Życie poza Ziemią - szukać daleko czy może raczej blisko. Wszystkie DNA Wszechświata
Odkrycia kosmicznego teleskopu Keplera spopularyzowały termin „superziemia”. Nazywa się tak egzoplanety o masie większej od masy Ziemi i należące do typu planet skalistych, takie jak jeden z najbardziej znanych przykładów - Kepler 452b. Według definicji masa tego typu planety może wahać się od 1 do 10, lub 5 do 10 mas Ziemi (1). Nazwa „superziemia” nie oznacza, że z pewnością na powierzchni planety panują warunki zbliżone do ziemskich. Definicja dotyczy tylko typu planety (skalista) i masy (większej od masy Ziemi). Ocenia się, że promień superziemi może być do trzech razy większy niż promień Ziemi, jednak największe z nich są najprawdopodobniej planetami oceanicznymi o niskiej gęstości.
Według obecnych oszacowań, około jednej trzeciej wszystkich odkrytych egzoplanet to superziemie, co czyniłoby je najbardziej powszechnym typem egzoplanet w Drodze Mlecznej. Najbliższa z nich znajduje się zaledwie sześć lat świetlnych od Ziemi. Można nawet powiedzieć, że nasz Układ Słoneczny jest niezwykły, ponieważ nie ma w nim takiego typu planety o masie pomiędzy masą Ziemi a Neptuna, jednak mówimy jedynie o tym, co udało się zaobserwować, a to wciąż kropla w hipotetycznym oceanie, który jako całość może wyglądać zupełnie inaczej.
Większe planety wykazują większe prawdopodobieństwo aktywności geologicznej, co jest cechą, która zdaniem naukowców sprzyjałaby ewolucji biologicznej. Tak więc najbardziej nadająca się do zamieszkania planeta miałaby mniej więcej dwa razy większą masę od Ziemi i byłaby od 20 do 30 proc. większa objętościowo. Miałaby również oceany, które są wystarczająco płytkie, aby światło mogło wspierać życie aż do dna i średnią temperaturę 25°C. Miałaby atmosferę grubszą niż ziemska, która działałaby jak koc izolacyjny.
Wreszcie, taka planeta krążyłaby wokół gwiazdy starszej niż Słońce, aby dać życiu więcej czasu na rozwój, a także miałaby silne pole magnetyczne, które chroni przed promieniowaniem kosmicznym. Naukowcy uważają, że te atrybuty w połączeniu sprawią, że planeta będzie nadawała się do zamieszkania. Wielu badaczy jednak podważa te nadzieje, twierdząc, że większość superziemi jest nie tyle superziemiami ile mini-Neptunami, czyli planetami, które do życia w żadnym wypadku się nie nadają. Do tej pory astronomowie odkryli dwa tuziny odległych superziemi, które są teoretycznie nawet bardziej zdatne do zamieszkania niż Ziemia (2).
zdjęcie commons.wikimedia.org
Większość gwiazd w galaktyce to czerwone karły, mniejsze, ciemniejsze i znacznie chłodniejsze niż nasza własna z bliższą strefą przyjazną życiu. Z ok. 5300 egzoplanet, które do tej pory znaleźliśmy, największa część znajduje się znacznie bliżej swoich gwiazd niż Ziemia od Słońca. Przez tę bliskość są one zwykle nie tylko bardzo gorące, ale również zablokowane, czyli zwrócone do swojej gwiazdy zawsze tą samą stroną. Dzieje się tak, gdy oddziaływanie grawitacyjne pomiędzy dwoma ciałami „blokuje” obrót mniejszego ciała na ten sam okres, co jego orbita, tak że jedna strona jest zawsze zwrócona w stronę większego ciała.
Występuje to szczególnie w przypadku egzoplanet o bliskich orbitach. Widzimy to również w przypadku Ziemi i Księżyca. Oznacza to, że jedna strona jest w ciągłym świetle dziennym, a druga jest zawsze zwrócona w kierunku przeciwnym, w mroźnej, wiecznej nocy. Nowe analizy wykazały, że istnieje miejsce na takich planetach, które może być zdatne do zamieszkania, cienka strefa dwubiegunowa, gdzie dzień spotyka się z nocą, znana jako strefa terminatora.
Strona dzienna i nocna doświadczają ekstremów klimatycznych, które mogą nie być przyjazne życiu. Naukowcy zaczęli jednak badać opcje i okazało się przy spełnieniu określonych warunków, np. gdy nie ma nadmiaru wody na planecie, warunki nie muszą kształtować się aż tak niekorzystnie. Większa ilość wody prawdopodobnie sprawi, że planety zablokowane będą mniej zdatne do zamieszkania. Jeśli po stronie dziennej takiego świata znajdowałyby się bowiem płynne oceany, interakcja z gwiazdą wypełniłaby atmosferę parą wodną, która mogłaby objąć całą egzoplanetę, wywołując duszące efekty cieplarniane. Jeśli jednak egzoplaneta ma dużo lądu, to terminator staje się bardziej zdatny do zamieszkania. Tam lód z nocnych lodowców mógłby się topić, gdy temperatury wzrosną powyżej zera, zamieniając terminator w pas nadający się do zamieszkania, okrążający egzoplanetę.
Światy oceaniczne jednak nie tak obiecujące jak się wydawało
Superziemi, jak wspomnieliśmy, odkryliśmy już bardzo wiele. Relatywnie mało za to światów podobnych do Neptuna czy Jowisza, choć istnieje kilka „puchatych” super-Jowiszów, o prawdopodobnie niezwykle lekkiej budowie. Znaleziono za to wiele typów planet, których z Układu Słonecznego nie znamy. Czy nasz układ jest aż tak bardzo nietypowy?
Warto pamiętać jednak, że planety zewnętrzne w większości układów gwiezdnych pozostają w dużej mierze nieodkryte, co wynika z ograniczeń metody wykrywania. Także brak małych egzoplanet (jakie znamy z naszego układu) jest spowodowany niedostateczną czułością metod wykrywania, a nie ich niewielką populacją. Analogi Jowisza, Ziemi i Merkurego pozostają nieuchwytne przy użyciu obecnej technologii. Przeważająca większość planet znalezionych metodą tranzytu znajduje się blisko swojej gwiazdy macierzystej, ma ok. 10 proc. promienia swojej gwiazdy macierzystej lub więcej i krąży wokół gwiazd o małej masie i małych rozmiarach.
W 2021 roku astronomowie zaproponowali nową klasę egzoplanet, które zawierają bogate w wodór atmosfery i mają rozległe oceany z ciekłą wodą, co czyni je potencjalnymi kandydatami w poszukiwaniu obcego życia. Jednak nowe badania sugerują, że te obiecujące „światy hyceańskie” (3), bo tak je nazwano, mogą cierpieć z powodu katastrofalnego efektu cieplarnianego, co ogranicza ich życiodajny potencjał. Planety te są większe od Ziemi, ale mniejsze od którejkolwiek z planet olbrzymich w naszym Układzie Słonecznym. Są one pokryte grubymi, gęstymi warstwami atmosfery wodorowej i mogłyby utrzymać rozległe oceany ciekłej wody. Chociaż nie potwierdzono istnienia żadnych światów hyceańskich, masowe badanie egzoplanet przeprowadzone przez misję Kepler NASA zidentyfikowało kilka światów kandydujących.
zdjęcie: stock.adobe.com
Naukowcy, którzy opublikowali pracę na ten temat w „The Astrophysical Journal” odkryli, że obecność grubej, zdominowanej przez wodór atmosfery radykalnie zmienia sposób, w jaki zachowywałyby się te planety, w porównaniu do świata takiego jak Ziemia. Nasza planeta również ma gęstą atmosferę, ale ta atmosfera składa się z cięższych elementów, takich jak azot i tlen.
Zdolność tych pierwiastków do blokowania lub przepuszczania określonych długości fal światła wpływa na to, jak ciepła jest powierzchnia przy danej ilości docierającego do niej promieniowania słonecznego. Wodór działa inaczej. Blokuje i dopuszcza różne długości fal światła, co z kolei zmienia sposób, w jaki powierzchnia reaguje na światło słoneczne.
Naukowcy odkryli na przykład, że gdyby planeta o ciśnieniu atmosferycznym od 10 do 20 razy większym od ziemskiego została umieszczona na tej samej orbicie co Ziemia, jej oceany stałyby się „nadkrytyczne”. Oznacza to, że temperatury planety wzrosłyby powyżej temperatury wrzenia, co doprowadziłoby do wyparowania oceanów i ich całkowitego zniknięcia. Naukowcy odkryli również, że mieszanka pary wodnej i wodoru w atmosferach planet oceanicznych zmienia ich zdolność do zamieszkania. Planety te nie mogą otrzymać tak dużo światła słonecznego, jak wcześniej sądziliśmy. Dla światów oceanicznych o 10-krotnie wyższym ciśnieniu powietrza wewnętrzna krawędź strefy nadającej się do zamieszkania wynosi obecnie 3,85 AU. Oznacza to, że światy typu hyceańskiego nie mogą przebywać blisko swoich gwiazd macierzystych. Ogromna liczba potencjalnych kandydatur z tego powodu odpada.
Cała woda Układu Słonecznego
Równoległym i w pewnym sensie rywalizującym o uwagę opinii publicznej nurtem poszukiwań życia, są programy eksploracji ciał Układu Słonecznego. Mamy tu bardzo wiele nadzwyczaj obiecujących poszlak i wskazówek rozciągających się niemal przez cały układ, aż po jego najdalsze rubieże. Ważnym argumentem przemawiającym za skupieniem się na naszej kosmicznej okolicy jest praktyczna możliwość skierowania misji badawczej na miejsce, gdy dane zdobyte na odległość będą już niemal nie do odparcia.
A kolejnych wskazówek jest coraz więcej. Niekoniecznie zresztą pochodzą z nowych obserwacji. Czasem są to całkiem stare dane analizowane w nowy sposób. Naukowcy uważają np., że w czterdziestoletnich danych o naenergetyzowanych cząstkach plazmy, które pochodzą jeszcze z sondy kosmicznej NASA Voyager 2, odkryli dowód na istnienie oceanów na księżycach Urana, co zostało opisane na łamach „Geophysical Research Letters”. Dotyczyć to może księżyców Ariela i Mirandy, zaś podobne sygnały wskazywały wcześniej na wewnętrzne oceany na księżycach Jowisza - Europie, i Saturna - Enceladusie.
Woda, potencjalny zwiastun życia, poszukiwana jest w każdym niemal zakątku naszego Układu. I czasem znajdowana, a czasem sygnalizowana jako potencjalna możliwość, jak to miało miejsce niedawno w przypadku komunikatów chińskich o tym, że chiński łazik Zhurong (4) mógł znaleźć dowody na istnienie ciekłej wody na niskich szerokościach geograficznych Marsa, gdzie temperatury są stosunkowo ciepłe i bardziej odpowiednie dla życia. Jest to prowokacyjne twierdzenie, ponieważ do tej pory naukowcy uważali, że na Czerwonej Planecie mogą istnieć tylko stałe lub gazowe stany wody.
Dane z trzech instrumentów naukowych Zhuronga, których zadaniem była analiza cech powierzchni i składu wydm marsjańskich, sugerują, że ich warstwa wierzchnia jest bogata w uwodnione siarczany i krzemionkę, a także minerały tlenkowe. Sól ta pozwala na topnienie lodu lub śniegu w niższych temperaturach, sądzą badacze. Naukowcy sugerują, że wilgotne środowiska w historii planety pozwoliły na wielokrotne topnienie i ponowne zamarzanie szronu lub śniegu, który pokonał drogę z polarnej pokrywy lodowej planety do jej równika, powodując powstawanie skorup i pęknięć na powierzchni i pozostawiając za sobą ciekłą, słoną wodę.
Jak wiadomo, Europejska Agencja Kosmiczna z powodzeniem rozpoczęła wiosną 2023 r. misję, której celem jest badanie lodowych księżyców Jowisza, które są uważane za jedne z najlepszych miejsc do poszukiwania życia pozaziemskiego w całym naszym Układzie Słonecznym ze względu na oceany wody, jak się zakłada, w stanie ciekłym, pod grubymi warstwami lodu.
Uczeni wierzą, że poszukiwaniu i identyfikowaniu życia w takich warunkach pomóc mogą im badania ziemskich ekstremalnych środowisk. Wiadomo już, że niektóre mikroby mogą wytrzymać w najbardziej niegościnnych zakątkach Ziemi, co sugeruje, że życie może być w stanie przetrwać podobnie ekstremalne warunki na innych światach. Ostatnie badania wykazały niewielką liczbę proteobakterii, archeobakterii i grzybów na Płaskowyżu Arktycznym.
Projekt prowadzony przez Alessandro Napoli z Uniwersytetu Rzymskiego we Włoszech podkreśla bogatą różnorodność mikrobiologiczną w pobliżu stacji Concordia, francusko-włoskiej placówki badawczej na Płaskowyżu Antarktycznym, ponad 3000 metrów nad poziomem morza. Tutaj średnia roczna temperatura wynosi –50 C a zimą temperatury mogą spaść do –80 C. I w takich warunkach naukowcy, wykorzystując metodologię sekwencjonowania DNA, znaleźli różne rodzaje mikroorganizmów, nawet w próbkach śniegu i lodu. Istnieją one tam w stanie uśpienia, dopóki temperatury nie wzrosną na tyle, by ich metabolizm mógł się ponownie uruchomić. Chociaż mikroby nie były zbyt liczne, badania pokazują, że techniki oparte na sekwencjonowaniu DNA mogą sprawdzić się w odległych i nieprzyjaznych środowiskach.
Nie ma jasności, czy i kiedy w dającej się przewidzieć przyszłości ruszy jakakolwiek misja w kierunku nie mniej instruującego księżyca Saturna - Enceladusa (5). Niedawno Teleskop Jamesa Webba zauważył po raz kolejny (po raz pierwszy obserwowała to sonda Cassini) gigantyczny gejzer, wystrzeliwujący z jego powierzchni, wyrzucający wodę setki kilometrów w kosmos. Szersza perspektywa i wyższa czułość teleskopu pokazały, że strumienie pary wystrzeliwują znacznie dalej w przestrzeń kosmiczną, niż wcześniej sądzono, na odległość wielokrotnie przekraczającą średnicę samego Enceladusa.
zdjęcie: stock.adobe.com
Naukowcy po raz pierwszy dowiedzieli się o wodnych erupcjach na Enceladusie w 2005 roku, kiedy sonda kosmiczna NASA Cassini uchwyciła lodowe cząsteczki wystrzeliwujące w górę przez duże księżycowe pęknięcia. Według NASA wybuchy są tak potężne, że ich materiał tworzy jeden z pierścieni Saturna. Dalsza analiza wykazała, że strumienie zawierały metan, dwutlenek węgla, amoniak, kwas cyjanowodorowy i proste związki organiczne zawierające chemiczne elementy budulcowe niezbędne do rozwoju życia. Jest nawet możliwe, że niektóre z tych gazów zostały wyprodukowane przez samo życie, wydalając metan głęboko pod powierzchnią Enceladusa, jak twierdzi międzynarodowy zespół naukowców w badaniach opublikowanych w zeszłym roku w „The Planetary Science Journal”.
Choć żadnej konkretnej misji nie ma na razie w planie, Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA testuje od pewnego czasu wężopodobnego robota, który ma pewnego dnia wśliznąć się do lodowych szczelin Enceladusa i zanurzyć się w jego hipotetycznym podpowierzchniowym oceanie, aby szukać śladów życia. Zanim jednak będzie mógł udać się na księżyc Saturna, zespół JPL ma nadzieję na wysłanie robota nazwanego Exobiology Extant Life Surveyor (EELS, co ma nieprzypadkowy związek z angielskim słowem „eel” - „węgorz”) w eksplorację trudno dostępnych miejscach na Ziemi, Księżycu i w innych miejscach. Na razie zespół konstruktorów ma nadzieję, że jeszcze w tym roku wyśle EELS w dół pionowego szybu, lub szczeliny, w kanadyjskich Górach Skalistych.
Trudno powiedzieć, czy EELS, jeśli sprawdzi się w testach, mógłby przydać się w eksploracji księżyca Europa. Warto pamiętać, że w orbicie zainteresowań badaczy są także inne obiektyw Układu Słonecznego, np. lodowe księżyce Jowisza, Ganimedes i Kalisto, a nawet wulkaniczny Io, gdzie niektórzy upatrują możliwości utrzymania się żywych organizmów w bogatych w minerały środowiskach wokół rur lawowych, jak to zdarza się na Ziemi. Jeszcze bardziej kusi naukowców, choć jest bardzo odległy, Tryton, przechwycony przez Neptuna obiekt pochodzący z Pasa Kuipera, gdzie występuje prawdopodobnie ocean wody i amoniaku, znajdujący się pod dynamiczną powierzchnią składającą się głównie z zamrożonego azotu.
Niezwykle obiecujący, choć zupełnie inny, jest spowity gęstą atmosferą księżyc Saturna, Tytan. Biorąc pod uwagę, że środowisko jest tam tak różne od naszego, wypełnione metanem i etanem, gazami dla nas zabójczymi, jakiekolwiek formy życia byłyby obce, w sensie najdalszym. Jeśli znajdziemy (i uda nam się je rozpoznać) życie na Tytanie, to z pewnością powstałoby ono niezależnie. Jednak sam fakt powstanie dwóch zupełnie innych gałęzi życia w jednym Układzie Słonecznym sugerowałyby, że życie we Wszechświecie jest powszechne. Udowodnienie istnienia życia na Tytanie nie będzie jednak łatwe. Prawie na pewno potrzebna byłaby misja z lądowaniem i eksploracją, co stawia ze względu na warunki oszałamiające wyzwania techniczne.
Ostatnie symulacje księżyca Jowisza, Io, pokazują, że ogrzewanie pływowe utrzymuje tam magmę w stanie płynnym pod powierzchnią planety. Jednak niektóre erupcje na księżycu Jowisza są tak gwałtowne, że wysyłają magmę setki kilometrów w przestrzeń. Szczeliny, przez które wydostaje się ta lawa, mogłyby być miejscem, gdzie ukrywa się obce życie na Io. Oczywiście niedobór wody na księżycu to problem, dlatego siarka, z której zbudowany jest Io, może tu odgrywać swoja rolę jako alternatywa dla wody, umożliwiając istnienie ekosystemów mikrobiologicznych. Kolejne hipotetyczne miejsca dla zupełnie obcego życia.
Czym jest życie?
Jednak, tak czy inaczej, częścią trudności w poszukiwaniu jakiegokolwiek życia jest brak zgody co do tego, jak życie powstało lub czym w ogóle jest. W 2011 roku genetyk Edward Trifonov zebrał ponad sto interpretacji słowa „życie” i sprowadził je do jednej nadrzędnej idei. Życie, według tego ujęcia, to „samoreprodukcja z odmianami”. NASA sformułowała podobną roboczą definicję wiele lat wcześniej, jeszcze w połowie lat 90. XX w. i nadal używa jej w badanich astrobiologicznych. Życie, w tym sformułowaniu, jest „samowystarczalnym systemem chemicznym zdolnym do ewolucji darwinowskiej”.
Żadna z tych ogólnych definicji życia nie wymaga określonej chemii. Na Ziemi, oczywiście, życie oparte jest na DNA, kwasie dezoksyrybonukleinowym. DNA składa się z dwu skręconych nici, z których każda zawiera na przemian grupy cukrowe i fosforanowe. Do każdego cukru przyklejona jest zasada - A (adenina), G (guanina), C (cytozyna) i T (tymina). Proste litery w sekwencji genetycznej, ułożone w porządku drabinkowym, niosą wszystkie informacje potrzebne do tworzenia wszelkich żywych organizmów. DNA może się replikować, a DNA pochodzące z różnych organizmów może się mieszać i łączyć, tworząc nowy organizm, który z kolei może się replikować.
Naukowcy zakładają, że jakiekolwiek, także inne niż znane nam, formy życia potrzebowałyby jakiegoś sposobu na przekazywanie instrukcji biologicznych, których zmiany mogłyby również pomóc w ewolucji gatunku w czasie. Jest jednak możliwe, że obcy mogą nie tworzyć tych instrukcji z tych samych substancji chemicznych, co my, lub w tym samym kształcie. Na przykład, już w latach 90. XX wieku naukowcy z Uniwersytetu Northwestern tworzyli SNA, sferyczne kwasy nukleinowe. Wspierane przez NASA badania z 2019 roku, z Foundation for Applied Molecular Evolution, stworzyły syntetyczne DNA, które wykorzystywało cztery stare bazy i cztery nowe bazy kodu: P, Z, B i S. Naukowcy zmienili również część splotową kodu genetycznego, tworząc XNA, gdzie X oznacza „anything goes”, który wykorzystuje cząsteczkę taką jak cykloheksen (CeNA) lub glikol (GNA), zamiast deoksyrybozy. Teoretycy od dawna sugero-wali, że zamiast używać węgla jako podstawy, jak robią to wszystkie te cząsteczki, być może obce życie może używać funkcjonalnie podobnego pierwiastka krzemu, co oznacza, że nie miałoby kwasów nukleinowych w ogóle, ale inne cząsteczki, które być może odgrywają tę samą rolę.
Astrobiolodzy mimo wszystko przeważnie szukają takich obcych, którzy przypominają życie na Ziemi. Astronomowie lubią uważać tlen w atmosferze egzoplanet za potencjalny wskaźnik życia, ponieważ my nim oddychamy. Na Marsie badacze ekscytowali się śladami metanu, cząsteczek organicznych i uwalnianiem tego gazu po tym, jak tamtejsza gleba została nakarmiona roztworem składników odżywczych, być może wskazujących na metabolizm. Tworzy się terminy takie jak „strefa Złotowłosej” dla regionów wokół gwiazd, gdzie planety mogłyby gościć wodę w stanie ciekłym, sugerując, że to, co jest w sam raz dla ziemskiego życia, jest również w sam raz wszędzie indziej. Jednak nawet nasz własny układ pokazuje, jak zwodnicze są to pojęcia. Przecież śladów życia szukać chcemy nawet w najdalszych, najciemniejszych i najzimniejszych jego zakątkach.
Mirosław Usidus
