ASTROBIOLOĢIJA: VĒSTURE, IZPĒTES OBJEKTS UN NOZĪME - BIOLOĢIJA - 2025

Astrobioloģija vai exobiology ir filiāle bioloģija, kas nodarbojas ar dzīvības izcelsmi, izplatīšanu un dinamikas kontekstā ar gan mūsu planētas, jo visu Visumu. Tad mēs varētu teikt, ka tā kā zinātne astrobioloģija ir Visumam, kāda ir bioloģija planētai Zeme.

Sakarā ar plašo astrobioloģijas darbības spektru, tajā saplūst arī citas zinātnes, piemēram: fizika, ķīmija, astronomija, molekulārā bioloģija, biofizika, bioķīmija, kosmoloģija, ģeoloģija, matemātika, skaitļošana, socioloģija, antropoloģija, arheoloģija.

1. attēls. Saiknes starp dzīvi un kosmosa izpēti mākslinieciskā interpretācija. Avots: NASA / Cheryse Triano

Astrobioloģija dzīvi uztver kā fenomenu, kas varētu būt “universāls”. Tajā apskatīti viņu iespējamie konteksti vai scenāriji; tās prasības un obligātie nosacījumi; iesaistītie procesi; tā ekspansīvie procesi; starp citām tēmām. Tas neaprobežojas tikai ar saprātīgu dzīvi, bet pēta visus iespējamos dzīves veidus.

Atrobioloģijas vēsture

Atrobioloģijas vēsture varbūt meklējama cilvēces kā sugas pirmsākumos un tās spējā apšaubīt sevi par kosmosu un dzīvi uz mūsu planētas. No tā izriet pirmie redzējumi un skaidrojumi, kas mūsdienās joprojām pastāv daudzu tautu mītos.

Aristoteles redzējums

Aristoteles redzējums uzskatīja Sauli, Mēnesi, pārējās planētas un zvaigznes par perfektām sfērām, kas mums riņķoja apkārt, veidojot koncentriskus apļus ap mums.

Šis redzējums veidoja Visuma ģeocentrisko modeli un bija koncepcija, kas iezīmēja cilvēci viduslaikos. Droši vien tajā laikā nevarēja būt jēgas, jautājums par "iedzīvotāju" esamību ārpus mūsu planētas.

Kopernika skats

Viduslaikos Nikings Koperniks ierosināja savu heliocentrisko modeli, kas Zemei izvirzīja vēl vienu planētu, kas griežas ap sauli.

Šī pieeja pamatīgi ietekmēja to, kā mēs skatāmies uz pārējo Visumu un pat uz sevi, jo tā mūs nostādīja vietā, kas varbūt nebija tik “īpaša”, kā mēs bijām domājuši. Tad iespēja pastāvēt citām planētām, kas līdzīgas mums, un līdz ar to dzīvībai, kas atšķiras no mums zināmās.

2. attēls. Kopernika Heliocentriskā sistēma. Avots: publiskais īpašums, izmantojot Wikimedia Commons

Pirmās ārpuszemes dzīves idejas

Franču rakstnieks un filozofs Bernards le Bovjē de Fontenelle jau 17. gadsimta beigās ierosināja, ka dzīvība varētu pastāvēt uz citām planētām.

18. gadsimta vidū daudzi ar apgaismību saistītie zinātnieki rakstīja par ārpuszemes dzīvi. Pat tā laika vadošie astronomi, piemēram, Wright, Kant, Lambert un Herschel, uzskatīja, ka planētas, pavadoņi un pat komētas var būt apdzīvotas.

Tā sākās deviņpadsmitais gadsimts, kurā vairākums akadēmisko zinātnieku, filozofu un teologu dalījās pārliecībā par ārpuszemes dzīves esamību gandrīz uz visām planētām. Tolaik tas tika uzskatīts par pamatotu pieņēmumu, kura pamatā bija augoša zinātniskā izpratne par kosmosu.

Netika ņemtas vērā milzīgās atšķirības starp Saules sistēmas debess ķermeņiem (attiecībā uz to ķīmisko sastāvu, atmosfēru, smagumu, gaismu un siltumu).

Tomēr, tā kā teleskopu spēks pieauga un līdz ar spektroskopijas parādīšanos astronomi varēja sākt saprast tuvējo planētu atmosfēras ķīmiju. Tādējādi varēja izslēgt, ka tuvējās planētas apdzīvoja organismi, kas līdzīgi sauszemes organismiem.

Atrobioloģijas izpētes objekts

Astrobioloģija koncentrējas uz šādu pamatjautājumu izpēti:

• Kas ir dzīve?
• Kā dzīve radās uz Zemes?
• Kā dzīve attīstās un attīstās?
• Vai citur Visumā ir dzīvība?
• Kāda ir dzīves nākotne uz Zemes un citur Visumā, ja tāda pastāv?

No šiem jautājumiem rodas daudz citu jautājumu, visi tie ir saistīti ar astrobioloģijas izpētes objektu.

Marss kā pētījumu un kosmosa izpētes paraugs

Sarkanā planēta Marss ir bijis pēdējais ārpuszemes dzīves hipotēžu bastions Saules sistēmā. Ideja par dzīvības esamību uz šīs planētas sākotnēji radās novērojumos, ko 19. gadsimta beigās un 20. gadsimta sākumā veica astronomi.

Viņi iebilda, ka zīmes uz Marsa virsmas faktiski ir kanāli, ko izveidojusi inteliģentu organismu populācija. Tagad šos modeļus uzskata par vēja radītajiem produktiem.

Misijas

Marinera kosmosa zondes ir kosmosa laikmeta piemērs, kas sākās 1950. gadu beigās. Šis laikmets ļāva tieši vizualizēt un izpētīt planētu un Mēness virsmas Saules sistēmā; tādējādi izslēdzot apgalvojumus par daudzšūnu un viegli atpazīstamām ārpuszemes dzīvības formām Saules sistēmā.

1964. gadā NASA misija Mariner 4 nosūtīja pirmās tuvplāna fotogrāfijas no Marsa virsmas, parādot pamatā tuksnešainu planētu.

Tomēr turpmākās misijas uz Marsu un ārējām planētām ļāva iegūt detalizētu priekšstatu par šiem ķermeņiem un viņu pavadoņiem un, īpaši Marsa gadījumā, daļēji izprast viņu agrīno vēsturi.

Dažādos ārpuszemes apstākļos zinātnieki atrada vidi, kas īpaši neatšķiras no Zemes apdzīvotās vides.

Svarīgākais šo pirmo kosmisko misiju secinājums bija spekulatīvu pieņēmumu aizstāšana ar ķīmiskiem un bioloģiskiem pierādījumiem, kas ļauj to objektīvi izpētīt un analizēt.

Vai uz Marsa ir dzīvība? Misija

Pirmkārt, Marinera misiju rezultāti apstiprina hipotēzi par dzīvības neesamību uz Marsa. Tomēr mums jāņem vērā, ka tika meklēta makroskopiskā dzīve. Turpmākās misijas ir radījušas šaubas par mikroskopiskās dzīves neesamību.

3. attēls. Vikingu misijas orbītā un virszemes zonde. Avots: Dons Deiviss, izmantojot Wikimedia Commons

Piemēram, no trim eksperimentiem, kas paredzēti dzīvības noteikšanai un kurus veica Viking misijas zemes zonde, divi bija pozitīvi un viens negatīvs.

Neskatoties uz to, vairums zinātnieku, kas iesaistīti Viking zondes eksperimentos, piekrīt, ka nav pierādījumu par baktēriju dzīvību uz Marsa un rezultāti ir oficiāli nepārliecinoši.

4. attēls. Viking misijas nosēšanās zonde (Lander). Avots: NASA / JPL-Caltech / Arizonas Universitāte, izmantojot Wikimedia Commons

Misijas

Pēc pretrunīgi vērtētajiem Vikingu misiju rezultātiem Eiropas Kosmosa aģentūra (EKA) 2003. gadā uzsāka Mars Express misiju, kas īpaši paredzēta eksobioloģiskiem un ģeoķīmiskiem pētījumiem.

Šajā misijā ietilpa zonde ar nosaukumu Beagle 2 (homonīms kuģim, pa kuru braucis Čārlzs Darvins), kas paredzēta dzīvības pazīmju meklēšanai uz Marsa seklā virsmas.

Šī zonde diemžēl zaudēja kontaktu ar Zemi un nespēja apmierinoši veikt savu misiju. Līdzīgs liktenis bija NASA zondei "Mars Polar Lander" 1999. gadā.

Misija

Pēc šiem neveiksmīgajiem mēģinājumiem 2008. gada maijā NASA Fīniksa misija sasniedza Marsu, iegūstot ārkārtas rezultātus tikai 5 mēnešu laikā. Viņa galvenie pētījumu mērķi bija eksobioloģiski, klimatiski un ģeoloģiski.

Šī zonde spēja pierādīt, ka pastāv:

• Sniegs Marsa atmosfērā.
• Ūdens ledus formā zem šīs planētas augšējiem slāņiem.
• Pamata augsnes ar pH no 8 līdz 9 (vismaz apgabalā tuvu nolaišanās).
• Šķidrs ūdens uz Marsa virsmas pagātnē

Marsa izpēte turpinās

Marsa izpēte turpinās šodien, izmantojot augsto tehnoloģiju robotu instrumentus. Rovers misijas (MER-A un MER-B) ir iesniegušas iespaidīgus pierādījumus tam, ka uz Marsa notikusi ūdens aktivitāte.

Piemēram, ir atrasti saldūdens, viršanas avotu, blīvas atmosfēras un aktīva ūdens cikla pierādījumi.

5. attēls. Rovera MER-B (iespēja) rasējums uz Marsa virsmas. Avots: NASA / JPL / Kornela universitāte, Maas Digital LLC, izmantojot Wikimedia Commons

Uz Marsa ir iegūti pierādījumi, ka daži ieži ir veidoti šķidra ūdens klātbūtnē, piemēram, Jarosite, ko atklāja MER-B (Opportunity) Rover, kas darbojās no 2004. līdz 2018. gadam.

Rover MER-A (Curiosity) ir izmērījis metāna sezonālās svārstības, kas vienmēr ir bijušas saistītas ar bioloģisko aktivitāti (2018. gada dati publicēti žurnālā Science). Viņš ir atradis arī tādas organiskas molekulas kā tiofēns, benzols, toluols, propāns un butāns.

6. attēls. Metāna līmeņa sezonālās svārstības uz Marsa, izmērītas ar Rovera MER-A (zinātkāre). Avots: NASA / JPL-Caltech

Uz Marsa bija ūdens

Lai arī mūsdienās Marsa virsma ir neiedomājama, ir skaidri pierādījumi, ka tālā pagātnē Marsa klimats ļāva uzkrāties šķidrumam ūdenim, kas ir būtiska dzīvības sastāvdaļa, kā mēs to zinām.

Rovera MER-A (ziņkārības) dati atklāj, ka pirms miljardiem gadu Gale krātera ezerā bija visas dzīvībai nepieciešamās sastāvdaļas, ieskaitot ķīmiskās sastāvdaļas un enerģijas avotus.

Marsa meteorīti

Daži pētnieki uzskata Marsa meteorītus par labiem informācijas avotiem par planētu, pat liekot domāt, ka tur ir dabiskas organiskas molekulas un pat baktēriju mikrofosilijas. Šīs pieejas ir zinātnisko debašu temats.

7. attēls. ALH84001 meteorīta iekšējās struktūras mikroskopiskais skats, parādot struktūras, kas līdzīgas baciļiem. Avots: NASA, izmantojot Wikimedia Commons

Šie meteorīti no Marsa ir ļoti reti sastopami un ir vienīgie tieši analizējamie sarkanās planētas paraugi.

Panspermija, meteorīti un komētas

Viena no hipotēzēm, kas veicina meteorītu (un arī komētu) izpēti, ir saukta par panspermiju. Tas sastāv no pieņēmuma, ka agrāk Zemes kolonizācija notika ar mikroorganismiem, kas nonāca šajos meteorītos.

Mūsdienās ir arī hipotēzes, kas liek domāt, ka sauszemes ūdens nāca no komētām, kas pagātnē bombardēja mūsu planētu. Turklāt tiek uzskatīts, ka šīs komētas, iespējams, ir atnesušas primārās molekulas, kas ļāva attīstīties dzīvībai vai pat jau ir izveidojusies dzīvība, kas atrodas tajās.

Nesen, 2017. gada septembrī, Eiropas Kosmosa aģentūra (ESA) veiksmīgi pabeidza Rosseta misiju, kas tika uzsākta 2004. gadā. Šī misija sastāvēja no komētas 67P / Churyumov-Gerasimenko izpētes ar Filae zondi, kas to sasniedza un ap to orbēja, lai tad nolaisties. Šīs misijas rezultāti joprojām tiek pētīti.

Atrobioloģijas nozīme

Fermi paradokss

Var teikt, ka sākotnējais jautājums, kas motivē studēt astrobioloģiju, ir šāds: vai mēs Visumā esam vieni?

Tikai Piena Ceļā ir simtiem miljardu zvaigžņu sistēmu. Šis fakts kopā ar Visuma vecumu liek domāt, ka dzīvei vajadzētu būt izplatītai parādībai mūsu galaktikā.

Ap šo tēmu ir slavens Nobela prēmijas laureāta fiziķa Enriko Fermi uzdotais jautājums: “Kur visi ir?”, Ko viņš uzdeva pusdienu kontekstā, kur tika apspriests fakts, ka galaktikai jābūt pilnai. dzīves.

Jautājums galu galā radīja paradoksu, kurš nes viņa vārdu un kurš tiek izteikts šādi:

SETI programma un ārpuszemes intelekta meklēšana

Viena no iespējamām atbildēm uz Fermi paradoksu varētu būt tāda, ka civilizācijas, par kurām mēs domājam, patiesībā ir, bet mēs tās neesam meklējuši.

1960. gadā Frenks Dreiks kopā ar citiem astronomiem uzsāka ārpuszemes intelekta meklēšanas (SETI) programmu.

Šī programma ir veikusi kopīgus pasākumus ar NASA, meklējot ārpuszemes dzīvības pazīmes, piemēram, radio un mikroviļņu signālus. Jautājumi par to, kā un kur meklēt šos signālus, ir izraisījuši lielu progresu daudzās zinātnes nozarēs.

8. attēls. SETI izmantotais radioteleskops Arecibo, Puertoriko. Avots: JidoBG, no Wikimedia Commons

1993. gadā ASV Kongress šim mērķim atcēla finansējumu NASA, jo radās nepareizs priekšstats par meklēšanas nozīmi. Mūsdienās SETI projekts tiek finansēts no privātiem līdzekļiem.

Projekts SETI ir izveidojis pat tādas Holivudas filmas kā “Kontakt”, kuras galvenā loma ir aktrise Džodija Fostere un kuru iedvesmojis tāda paša nosaukuma romāns, kuru uzrakstījis pasaules slavenais astronoms Karls Sagans.

Dreika vienādojums

Frenks Dreiks ir aprēķinājis civilizāciju skaitu ar komunikācijas prasmēm, izmantojot izteiksmi, kurai ir viņa vārds:

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

Kur N apzīmē civilizāciju skaitu ar spēju sazināties ar Zemi, un to izsaka kā citu mainīgo funkciju, piemēram:

• R *: zvaigžņu veidošanās ātrums, kas līdzīgs mūsu saulei
• f _p : šo zvaigžņu sistēmu daļa ar planētām
• n _e : Zemei līdzīgu planētu skaits vienā planētu sistēmā
• f _l : šo planētu daļa, kur attīstās dzīvība
• f _i : frakcija, kurā rodas intelekts
• f _c : komunikāli piemērotu planētu daļa
• L: šo civilizāciju “dzīves” ilgums.

Drake formulēja šo vienādojumu kā instrumentu, lai “izmērītu” problēmu, nevis kā par elementu, lai veiktu konkrētas aplēses, jo daudzus no tā jēdzieniem ir ārkārtīgi grūti novērtēt. Tomēr pastāv vienprātība, ka to skaits, ko tas mēdz mest, ir liels.

Jauni scenāriji

Jāatzīmē, ka, formulējot Dreika vienādojumu, bija ļoti maz pierādījumu par planētām un pavadoņiem ārpus mūsu Saules sistēmas (eksoplanetes). Tieši 1990. gados parādījās pirmie eksoplanetu pierādījumi.

9. attēls. Keplera teleskops. Avots: NASA, izmantojot Wikimedia Commons

Piemēram, NASA misija Keplera misijā atklāja 3 538 eksoplanetu kandidātus, no kuriem vismaz 1000 tiek uzskatīti par apskatāmās sistēmas "apdzīvojamo zonu" (attālums, kas ļauj pastāvēt šķidram ūdenim).

Astrobioloģija un Zemes galu izpēte

Viens no astrobioloģijas nopelniem ir tas, ka tas lielā mērā ir iedvesmojis vēlmi izpētīt mūsu pašu planētu. Tas ar cerību pēc analoģijas izprast dzīves norisi citos apstākļos.

Piemēram, hidrotermisko ventilāciju izpēte okeāna dibenā ļāva mums pirmo reizi novērot dzīvi, kas nav saistīta ar fotosintēzi. Tas ir, šie pētījumi mums parādīja, ka var būt sistēmas, kurās dzīve nav atkarīga no saules gaismas, kas vienmēr tika uzskatīta par neaizstājamu prasību.

Tas ļauj mums domāt par iespējamiem dzīves scenārijiem uz planētām, kur var atrast šķidru ūdeni, bet zem bieziem ledus slāņiem, kas neļautu gaismai nonākt organismos.

Vēl viens piemērs ir Antarktīdas sauso ieleju izpēte. Tur viņi ir ieguvuši fotosintēzes baktērijas, kas izdzīvo patvērumā akmeņu iekšienē (endolītiskās baktērijas).

Šajā gadījumā klints kalpo gan kā balsts, gan kā aizsardzība pret nelabvēlīgiem vietas apstākļiem. Šī stratēģija ir atklāta arī sāls dzīvokļos un karstajos avotos.

10. attēls. McMurdo sausās ielejas Antarktīdā, vienā no vietām uz Zemes, kas visvairāk līdzinās Marsam. Avots: ASV Valsts departaments no Amerikas Savienotajām Valstīm, izmantojot Wikimedia Commons

Astrobioloģijas perspektīvas

Zinātniskie ārpuszemes dzīves meklējumi līdz šim ir bijuši neveiksmīgi. Bet tas kļūst sarežģītāks, jo astrobioloģiskie pētījumi rada jaunas atziņas. Nākamajā astrobioloģiskās izpētes desmitgadē būs redzams:

• Lielāki centieni izpētīt Marsu un Jupitera un Saturna ledus pavadoņus.
• Nepieredzēta spēja novērot un analizēt ekstrasolārās planētas.
• Lielāks potenciāls laboratorijā izstrādāt un izpētīt vienkāršākas dzīvības formas.

Visi šie sasniegumi neapšaubāmi palielinās mūsu varbūtību atrast dzīvību uz Zemei līdzīgām planētām. Bet, iespējams, ārpuszemes dzīve neeksistē vai ir tik izkliedēta visā galaktikā, ka mums gandrīz nav iespēju to atrast.

Pat ja pēdējais scenārijs ir patiess, pētījumi astrobioloģijā arvien paplašina mūsu skatījumu uz dzīvi uz Zemes un tās vietu Visumā.

Atsauces

1. Chela-Flores, J. (1985). Evolūcija kā kolektīva parādība. Journal of Theoretical Biology, 117 (1), 107.-1118. 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). Organiskās vielas, kas saglabājušās 3 miljardus gadu vecos dubļuakmeņos Gales krāterā Marsā. Zinātne, 360 (6393), 1096-1101. doi: 10.1126 / zinātne.aas9185
3. Goldmans, AD (2015). Astrobioloģija: pārskats. In: Kolbs, Vera (red.). ASTROBIOLOĢIJA: Evolucionāras pieejas CRC prese
4. Goordial, J., Davila, A., Lacelle, D., Pollard, W., Marinova, MM, Greer, CW,… Whyte, LG (2016). Tuvinot sauso mikrobu dzīves robežas sausā senlejas augšējā slāņa Antarktīdā. ISME Vēstnesis, 10 (7), 1613–1624. doi: 10.1038 / ismej.2015.239
5. Krasnopolsky, VA (2006). Dažas problēmas, kas saistītas ar metāna izcelsmi uz Marsa. Ikars, 180 (2), 359–367. doi: 10.1016 / j.icarus.2005.10.015
6. LEVIN, GV, & STRAAT, PA (1976). Viking Labelled Biology Experiment: Starpposma rezultāti. Zinātne, 194 (4271), 1322-1329. doi: 10.1126 / science.194.4271.1322
7. Ten Kate, IL (2018). Organiskās molekulas uz Marsa. Zinātne, 360 (6393), 1068-1069. doi: 10.1126 / zinātne.aat2662
8. Vebsters, CR, Mahaffy, PR, Atreya, SK, Moores, JE, Flesch, GJ, Malespin, C.,… Vasavada, AR (2018). Metāna fona līmeņi Marsa atmosfērā uzrāda spēcīgas sezonālās atšķirības. Zinātne, 360 (6393), 1093-1096. doi: 10.1126 / zinātne.aaq0131
9. Whiteway, JA, Komguem, L., Dickinson, C., Cook, C., Illnicki, M., Seabrook, J.,… Smith, PH (2009). Marsa ūdens-ledus mākoņi un nokrišņi. Zinātne, 325 (5936), 68.-70. doi: 10.1126 / science.1172344