metanie w świecie beztlenowym - życie naprawdę obce, w przeciwieństwie do wszystkiego, co kiedykolwiek mieliśmy znany. Jeśli życie rozkwitnie na tak tradycyjnie niegościnnym świecie, jakim jest Tytan, i powinniśmy go znaleźć, Mendez pisze w streszczeniu opisującym swój model: „Antykorelację między miarami zamieszkiwania a biosignaturami można interpretować jako proces abiotyczny lub jako życie, którego nie robimy ” wiem. ”
W każdym razie brak światów zewnętrznie sprzyjających życiu oznacza, że ludzkość musi kontynuować ulepszanie swoich obserwatoriów i skierować oczy na odległe królestwa. To duża galaktyka, pełna rozczarowań. Nie mamy już nadziei, że Marsjanie kopią drogi wodne lub dinozaury sięgające po mech na drzewach Wenus, ale wciąż marzymy o kałamarnicach pływających przez morza w Europie i kto wie, co czai się w węglowodorowych jeziorach Tytana. Jeśli te światy również się nie dostarczą, zależy to od egzoplanet - i są one poza naszymi możliwościami obserwacyjnymi i bardzo daleko od domu.
