Ali smo v vesolju sami?

Pozdravljeni v oddaji Frequenza della Scienza na Radiu Študent, v kateri se bomo tokrat posvečali astrobiologiji. Astrobiologija je področje, ki se ukvarja s preučevanjem izvora, distribucije, evolucije ter končne usode življenja, vendar se pri tem ne omeji le na našo domačo Zemljo, temveč se tega loteva v kontekstu celotnega vesolja. Sam termin izvira iz Nasinih vesoljskih misij, dotlej pa je v znanstvenih krogih, ki se tako ali drugače ukvarjajo s širnim vesoljem, že ponarodel.

Lotevanje tako obsežne teme seveda pomeni ekskurzijo v mnogo področij raziskovanja, kot so študije izvora življenja na Zemlji, laboratorijski eksperimenti prebiotske kemije, preučevanje zemeljskega življenja v ekstremnih razmerah, iskanje življenja drugod po osončju in še dlje, iskanje in preučevanje eksoplanetov – planetov, ki krožijo okoli drugih zvezd – in iskanje biomarkerjev na le-teh, poglobiti pa se je potrebno tudi v sam mehanizem nastanka planetov iz protoplanetarnih diskov. Vendar pa kaj kmalu trčimo ob oviro. Za uporabo znanstvene metode je potrebno predmet preučevanja čim bolje definirati, nam pa se zadeva zaplete že pri prvem koraku. Kako namreč sploh definirati življenje?

Edina referenca, ki jo pri definiciji življenja sploh imamo, je živa narava na Zemlji. Tej lahko pripišemo skupen set lastnosti, po katerih jo ločimo od nežive narave. Te lastnosti so obstoj metabolizma, reproduktivni mehanizmi, kodiranje in prenos informacij, samoorganizacija ter evolucija.

S tem smo postavili okvir za nadaljnje preučevanje, vendar pa problema definicije življenja nismo dokončno rešili, saj lahko naštete lastnosti, če jih obravnavamo eno po eno, obstajajo tudi v neživem svetu. Metabolizem sam po sebi ni dovolj za življenje, v nebiološki sferi namreč obstaja mnogo kemijskih reakcij, pri katerih se dogaja transfer elektronov in shranjevanje energije kot pri biološkem presnavljanju. Kriterij reprodukcije tudi ni zadosten, saj očitno obstajajo živi organizmi, ki zmožnosti razmnoževanja nimajo, npr. mula. Ena najbolj očitnih lastnosti življenja, to je kodiranje genetskih informacij, spet ni dovolj, saj genetske informacije prenašajo virusi, ki pa nimajo lastnega metabolizma, razmnožujejo pa se lahko samo v telesu gostitelja.

Ugotovitev na tem mestu je torej, da je sama definicija življenja pogojena z našim trenutnim razumevanjem sveta in kot taka nepopolna. Glavna zagonetka astrobiologije tako ostaja izvor življenja; to je točka razlikovanja med in prehoda iz nebiološkega v biološki svet.

Nepojasnjen izvor življenja pa nam vseeno ne preprečuje raziskovanja in iskanja izvenzemeljskega življenja, naštete lastnosti živih organizmov nam namreč implicirajo smer proučevanja. Kolikor se lotimo termodinamske obravnave žive narave, recimo hitro ugotovimo, da je za življenje značilno stanje nizke entropije, torej visoke stopnje urejenosti in reda. Živi sistemi za obstoj potrebujejo vnos energije, ki poganja metabolizem in pa sočasno odnašanje entropije, s čimer se ohranja visoka stopnja notranjega reda. Posledica tega je, da živi organizmi potrebujejo neke vrste ločnico oz. mejo, ki selektivno prenaša snovi in s tem ohranja neravnovesje med notranjostjo in zunanjostjo.

Ravno to kemijsko neravnovesje pa nas pripelje do prvih očitnih sklepov, kaj sploh iskati v širnem vesolju. Kemijsko neravnovesje na nivoju posameznega živega bitja namreč implicira, da če je življenje razširjeno v biosferi, bo neravnovesje med količinami določenih kemijskih elementov obstajalo tudi v atmosferi oziroma na celem planetu, s čimer smo postavili osnovo iskanju tako imenovanih biomarkerjev.

Smiselno je torej iskati kemijska neravnovesja, vendar pa to samo po sebi ni dovolj, da bi potrdili ali ovrgli obstoj življenja na nekem planetu. Naslednji kriterij, ki mora biti izpolnjen, je prisotnost tekočega substrata, ki omogoča raztapljanje in prenašanje snovi, brez česar ni metabolizma, ki pa se, kot smo ugotovili, za življenje zdi nujen. Na zemlji funkcijo tekočega substrata opravlja množica molekul H2O oziroma vode, ki je zaradi svoje visoke polarnosti dobro topilo, s čimer zagotavlja potrebno mobilnost snovi. Druga pomembna posledica polarnosti pa je tudi možnost, da amfifilne molekule, torej molekule, ki se na eni strani rade vežejo z vodo, na drugi pa z maščobami, v vodi tvorijo biološko zanimive strukture, kot so dvosloji in miceli, kar nadalje omogoča tvorjenje celičnih membran. Voda se ob tem lahko zazdi kot mitični »vir življenja«, vendar pa pri obravnavi potencialnega izvenzemeljskega življenja ne smemo izključiti možnosti obstoja drugačne biologije iz drugih elementov kot na Zemlji, kjer v živih bitjih kraljujejo vodik, ogljik, kisik in dušik.

Alternativne biologije so sicer v prostranosti vesolja morda realna možnost, vendar so za nas na tej točki tako tuje in nepoznane, da se raje usmerimo na iskanje ter preučevanje zemeljski-podobnih biologij. Ob tem se nemudoma odpre vprašanje: menda ni življenje možno samo na planetih, ki so kvalitativno skoraj povsem enaki Zemlji? Kaj če je življenje sposobno obstajati tudi v radikalno drugačnih razmerah od teh, ki se v povprečju pojavljajo na našem planetu? Prve korake v to smer raziskovanja lahko opravimo že doma, saj najdemo žive organizme tudi v zelo neprijaznih delih zemeljskega okolja. Preden pa se na hitro seznanimo s tako imenovanimi ekstremofili, pa si privoščimo glasbeni predah.

Še vedno se nahajate na frekvenci Radia Študent, kjer se ravnokar ukvarjamo z astrobiologijo. Pred glasbeno pavzo smo ugotovili, da nam lahko preučevanje zemeljskih organizmov, ki živijo v ekstremnih pogojih, ponudi dragocen uvid v možnosti in sposobnosti življenja, da se prilagodi neprijaznim razmeram. Ekstremofili, kot se te organizme v splošnem poimenuje, nam odkrivajo fizikalne in kemične meje, do koder je življenje še sposobno obstajati. Poznavanje teh meja pa je ključno za definiranje koncepta naseljivosti, h kateremu se bomo kasneje še vrnili.

Ekstremofilne življenjske oblike nam dokazujejo, da bi življenje v principu lahko obstajalo tudi v ekstremnih okoljskih pogojih, ki jih najdemo na planetih in naravnih satelitih tako v našem osončju kot drugod. Obenem je mnogo ekstremofilov zelo blizu prvim organizmom na drevesu življenja, saj so med najstarejšimi organizmi, ki jih poznamo. S tem pa nam potencialno odkrivajo tudi marsikaj o začetnih stadijih evolucije na Zemlji.

Raziščimo sedaj, v čem so življenjski pogoji lahko ekstremni, katere fizikalne količine so pri tem relevantne, kje se takšni pogoji pojavijo na Zemlji ter kakšna živa bitja tam najdemo. Ekstremofile delimo glede na fizikalno ali kemično lastnost, na katero so prilagojeni, te pa so temperatura, kislost – pH vrednost, tlak, slanost, vlažnost ter ionizirajoče sevanje. Ker pa je redko le ena od lastnosti naenkrat ekstremna, so organizmi pogosto prilagojeni na kombinacije le-teh. Nekateri hipertermofili so tako hkrati prilagojeni na visoke vrednosti temperature in tlaka, radioodporni organizmi pa uspevajo v pogojih z visoko količino sevanja ter pomanjkanjem vode oz. vlage.

Primer okolja, kjer lahko preučujemo ekstremofile, so recimo gejzirji in hidrotermalni vrelci, kjer se poleg visoke temperature pojavljajo ekstremno nizke pH vrednosti in visok tlak. Globokomorski vrelci so obenem tudi del ekosistema, v katerem ni sončne svetlobe in sta tako edina vira energije toplota ter presežek energije iz redoks reakcij. Živi organizmi, ki jih najdemo tu, nam dajo misliti, da je življenje možno tudi na bolj vročih planetih, ki so relativno bližje svoji zvezdi kot Zemlja, v našem osončju pa bi ob tem oči uprli v Venero. Pomaknemo pa se lahko tudi na drugi konec temperaturne skale. Nizkotemperaturni organizmi, ki jih na zemlji najdemo denimo v permafrostu ali subglacialnih jezerih na Antarktiki, nam po drugi strani odpirajo vrata proti zunanjemu delu sončnega sistema, kjer so temperature znatno nižje kot pri nas.

Na kratko se posvetimo še eni podskupini ekstremofilov – radioodpornim organizmom. Odpornost na ionizirajoče sevanje na Zemlji ni tako ključnega pomena, saj nas pred visokoenergijskim sevanjem in delci varuje Zemljino magnetno polje, ki jih preusmeri, preden bi prišli do površja, čim pa nas razmislek povleče v smer potovanja med planeti in zvezdami, postane tovrstna odpornost ključnega pomena. Visokoenergijski kozmični delci, ki so posledica jedrskih reakcij v zvezdah in s katerimi je prepredeno širno vesolje, lahko namreč živim organizmom škodujejo na molekularni in atomski ravni. Izjemno hiter nabit delec, kot je denimo proton, lahko preprosto zadane molekulo DNK, jo s tem spremeni in povzroči nadaljnje nepredvidljivo mutiranje. Za večino zemeljskih organizmov je to praktično nepremostljiva ovira, saj zaenkrat izven varnega zavetja planetov z magnetnim poljem ne poznamo efektivne zaščite pred ionizirajočim sevanjem in delci. Upanje na tem področju pa nam dajejo že omenjeni radioodporni organizmi, ki se kozmičnim delcem zoperstavljajo z več kopijami DNK ter kompleksnimi mehanizmi za popravilo le-te.

Razpon pogojev, v katerih lahko uspeva življenje, se ob upoštevanju ekstremofilov naenkrat zdi dokaj širok, vendar pa ne smemo pozabiti na časovno komponento. Življenje namreč za razvoj potrebuje čas, to pa pomeni, da morajo biti pogoji na planetu ali satelitu življenju primerni dolgo časa, brez vmesnih prevelikih odklonov. Kako kompleksen preplet procesov, ki se odvijajo na zelo različnih časovnih skalah, je za to potreben, pa sledi po komadu.

Še vedno ste z nami v oddaji Frequenza della Scienza na valovih Radia Študent. Danes se fokusiramo na astrobiologijo in čas je, da si pogledamo, kaj vse se mora sestaviti, da je planet primeren za življenje dovolj časa, da se na njem razvije življenje.

Osredotočimo se na življenje na površju planeta ali satelita. Pogoj za obstoj le-tega je prisotnost atmosfere, s čimer zavijemo na področje klimatologije. Pri preučevanju procesov, ki se odvijajo pri interakcijah med ozračjem, površjem in morebitnimi oceani in morji, je, kot že omenjeno, potrebno upoštevati zelo različne časovne skale posameznih komponent tega kompleksnega sistema. Veter namreč potrebuje nekaj dni, da se ob odsotnosti zunanjih motenj umiri, medtem ko celotna atmosfera potrebuje nekaj mesecev, da se stabilizira po spremembi gretja – na primer ob spremembi obsevanja z matične zvezde. Vrhnje plasti oceanov na isto spremembo gretja reagirajo mesece ali leta, medtem ko se globlje plasti istih oceanov mešajo desetletja ali celo tisočletja. Ob tem postane jasno, da so za zadosten opis potrebne kompleksne teorije in klimatološke simulacije.

Pomagamo si lahko z razumevanjem poenostavljenih modelov in grajenjem na le-teh. Dva takšna modela, ki sta sama po sebi pozitivni povratni zanki, sta tako imenovani »snowball« in pa »runaway greenhouse« efekta. Do »snowball« efekta pride, če na planetu z vodo in vodnim ledom temperatura nenadno pade. To povzroči, da še večji delež tekoče vode zmrzne in tako prekrije površino z ledom in snegom. Led in sneg odbijata večji del vpadle svetlobe - imata večji albedo - kot zemlja ali kamen, zaradi česar se površje manj greje, temperatura še bolj pade, posledično se pojavi še več ledu in tako naprej. V obratni smeri deluje »runaway greenhouse« efekt. Če je na planetu prisotna voda, se ob zviševanju temperature povečuje nasičeni parni tlak, kar pomeni, da je lahko v zraku disociiranih več molekul vode, torej je zrak bolj vlažen. Vodna para pa je zelo močan toplogredni plin, torej zelo efektivno absorbira vpadlo svetlobo, zaradi česar se temperatura dvigne, pri čimer se v ozračje sprosti še več vodne pare, in povratna zanka je zaključena.

Prišli smo do koncepta, ki je bil precej omenjan ob nedavnem odkritju planetarnega sistema TRAPPIST-1. Združitev in analiza kriterijev za življenje nas pripelje do definicije tako imenovane »habitable zone« oziroma naseljive cone. Ta nam v grobem definira najmanjšo in največjo razdaljo od matične zvezde, pri katerih je teoretično mogoč obstoj življenja.

Notranji rob naseljive cone je povezan z mehanizmom pobeglih toplogrednih plinov. Bližje kot si zvezdi, bolj si namreč obsijan s svetlobo, ki jo zvezda oddaja, in višja je temperatura. V naprednih fazah pobeglih toplogrednih plinov lahko vodna para doseže vrhnje plasti atmosfere, tam pa jo preko fotodisociacije vpadla svetloba počasi, a vztrajno odnaša v vesolje. To lahko v katastrofalnih primerih vodi do popolnega izginotja tekoče vode s površja planeta. Ena od teorij s takšnim scenarijem pojasni denimo razvoj nam bližnje Venere. Tudi zunanji rob naseljive cone je definiran preko toplogrednih plinov, le da se osredotoči na ogljikov dioksid, CO2, oziroma bolj konkretno: zunanji rob naseljive cone je tam, kjer nadaljnje dodajanje CO2 v atmosfero ne bi več povišalo temperature in jo ohranilo nad lediščem vode, v našem osončju pa to pomeni približno razdaljo med soncem in Marsom.

Že prej smo poudarili pomembnost dolgoročne stabilnosti življenjskih pogojev, z omembo CO2 pa smo odprli Pandorino skrinjico klimatske stabilizacije. Poglejmo si, kako cikel kroženja CO2 vpliva na stabilizacijo klime in kaj nas je sploh napeljalo na takšno teorijo.

Pestrost in razširjenost življenja na Zemlji nakazuje na to, da je bila splošna klima precej stabilna, kar pa se zdi presenetljivo ob upoštevanju sprememb, ki so se v tem času zgodile; od tega, da količina svetlobe, ki jo sonce oddaja, stalno malce raste, do tega, da se je kompozicija atmosfere sčasoma nedvomno spreminjala. Očitno tu obstaja mehanizem, ki vse te spremembe uravnovesi, in ena od možnih razlag je CO2 cikel. Izgleda nekako takole:

- Vremenski vplivi odstranjujejo CO2 iz ozračja in ga »splakujejo« na tla,

- sčasoma ta CO2 pride do dna oceanov, kjer skozi tektonske razpoke v Zemljini skorji pronica pod skorjo, v vroč, tekoči del planeta,

- v zadnjem delu cikla pa vulkanska aktivnost CO2 zopet vrže izpod zemeljske skorje v ozračje.

Ob tem se vzpostavi negativna povratna zanka, saj je vulkanska aktivnost neodvisna od atmosferske temperature, učinkovitost spiranja zaradi vremenskih vplivov pa se s temperaturo povečuje, torej: višja temperatura, več spiranja, manj CO2 v ozračju, nižja temperatura ... To nakazuje, da je za naseljivost planeta ključna prisotnost tektonike, ki pa je zaenkrat še nismo zmožni z gotovostjozatrdno meriti z astrofizikalnimi opazovanji, kar dodatno oteži interpretacijo že tako informacijsko skopih meritev eksoplanetov.

Privoščimo si sedaj nekaj minut za razmislek o slišanem, po glasbenem premoru pa bomo fokus obrnili proti našem lastnem osončju in pogledali, kaj vemo o življenju na ostalih »kamnih okoli Sonca«.

Sredin večer je na Radiu Študent še vedno znanstveno obarvan, ravnokar pa se bomo zapodili v našo sončno sosesko in preleteli aktualno znanje o morebitnem obstoju življenja na planetih in satelitih v našem osončju.

Venera, po velikosti Zemlji najbolj podoben planet, je za življenje neprimerna. Temperatura na površju je med 400 in 500 stopinjami Celzija, tlak pa je skoraj 100-krat večji kot na Zemlji, zaradi česar se zdi obstoj površinskega življenja zelo neverjeten. Pogoji, primerni za obstoj tekoče vode, se sicer pojavijo v Venerini atmosferi, na višini približno 50 kilometrov, kar pomeni, da bi tam teoretično lahko obstajalo življenje, vendar pa bi moralo ves čas ostajati na tej višini, kar se samo po sebi zdi neverjetno, zaradi česar opustimo visoke upe za življenje na Veneri.

Najbolje raziskan planet poleg Zemlje je Mars. Trenutno površina Marsa ni naseljiva, saj je atmosfere premalo in tlak na površju prenizek, zaradi česar tam ne more obstajati voda v tekočem stanju. Lahko pa obstaja tekoča voda pod površjem, kjer sta tlak in temperatura višja. V prid prisotnosti vode na Marsu govori več dejavnikov. Površje denimo izkazuje več značilnosti, ki izgledajo kot posledica tekoče vode, od hudourniško erodiranih robov kraterjev do kompleksnih dolin, ki so jih izklesale prazgodovinske reke. Zdi se torej, da je Mars vsaj nekoč v svoji zgodovini zagotavljal pogoje, ki bi lahko pripeljali do življenja, vendar pa zaenkrat opravljeni biološki testi, ki jih je izvedla odprava Viking sredi 70-ih, niso dali zadovoljivih rezultatov.

Preselimo se sedaj še malce dlje od Sonca. Četudi planeti in sateliti naprej od Marsa niso več znotraj naseljive cone, pa še ni nujno, da so povsem mrtvi. Koncept naseljive cone namreč predpostavlja življenje na trdni površini planeta, medtem ko se lahko življenju primerni pogoji pojavijo tudi globlje.

Sprva iz nabora kandidatov za življenje odpravimo orjaške plinaste planete. Le-ti namreč nimajo trdne površine, zaradi česar bi morali živi organizmi ves čas ostati suspendirani v življenju primernih plasteh atmosfere, kar pa smo kot neverjetno odpravili že na primeru Venere. Bolj primerni za obravnavo pa so kamniti sateliti plinastih orjakov. Najbolj zanimiva je Jupitrova luna Evropa. Površje je seveda daleč premrzlo za življenje, vendar se zdi, da pod ledenim površjem obstaja vodni ocean, kjer se lahko pojavijo pogoji, podobni globokomorskim termalnim izvirom na Zemlji, kjer pa smo našli določene ekstremofile. Prav tako zanimiva je tudi največja Saturnova luna Titan, kjer pa zanimanje zbujajo velika površinska jezera organskih molekul, ki tvorijo ogljikovodike, večinoma metan in etan. Velika količina organskih snovi na Titanu teoretično omogoča tvorjenje kompleksnih organskih struktur, ki bi lahko omogočile življenje, obenem pa je Titan s tem odličen astrobiološki laboratorij za raziskovanje morebitnih alternativnih biologij, ki ne bazirajo na vodi.

Telesa v našem osončju so še dovolj blizu, da jih lahko v razumnem času preučujemo, s teleskopi jih enostavno opazujemo, lahko celo do njih pošljemo sondo in jih pogledamo še bolj podrobno. Kaj pa eksoplaneti? Kako preučevati planete okoli drugih zvezd, si bomo pogledali v zadnjem delu oddaje, do takrat pa še en premor.

Na 89,3 MHz smo prišli do zadnjega dela današnje Frequenze, v kateri odpiramo vrata v obširni svet astrobiologije. Posvetili smo se že našemu osončju, torej je čas, da pogledamo dlje, proti drugim zvezdam.

Na tej točki se vam morda poraja vprašanje, za koliko planetov pa pravzaprav vemo? Detekcija planetov je precej težja naloga kot detekcija njihovih matičnih zvezd. Zvezde so po svoji naravi med najsvetlejšimi objekti v vesolju, planeti pa oddajajo in odbijajo precej manj elektromagnetnega valovanja oziroma svetlobe. To diskrepanco morda še najbolje ponazori razmerje med številom znanih zvezd in številom znanih planetov. V času pisanja je namreč v različnih katalogih zbrana skoraj milijarda zvezd, medtem ko je bilo potrjenih detekcij planetov le borih 3608.

Iskanje potencialno naseljivih planetov je torej iskanje majhne, temne igle v ogromnem, zelo temnem kupu sena. Kljub temu pa vsake toliko posije žarek upanja, pred kratkim v primeru odkritja kar sedmih planetov približno Zemljine velikosti okoli majhne zvezde TRAPPIST-1. Trije od planetov so znotraj teoretične naseljive cone, kar je seveda vzbudilo veliko zanimanja.

Vendar pa so visoki upi kmalu zbledeli. TRAPPIST-1 je namreč pritlikava zvezda, le malce večja od Jupitra, zaradi česar so orbite planetov mnogo bližje zvezdi kot pri nas. Vseh sedem planetov bi pravzaprav lahko stlačili znotraj Merkurjeve orbite. Zaradi bližine so planeti precej bolj izpostavljeni zvezdnim izbruhom, ki pa so po meritvah sodeč v primeru TRAPPIST-1 zelo pogosti in močni, primerljivi z zadnjo veliko sončno nevihto, ki se je zgodila leta 1859. Tedaj je izbruh elektromagnetnega valovanja onesposobil telegrafske linije in stresel več telegrafskih operaterjev, sončni siji oziroma aurore pa so toliko osvetlile nočno nebo, da so zbudile speče ljudi. Predstavljajte si sedaj, da ste soncu desetkrat bližje, ko se to zgodi. Možnosti za razvoj življenja se ob veliki pogostosti takšnih izbruhov radikalno zmanjšajo, sploh če se dogajajo v povprečju vsakih 28 ur, kot so pokazala opazovanja TRAPPIST-1.

Zdi se, da smo zaenkrat obsojeni na odkrivanje takšnih sprva obetavnih planetov, ki pa se bodo izkazali za nosilce lažnega upanja. Da je detekcija planetov zahteven proces, smo že pokazali, s trenutno dostopno tehnologijo pa je najlažje zaznati planete okoli pritlikavih zvezd, kar na žalost največkrat pomeni visoko aktivnost in posledično neprijaznost za življenje na okoliških planetih. Zemlji podobnega planeta okoli soncu podobne zvezde trenutno ne moremo dovolj natančno zaznati, da bi lahko sklepali o naseljivosti.

Astrobiologija je zelo mlada veja znanosti. Pomanjkanje velikega kataloga planetov onemogoča konkretno statistično analizo in kvalitetno preverjanje teorij, kar pa ni presenetljivo ob upoštevanju dejstva, da je do prve potrjene zaznave eksoplaneta prišlo šele leta 1992, torej pred borimi 25 leti. Skupaj s stalnimi tehnološkimi napredki na področju teleskopov tako prihodnost astrobiologije vseeno izgleda svetla.

S tem smo prišli do konca tokratne Frequenze della Scienze na Radiu Študent. Vaš pilot po svetu definicij življenja, ekstremofilov, klimatskih modelov in planetov blizu in daleč je bil Luka Seliškar, brala sva Lucija in Benjamin. Hvala za pozornost in na slišanje v prihodnjem znanstvenem terminu Radia Študent.

Povzeto po predavanjih prof. Giovannija Vladila.