בסרט "אווטר" נוכל לראות במבט חטוף שהירח הזר פנדורה שופע חיים זרים. ישנם 50 מיליון אורגניזמים בחיידק בגרם בודד של אדמה, והביומסה החיידקית ברחבי העולם עולה על זו של כל הצמחים ובעלי החיים. מיקרובים יכולים לצמוח בסביבות קיצוניות של טמפרטורה, מליחות, חומציות, קרינה ולחץ. הצורה הסבירה ביותר בה ניתקל בחיים במקום אחר במערכת השמש שלנו היא המיקרוביום.
אסטרוביולוגים זקוקים לאסטרטגיות להסקת נוכחותם של חיים חיידקים זרים או שרידים מאובנים שלהם. הם זקוקים לאסטרטגיות להסקת נוכחותם של חיים זרים בכוכבי הלכת הרחוקים של כוכבים אחרים, הרחוקים מכדי לחקור עם חלליות בעתיד הנראה לעין. כדי לעשות את הדברים האלה הם מייחלים להגדרת חיים, שתאפשר להבדיל באופן אמין בין חיים לבין אי-חיים.
לרוע המזל, כפי שראינו בפרק הראשון של הסדרה הזו, למרות גידול עצום בידע שלנו על דברים חיים, פילוסופים ומדענים לא הצליחו לייצר הגדרה כזו. אסטרוביולוגים מסתדרים כמיטב יכולתם עם הגדרות חלקיות, ויש בהן חריגים. החיפוש שלהם מכוון לתכונות החיים על כדור הארץ, החיים היחידים שאנחנו מכירים כיום.
בפרק הראשון ראינו כיצד הרכב החיים הארציים משפיע על החיפוש אחר חיים מחוץ לכדור הארץ. אסטרוביולוגים מחפשים סביבות שהכילו בעבר מים נוזליים או מכילים אותן כיום, ומכילות מולקולות מורכבות על בסיס פחמן. עם זאת, מדענים רבים רואים בתכונות החיוניות של החיים קשור ליכולותיהם במקום להרכבם.
בשנת 1994 אימצה ועדת נאס"א הגדרה של חיים כ"מערכת כימית בעלת יכולת התפתחות עצמית המסוגלת להתפתחות דרוויניסטית ", על בסיס הצעה של קרל סאגאן. הגדרה זו מכילה שני מאפיינים, מטבוליזם והתפתחות, המוזכרים בדרך כלל בהגדרות החיים.
מטבוליזם הוא מערך התהליכים הכימיים שבעזרתם חיים חיים משתמשים באופן פעיל באנרגיה כדי לתחזק את עצמם, לצמוח ולהתפתח. על פי החוק השני של התרמודינמיקה, מערכת שאינה מתקשרת עם הסביבה החיצונית שלה תהפוך לא מאורגנת ואחידה עם הזמן. דברים חיים בונים ומתחזקים את מצבם הבלתי סביר והמאורגן מאוד מכיוון שהם רותמים מקורות אנרגיה בסביבתם החיצונית בכדי להניע את חילוף החומרים שלהם.
צמחים וכמה חיידקים משתמשים באנרגיית אור השמש כדי לייצר מולקולות אורגניות גדולות יותר מתת יחידות פשוטות יותר. מולקולות אלה מאחסנות אנרגיה כימית שאפשר להפיק בהמשך על ידי תגובות כימיות אחרות להעצמת חילוף החומרים שלהן. בעלי חיים וכמה חיידקים צורכים צמחים או בעלי חיים אחרים כמזון. הם מפרקים מולקולות אורגניות מורכבות במזונם לפשוטות יותר, כדי לחלץ את האנרגיה הכימית המאוחסנת שלהם. ישנם חיידקים שיכולים להשתמש באנרגיה הכלולה בכימיקלים המופקים ממקורות שאינם חיים בתהליך הכימוסינתזה.
במאמר משנת 2014 ב אסטרוביולוגיה, לוקאס ג'ון מיקס, ביולוג אבולוציוני של הרווארד, התייחס להגדרה המטבולית של החיים כאל חיי האלדן אחרי הפיזיולוג החלוץ ג'יי. B. S. Haldane. להגדרת החיים של האלדאן יש בעיות. טורנדו וורטיקיות כמו הספוט האדום הגדול של צדק משתמשים באנרגיה סביבתית כדי לקיים את המבנה המסודר שלהם, אך אינם חיים. אש משתמשת באנרגיה מהסביבה שלה כדי לקיים את עצמה ולצמוח, אך גם אינה חיה.
למרות חסרונותיה, אסטרוביולוגים השתמשו בהגדרת הלדאן כדי ליצור ניסויים. הנחתים של מאדים הוויקינגים עשו את הניסיון היחיד עד כה לבדיקה ישירה לחיים מחוץ לכדור הארץ, על ידי איתור הפעילות המטבולית כביכול של חיידקים מאדים. הם הניחו כי חילוף החומרים של מאדים דומה מבחינה כימית למקבילה היבשתית שלו.
ניסוי אחד ביקש לאתר את ההתפלגות המטבולית של חומרים מזינים למולקולות פשוטות יותר כדי לחלץ את האנרגיה שלהם. שנייה שמטרתה לאתר חמצן כתוצר פסולת של פוטוסינתזה. שלישית ניסתה להראות ייצור של מולקולות אורגניות מורכבות מתוך יחידות משנה פשוטות יותר, המתרחשות גם במהלך פוטוסינתזה. נראה כי שלושת הניסויים הניבו תוצאות חיוביות, אולם חוקרים רבים מאמינים כי ניתן להסביר את הממצאים המפורטים ללא ביולוגיה על ידי חומרים מחמצנים כימיים באדמה.
חלק מתוצאות הוויקינגים נותרו שנויות במחלוקת עד היום. באותה תקופה, חוקרים רבים חשו שהכישלון למצוא חומרים אורגניים באדמת מאדים פסל פרשנות ביולוגית לתוצאות המטבוליות. הממצא האחרון כי אדמת מאדים אכן מכילה מולקולות אורגניות שעלולות להיהרס על ידי פרכלורטים במהלך ניתוח הוויקינגים, וכי מים נוזליים היו בעבר בשפע על פני מאדים, מעניקים סבירות חדשה לטענה כי ויקינג אולי הצליח למעשה לאתר החיים. עם זאת, בעצמם, תוצאות הוויקינג לא הוכיחו כי חיים קיימים במאדים ולא פוסלים זאת.
הפעילות המטבולית של החיים עשויה להותיר את חותמם גם בהרכב האטמוספירה הפלנטרית. בשנת 2003, החללית האירופית של מארס אקספרס גילתה עקבות של מתאן באטמוספירה המאדים. בדצמבר 2014, דיווחו צוות מדעני נאס"א כי המתלהב מאדים הסקרנים אישר ממצא זה על ידי מתאן אטמוספרי שהתגלה מעל פני המאדים.
רוב המתאן באטמוספירה של כדור הארץ משוחרר על ידי אורגניזמים חיים או שרידיהם. מערכות אקולוגיות חיידקיות תת-קרקעיות המשתמשות בכימוסינתזה כמקור אנרגיה הן נפוצות, והן מייצרות מתאן כמוצר פסולת מטבולית. למרבה הצער, ישנם גם תהליכים גיאוכימיים לא ביולוגיים שיכולים לייצר מתאן. אז שוב, מתאן של מאדים הוא דו משמעי באופן מתסכל כאות חיים.
כוכבי לכת חיצוניים המקיפים כוכבים אחרים רחוקים מכדי לבקר עם חלליות בעתיד הנראה לעין. האסטרוביולוגים עדיין מקווים להשתמש בהגדרת Haldane כדי לחפש את החיים עליהם. עם טלסקופי חלל קרובים לעתיד, אסטרונומים מקווים ללמוד את הרכב האטמוספרות של כוכבי לכת אלה על ידי ניתוח ספקטרום אורכי הגל האור המשתקפים או מועברים על ידי האטמוספרה שלהם. טלסקופ החלל ג'יימס ווב המתוכנן להשקה בשנת 2018, יהיה הראשון שישתמש בפרויקט זה. אסטרוביולוגים רוצים לחפש סמנים ביולוגיים באטמוספריים; גזים שהם תוצרי פסולת מטבולית של אורגניזמים חיים.
שוב, החיפוש הזה מונחה על ידי הדוגמה היחידה לכוכב לכת שיש לנו חיים; כדור הארץ. כ- 21% מהאווירה של כדור הארץ הביתי שלנו היא חמצן. זה מפתיע מכיוון שחמצן הוא גז בעל תגובה גבוהה הנוטה להיכנס לשילובים כימיים עם חומרים אחרים. חמצן חופשי אמור להיעלם במהירות מהאוויר שלנו. זה נשאר נוכח כי האובדן מוחלף כל הזמן על ידי צמחים וחיידקים המשחררים אותו כתוצר פסולת מטבולית של פוטוסינתזה.
עקבות מתאן קיימות באטמוספירה של כדור הארץ בגלל חיידקים כימוסינתטיים. מכיוון שמתן וחמצן מגיבים זה עם זה, איש מהם לא ישאר לאורך זמן אלא אם כן אורגניזמים חיים היו מחדשים ללא הרף את האספקה. האטמוספרה של כדור הארץ מכילה גם שרידים של גזים אחרים שהם תוצרי לוואי מטבוליות.
באופן כללי, דברים חיים משתמשים באנרגיה כדי לשמור על האטמוספרה של כדור הארץ במצב רחוק מהשיווי המשקל התרמודינמי אליו היה מגיע ללא חיים. אסטרוביולוגים היו חושדים בכל כוכב לכת עם אווירה במצב דומה של חיים. אך באשר למקרים האחרים, קשה לשלול לחלוטין אפשרויות לא ביולוגיות.
מלבד חילוף החומרים, ועדת נאס"א זיהתה את האבולוציה כיכולת בסיסית של דברים חיים. כדי שתהליך אבולוציוני יתרחש צריכה להיות קבוצת מערכות, שכל אחת מהן מסוגלת לשחזר את עצמה באופן מהימן. למרות המהימנות הכללית של ההתרבות, חייבות להיות מדי פעם גם שגיאות העתקה אקראיות בתהליך הרבייה כך שלמערכות יש תכונות שונות. לבסוף, על המערכות להיות שונות ביכולתן לשרוד ולהתרבות על סמך היתרונות או ההתחייבויות של תכונותיהם הייחודיות בסביבתם. כאשר תהליך זה חוזר שוב ושוב לאורך הדורות, תכונות המערכות יתאימו טוב יותר לסביבתם. תכונות מורכבות מאוד יכולות להתפתח לפעמים בצורה שלב אחר שלב.
תמהיל בשם זה חיי דארווין הגדרה, אחרי הטבע הטבעי צ'רלס דארווין, בן המאה התשע עשרה, שניסח את תורת האבולוציה. כמו ההגדרה Haldane, גם בהגדרת חיי דארווין יש חסרונות חשובים. זה מתקשה לכלול את כל מה שאנחנו עשויים לחשוב עליו כחי. פרדות, למשל, אינן יכולות להתרבות ולכן, לפי ההגדרה הזו, אינן נחשבות לחיים.
למרות חסרונות כאלה, הגדרת חיי דארווין חשובה באופן קריטי, הן עבור מדענים החוקרים את מקור החיים והן עבור האסטרוביולוגים. הגרסה המודרנית של התיאוריה של דארווין יכולה להסביר עד כמה צורות חיים מגוונות ומורכבות יכולות להתפתח מאיזו צורה פשוטה ראשונית. יש צורך בתיאוריה של מקור החיים כדי להסביר כיצד הצורה הפשוטה הראשונית רכשה את היכולת להתפתח מלכתחילה.
המערכות הכימיות או צורות החיים הנמצאות בכוכבי לכת או ירחים אחרים במערכת השמש שלנו עשויים להיות כה פשוטים עד שהם קרובים לגבול בין חיים לבין אי-חיים שהגדרת דארווין קובעת. ההגדרה עשויה להיות חיונית עבור אסטרוביולוגים המנסים להחליט אם מערכת כימית שהם מצאו באמת מתאימה כצורת חיים. ביולוגים עדיין לא יודעים איך מקורם של החיים. אם אסטרוביולוגים יכולים למצוא מערכות בקרבת גבול דארווין, ממצאי המחקר עשויים להיות חשובים מכדי להבנת מקור החיים.
האם אסטרוביולוגים יכולים להשתמש בהגדרת דארווין כדי למצוא ולחקור חיים מחוץ לכדור הארץ? לא סביר שחללית מבקרת תוכל לגלות את תהליך ההתפתחות עצמה. עם זאת, יתכן שהוא מסוגל לאתר את המבנים המולקולריים הדרושים לאורגניזמים חיים על מנת לקחת חלק בתהליך אבולוציוני. הפילוסוף מארק בדאו הציע שמערכת מינימלית המסוגלת לעבור אבולוציה תצטרך להכיל שלושה דברים: 1) תהליך מטבולי כימי, 2) מיכל, כמו קרום תא, בכדי לבסס את גבולות המערכת, ו -3) כימיקלים "תוכנית" המסוגלת לכוון את הפעילויות המטבוליות.
כאן בכדור הארץ התוכנית הכימית מבוססת על ה- DNA של המולקולה הגנטית. תיאורטיקנים רבים ממקור החיים חושבים כי המולקולה הגנטית של צורות החיים היבשתיות הקדומות ביותר הייתה אולי חומצת ריבונוקלאית המולקולה הפשוטה יותר (RNA). התוכנית הגנטית חשובה לתהליך אבולוציוני מכיוון שהיא הופכת את תהליך העתקת הרבייה ליציב, עם שגיאות מזדמנות בלבד.
גם ה- DNA וגם ה- RNA הם ביו-פולימרים; מולקולות ארוכות שרשרת עם הרבה יחידות משנה חוזרות. הרצף הספציפי של יחידות תת בסיס של נוקליאוטידים במולקולות אלה מקודד את המידע הגנטי שהם נושאים. כך שהמולקולה יכולה לקודד את כל הרצפים האפשריים של מידע גנטי, חייבת להיות אפשרית שהיחידות תתקיימו בכל סדר שהוא.
סטיבן בנר, חוקר גנומיקה חישובית, מאמין שייתכן שנוכל לפתח ניסויים בחלליות לגילוי ביו-פולימרים זרים. הוא מציין ש- DNA ו- RNA הם ביו-פולימרים חריגים מאוד מכיוון ששינוי הרצף בו מתרחשות יחידות המשנה שלהם אינו משנה את תכונותיהם הכימיות. תכונה יוצאת דופן זו היא המאפשרת למולקולות אלה להיות נשאים יציבים של כל רצף קוד גנטי אפשרי.
DNA ו- RNA הם שניהם פוליאלקטרוליטים; מולקולות עם אזורים חוזרים של מטען חשמלי שלילי באופן קבוע. בנר מאמין שזה מה שמסביר ליציבותם המופלאה. הוא חושב שכל ביו-פולימר גנטי זר צריך להיות גם פולי-אלקטרוליט, וניתן לתכנן בדיקות כימיות בהן חללית עשויה לאתר מולקולות פולי-אלקטרוליט כאלה. מציאת המקבילה הזרה של ה- DNA היא סיכוי מרגש ביותר, ופיסה נוספת לפאזל של זיהוי חיים זרים.
בשנת 1996 פרסם הנשיא קלינטון הודעה דרמטית על גילוי אפשרי של חיים במאדים. נאומו של קלינטון הונע מממצאי צוותו של דייוויד מקיי עם המטאוריט של אלן הילס. למעשה, ממצאי מקי התבררו כאל חלק אחד בלבד לפאזל הגדול יותר של חיי המאדים. אלא אם כן יום אחד זר מעבר למצלמות ההמתנה שלנו, לא סביר שהשאלה אם קיימים חיי חוץ-שטח לא תושלם על ידי ניסוי יחיד או פריצת דרך דרמטית פתאומית. לפילוסופים ומדענים אין הגדרה בודדת-אש של החיים. כתוצאה מכך אין אסטרוביולוגים בדיקת שריפה בודדת שתסדיר את הבעיה. אם קיימים צורות חיים פשוטות במאדים, או במקומות אחרים במערכת השמש, נראה כעת כי עובדה זו תצא בהדרגה, על סמך שורות ראיות רבות ומתכנסות. לא באמת נדע מה אנחנו מחפשים עד שנמצא את זה.
הפניות וקריאה נוספת:
פ. אנדרסון (2011) האם סקרנות יכולה לקבוע אם ויקינג מצא את החיים על מאדים?, מגזין החלל.
ש. ק. אטרייה, פ. ר. מהאפי, א-ש. Wong, (2007), מתאן ומינים עקבות קשורים במאדים: מקור, אובדן, השלכות על החיים והרגלי החיים, מדע פלנטרי וחלל, 55:358-369.
M. A. Bedau (2010), תיאור אריסטוטלי על חיים כימיים מינימליים, אסטרוביולוגיה, 10(10): 1011-1020.
ש 'בנר (2010), הגדרת החיים, אסטרוביולוגיה, 10(10):1021-1030.
א. מאצ'רי (2012), מדוע הפסקתי לדאוג להגדרת החיים ... ולמה גם אתה צריך, סינתזה, 185:145-164.
G. M. Marion, C. H. Fritsen, H. Eicken, M. C. Payne, (2003) החיפוש אחר החיים באירופה: הגבלת גורמים סביבתיים, בתי גידול פוטנציאליים ואנלוגים של כדור הארץ. אסטרוביולוגיה 3(4):785-811.
L. J. Mix (2015), הגנה על הגדרות החיים, אסטרוביולוגיה, 15 (1) פורסמו ברשת לפני הפרסום.
P. E. Patton (2014) ירחים של בלבול: מדוע למצוא חיים מחוץ לכדור הארץ עשוי להיות קשה ממה שחשבנו, מגזין החלל.
T. Reyes (2014) רובר הסקרנות של נאס"א מגלה מתאן, אורגניקים על מאדים, מגזין החלל.
S. Seeger, M. Schrenk, and W. Bains (2012), מבט אסטרופיזי של גזי ביו-חתימה מבוססי כדור הארץ. אסטרוביולוגיה, 12(1): 61-82.
ש 'טירארד, מ' מוראנג 'וא' לזקנו, (2010), הגדרת החיים: היסטוריה קצרה של מאמץ מדעי חמקמק, אסטרוביולוגיה, 10(10):1003-1009.
ג. וובסטר, ורבים מחברי הצוות המדעי של MSL, (2014) איתור ומתאן של מאדים במכתש גייל, מדע, מדע מביע תוכן מוקדם.
האם תושבי וויקינג מאדים מצאו אבני בניין לחיים? היצירה החסרה מעוררת מראה חדש על הפאזל. המחקר המדעי המוצג יומי 5 בספטמבר 2010
רובר של נאס"א מוצא כימיה אורגנית פעילה ועתיקה במאדים, מעבדת הנעה של Jet, המכון הטכנולוגי בקליפורניה, חדשות, 16 בדצמבר, 2014.
