Η αστροβιολογία προσπαθεί να προσδιορίσει τον ορισμό της ζωής

Η αστροβιολογία προσπαθεί να προσδιορίσει τον ορισμό της ζωής

Τι ακριβώς είναι ζωή; 

Αυτή είναι μια ερώτηση που χαλάει τον ύπνο των βιολόγων. Η επιστήμη της βιολογίας είναι η μελέτη της ζωής, αλλά οι επιστήμονες δεν μπορούν να συμφωνήσουν σε έναν απόλυτο καθορισμό της έννοιας αυτής. Είναι τα ξεχωριστά κύτταρα του σώματός μας, με όλους τους πολύπλοκους μηχανισμούς τους, «ζωντανά»; Και τι γίνεται με ένα πρόγραμμα ενός υπολογιστή που μαθαίνει και εξελίσσεται; Μπορεί ακόμα μια έντονη φωτιά, που θρέφεται, μεγαλώνει, αναπτύσσεται και αναπαράγεται, να θεωρηθεί ως ζωντανή οντότητα;

 Η προσπάθεια για τον προσδιορισμό του τι είναι ζωή δεν αποτελεί μονάχα μια φιλοσοφική άσκηση. Χρειαζόμαστε να καταλάβουμε τι είναι αυτό που διαχωρίζει τα ζωντανά όντα από την μη ζώσα ύλη κι αυτό θα πρέπει να κατανοηθεί πριν ισχυριστούμε ότι έχουμε βρει ζωή κάπου αλλού στο Σύμπαν.

Το 1944, ο φυσικός Erwin Schrdinger προσδιόρισε τη ζωντανή ύλη ως αυτό που «αποφεύγει την κατάρρευση σε ισορροπία». Αυτός ο προσδιορισμός παραπέμπει στον Δεύτερο Νόμο της Θερμοδυναμικής, σύμφωνα με τον οποία η εντροπία αυξάνεται διαρκώς. Η εντροπία συχνά αναφέρεται και ως χάος ή αταξία, αλλά στην πραγματικότητα είναι η διάχυση ενέργειας προς μια κατάσταση ομοιομορφίας. Αυτός ο νόμος μπορεί να παρατηρηθεί σε ένα κρύο ποτήρι με νερό που σταδιακά ζεσταίνεται μέχρι να φτάσει στην ίδια θερμοκρασία με τον περιβάλλοντα αέρα. Εξαιτίας αυτής της ροπής προς την ισορροπία το Σύμπαν τελικά δε θα έχει κάποια δομή, θα αποτελείται δηλαδή από ομοιόμορφα κατανεμημένα άτομα ίσης θερμότητας.

Αλλά τα ζωντανά πράγματα, είχε πει ο Schrdinger, είναι ικανά να αναβάλλουν αυτήν την τάση. Σκεφτείτε το ακόλουθο. Ενώ είσαστε ζωντανοί το σώμα σας διατηρεί τη δομή του, αλλά μόλις πεθάνετε το σώμα σας θα αρχίσει να διασπάται μέσω της δράσης των βακτηρίων και των χημικών διεργασιών. Τελικά τα άτομα από το σώμα σας θα διαχυθούν με ομοιόμορφο τρόπο και θα ανακυκλωθούν από τη Γη. Το να πεθαίνει κανείς είναι το να υποτάσσει το σώμα του στην εντροπία του Σύμπαντος.

Τα ζωντανά όντα αντιστέκονται στην εντροπία με το να απορροφούν θρεπτικά συστατικά. Αυτή η βιοχημική διαδικασία της απορρόφησης ενέργειας για δράσεις και της αποβολής των απόβλητων παραπροϊόντων είναι γνωστή ως «μεταβολισμός». Εάν ο μεταβολισμός είναι σημάδι ζωής, οι επιστήμονες μπορούν να αναζητήσουν τα απόβλητα παραπροϊόντα του μεταβολισμού όταν ψάχνουν για ζωή σε άλλους κόσμους.

Τουλάχιστον, αυτή ήταν η ιδέα πίσω από το πείραμα που είχε διεξάγει η αποστολή Viking στον Άρη το 1976. Σ’ αυτό το πείραμα, που σκόπευε να ελέγξει την ύπαρξη ζωής μέσω εξέτασης μεταβολικών στοιχείων, προστέθηκε ραδιοσημασμένο θρεπτικό υγρό σε ένα δείγμα εδάφους από τον Άρη. Εάν αυτά τα θρεπτικά υλικά καταναλώνονταν από ζωντανές μορφές, οποιαδήποτε αέρια θα απελευθερώνονταν ως παραπροϊόντα μεταβολισμού θα ήταν επίσης ραδιοσημασμένα.

Αφού εκχύθηκε το θρεπτικό υλικό, εμφανίστηκε ταχύτατη αύξηση αερίων διοξειδίου του άνθρακα. Επειδή το αέριο αυτό ήταν ραδιοσημασμένο, οι επιστήμονες αρχικά κατέληξαν στο ότι οργανισμοί από το έδαφος του Άρη κατανάλωναν το θρεπτικό υλικό και απελευθέρωναν το διοξείδιο του άνθρακα ως μεταβολικό παραπροϊόν. Ωστόσο, το έδαφος του Άρη προέκυψε ότι είχε μια σπάνια χημική σύσταση που μπορούσε να παράγει μια αντίδραση η οποία προσομοίαζε στο μεταβολισμό. Αν και το τεστ παρέμεινε χωρίς τελικό συμπέρασμα, οι περισσότεροι επιστήμονες πιστεύουν ότι υπαίτιες για τη συγκεκριμένη «μεταβολική» αντίδραση ήταν χημικές διεργασίες που δεν υποδηλώνουν ζωή. Τα πειράματα του Viking έδειξαν ότι ενώ ο μεταβολισμός μπορεί να είναι μια ποιότητα που χαρακτηρίζει τη ζωή, δεν αποτελεί μια αρκετά στενή κατεύθυνση για την αναζήτηση ζωής αλλού.

Μια άλλη ποιότητα που υπάρχει σε καθετί ζωντανό στη Γη είναι η εξάρτηση από το νερό. Εφόσον το νερό διαδραματίζει έναν τέτοιον κρίσιμο ρόλο σε όλες τις γνωστές μορφές ζωής, πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι η χρήση του νερού μπορεί να είναι ένα χαρακτηριστικό που είναι καθολικό για κάθε μορφή ζωής. Αλλά ο Benton Clark, αστροβιολόγος που συνεργάστηκε με το Πανεπιστημίου του Κολοράντο και την εταιρία αεροδιαστημικής Lockheed Martin, λέει ότι το νερό είναι στην πραγματικότητα ένα παράπλευρο ζήτημα.

«Το νερό δεν προσδιορίζει τη ζωή, είναι απλά μια όψη του περιβάλλοντός μας», δήλωσε ο Clark.
Η ζωή στη Γη εξελίχθηκε με το νερό κι έτσι η σημερινή ζωή στη Γη εξαρτάται από αυτήν την πηγή. Αλλά δε μπορούμε να πούμε ότι χωρίς νερό η ζωή είναι αδύνατη. Στη Γη, η ζωή μπόρεσε να προσαρμοστεί στα δριμύτερα περιβάλλοντα, έτσι είναι πιθανό ότι η ζωή ίσως έχει βρει έναν τρόπο να επιζήσει σε κόσμους που δεν έχουν υγρό νερό.

Ο Steven Benner, αστροβιολόγος που συνεργάζεται με το Πανεπιστήμιο της Φλόριντα, συμφωνεί ότι το νερό δεν είναι αναγκαστικά ένα καθολικό χαρακτηριστικό της ζωής.
«Μπορούμε να φανταστούμε χημείες που μπορεί να απαντώνται με θειικό οξύ ως διαλύτη, όπως στην Αφροδίτη, ή με μείγματα μεθανίου και αμμωνίας, όπως στον Δία», είπε ο Benner. «Το να ανακαλύψουμε κάτι τέτοιο θα είχε έναν έντονο αντίκτυπο στην αντίληψη που έχουμε για τη ζωή ωστόσο, όπως επίσης στο πώς η NASA αναζητά γι’ αυτήν».
Ένας σχετικά πρόσφατος προσδιορισμός για τη ζωή δημιουργήθηκε από τον Gerald Joyce στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Scripps και δεν παραπέμπει ούτε στο μεταβολισμό αλλά ούτε και στο νερό. Σύμφωνα με τον προσδιορισμό αυτό, η ζωή είναι «ένα αυτοδιατηρούμενο σύστημα που είναι ικανό για Δαρβινική εξέλιξη».

Αλλά ο Clark λέει ότι οι περισσότερες μορφές ζωής δεν είναι αυτοδιατηρούμενες. Τα ζώα τρέφονται με φυτά και άλλα ζώα, τα φυτά χρειάζονται μικροοργανισμούς στις ρίζες τους για να απορροφήσουν θρεπτικά συστατικά και τα βακτήρια συχνά ζούνε μέσα σε άλλους οργανισμούς, επαφιόμενα στο εσωτερικό περιβάλλον του ξενιστή τους. Λέει ότι οι μόνοι πραγματικά αυτοδιατηρούμενοι οργανισμοί είναι οι chemolithotrophs και οι photolithotrophs που είναι σχετικά σπάνιοι.

Ο Clark συνεχίζει ότι η Δαρβινική εξέλιξη είναι ένα ακόμα προβληματικό κριτήριο. Πώς θα μπορούσε κανείς να συμπεράνει εάν κάτι έχει υποβληθεί σε μια τέτοια εξέλιξη; Οι χρονικές κλίμακες που εμπλέκονται είναι τεράστιες και οι επιστήμονες θα χρειάζονταν μια πλήρη κατανόηση της ιστορίας των απολιθωμάτων ενός οργανισμού πριν καταστεί δυνατό να διαβεβαιώσουν ότι το αντικείμενο είναι όντως ζωντανό.
Σύμφωνα με τον Clark, οι ζωντανοί οργανισμοί παρουσιάζουν τουλάχιστον 102 παρατηρούμενες ποιότητες. Εάν προστεθούν όλες μαζί σε μία, κάτι που θα αποτελούσε έναν ιδιαίτερα μακροσκελή προσδιορισμό, και πάλι δε θα συλλαμβανόταν η ουσία της ζωής. Αλλά ο Clark διάλεξε από τη λίστα αυτή τρεις ποιότητες που τις θεωρεί καθολικές, δημιουργώντας έναν νέο προσδιορισμό για τη ζωή. Ο προσδιορισμός αυτός λέει ότι «η ζωή αναπαράγεται και χρησιμοποιεί ενέργεια. Αυτές οι λειτουργίες ακολουθούν ένα σύνολο από οδηγίες που είναι ενσωματωμένες μέσα στον οργανισμό».

Οι οδηγίες είναι τα «γράμματα» των μορίων DNA και RNA που σχηματίζουν τον γενετικό κώδικα σε όλους τους οργανισμούς στη Γη. Μια έντονη φωτιά, θα έλεγε κανείς, αναπαράγεται και χρησιμοποιεί ενέργεια. Το ίδιο κάνουν και οι κρύσταλλοι και διάφορες χημικές αντιδράσεις. Στην πραγματικότητα, ο Benner λέει ότι, «όποια αυθόρμητη χημική διεργασία θα πρέπει να καταναλώνει ελεύθερη ενέργεια, είτε είναι ζωντανή είτε όχι». Ο σχηματισμός των κρυστάλλων είναι ένα παράδειγμα.

Αλλά ο Clark αντιτείνει ότι κανένα από τα φαινόμενα αυτά δεν είναι «ζωντανό» γιατί κανένα από αυτά δεν έχει τις ενσωματωμένες οδηγίες ενός γενετικού κώδικα. Γνωρίζουμε ότι δεν υπάρχουν οδηγίες, γιατί δεν έχει γίνει καμιά μετάλλαξη εδώ και χρόνια. Ακολουθούν τους κανόνες της φυσικής και όχι ενσωματωμένες οδηγίες κι έτσι συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο κάθε στιγμή. Η μετάλλαξη, σύμφωνα με τον Clark, είναι το κλειδί για την κατανόηση του εάν κάτι έχει ενσωματωμένες οδηγίες.

Αλλά δεν είναι ικανά όλα τα ζωντανά πράγματα για αναπαραγωγή. Τα μουλάρια γεννιούνται στείρα. Οι περισσότερες μέλισσες δεν αναπαράγονται, μόνο η βασίλισσα έχει αυτήν την τιμή. Πολλά ανθρώπινα όντα ζουν ολόκληρη τη ζωή τους χωρίς να παράγουν απογόνους και κανείς δε θα ισχυριζόταν ότι τέτοιοι άνθρωποι δεν είναι ζωντανοί με βάση τον λόγο αυτό.

Όμως ο Clark λέει ότι η αναπαραγωγή και η χρήση ενέργειας δε χρειάζεται να συμβαίνουν αμφότερες για να υπάρξει ζωή. Διαχωρίζει τη ζωή σε δύο κατηγορίες, στους «οργανισμούς» και στις «μορφές ζωής». Οι οργανισμοί άγουν την ενέργεια σύμφωνα με ενσωματωμένες οδηγίες και η ενέργεια αυτή επιτρέπει στον οργανισμό να διεκπεραιώσει συγκεκριμένες δραστηριότητες. Από την άλλη μεριά, μια μορφή ζωής είναι μια πιο ευρεία κατηγορία που περιλαμβάνει και τους οργανισμούς και κάνει δυνατή την αναπαραγωγή.

«Αυτό που προτείνω είναι ότι οι ξεχωριστές φυσικές οντότητες θα έπρεπε να λέγονται ‘οργανισμοί’, αλλά κάποιες φορές χρειάζεται μια συλλογή από οργανισμούς, η ‘μορφή ζωής’ για να επιτευχθεί η αναπαραγωγή», λέει ο Clark.

Είναι πολλές οι προσπάθειες που έχουν γίνει για τον προσδιορισμό της ζωής εδώ και πολλά χρόνια αλλά θα πρέπει να υπάρξει ένας μοναδικός προσδιορισμός που θα γίνει δεκτός από όλους. Κάθε προσδιορισμός θα πρέπει να αντιμετωπίσει προκλήσεις όσον αφορά στην εγκυρότητά του. Σύμφωνα με την Carol Cleland του Πανεπιστημίου του Κολοράντο, αυτό συμβαίνει επειδή οι προσδιορισμοί αφορούν μόνο τη γλώσσα και τις έννοιες και δεν μπορούν να επεκταθούν πέρα από την κατανόηση που έχουν για τον κόσμο. Μπορούμε μόνο να προσδιορίσουμε πράγματα που ήδη τα κατανοούμε.

Η Cleland λέει ότι οι επιστήμονες του δέκατου έβδομου αιώνα είχαν το ίδιο πρόβλημα όταν προσπαθούσαν να προσδιορίσουν το νερό. Υπάρχουν πολλές περιγραφές για το νερό. Είναι υγρό, σβήνει τη δίψα, παγώνει, γίνεται ατμός, αλλά τέτοιες ιδιότητες συναντούνται και σε άλλες ουσίες. Μόλις οι επιστήμονες ανακάλυψαν τη μοριακή χημεία μπόρεσαν να προσδιορίσουν τι είναι νερό και να ικανοποιήσουν τους πάντες με τον προσδιορισμό αυτό. Είναι ένα άτομο οξυγόνου που ενώνεται με δύο άτομα υδρογόνου. Ίσως να χρειαζόμαστε μια παρόμοια επανάσταση στην επιστημονική σκέψη για να μπορέσουμε να προσδιορίσουμε και το τι είναι ζωή.

«Οι τρέχουσες προσπάθειες για να απαντηθεί η ερώτηση, ‘Τι είναι Ζωή;’ με όρους ιδιοτήτων όπως ο μεταβολισμός και η αναπαραγωγή, ιδιότητες που συνήθως χρησιμοποιούμε για να αναγνωρίσουμε δείγματα γήινης ζωής, είναι απίθανο να επιτύχουν», λέει η Cleland. «Αυτό που χρειαζόμαστε για να απαντήσουμε στην ερώτηση είναι μια γενική θεωρία των ζωντανών συστημάτων».

Ποιο είναι λοιπόν το επόμενο βήμα;

Θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε τον προσδιορισμό του Clark για να βρούμε ζωή σε άλλους κόσμους; Το διαστημόπλοιο Viking ήδη αναζήτησε τη χρήση ενέργειας με τη μορφή μεταβολισμού και τα αποτελέσματα ήταν ατελέσφορα. Θα έπρεπε να σκεφτούμε άλλους τρόπους με τους οποίους η ζωή χρησιμοποιεί ενέργεια εάν θέλουμε να θέσουμε αυτό το κριτήριο στην αναζήτησή μας για ζωή. Από την άλλη μεριά, ο Clark θεωρεί ότι το πρόβλημα της αναζήτησης μορφών ζωής με βάση τις ενσωματωμένες οδηγίες είναι ότι τα κριτήρια ίσως είναι πολύ ειδικά. Οι μόνες οδηγίες που γνωρίζουμε είναι αυτές των μορίων DNA και RNA, αλλά θα μπορούσαν να υπάρχουν άλλα γενετικά συστήματα στο Σύμπαν που δε μοιάζουν με αυτά που έχουμε βρει εδώ στη Γη.

Απόδοση: Αμαλία Τσακίρη, για το ESOTERICA.gr

Τα επτά θεμέλια της ζωής ή τις θεμελιώδεις αρχές λειτουργίας ενός ζώντος συστήματος

 

1. Το πρώτο θεμέλιο της ζωής είναι γι’ αυτόν το πρόγραμμα: ένα οργανωμένο γενικό σχέδιο, το οποίο περιγράφει τα συστατικά του ζώντος συστήματος και τις αλληλεπιδράσεις τους που διαιωνίζουν το σύστημα αυτό – στoν πλανήτη μας, το πρόγραμμα αυτό εκτελείται από το DΝΑ.

2. Ως δεύτερο θεμέλιο ορίζει τον αυτοσχεδιασμό: καθώς ένα ζων σύστημα είναι ένα μικρό τμήμα του σύμπαντος στο οποίο υφίσταται, δεν μπορεί να ελέγχει όλες τις αλλαγές του περιβάλλοντος, στις οποίες είναι εκτεθειμένο, άρα πρέπει να έχει ένα σύστημα για να μπορεί να τροποποιεί το πρόγραμμά του, ώστε να αντιμετωπίζει τις αλλαγές στο περιβάλλον του, χωρίς να επηρεάζεται το γενικό σχέδιό του.

3. Το τρίτο θεμέλιο είναι ο διαχωρισμός: όλοι οι ζώντες οργανισμοί έχουν περιορισμένο όγκο, περιβάλλονται από μια επιφάνεια η οποία αποκαλείται μεμβράνη ή δέρμα και συγκρατεί τα συστατικά στον καθορισμένο όγκο του οργανισμού, ενώ εμποδίζει να διεισδύσουν επιβλαβείς χημικές ουσίες.

4. Το τέταρτο θεμέλιο της ζωής είναι η ενέργεια: ο ζων οργανισμός πρέπει να είναι ένα σύστημα ανοιχτό που να δέχεται ενέργεια από εξωτερικές πηγές όπως ο Ήλιος, αλλά και ένα σύστημα που να μεταβολίζει, ικανό να μετατρέψει την ενέργεια σε «καύσιμο» για τον οργανισμό.

5. Πέμπτο θεμέλιο είναι η αναγέννηση: ένα σύστημα που μεταβολίζει διαρκώς, φθείρεται και πρέπει να έχει ένα σύστημα για να αντισταθμίζει τις απώλειές του. Η φθορά και η επιβράδυνση του συστήματος αναγέννησης με το πέρασμα του χρόνου είναι αυτό που αποκαλούμε γήρανση.

6. Το έκτο θεμέλιο είναι η προσαρμοστικότητα: για παράδειγμα, ένας άνθρωπος που βάζει το χέρι του στη φωτιά πονάει, αλλά πρέπει να το βγάλει αμέσως για να αποφύγει το έγκαυμα. Αυτή η συμπεριφορική αντίδραση στον πόνο είναι ουσιώδης για την επιβίωση – πρόκειται για μια θεμελιώδη αντίδραση των ζώντων συστημάτων που ονομάζεται ανάδραση.

7. Τέλος, το έβδομο και τελευταίο θεμέλιο της ζωής είναι η απομόνωση: τα ένζυμα σε ένα σύστημα που μεταβολίζει, έχει ζωτική σημασία να μην αντιδρούν παρά μόνο με τα μόρια που πρέπει να αντιδράσουν και να μην παρενοχλούνται από συγκρούσεις με διάφορα μόρια που προέρχονται από άλλες αντιδράσεις. 

Πηγή: Physics 4u