Im Film „Avatar“ konnten wir auf einen Blick erkennen, dass der außerirdische Mond Pandora wimmelte von außerirdischem Leben. Hier auf der Erde sind jedoch nicht die Pflanzen und Tiere das häufigste Leben, mit denen wir vertraut sind. Das am häufigsten vorkommende Leben ist einfach und mikroskopisch klein. In einem Gramm Boden befinden sich 50 Millionen Bakterienorganismen, und die weltweite Bakterienbiomasse übersteigt die aller Pflanzen und Tiere. Mikroben können in extremen Umgebungen mit Temperatur, Salzgehalt, Säure, Strahlung und Druck wachsen. Die wahrscheinlichste Form, in der wir anderswo in unserem Sonnensystem auf Leben treffen, ist mikrobiell.
Astrobiologen brauchen Strategien, um auf das Vorhandensein von außerirdischem mikrobiellem Leben oder seinen versteinerten Überresten zu schließen. Sie brauchen Strategien, um auf die Anwesenheit von außerirdischem Leben auf den fernen Planeten anderer Sterne zu schließen, die in absehbarer Zeit zu weit entfernt sind, um sie mit Raumfahrzeugen zu erforschen. Dafür sehnen sie sich nach einer Definition von Leben, die es ermöglicht, Leben und Nicht-Leben zuverlässig zu unterscheiden.
Leider, wie wir im gesehen haben erster Teil dieser Reihe , trotz des enormen Wachstums unseres Wissens über Lebewesen waren Philosophen und Wissenschaftler nicht in der Lage, eine solche Definition zu erstellen. Astrobiologen kommen so gut sie können mit partiellen Definitionen und Ausnahmen zurecht. Ihre Suche orientiert sich an den Besonderheiten des Lebens auf der Erde, dem einzigen Leben, das wir derzeit kennen.
Im ersten Teil haben wir gesehen, wie die Zusammensetzung des irdischen Lebens die Suche nach außerirdischem Leben beeinflusst. Astrobiologen suchen nach Umgebungen, die früher oder gegenwärtig flüssiges Wasser enthielten und die komplexe Moleküle auf Kohlenstoffbasis enthalten. Viele Wissenschaftler sehen jedoch die wesentlichen Merkmale des Lebens in seinen Fähigkeiten statt in seiner Zusammensetzung.
1994 verabschiedete ein NASA-Komitee eine Definition von Leben als „selbsterhaltendes chemisches System, das zur Darwinschen Evolution fähig ist“, basierend auf einem Vorschlag von Carl Sagan. Diese Definition enthält zwei Merkmale, Stoffwechsel und Evolution, die typischerweise in Definitionen des Lebens erwähnt werden.
Der Stoffwechsel ist der Satz chemischer Prozesse, bei denen Lebewesen Energie aktiv nutzen, um sich selbst zu erhalten, zu wachsen und sich zu entwickeln. Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik wird ein System, das nicht mit seiner äußeren Umgebung interagiert, mit der Zeit desorganisierter und gleichförmiger. Lebewesen bauen und erhalten ihren unwahrscheinlichen, hoch organisierten Zustand, weil sie Energiequellen in ihrer äußeren Umgebung nutzen, um ihren Stoffwechsel anzutreiben.
Pflanzen und einige Bakterien nutzen die Energie des Sonnenlichts, um aus einfacheren Untereinheiten größere organische Moleküle herzustellen. Diese Moleküle speichern chemische Energie, die später durch andere chemische Reaktionen extrahiert werden kann, um ihren Stoffwechsel anzutreiben. Tiere und einige Bakterien verzehren Pflanzen oder andere Tiere als Nahrung. Sie bauen komplexe organische Moleküle in ihrer Nahrung in einfachere ab, um ihre gespeicherte chemische Energie zu extrahieren. Einige Bakterien können die Energie, die in Chemikalien enthalten ist, die aus nicht lebenden Quellen stammen, im Prozess der Chemosynthese nutzen.
In einem Artikel aus dem Jahr 2014 inAstrobiologie, Lucas John Mix, ein Evolutionsbiologe aus Harvard, bezeichnete die metabolische Definition des Lebens alsHaldane Lebennach dem wegweisenden Physiologen J. B. S. Haldane . Die Haldane-Lebensdefinition hat ihre Probleme. Tornados und Wirbel wie Jupiters großer roter Fleck nutzen Umweltenergie, um ihre geordnete Struktur zu erhalten, sind aber nicht am Leben. Feuer verwendet Energie aus seiner Umgebung, um sich selbst zu erhalten und zu wachsen, aber es ist auch nicht lebendig.
Trotz ihrer Unzulänglichkeiten haben Astrobiologen die Haldane-Definition verwendet, um Experimente zu entwickeln. Die Viking Mars-Lander machte bisher den einzigen Versuch, direkt auf außerirdisches Leben zu testen, indem er die vermeintlichen Stoffwechselaktivitäten von Mars-Mikroben entdeckte. Sie nahmen an, dass der Mars-Stoffwechsel seinem terrestrischen Gegenstück chemisch ähnlich ist.
Ein Experiment zielte darauf ab, den metabolischen Abbau von Nährstoffen in einfachere Moleküle nachzuweisen, um deren Energie zu extrahieren. Eine zweite zielte darauf ab, Sauerstoff als Abfallprodukt der Photosynthese nachzuweisen. Ein dritter versuchte, die Herstellung komplexer organischer Moleküle aus einfacheren Untereinheiten zu zeigen, die auch bei der Photosynthese stattfindet. Alle drei Experimente schienen positive Ergebnisse zu liefern, aber viele Forscher glauben, dass die detaillierten Ergebnisse ohne Biologie durch chemische Oxidationsmittel im Boden erklärt werden können.
1976 landeten zwei Viking-Raumschiffe auf dem Mars. Das Bild zeigt ein Modell des Viking-Landers zusammen mit dem Astronomen und bahnbrechenden Astrobiologen Carl Sagan. Jeder Lander war mit Experimenten zur Erkennung von Leben ausgestattet, die darauf ausgelegt waren, Leben anhand seiner Stoffwechselaktivitäten zu erkennen. Es wurde angenommen, dass diese Aktivitäten denen der irdischen Organismen chemisch ähnlich sind. Die drei Experimente umfassten: 1) Das markierte Freisetzungsexperiment, bei dem radioaktiv markierte organische Nährstoffe dem Marsboden zugesetzt wurden. Wenn Organismen vorhanden wären, wurde angenommen, dass ihr Stoffwechsel die Nährstoffe für ihren Energiegehalt zerlegt und markiertes Kohlendioxid als Abfallprodukt freisetzt. 2) Das Gasaustauschexperiment, bei dem der Marsboden mit Nährstoffen und Licht versorgt und auf Sauerstoffabgabe überwacht wurde. Auf der Erde setzen Organismen, die die Energie des Sonnenlichts durch den Prozess der Photosynthese einfangen, wie Pflanzen und einige Bakterien, Sauerstoff als Abfallprodukt frei. 3) Das pyrolytische Freisetzungsexperiment, bei dem Marsboden in eine Kammer mit radioaktiv markiertem Kohlendioxid gegeben wurde. Wenn es Organismen im Boden gäbe, die wie auf der Erde Photosynthese betreiben, würden ihre Stoffwechselprozesse das Gas aufnehmen und die Energie des Sonnenlichts nutzen, um komplexere organische Moleküle herzustellen. Radioaktiver Kohlenstoff würde freigesetzt, wenn diese komplexeren Moleküle durch Erhitzen der Probe abgebaut würden. Alle drei Experimente ergaben scheinbar positive Ergebnisse. Die meisten Wissenschaftler lehnten diese Interpretation jedoch ab, weil die Details vieler Ergebnisse durch die Annahme erklärt werden könnten, dass es anstelle von Leben chemische Oxidationsmittel im Boden gebe, und weil Viking es versäumte, organisches Material im Marsboden zu entdecken. Diese Interpretation, insbesondere für das Experiment zur markierten Freisetzung, ist bis heute umstritten und muss möglicherweise aufgrund neuerer Erkenntnisse überprüft werden.
Credits: NASA/Jet Propulsion Laboratory, Caltech
Einige der Viking-Ergebnisse bis heute umstritten . Damals waren viele Forscher der Ansicht, dass das Versäumnis, organisches Material im Marsboden zu finden, eine biologische Interpretation der Stoffwechselergebnisse ausschloss. Die neuere Entdeckung, dass der Marsboden tatsächlich organische Moleküle enthält, die während der Viking-Analyse durch Perchlorate zerstört worden sein könnten, und dass einst flüssiges Wasser auf der Marsoberfläche reichlich vorhanden war, verleihen der Behauptung, dass Viking tatsächlich erfolgreich entdeckt wurde, neue Plausibilität Leben. Die Viking-Ergebnisse allein haben jedoch weder bewiesen, dass Leben auf dem Mars existiert, noch ausgeschlossen.
Die Stoffwechselaktivitäten des Lebens können auch ihre Spuren in der Zusammensetzung der planetaren Atmosphären hinterlassen. Im Jahr 2003 hat die Europäische Die Raumsonde Mars Express hat Spuren von Methan entdeckt in der Marsatmosphäre. Im Dezember 2014 berichtete ein Team von NASA-Wissenschaftlern, dass die Curiosity Mars Rover hatte dieses Ergebnis bestätigt durch nachgewiesenes atmosphärisches Methan von der Marsoberfläche.
Das meiste Methan in der Erdatmosphäre wird von lebenden Organismen oder deren Überresten freigesetzt. Unterirdische bakterielle Ökosysteme, die Chemosynthese als Energiequelle nutzen, sind weit verbreitet und produzieren Methan als Stoffwechselabfallprodukt. Leider gibt es auch nicht-biologische geochemische Prozesse, die Methan produzieren können. Marsmethan ist also wieder einmal frustrierend mehrdeutig als Lebenszeichen.
Extrasolare Planeten, die andere Sterne umkreisen, sind viel zu weit entfernt, um sie in absehbarer Zeit mit Raumschiffen zu besuchen. Astrobiologen hoffen immer noch, die Haldane-Definition verwenden zu können, um nach Leben auf ihnen zu suchen. Mit Weltraumteleskopen in naher Zukunft hoffen Astronomen, die Zusammensetzung der Atmosphären dieser Planeten zu erfahren, indem sie das Spektrum der Lichtwellenlängen analysieren, die von ihren Atmosphären reflektiert oder durchgelassen werden. Das James Webb-Weltraumteleskop soll 2018 starten, werden die ersten sein, die in diesem Projekt nützlich sind . Astrobiologen wollen nach atmosphärischen Biomarkern suchen; Gase, die Stoffwechselabfallprodukte lebender Organismen sind.
Wieder einmal wird diese Suche von dem einzigen Beispiel eines lebenstragenden Planeten geleitet, den wir derzeit haben; Erde. Ungefähr 21% der Atmosphäre unseres Heimatplaneten besteht aus Sauerstoff. Dies ist überraschend, da Sauerstoff ein hochreaktives Gas ist, das dazu neigt, mit anderen Stoffen chemische Verbindungen einzugehen. Freier Sauerstoff sollte schnell aus unserer Luft verschwinden. Es bleibt präsent, weil der Verlust ständig durch Pflanzen und Bakterien ersetzt wird, die es als Stoffwechselabfallprodukt der Photosynthese freisetzen.
Wegen chemosynthetischer Bakterien sind Spuren von Methan in der Erdatmosphäre vorhanden. Da Methan und Sauerstoff miteinander reagieren, würden beide nicht lange bleiben, es sei denn, lebende Organismen ergänzen den Vorrat ständig. Die Erdatmosphäre enthält auch Spuren anderer Gase, die Stoffwechselnebenprodukte sind.
Im Allgemeinen verwenden Lebewesen Energie, um die Erdatmosphäre in einem Zustand zu halten, der weit von dem thermodynamischen Gleichgewicht entfernt ist, das sie ohne Leben erreichen würde. Astrobiologen würden jeden Planeten mit einer Atmosphäre in einem ähnlichen Zustand des Lebens vermuten. Aber wie in den anderen Fällen wäre es schwer, nicht-biologische Möglichkeiten vollständig auszuschließen.
Neben dem Stoffwechsel identifizierte das NASA-Komitee Evolution als grundlegende Fähigkeit von Lebewesen. Damit ein evolutionärer Prozess stattfinden kann, muss es eine Gruppe von Systemen geben, von denen jedes in der Lage ist, sich selbst zuverlässig zu reproduzieren. Trotz der generellen Reproduktionssicherheit muss es im Reproduktionsprozess auch gelegentlich zu zufälligen Kopierfehlern kommen, damit die Systeme unterschiedliche Eigenschaften bekommen. Schließlich müssen sich die Systeme in ihrer Überlebens- und Reproduktionsfähigkeit unterscheiden, basierend auf den Vorteilen oder Belastungen ihrer charakteristischen Merkmale in ihrer Umgebung. Wenn sich dieser Prozess über Generationen hinweg immer wieder wiederholt, werden die Eigenschaften der Systeme besser an ihre Umgebung angepasst. Sehr komplexe Eigenschaften können sich manchmal schrittweise entwickeln.
Mix namens theDarwins LebenDefinition, nach dem neunzehnten Jahrhundert Naturforscher Charles Darwin , der die Evolutionstheorie formulierte. Wie die Haldane-Definition weist die Darwin-Life-Definition wichtige Mängel auf. Es hat Schwierigkeiten, alles einzubeziehen, was wir für lebendig halten könnten. Maultiere zum Beispiel können sich nicht vermehren und gelten daher nach dieser Definition nicht als lebendig.
Trotz dieser Unzulänglichkeiten ist die Lebensdefinition von Darwin von entscheidender Bedeutung, sowohl für Wissenschaftler, die den Ursprung des Lebens untersuchen, als auch für Astrobiologen. Die moderne Version von Darwins Theorie kann erklären, wie sich aus einer anfänglich einfachen Form vielfältige und komplexe Lebensformen entwickeln können. Eine Theorie über den Ursprung des Lebens ist erforderlich, um zu erklären, wie die ursprüngliche einfache Form überhaupt die Fähigkeit zur Entwicklung erlangt hat.
Die chemischen Systeme oder Lebensformen, die auf anderen Planeten oder Monden in unserem Sonnensystem zu finden sind, könnten so einfach sein, dass sie nahe an der Grenze zwischen Leben und Nicht-Leben liegen, die die Darwin-Definition festlegt. Die Definition könnte für Astrobiologen von entscheidender Bedeutung sein, die versuchen zu entscheiden, ob ein von ihnen gefundenes chemisches System wirklich als Lebensform in Frage kommt. Biologen wissen immer noch nicht, wie das Leben entstanden ist. Wenn Astrobiologen Systeme in der Nähe der Darwin-Grenze finden können, können ihre Ergebnisse für das Verständnis des Ursprungs des Lebens von entscheidender Bedeutung sein.
Können Astrobiologen die Darwin-Definition verwenden, um außerirdisches Leben zu finden und zu studieren? Es ist unwahrscheinlich, dass ein besuchendes Raumschiff den Evolutionsprozess selbst erkennen könnte. Es könnte jedoch in der Lage sein, die molekularen Strukturen zu erkennen, die lebende Organismen benötigen, um an einem evolutionären Prozess teilzunehmen. Der Philosoph Mark Bedau hat vorgeschlagen, dass ein minimales evolutionsfähiges System drei Dinge haben müsste: 1) einen chemischen Stoffwechselprozess, 2) einen Behälter, wie eine Zellmembran, um die Grenzen des Systems festzulegen, und 3) eine Chemikalie „Programm“, das in der Lage ist, die Stoffwechselaktivitäten zu lenken.
Hier auf der Erde basiert das chemische Programm auf dem genetischen Molekül DNA. Viele Theoretiker des Ursprungs des Lebens glauben, dass das genetische Molekül der frühesten terrestrischen Lebensformen das einfachere Molekül Ribonukleinsäure (RNA) gewesen sein könnte. Das genetische Programm ist für einen evolutionären Prozess wichtig, weil es den reproduktiven Kopierprozess stabil macht, mit nur gelegentlichen Fehlern.
Sowohl DNA als auch RNA sind Biopolymere; langkettige Moleküle mit vielen sich wiederholenden Untereinheiten. Die spezifische Sequenz von Nukleotidbasen-Untereinheiten in diesen Molekülen kodiert die genetische Information, die sie tragen. Damit das Molekül alle möglichen Sequenzen der Erbinformation kodieren kann, müssen die Untereinheiten in beliebiger Reihenfolge vorkommen können.
Steven Benner, ein Forscher für Computergenomik, glaubt, dass wir in der Lage sein könnten, Raumfahrzeugexperimente zu entwickeln, um fremde genetische Biopolymere zu entdecken. Er stellt fest, dass DNA und RNA sehr ungewöhnliche Biopolymere sind, da die Änderung der Reihenfolge, in der ihre Untereinheiten vorkommen, ihre chemischen Eigenschaften nicht ändert. Es ist diese ungewöhnliche Eigenschaft, die es diesen Molekülen ermöglicht, stabile Träger jeder möglichen genetischen Codesequenz zu sein.
DNA und RNA sind beides Polyelektrolyte; Moleküle mit sich regelmäßig wiederholenden Bereichen negativer elektrischer Ladung. Benner glaubt, dass dies für ihre bemerkenswerte Stabilität verantwortlich ist. Er denkt, dass jedes fremde genetische Biopolymer auch ein Polyelektrolyt sein müsste, und dass chemische Tests entwickelt werden könnten, mit denen ein Raumschiff solche Polyelektrolytmoleküle erkennen könnte. Das außerirdische Gegenstück zur DNA zu finden ist eine sehr aufregende Aussicht und ein weiteres Stück im Puzzle, um außerirdisches Leben zu identifizieren.
Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist das genetische Material für alles bekannte Leben auf der Erde. DNA ist ein Biopolymer, das aus einer Reihe von Untereinheiten besteht. Die Untereinheiten bestehen aus Nukleotidbasenpaaren, die ein Purin (Adenin A oder Guanin G) und ein Pyrimidin (Thymin T oder Cytosin C) enthalten. DNA kann Nukleotidbasenpaare in beliebiger Reihenfolge enthalten, ohne dass sich ihre chemischen Eigenschaften ändern. Diese Eigenschaft ist bei Biopolymeren selten und ermöglicht es der DNA, genetische Informationen in der Reihenfolge ihrer Basenpaare zu kodieren. Diese Stabilität ist darauf zurückzuführen, dass jedes Basenpaar außen Phosphatgruppen (bestehend aus Phosphor- und Sauerstoffatomen) mit einer negativen Nettoladung enthält. Diese wiederholten negativen Ladungen machen DNA zu einem Polyelektrolyten. Der Computergenomik-Forscher Steven Benner hat die Hypothese aufgestellt, dass fremdes genetisches Material auch ein Polyelektrolyt-Biopolymer sein wird und dass daher chemische Tests entwickelt werden könnten, um fremde genetische Moleküle zu erkennen.
Bildnachweis: Zephyr
1996 machte Präsident Clinton einen dramatische Ankündigung der möglichen Entdeckung von Leben auf dem Mars. Clintons Rede wurde durch die Erkenntnisse von David McKays Team mit dem Alan Hills-Meteoriten motiviert. Tatsächlich stellte sich heraus, dass die McKay-Erkenntnisse nur ein Teil des größeren Puzzles des möglichen Marslebens waren. Wenn nicht eines Tages ein Außerirdischer an unseren wartenden Kameras vorbeischlendert, wird die Frage, ob außerirdisches Leben existiert oder nicht, wahrscheinlich nicht durch ein einziges Experiment oder einen plötzlichen dramatischen Durchbruch geklärt werden. Philosophen und Wissenschaftler haben keine einzige, todsichere Definition des Lebens. Astrobiologen haben folglich keinen einzigen todsicheren Test, der das Problem löst. Wenn auf dem Mars oder anderswo im Sonnensystem einfache Lebensformen existieren, scheint es jetzt wahrscheinlich, dass diese Tatsache aufgrund vieler konvergierender Beweise allmählich auftaucht. Wir werden nicht wirklich wissen, wonach wir suchen, bis wir es gefunden haben.
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