Im Film „Avatar“ konnten wir auf einen Blick erkennen, dass der außerirdische Mond Pandora voller außerirdischer Leben war. In einem Gramm Boden befinden sich 50 Millionen Bakterienorganismen, und die weltweite bakterielle Biomasse übertrifft die aller Pflanzen und Tiere. Mikroben können in extremen Umgebungen mit Temperatur, Salzgehalt, Säuregehalt, Strahlung und Druck wachsen. Die wahrscheinlichste Form, in der wir anderswo in unserem Sonnensystem auf Leben stoßen, ist mikrobiell.
Astrobiologen benötigen Strategien, um auf das Vorhandensein von außerirdischem mikrobiellem Leben oder dessen versteinerten Überresten schließen zu können. Sie brauchen Strategien, um auf die Anwesenheit von außerirdischem Leben auf den fernen Planeten anderer Sterne zu schließen, die zu weit entfernt sind, um sie in absehbarer Zeit mit Raumfahrzeugen zu erkunden. Um diese Dinge zu tun, sehnen sie sich nach einer Definition des Lebens, die es ermöglichen würde, das Leben zuverlässig vom Nichtleben zu unterscheiden.
Wie wir im ersten Teil dieser Reihe gesehen haben, war es Philosophen und Wissenschaftlern leider nicht möglich, eine solche Definition zu erstellen, obwohl unser Wissen über Lebewesen enorm zugenommen hat. Astrobiologen kommen so gut sie können mit Definitionen aus, die teilweise sind und Ausnahmen haben. Ihre Suche richtet sich nach den Merkmalen des Lebens auf der Erde, dem einzigen Leben, das wir derzeit kennen.
In der ersten Folge haben wir gesehen, wie die Zusammensetzung des irdischen Lebens die Suche nach außerirdischem Leben beeinflusst. Astrobiologen suchen nach Umgebungen, die einst flüssiges Wasser enthielten oder derzeit enthalten und komplexe Moleküle auf Kohlenstoffbasis enthalten. Viele Wissenschaftler sehen die wesentlichen Merkmale des Lebens jedoch darin, dass es mit seinen Fähigkeiten statt mit seiner Zusammensetzung zu tun hat.
1994 verabschiedete ein NASA-Komitee auf Vorschlag von Carl Sagan eine Definition des Lebens als „sich selbst tragendes chemisches System, das zur darwinistischen Evolution fähig ist“. Diese Definition enthält zwei Merkmale, Metabolismus und Evolution, die typischerweise in Definitionen des Lebens erwähnt werden.
Der Stoffwechsel ist eine Reihe chemischer Prozesse, durch die Lebewesen aktiv Energie 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 unorganisierter und einheitlicher. Lebewesen bauen ihren unwahrscheinlichen, hoch organisierten Zustand auf und erhalten ihn aufrecht, weil sie Energiequellen in ihrer äußeren Umgebung nutzen, um ihren Stoffwechsel anzutreiben.
Pflanzen und einige Bakterien nutzen die Energie des Sonnenlichts, um größere organische Moleküle aus einfacheren Untereinheiten herzustellen. Diese Moleküle speichern chemische Energie, die später durch andere chemische Reaktionen extrahiert werden kann, um ihren Stoffwechsel anzutreiben. Tiere und einige Bakterien konsumieren Pflanzen oder andere Tiere als Nahrung. Sie zerlegen komplexe organische Moleküle in ihrer Nahrung in einfachere, um ihre gespeicherte chemische Energie zu extrahieren. Einige Bakterien können die Energie von Chemikalien, die aus nicht lebenden Quellen stammen, bei der Chemosynthese nutzen.
In einem Artikel von 2014 in AstrobiologieLucas John Mix, ein Evolutionsbiologe aus Harvard, bezeichnete die metabolische Definition des Lebens als Haldane Leben nach dem wegweisenden Physiologen J. B. S. Haldane. Die Lebensdefinition von Haldane hat ihre Probleme. Tornados und Wirbel wie Jupiters großer roter Fleck nutzen Umweltenergie, um ihre geordnete Struktur aufrechtzuerhalten, leben aber nicht. Feuer nutzt Energie aus seiner Umgebung, um sich selbst zu erhalten und zu wachsen, lebt aber auch nicht.
Trotz seiner Mängel haben Astrobiologen die Haldane-Definition verwendet, um Experimente zu entwickeln. Die Viking Mars Lander unternahmen bislang den einzigen Versuch, direkt auf außerirdisches Leben zu testen, indem sie die angeblichen Stoffwechselaktivitäten von Marsmikroben nachweisen. Sie nahmen an, dass der Marsstoffwechsel seinem terrestrischen Gegenstück chemisch ähnlich ist.
In einem Experiment wurde versucht, den metabolischen Abbau von Nährstoffen in einfachere Moleküle zu ermitteln, 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 während der Photosynthese auftreten. 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.
Einige der Wikingerergebnisse sind bis heute umstritten. Zu dieser Zeit waren viele Forscher der Ansicht, dass das Versagen, organische Materialien im Marsboden zu finden, eine biologische Interpretation der Stoffwechselergebnisse ausschloss. Die neuere Erkenntnis, dass Marsboden tatsächlich organische Moleküle enthält, die während der Viking-Analyse möglicherweise durch Perchlorate zerstört wurden, und dass flüssiges Wasser auf der Marsoberfläche reichlich vorhanden war, verleiht der Behauptung, dass es Viking tatsächlich gelungen ist, tatsächlich nachzuweisen, neue Plausibilität Leben. Die Ergebnisse der Wikinger allein haben jedoch weder bewiesen, dass Leben auf dem Mars existiert, noch es ausgeschlossen.
Die Stoffwechselaktivitäten des Lebens können auch die Zusammensetzung der Planetenatmosphäre prägen. Im Jahr 2003 entdeckte das europäische Raumschiff Mars Express Spuren von Methan in der Marsatmosphäre. Im Dezember 2014 berichtete ein Team von NASA-Wissenschaftlern, dass der Curiosity Mars Rover diesen Befund durch den Nachweis von atmosphärischem Methan von der Marsoberfläche bestätigt hatte.
Das meiste Methan in der Erdatmosphäre wird von lebenden Organismen oder ihren Überresten freigesetzt. Unterirdische bakterielle Ökosysteme, die 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. Mars-Methan ist also wieder einmal frustrierend zweideutig als Lebenszeichen.
Extrasolare Planeten, die andere Sterne umkreisen, sind viel zu weit entfernt, um sie in absehbarer Zeit mit Raumfahrzeugen zu besuchen. Astrobiologen hoffen immer noch, die Haldane-Definition zu verwenden, um nach Leben auf ihnen zu suchen. Mit Weltraumteleskopen der nahen Zukunft hoffen Astronomen, die Zusammensetzung der Atmosphären dieser Planeten durch Analyse des Spektrums der von ihren Atmosphären reflektierten oder durchgelassenen Lichtwellenlängen zu lernen. Das für 2018 geplante James Webb-Weltraumteleskop wird das erste sein, das in diesem Projekt nützlich sein wird. Astrobiologen wollen nach atmosphärischen Biomarkern suchen; Gase, die Stoffwechselabfälle 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, chemische Kombinationen mit anderen Substanzen einzugehen. Freier Sauerstoff sollte schnell aus unserer Luft verschwinden. Es bleibt vorhanden, da der Verlust ständig durch Pflanzen und Bakterien ersetzt wird, die ihn als Stoffwechselabfallprodukt der Photosynthese freisetzen.
In der Erdatmosphäre sind aufgrund chemosynthetischer Bakterien Spuren von Methan vorhanden. Da Methan und Sauerstoff miteinander reagieren, würden beide nicht lange in der Nähe bleiben, es sei denn, lebende Organismen würden die Versorgung ständig auffüllen. Die Erdatmosphäre enthält auch Spuren anderer Gase, die metabolische Nebenprodukte 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. In den anderen Fällen wäre es jedoch schwierig, nicht-biologische Möglichkeiten vollständig auszuschließen.
Neben dem Stoffwechsel identifizierte das NASA-Komitee die Evolution als eine grundlegende Fähigkeit von Lebewesen. Damit ein Evolutionsprozess stattfinden kann, muss es eine Gruppe von Systemen geben, in denen sich jedes zuverlässig selbst reproduzieren kann. Trotz der allgemeinen Zuverlässigkeit der Reproduktion müssen gelegentlich auch zufällige Kopierfehler im Reproduktionsprozess auftreten, damit die Systeme unterschiedliche Merkmale aufweisen. Schließlich müssen sich die Systeme in ihrer Überlebens- und Reproduktionsfähigkeit unterscheiden, basierend auf den Vorteilen oder Verbindlichkeiten ihrer besonderen Merkmale in ihrer Umgebung. Wenn dieser Prozess über Generationen hinweg immer wieder wiederholt wird, werden die Merkmale der Systeme besser an ihre Umgebung angepasst. Sehr komplexe Merkmale können sich manchmal Schritt für Schritt entwickeln.
Mix nannte das das Darwin Leben Definition nach dem Naturforscher Charles Darwin aus dem 19. Jahrhundert, der die Evolutionstheorie formulierte. Wie die Haldane-Definition weist auch die Darwin-Lebensdefinition wichtige Mängel auf. Es hat Probleme, alles einzubeziehen, was wir für lebendig halten könnten. Maultiere können sich beispielsweise nicht reproduzieren und gelten daher nach dieser Definition nicht als lebendig.
Trotz dieser Mängel ist die Darwin-Lebensdefinition sowohl für Wissenschaftler, die den Ursprung des Lebens untersuchen, als auch für Astrobiologen von entscheidender Bedeutung. Die moderne Version von Darwins Theorie kann erklären, wie sich verschiedene und komplexe Lebensformen aus einer anfänglichen einfachen Form entwickeln können. Eine Theorie über den Ursprung des Lebens ist erforderlich, um zu erklären, wie die anfängliche einfache Form überhaupt die Fähigkeit erlangt hat, sich zu entwickeln.
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 Nichtleben liegen, die die Darwin-Definition festlegt. Die Definition könnte sich für Astrobiologen als entscheidend erweisen, die versuchen zu entscheiden, ob ein chemisches System, das sie gefunden haben, wirklich als Lebensform qualifiziert ist. Biologen wissen immer noch nicht, wie das Leben entstanden ist. Wenn Astrobiologen Systeme in der Nähe der Darwin-Grenze finden können, sind ihre Ergebnisse möglicherweise von entscheidender Bedeutung für das Verständnis des Ursprungs des Lebens.
Können Astrobiologen die Darwin-Definition verwenden, um außerirdisches Leben zu finden und zu untersuchen? Es ist unwahrscheinlich, dass ein besuchendes Raumschiff den Evolutionsprozess selbst erkennen kann. Es könnte jedoch in der Lage sein, die molekularen Strukturen zu erkennen, die lebende Organismen benötigen, um an einem Evolutionsprozess teilzunehmen. Der Philosoph Mark Bedau hat vorgeschlagen, dass ein minimales System, das sich einer Evolution unterziehen kann, drei Dinge haben muss: 1) einen chemischen Stoffwechselprozess, 2) einen Behälter wie eine Zellmembran, um die Grenzen des Systems festzulegen, und 3) eine Chemikalie "Programm", das die Stoffwechselaktivitäten steuern kann.
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 wichtig für einen Evolutionsprozess, da es den reproduktiven Kopierprozess mit nur gelegentlichen Fehlern stabil macht.
Sowohl DNA als auch RNA sind Biopolymere; lange kettenartige Moleküle mit vielen sich wiederholenden Untereinheiten. Die spezifische Sequenz von Nukleotidbasenuntereinheiten in diesen Molekülen codiert die genetische Information, die sie tragen. Damit das Molekül alle möglichen Sequenzen genetischer Information codieren kann, müssen die Untereinheiten in beliebiger Reihenfolge auftreten können.
Steven Benner, ein Forscher für Computational Genomics, glaubt, dass wir möglicherweise Experimente mit Raumfahrzeugen entwickeln können, um außerirdische genetische Biopolymere nachzuweisen. Er stellt fest, dass DNA und RNA sehr ungewöhnliche Biopolymere sind, da eine Änderung der Reihenfolge, in der ihre Untereinheiten auftreten, 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 beide Polyelektrolyte; Moleküle mit sich regelmäßig wiederholenden Bereichen negativer elektrischer Ladung. Benner glaubt, dass dies für ihre bemerkenswerte Stabilität verantwortlich ist. Er glaubt, dass jedes außerirdische genetische Biopolymer auch ein Polyelektrolyt sein müsste und dass chemische Tests entwickelt werden könnten, mit denen ein Raumschiff solche Polyelektrolytmoleküle nachweisen könnte. Das Finden des außerirdischen Gegenstücks zur DNA ist eine sehr aufregende Aussicht und ein weiteres Teil des Puzzles, um das Leben von Außerirdischen zu identifizieren.
1996 kündigte Präsident Clinton auf dramatische Weise die mögliche Entdeckung des Lebens auf dem Mars an. Clintons Rede war motiviert durch die Ergebnisse von David McKays Team mit dem Alan Hills Meteoriten. Tatsächlich erwiesen sich die McKay-Ergebnisse als nur ein Teil des größeren Puzzles des möglichen Marslebens. Wenn eines Tages kein Außerirdischer an unseren wartenden Kameras vorbeischlendert, ist es unwahrscheinlich, dass die Frage, ob außerirdisches Leben existiert oder nicht, durch ein einziges Experiment oder einen plötzlichen dramatischen Durchbruch geklärt wird. Philosophen und Wissenschaftler haben keine einzige sichere Definition des Lebens. Astrobiologen haben folglich keinen einzigen sicheren Test, der das Problem lösen könnte. Wenn es auf dem Mars oder anderswo im Sonnensystem einfache Lebensformen gibt, ist es jetzt wahrscheinlich, dass diese Tatsache allmählich auftaucht, basierend auf vielen konvergierenden Beweislinien. Wir werden nicht wirklich wissen, wonach wir suchen, bis wir es finden.
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