ASTROBIOLOGIA: HISTORIA, PRZEDMIOT BADAŃ I ZNACZENIE - BIOLOGIA - 2025

Astrobiology lub exobiology jest gałęzią biologii, która zajmuje się dystrybucją i pochodzenia, dynamiki życia w kontekście z obu naszej planety, co cały wszechświat. Można by zatem powiedzieć, że astrobiologia jest dla wszechświata nauką, tym czym biologia jest dla planety Ziemi.

Ze względu na szerokie spektrum działania astrobiologii zbiegają się w niej inne nauki, takie jak między innymi: fizyka, chemia, astronomia, biologia molekularna, biofizyka, biochemia, kosmologia, geologia, matematyka, informatyka, socjologia, antropologia, archeologia.

Rycina 1. Artystyczna interpretacja związku między życiem a eksploracją kosmosu. Źródło: NASA / Cheryse Triano

Astrobiologia postrzega życie jako zjawisko, które może być „uniwersalne”. Zajmuje się ich możliwymi kontekstami lub scenariuszami; jego wymagania i minimalne warunki; zaangażowane procesy; jej ekspansywne procesy; wśród innych tematów. Nie ogranicza się do inteligentnego życia, ale bada każdy możliwy typ życia.

Historia astrobiologii

Być może historia astrobiologii sięga początków ludzkości jako gatunku i jej zdolności do zadawania sobie pytań o kosmos i życie na naszej planecie. Stamtąd rodzą się pierwsze wizje i wyjaśnienia, które są nadal obecne w mitach wielu ludów dzisiaj.

Wizja Arystotelesa

Arystotelesowska wizja uważała Słońce, Księżyc, pozostałe planety i gwiazdy za idealne kule, które krążą wokół nas, tworząc wokół nas koncentryczne okręgi.

Wizja ta stanowiła geocentryczny model wszechświata i była koncepcją, która naznaczyła ludzkość w średniowieczu. Prawdopodobnie nie mogło mieć wówczas sensu kwestia istnienia „mieszkańców” poza naszą planetą.

Widok kopernikański

W średniowieczu Nicolás Copernicus zaproponował swój heliocentryczny model, który umieścił Ziemię jako kolejną planetę obracającą się wokół Słońca.

To podejście głęboko wpłynęło na sposób, w jaki patrzymy na resztę wszechświata, a nawet na siebie, ponieważ umieściło nas w miejscu, które być może nie było tak „wyjątkowe”, jak myśleliśmy. Następnie możliwość istnienia innych planet podobnych do naszej, a wraz z nią życia innego niż to, które znamy.

Rysunek 2. Heliocentryczny system programu Copernicus. Źródło: domena publiczna, za pośrednictwem Wikimedia Commons

Pierwsze pomysły na życie pozaziemskie

Już pod koniec XVII wieku francuski pisarz i filozof Bernard le Bovier de Fontenelle zaproponował, że życie może istnieć na innych planetach.

W połowie XVIII wieku wielu uczonych związanych z Oświeceniem pisało o życiu pozaziemskim. Nawet czołowi astronomowie tamtych czasów, jak Wright, Kant, Lambert i Herschel, zakładali, że planety, księżyce, a nawet komety mogą być zamieszkane.

Tak rozpoczął się XIX wiek, kiedy większość naukowców akademickich, filozofów i teologów podzielała wiarę w istnienie życia pozaziemskiego na prawie wszystkich planetach. W tamtym czasie uznano to za rozsądne założenie, oparte na rosnącym naukowym zrozumieniu kosmosu.

Zignorowano przytłaczające różnice między ciałami niebieskimi Układu Słonecznego (dotyczące ich składu chemicznego, atmosfery, grawitacji, światła i ciepła).

Jednak wraz ze wzrostem mocy teleskopów i pojawieniem się spektroskopii astronomowie mogli zacząć rozumieć chemię pobliskich atmosfer planetarnych. Można zatem wykluczyć, że pobliskie planety były zamieszkane przez organizmy podobne do ziemskich.

Przedmiot badań astrobiologii

Astrobiologia skupia się na badaniu następujących podstawowych pytań:

• Czym jest życie?
• Jak powstało życie na Ziemi?
• Jak życie ewoluuje i rozwija się?
• Czy gdzie indziej we wszechświecie istnieje życie?
• Jaka jest przyszłość życia na Ziemi i we wszechświecie, jeśli takie istnieje?

Z tych pytań nasuwa się wiele innych pytań, wszystkie związane z przedmiotem badań astrobiologii.

Mars jako model do badań i eksploracji kosmosu

Czerwona planeta, Mars, była ostatnim bastionem hipotez dotyczących życia pozaziemskiego w Układzie Słonecznym. Idea istnienia życia na tej planecie wywodzi się początkowo z obserwacji astronomów pod koniec XIX i na początku XX wieku.

Twierdzili, że ślady na powierzchni Marsa były w rzeczywistości kanałami zbudowanymi przez populację inteligentnych organizmów. Obecnie uważa się, że te wzory są produktem wiatru.

Misje

Sondy kosmiczne Mariner są przykładem epoki kosmicznej, która rozpoczęła się pod koniec lat 50. Ta era umożliwiła bezpośrednią wizualizację i badanie powierzchni planet i Księżyca w Układzie Słonecznym; wykluczając w ten sposób roszczenia do wielokomórkowych i łatwo rozpoznawalnych pozaziemskich form życia w Układzie Słonecznym.

W 1964 r. Misja NASA Mariner 4 wysłała pierwsze zbliżone zdjęcia powierzchni Marsa, przedstawiające w zasadzie pustynną planetę.

Jednak kolejne misje na Marsa i na planety zewnętrzne pozwoliły na szczegółowy widok tych ciał i ich księżyców, a zwłaszcza w przypadku Marsa, częściowe zrozumienie ich wczesnej historii.

W różnych pozaziemskich warunkach naukowcy odkryli środowiska niewiele różniące się od zamieszkałych na Ziemi.

Najważniejszym wnioskiem z tych pierwszych misji kosmicznych było zastąpienie spekulatywnych założeń dowodami chemicznymi i biologicznymi, co pozwala na ich obiektywne badanie i analizę.

Czy na Marsie jest życie? Misja

Po pierwsze, wyniki misji Marinera potwierdzają hipotezę o nieistnieniu życia na Marsie. Musimy jednak wziąć pod uwagę, że poszukiwano życia makroskopowego. Kolejne misje podały w wątpliwość brak mikroskopijnego życia.

Rysunek 3. Sonda orbitalna i naziemna misji Viking. Źródło: Don Davis, za Wikimedia Commons

Na przykład z trzech eksperymentów mających na celu wykrycie życia, przeprowadzonych przez sondę naziemną misji Viking, dwa dały wynik dodatni, a jeden ujemny.

Mimo to większość naukowców zaangażowanych w eksperymenty z sondą Wikingów zgadza się, że nie ma dowodów na istnienie bakterii na Marsie, a wyniki są oficjalnie niejednoznaczne.

Rysunek 4. Sonda lądująca (Lander) misji Viking. Źródło: NASA / JPL-Caltech / University of Arizona, za pośrednictwem Wikimedia Commons

Misje

Po kontrowersyjnych wynikach misji wikingów Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) rozpoczęła w 2003 r. Misję Mars Express, zaprojektowaną specjalnie do badań egzobiologicznych i geochemicznych.

Misja ta obejmowała sondę o nazwie Beagle 2 (tak samo jak statek, którym podróżował Karol Darwin), zaprojektowaną do poszukiwania oznak życia na płytkiej powierzchni Marsa.

Sonda ta niestety straciła kontakt z Ziemią i nie mogła w zadowalający sposób wykonać swojej misji. Podobny los spotkał sondę NASA „Mars Polar Lander” w 1999 roku.

Misja

Po tych nieudanych próbach, w maju 2008 roku, misja NASA w Phoenix dotarła na Marsa, uzyskując niezwykłe wyniki w ciągu zaledwie 5 miesięcy. Jego główne cele badawcze były egzobiologiczne, klimatyczne i geologiczne.

Ta sonda była w stanie wykazać istnienie:

• Śnieg w atmosferze Marsa.
• Woda w postaci lodu pod górnymi warstwami tej planety.
• Gleby zasadowe o pH między 8 a 9 (przynajmniej w okolicy zejścia).
• Ciekła woda na powierzchni Marsa w przeszłości

Eksploracja Marsa trwa

Eksploracja Marsa trwa do dziś dzięki zaawansowanym technologicznie robotom. Misje Łazików (MER-A i MER-B) dostarczyły imponujących dowodów na aktywność wody na Marsie.

Na przykład znaleziono ślady świeżej wody, wrzących źródeł, gęstej atmosfery i aktywnego obiegu wody.

Rysunek 5. Rysunek łazika MER-B (Okazja) na powierzchni Marsa. Źródło: NASA / JPL / Cornell University, Maas Digital LLC, za pośrednictwem Wikimedia Commons

Na Marsie uzyskano dowody, że niektóre skały zostały uformowane w obecności ciekłej wody, takie jak Jarosite, wykryte przez łazik MER-B (Opportunity), który był aktywny w latach 2004-2018.

Łazik MER-A (Curiosity) mierzył sezonowe wahania metanu, które zawsze były związane z aktywnością biologiczną (dane opublikowane w 2018 roku w czasopiśmie Science). Znalazł również cząsteczki organiczne, takie jak tiofen, benzen, toluen, propan i butan.

Rysunek 6. Sezonowe wahania poziomów metanu na Marsie mierzone łazikiem MER-A (Curiosity). Źródło: NASA / JPL-Caltech

Na Marsie była woda

Chociaż powierzchnia Marsa jest obecnie niegościnna, istnieją wyraźne dowody na to, że w odległej przeszłości marsjański klimat pozwalał na gromadzenie się na powierzchni wody w stanie ciekłym, niezbędnego składnika życia, jakie znamy.

Dane Rover MER-A (Curiosity) pokazują, że miliardy lat temu jezioro w kraterze Gale zawierało wszystkie składniki niezbędne do życia, w tym składniki chemiczne i źródła energii.

Marsjańskie meteoryty

Niektórzy badacze uważają marsjańskie meteoryty za dobre źródło informacji o planecie, sugerując nawet, że istnieją naturalne cząsteczki organiczne, a nawet mikroskamieniałości bakterii. Podejścia te są przedmiotem debaty naukowej.

Rysunek 7. Widok mikroskopowy wewnętrznej struktury meteorytu ALH84001, przedstawiający struktury podobne do pałeczek. Źródło: NASA, za pośrednictwem Wikimedia Commons

Te meteoryty z Marsa są bardzo rzadkie i stanowią jedyne bezpośrednio analizowalne próbki czerwonej planety.

Panspermia, meteoryty i komety

Jedna z hipotez, która sprzyja badaniu meteorytów (a także komet), została nazwana panspermią. Polega to na założeniu, że w przeszłości doszło do kolonizacji Ziemi przez mikroorganizmy, które dostały się do tych meteorytów.

Obecnie istnieją również hipotezy, które sugerują, że woda lądowa pochodziła z komet, które bombardowały naszą planetę w przeszłości. Ponadto uważa się, że komety mogły przywieźć ze sobą pierwotne cząsteczki, które pozwoliły na rozwój życia lub nawet już rozwinięte życie, które zostało w nich osadzone.

Niedawno, we wrześniu 2017 r., Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) z powodzeniem zakończyła misję Rosseta, wystrzeloną w 2004 r. Misja ta polegała na zbadaniu komety 67P / Churyumov-Gerasimenko za pomocą sondy Philae, która dotarła do niej i okrążyła ją. następnie zejdź. Wyniki tej misji są nadal badane.

Znaczenie astrobiologii

Paradoks Fermiego

Można powiedzieć, że pierwotne pytanie, które motywuje do studiowania astrobiologii, brzmi: czy jesteśmy sami we wszechświecie?

W samej Drodze Mlecznej istnieją setki miliardów systemów gwiezdnych. Fakt ten, w połączeniu z wiekiem wszechświata, sugeruje, że życie powinno być powszechnym zjawiskiem w naszej galaktyce.

Na ten temat słynne jest pytanie zadane przez laureata Nagrody Nobla Enrico Fermiego: „Gdzie są wszyscy?”, Które zadał w kontekście lunchu, podczas którego dyskutowano o tym, że galaktyka powinna być pełna. życia.

To pytanie doprowadziło do paradoksu, który nosi jego imię i jest sformułowany w następujący sposób:

Program SETI i poszukiwanie pozaziemskiej inteligencji

Jedną z możliwych odpowiedzi na paradoks Fermiego może być to, że cywilizacje, o których myślimy, faktycznie istnieją, ale ich nie szukaliśmy.

W 1960 roku Frank Drake wraz z innymi astronomami rozpoczął program Search for Extraterrestrial Intelligence (SETI).

W ramach tego programu podjęto wspólne wysiłki z NASA w poszukiwaniu oznak życia pozaziemskiego, takich jak sygnały radiowe i mikrofalowe. Pytania, jak i gdzie szukać tych sygnałów, doprowadziły do ​​wielkich postępów w wielu gałęziach nauki.

Rysunek 8. Radioteleskop używany przez SETI w Arecibo w Puerto Rico. Źródło: JidoBG, z Wikimedia Commons

W 1993 roku Kongres Stanów Zjednoczonych anulował fundusze dla NASA na ten cel, w wyniku błędnych przekonań dotyczących znaczenia tego, co sugerują poszukiwania. Dziś projekt SETI jest finansowany ze środków prywatnych.

Projekt SETI zrodził nawet hollywoodzkie filmy, takie jak Contact, z aktorką Jodie Foster w roli głównej, inspirowane powieścią o tym samym tytule napisaną przez światowej sławy astronoma Carla Sagana.

Równanie Drake'a

Frank Drake oszacował liczbę cywilizacji posiadających umiejętności komunikacyjne, używając wyrażenia, które nosi jego imię:

N = R * xf _p xn _e xf _l xf _i xf _c x L

Gdzie N oznacza liczbę cywilizacji posiadających zdolność komunikowania się z Ziemią i jest wyrażane jako funkcja innych zmiennych, takich jak:

• R *: tempo powstawania gwiazd podobnych do naszego Słońca
• f _p : ułamek tych systemów gwiezdnych z planetami
• n _e : liczba planet podobnych do Ziemi na układ planetarny
• f _l : ułamek tych planet, na których rozwija się życie
• f _i : ułamek, w którym powstaje inteligencja
• f _c : ułamek planet dopasowanych komunikacyjnie
• L: oczekiwana długość „życia” tych cywilizacji.

Drake sformułował to równanie jako narzędzie do „oceny” problemu, a nie jako element do dokonywania konkretnych szacunków, ponieważ wiele jego warunków jest niezwykle trudnych do oszacowania. Istnieje jednak zgoda co do tego, że liczba, którą zwykle rzuca, jest duża.

Nowe scenariusze

Powinniśmy zauważyć, że kiedy formułowano równanie Drake'a, było bardzo mało dowodów na istnienie planet i księżyców poza naszym Układem Słonecznym (egzoplanety). Pierwsze dowody istnienia egzoplanet pojawiły się w latach 90.

Rysunek 9. Teleskop Keplera. Źródło: NASA, za pośrednictwem Wikimedia Commons

Na przykład misja NASA Kepler wykryła 3538 kandydatów na egzoplanety, z których co najmniej 1000 jest uważanych za „zamieszkałą strefę” rozpatrywanego systemu (odległość, która pozwala na istnienie wody w stanie ciekłym).

Astrobiologia i eksploracja krańców Ziemi

Jedną z zalet astrobiologii jest to, że w dużej mierze zainspirowała ona chęć poznania naszej własnej planety. To z nadzieją zrozumienia przez analogię działania życia w innych okolicznościach.

Na przykład badanie kominów hydrotermalnych na dnie oceanu pozwoliło nam po raz pierwszy zaobserwować życie niezwiązane z fotosyntezą. Oznacza to, że badania te pokazały nam, że mogą istnieć systemy, w których życie nie zależy od światła słonecznego, co zawsze było uważane za niezbędny wymóg.

To pozwala nam przypuszczać możliwe scenariusze życia na planetach, na których można uzyskać wodę w stanie ciekłym, ale pod grubymi warstwami lodu, co zapobiegałoby przedostawaniu się światła do organizmów.

Innym przykładem jest badanie suchych dolin Antarktydy. Tam uzyskali bakterie fotosyntetyczne, które przeżywają pod osłoną skał (bakterie endolityczne).

W tym przypadku skała służy zarówno jako podpora, jak i jako ochrona przed niekorzystnymi warunkami panującymi w miejscu. Tę strategię wykryto również w solankach i gorących źródłach.

Rysunek 10. Suche doliny McMurdo na Antarktydzie, jednym z miejsc na Ziemi najbardziej podobnych do Marsa. Źródło: Departament Stanu USA ze Stanów Zjednoczonych, za pośrednictwem Wikimedia Commons

Perspektywy astrobiologii

Naukowe poszukiwania życia pozaziemskiego nie powiodły się. Ale staje się coraz bardziej wyrafinowany, ponieważ badania astrobiologiczne dostarczają nowych spostrzeżeń. Następna dekada badań astrobiologicznych przyniesie:

• Większe wysiłki w celu zbadania Marsa i lodowych księżyców Jowisza i Saturna.
• Niespotykana umiejętność obserwacji i analizy planet pozasłonecznych.
• Większy potencjał projektowania i badania prostszych form życia w laboratorium.

Wszystkie te postępy niewątpliwie zwiększą nasze prawdopodobieństwo znalezienia życia na planetach podobnych do Ziemi. Ale być może życie pozaziemskie nie istnieje lub jest tak rozproszone po całej galaktyce, że nie mamy prawie żadnych szans na jego znalezienie.

Nawet jeśli ten drugi scenariusz jest prawdziwy, badania w astrobiologii w coraz większym stopniu poszerzają naszą perspektywę życia na Ziemi i jego miejsca we wszechświecie.

Bibliografia

1. Chela-Flores, J. (1985). Ewolucja jako zjawisko zbiorowe. Journal of Theoretical Biology, 117 (1), 107–118. doi: 10.1016 / s0022-5193 (85) 80166-1
2. Eigenbrode, JL, Summons, RE, Steele, A., Freissinet, C., Millan, M., Navarro-González, R.,… Coll, P. (2018). Materia organiczna zachowana w kamieniach mułowych sprzed 3 miliardów lat w kraterze Gale na Marsie. Science, 360 (6393), 1096-1101. doi: 10.1126 / science.aas9185
3. Goldman, AD (2015). Astrobiologia: przegląd. W: Kolb, Vera (red.). ASTROBIOLOGIA: Ewolucyjne podejście CRC Press
4. Goordial, J., Davila, A., Lacelle, D., Pollard, W., Marinova, MM, Greer, CW,… Whyte, LG (2016). Zbliżanie się do zimnych i suchych granic życia drobnoustrojów w wiecznej zmarzlinie górnej, suchej doliny, Antarktydy. The ISME Journal, 10 (7), 1613–1624. doi: 10.1038 / ismej.2015.239
5. Krasnopolsky, VA (2006). Niektóre problemy związane z pochodzeniem metanu na Marsie. Icarus, 180 (2), 359–367. doi: 10.1016 / j.icarus.2005.10.015
6. LEVIN, GV i STRAAT, PA (1976). Viking Labeled Release Biology Experiment: Interim Results. Science, 194 (4271), 1322-1329. doi: 10.1126 / science.194.4271.1322
7. Ten Kate, IL (2018). Cząsteczki organiczne na Marsie. Science, 360 (6393), 1068-1069. doi: 10.1126 / science.aat2662
8. Webster, CR, Mahaffy, PR, Atreya, SK, Moores, JE, Flesch, GJ, Malespin, C.,… Vasavada, AR (2018). Poziomy metanu w atmosferze Marsa w tle wykazują silne wahania sezonowe. Science, 360 (6393), 1093-1096. doi: 10.1126 / science.aaq0131
9. Whiteway, JA, Komguem, L., Dickinson, C., Cook, C., Illnicki, M., Seabrook, J.,… Smith, PH (2009). Marsa woda-lód chmury i opady. Science, 325 (5936), 68–70. doi: 10.1126 / science.1172344