Życie w Kosmosie, czyli z pamiętnika malkontenta

Licencja: FOTOKITA/Shutterstock

Większość artykułów popularnonaukowych nie opiera się pokusie naciągania faktów i hipotez, mniej lub bardziej propagując tezę o obowiązkowym wyposażeniu Wszechświata w inteligentne życie, w dodatku na modłę ziemską, czyli białkowe.

Zacznijmy od definicji. Nie ma jednej definicji życia. Jest ich wiele, różnych, zależnych od punktu widzenia.

Tibor Gánti, węgierski biolog, wyodrębnił osiem cech życia, pięć koniecznych i trzy potencjalne.
Cechy konieczne obiektu żywego:
– jest wyodrębniony ze świata zewnętrznego
– posiada metabolizm
– jest wewnętrznie stabilny
– posiada podsystem przechowywania i przetwarzania informacji
– procesy wewnątrz systemu żywego są regulowane
Cechy potencjalne:
– musi mieć zdolność do wzrostu i rozmnażania
– w replikacji musi zachodzić zmienność (ewolucja)
– musi być śmiertelny

Widać, że pisał to biolog, jego definicja dotyczy życia biologicznego. Możemy jednak definiować życie z innych punktów widzenia. Na przykład fizyk powiedziałby, że życie może zmniejszać entropię, przez co organizmy żywe stają się coraz bardziej skomplikowane. Inaczej mówiąc organizmy żywe zmniejszają swoją entropię, pobierając energię z otoczenia. Cybernetyk określiłby życie jako system sprzężeń zwrotnych ujemnych podporządkowanych nadrzędnemu sprzężeniu zwrotnemu dodatniemu (tę akurat definicję zawdzięczamy Polakowi, Bernardowi Korzeniowskiemu). Z punktu widzenia termodynamiki życie to samoorganizujący system nierównowagowy, którego procesami rządzi program, przechowywany w postaci symbolicznej (informacja genetyczna), zdolny do reprodukcji, włącznie z tym programem (Lee Smolin). Z punktu widzenia teorii informacji życie to kontinuum samopodtrzymującej się informacji.

Wszystkie te definicje są prawdziwe, ale nie wyczerpują tematu. Więcej, tworzą mgłę pojęciową. Dlaczego? Czy wirus jest żywy? Czy wirus komputerowy jest żywy? Albo starożytna gra komputerowa Life? Cząstkowe, izolowane punkty widzenia tworzą doskonałe środowisko do sporów i niekończących się akademickich debat, rozmów o wszystkim i niczym. Dlatego najbardziej podoba mi się prosta i krótka definicja mówiąca, że życie jest materią, która może się rozmnażać i ewoluować w celu przetrwania. Definicja ta dobrze nadaje się do naszych rozważań o życiu pozaziemskim, nie nacechowanych antropocentryzmem, DNA-centryzmem i innymi naleciałościami kulturowymi zniekształcającymi myślenie.

Wiemy już, że nie znamy ścisłej definicji życia. Może w takim razie wiemy, jak ono powstało na Ziemi? Nie wiemy i nawet nie mamy pomysłu, jak się tego dowiedzieć. Wiemy jak działa życie w stanie rozwiniętym, ewolucja, ale nie wiemy, jak powstało pra-życie i jak się rozwijało, niepostrzeżenie przeobrażając się w życie. Jak więc, do jasnej, możemy cokolwiek powiedzieć o życiu pozaziemskim, które spełnia warunek stawiany przez definicję teorii informacji, tę o kontinuum samopodtrzymującej się informacji? Przecież organizacja materii (i energii) spełniająca podstawowe warunki definicji życia nie musi być organizmem. Może być oceanem, jak u Stanisława Lema w powieści „Solaris”, może być zorganizowanym rojem mikroautomatów, jak w „Niezwyciężonym”, w którym życie jest pochodną ich ilości i wymiany informacji między nimi. Nie znamy struktury gwiazd, skąd możemy wiedzieć, że we wnętrzu gwiazd nie kwitnie życie gwiazdowe? Inteligentne życie gwiazdowe. Niezawodny Lem napisał opowiadanie “Prawda”, które traktuje o samoorganizującej się plazmie. I nie jest to czcza fantazja, gdyż badania spolaryzowanej plazmy dowodzą, że wyobraźnia Stanisława Lema mogła być prorocza. Więcej można poczytać tu.

No dobrze, zawęźmy dziedzinę poszukiwań, poszukajmy życia białkowego. Zawężamy jeszcze bardziej – poszukujemy aminokwasów, podstawowych cegiełek budulcowych naszego, ziemskiego życia. Sonda Stardust przelatując przed jądro komety 81P/Wild-2 zebrała próbki, które przesłała na Ziemię. Po kilku latach okazało się, że próbka zawiera najprostszy aminokwas – glicynę o wzorze C2H5NO2 . Mamy więc nadzieję, że z tych najprostszych cząsteczek organicznych, w odpowiednich warunkach, powstaną bardziej skomplikowane związki, które, jeśli będą miały dużo czasu i bardzo dużo szczęścia, utworzą pra-DNA i nabędą zdolności do samoreplikacji i ewolucji. Dalej, mamy nadzieję, sprawy potoczą się gładko i po kilku miliardach lat po planecie-szczęściarzu będą chodziły małe zielone ludziki.

Jeśli wyczuwasz ironię w tym, co wyżej napisałem, to masz rację. Nie wiemy, czego szukamy, więc szukamy rzeczy najprostszych – cząsteczek organicznych. Ponieważ jesteśmy ludźmi, do wszystkiego przykładamy ludzką miarę. Najlepszym przykładem jest program SETI, poszukiwanie kosmicznej inteligencji poprzez nasłuchiwanie i analizę sygnałów radiowych docierających do naszych anten z Kosmosu. Celem programu, zainicjowanego w 1999 roku było nawiązanie kontaktu z cywilizacjami pozaziemskimi. Po 21 latach bezowocnych prób wyłuskania „inteligentnej” transmisji radiowej z kosmicznego szumu, program został przerwany. Oficjalnie dlatego, że zebrano wystarczająco dużo materiału do analiz. Nieoficjalnie dlatego, że nawet najwięksi optymiści stracili nadzieję (i zapał) na jakikolwiek kontakt z kimkolwiek. Dwadzieścia lat to wystarczająco długi czas, żeby zrozumieć, że program nie miał szans powodzenia. Więcej, zdaliśmy sobie sprawę z tego, że obca inteligencja nie musi być pokojowo do nas nastawiona. W końcu dla Nich to My jesteśmy „obcy”.

Ryc. 1. Koncepcja artystyczna przedstawiająca egzoplanetę Kepler-1649c krążącą wokół swojej macierzystej gwiazdy – czerwonego karła. Egzoplaneta znajduje się w ekosferze swojej gwiazdy – w odległości, w której na powierzchni planety może znajdować się woda w stanie ciekłym. Źródło: NASA/Ames Research Center/Daniel Rutter https://www.astronomy.com/science/the-lonely-universe-is-life-on-earth-just-a-lucky-fluke/

Inteligencja

Podobnie jak życie, również inteligencja wymyka się jednoznacznej definicji. Potocznie inteligencję utożsamiamy z rozumem, ale to utożsamienie nie przybliża nas do zrozumienia, czym ona właściwie jest. Najprostsza definicja inteligencji to (Wikipedia): zdolność do postrzegania, analizy i adaptacji do zmian otoczenia. 

Wyjaśnienia wymaga też różnica między poszukiwaniem życia a poszukiwaniem inteligencji. To są różne rzeczy i nie należy ich mylić. Zaczynamy to rozumieć teraz, kiedy właśnie wybucha bomba ze sztuczną inteligencją (AI) i okazuje się, że nie bardzo wiemy, co z nią zrobić. A przecież wszystkie karty mamy w ręku, jesteśmy na początku jej rozwoju. Popełniamy jednak błąd za błędem; boimy się, ale brniemy. I żebyśmy się dobrze rozumieli, nie mam nic przeciwko AI, niech się rozwija, ale niech pozostanie tylko narzędziem, jak kontrolowana reakcja jądrowa. „Zwykła”, tradycyjna sztuczna inteligencja nam nie zagraża, ponieważ jest odtwórcza. Kompiluje treści, którymi się „żywi” i przedstawia je w zmienionej formie, na przykład w postaci prawidłowo zredagowanego tekstu. Posługuje się znanymi nam regułami, a efekty jej pracy są przewidywalne. Co innego generatywna sztuczna inteligencja (AGI), zdolna do tworzenia wiedzy, kreatywna. Obecnie prowadzone prace mają na celu stworzenie AGI, na przykład poprzez emulowanie sieci połączeń nerwowych mózgu. Cechą charakterystyczną AGI jest zdolność do tworzenia danych, na których AGI może się uczyć. Przypomnijmy, że „zwykła” AI uczy się na danych wcześniej wytworzonych przez człowieka.

Paradoksalnie, chyba wcześniej „odkryjemy” naszą własną, rodzimą sztuczną inteligencję w postaci Golema AGI, niż znajdziemy ją w Kosmosie.

Z powyższych wywodów wynika, że nie szukamy życia jako takiego, kompletnego, skończonego. Nie wiemy, jak szukać, nasza technologia dopiero co pozwoliła nam oderwać się od Ziemi. Szukamy więc życia in statu nascendi – przejawów, śladów, sygnałów, elementów, przesłanek, z których wcale nie musi cokolwiek wynikać. Robimy to dlatego, że, od kiedy zdaliśmy sobie sprawę z ogromu Kosmosu, nagle poczuliśmy się w tej piaskownicy strasznie samotni. 

Nie wiemy, jakie korzyści odnieślibyśmy, znajdując życie pozaziemskie w postaci chociażby najmniejszej bakterii, na Marsie czy innym Enceladusie. Poza zaspokojeniem ciekawości jedyną wymierną korzyścią z poszukiwań jest niewątpliwy rozwój naukowy i technologiczny, towarzyszący poszukiwaniom. Tak więc prawdziwym sensem tych poszukiwań jest przysłowiowe „gonienie króliczka” i napędzanie własnej motywacji do poszukiwań. Perpetuum mobile.

Trochę optymizmu, panowie…

Załóżmy jednak, że poszukiwania mają sens. Załóżmy, że ostatni krzyk mody, czyli egzoplanety, to realna perspektywa ich eksploracji, a może nawet eksploatacji. Pal sześć SETI, teraz egzoplanety.

W 2009 roku wystrzelono w Kosmos kosmiczny teleskop Kepler, specjalnie zaprojektowany do lokalizacji planet pozasłonecznych. Misja okazała się strzałem w dziesiątkę, do dziś odkryliśmy ponad 4000 planet, badając zaledwie 150 tysięcy układów gwiezdnych na jednym zaledwie kawałeczku nieba. Z odkrytych 4000 planet 25% jest wielkości zbliżonej do wielkości Ziemi, leżących w ekosferze swoich gwiazd. Nie są zbyt gorące ani zbyt zimne i teoretycznie posiadają warunki do syntezy bardziej złożonych związków organicznych, mogących być materiałem budulcowym Życia. Także teleskop TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) będący własnością MIT tropi egzoplanety. Metoda jest podobna jak w Keplerze – detekcja osłabienia jasności gwiazdy w trakcie przechodzenia przed nią planety. W odróżnieniu od Keplera TESS skanuje całe niebo. 

Ryc. 2. Grafika obrazująca proporcje liczby planet potencjalnie nadających się do zamieszkania. Teleskop TESS. Źródła: Planetary Hability Laboratory; Abel Mendez, University od Puerto Rico at Arecibo; Tom Barclay, NASA

Droga Mleczna składa się z ponad 100 miliardów gwiazd, więc z prostego rachunku wynika, że w samej Galaktyce jest 25 miliardów miejsc, gdzie życie mogłoby się rozwinąć. Mogłoby, tylko dlaczego się nie rozwinęło? O tym w następnym rozdziale, na razie bądźmy optymistami. W oddzielnym wpisie przedstawię hipotezę jedynej (rzadkiej) Ziemi (ang. Rare Earth hypothesis) – według której Ziemia i jej otoczenie mają nieprawdopodobnie szczęśliwie dobraną kombinację parametrów astrofizycznych i geologicznych sprzyjającą powstaniu złożonego wielokomórkowego życia. Nie będę ukrywał, że ta hipoteza jest całkowicie zgodna z moim poglądem na sprawę.

Odkrycia dokonane za pomocą Keplera tchnęły mnóstwo optymizmu w więdnącą nieco dziedzinę poszukiwań ET. Znalazły się pieniądze na nowe programy badawcze, odżyła nauka zwana astrobiologią. Powstały naziemne teleskopy służące do poszukiwania śladów życia na egzoplanetach. Zainteresowanych badaniami w tej dziedzinie odsyłam do obszernego artykułu w National Geographic https://www.nationalgeographic.com/magazine/article/extraterrestrial-life-probably-exists-how-do-we-search-for-aliens.

Słów kilka o astrobiologii 

Astrobiologia to multidyscyplinarna dziedzina naukowa badająca pochodzenie, ewolucję, rozmieszczenie i potencjalne istnienie życia we wszechświecie. Właściwie trudno nazwać astrobiologię nauką, raczej filozofią próbującą odpowiedzieć na pytanie „Kim jesteśmy? Skąd przybywamy? Dokąd zmierzamy?”. Impulsem do powstania nowoczesnej astrobiologii był meteoryt marsjański ALH84001 odkryty na Antarktydzie w 1984 roku. To nic, że w meteorycie nie odkryto żadnych śladów życia, ale odkrycie pierwszych egzoplanet i postępy w mikrobiologii (szczególnie odkrycie ekstremofili) wzbudziły wielki zapał do badań w tej dziedzinie.

W życie pozaziemskie wierzono już od XIX wieku. Panowało wtedy przekonanie o życiu na Marsie i Wenus. W 1877 roku Giovanni Schiaparelii odkrył “kanały” na Marsie. Z kolei Wenus, zbliżona rozmiarami do Ziemi, tajemnicza, bo zakryta po szyję chmurami, musiała być zamieszkana, no bo jakże by inaczej. Księżyc też był murowanym kandydatem na siedlisko żywych istot. W utrwalaniu tego przekonania duży udział miała literatura fantastyczno-naukowa. Co prawda pierwsze amerykańskie i radzieckie misje kosmiczne rozwiały zapał do zasiedlenia gotowych do tego planet naszego układu, ale astrobiologia zaczęła krzepnąć jako kandydatka na nową dziedzinę nauki. Joshua Lederberg, noblista, biolog molekularny i astrobiolog w 1960 roku pisał: Astrobiologia nie jest w żadnym stopniu dziedziną bardziej fantastyczną niż plany realizacji podróży kosmicznych, a naukowcy mają obowiązek zgłębiać ten temat wraz ze wszystkimi jego konsekwencjami dla nauki i z myślą o ludzkim dobrobycie.

Carl Sagan, wielki popularyzator nauki, astronom i astrobiolog, walnie przyczynił się do jej popularności. Sagan wierzył, że na Marsie mogą znajdować się prymitywne formy życia. Niestety okazało się to nieprawdą.

Jeszcze o panspermii

Pomostem między poszukiwaniem życia w Kosmosie i powstaniem życia na Ziemi jest panspermia. Według tej teorii życie oparte o DNA jest na tyle unikalnym zjawiskiem, że nie może powstawać ot tak po prostu, z prawdopodobieństwem statystycznym, po spełnieniu warunków fizycznych. Życie powstało jeden jedyny raz, gdzieś w głębi Kosmosu i następnie, korzystając z kosmicznych środków lokomocji (np. komety, meteoryty) rozpropagowało się w postaci bakterii lub przetrwalników na inne układy gwiezdne. Tam zaś, korzystając z wbudowanego już mechanizmu ewolucji mogło się dalej rozwijać. Teoria jest ciekawa, bo implikuje rozwój bardzo zróżnicowanych ekosystemów w zależności od panujących na danej planecie warunków. Prekursorem panspermii jest grecki filozof Anaksagoras. Podobne hipotezy wysuwali XIX i XX-wieczni uczeni: J.J. Berzelius w 1834 r., W. Thomson (późniejszy lord Kelvin) w 1871 r. i Svante Arrhenius w 1908 r. Arrhenius głosił, że mikroorganizmy mogły być przenoszone wskutek ciśnienia światła – tzw. radiopanspermia. O ciśnieniu światła pisał onegdaj Lucas Bergowsky.

Jako bonus, tu jest link do artykułu w NewScientist o niesporczakach i ich niebywałej odporności na ekstremalne warunki zewnętrzne jak promieniowanie, próżnia, temperatura: https://www.newscientist.com/article/2412569-we-finally-know-how-tardigrades-can-survive-extreme-conditions/

Ryc. 3. Niesporczak pod mikroskopem. Niesporczaki to mikroskopijne stworzenia żyjące na Ziemi w różnorodnych środowiskach, potrafiące przetrwać w warunkach próżni kosmicznej. Zdjęcie: Philippe Garcelon

Cegiełki życia

Poszukiwanie życia we Wszechświecie odbywa się zarówno w skali makro (egzoplanety) jak i mikro (cząsteczki). Zaawansowane badania spektroskopowe pozwoliły odkryć w obiektach pozaziemskich (chmury molekularne, protogwiazdy, komety, powierzchnia innych planet) cząsteczki organiczne: glikol aldehyd, cyjanoacetylen, acetonitryl, aminy oraz związki aromatyczne, w tym benzen. Rozpoczęto też bezpośrednie badania materii międzygwiezdnej, odkrywając (wspomnianą wcześniej) glicynę w komecie. 

Coś w rodzaju podsumowania

Badania Kosmosu są bardzo kosztowną zabawką i nie byłyby tak szczodrze finansowane przez państwa gdyby nie legenda życia pozaziemskiego. Na przykład Słońce, Wenus albo Księżyc, globy ewidentnie jałowe i martwe, przyciągają niewielkie fundusze. Na przeciwnym biegunie zainteresowania leży Mars, księżyce Jowisza i Saturna oraz pas planetoid. Poszukiwania przejawów życia idą tam pełną parą. Lepiej więc wydać pieniądze na poszukiwania Świętego Graala, przy okazji dokonując odkryć fizycznych, chemicznych czy technologicznych np. w energetyce i medycynie, niż marnować siły i środki na wyścig zbrojeń i prowadzenie bezsensownych wojen. Niech żyją „zielone ludziki”.

Światło w brzuchu giganta, czyli o fosforze na Enceladusie

W dawnych czasach Ziemię zamieszkiwali giganci. Pochodzili od bogów, ale w przeciwieństwie do nich byli śmiertelni. Wyglądali dość diabolicznie, byli kudłaci, a zamiast nóg mieli węże. Jednym z nich był Enkelados. W czasie gigantomachii, wielkiej bitwy gigantów z bogami o władanie kosmosem, Enkelados walczył z wielką Ateną. Zabity w walce został rzucony na Ziemię i pogrzebany. I tu źródła podają różne miejsca – Sycylia albo Etna. Tak czy inaczej pod wulkanem.

Fontanna Enkeladosa (fragment), park w Wersalu (Paryż), źródło: Wikimedia, licencja: GNU FDL 1.2

Nic więc dziwnego, że jeden ze stu kilkudziesięciu naturalnych satelitów planety Saturn (jego greckim odpowiednikiem jest Kronos, z którego krwi zrodził się wspomniany gigant), zyskał nazwę Enceladus. Jeśli weźmiemy pod uwagę rozmiary, nie należy on do gigantów, jest szósty pod względem wielkości spośród księżyców Saturna, ma średnicę ok. 500 km. Enceladus to księżyc lodowy. Jego powierzchnia jest usiana kraterami, występują tam też gejzery. Zjawisko to jest znane pod nazwą kriowulkanizmu. Widać, że duch pogrzebanego pod którymś z wulkanów Enkeladosa ujawnia swoją prawdziwą naturę.

Gejzery na Enceladusie, źródło: Wikimedia, licencja: CC BY-SA 2.0

Na temat Enceladusa wiemy stosunkowo dużo, a to dzięki badaniom sondy Cassini-Huygens. Wystrzelona w 1997 roku miała za zadanie eksplorację Saturna, jego pierścieni oraz satelitów. Wyniki naukowe misji były wprost rewelacyjne. Sonda Cassini odkryła w pobliżu południowego bieguna Enceladusa gejzery, z których uwalniały się duże ilości materii. Uczeni analizujący wyniki badań uznali, że jest to potwierdzenie hipotezy mówiącej o tym, że pod lodową powierzchnią tego księżyca znajduje się duży ocean zawierający spore ilości ciekłej słonej wody. W wyrzucanych przez gejzery strugach odkryto gazowy wodór, który może powstawać tam w wyniku aktywności hydrotermalnej. Metody spektrometryczne pozwoliły także na odkrycie węglowodorów oraz dwutlenku węgla. Uznano, że obecność całego szeregu związków, zarówno nieorganicznych, jak też organicznych, może być oznaką istnienia pod lodową pokrywą jakichś prostych form życia. Jak dotąd wykryto jony sodu i potasu, węglany i wodorowęglany. Odczyn roztworu jest lekko alkaliczny. W czerwcu br. w czasopiśmie Nature wielonarodowy zespół autorów opublikował bardzo ciekawy artykuł dotyczący wyników badań wykonanych przez analizator pyłu kosmicznego (Cosmic Dust Analyzer, CDA). Urządzenie to jest tak naprawdę zaawansowanym spektrometrem mas. Uzyskane rezultaty zaskoczyły naukowców. Widma mas pokazały, że ocean Enceladusa jest naprawdę solidnie zasolony, a wśród obecnych tam związków znaleziono, o dziwo, fosforany (głównie sodu). Nie znaleziono natomiast związków fosforu(III), co nie dziwi, ponieważ nie są one trwałe w roztworach alkalicznych.

Zważywszy na to, że już jakiś czas temu znaleziono tam związki azotu, można powiedzieć, że odkrycie fosforu dopełniło zestaw pierwiastków ważnych dla życia. Mamy tam bowiem węgiel, wodór, tlen, azot i fosfor. Warte podkreślenia jest to, że rozpuszczalne związki fosforu zostały po raz pierwszy wykryte w oceanie pozaziemskim. Przypomnę tylko, że fosfor wchodzi w skład bardzo ważnych związków spotykanych w organizmach żywych. Pisałem o tym jakiś czas temu. ATP, DNA, RNA, fosfolipidy… wszystkie one zawierają atomy fosforu.

Podsumujmy: mamy tam „zupkę” złożoną z wielu soli, a do tego takie związki organiczne jak proste aminy (dwumetylo- lub dwuetyloamina) oraz związki karbonylowe (kwas i aldehyd octowy). Prawdopodobnie występują tam też proste związki aromatyczne typu aniliny czy kwasu benzoesowego. Zestaw znajdowanych tam związków organicznych jest zadziwiająco zbliżony do tego, który można wykryć w znajdujących się na Ziemi kominach hydrotermalnych. Zjawiska na Ziemi są w sumie wynikiem ogrzewania skorupy ziemskiej m.in. przez rozpad pierwiastków promieniotwórczych. W przypadku Enceladusa brak takiego źródła energii. Przypuszcza się, że tam źródłem ciepła są tzw. siły pływowe. Właśnie stąd mamy na powierzchni tego księżyca tzw. tygrysie paski, ale też ciepło utrzymujące podlodowy ocean w stanie płynnym.

Działalność hydrotermalna na Enceladusie (wizja artystyczna), źródło: NASA-JPL,
licencja: domena publiczna

Z wyników tych analiz nie można w żadnym wypadku wyciągać wniosków co do istnienia jakichkolwiek pozaziemskich form życia, nawet prymitywnego, na Enceladusie.

Co dalej? NASA pracuje już nad projektem badań tego księżyca. Został on umieszczony na liście tzw. programu Flagship, który zaczął się jeszcze w latach 70. XX w., od projektu Voyager. Misja nr 9 na tej liście, wstępnie nazwana Enceladus Orbilander, jest planowana na koniec lat 30., przy czym próbnik miałby rozpocząć badania gejzerów na początku lat 50., a po półtorarocznym orbitowaniu planowane jest lądowanie na powierzchni.

Jednak od tego dzieli nas co najmniej 20 lat. Może do tego czasu Marcin Czerwiński napisze coś o krwi Enkeladosa (w końcu zrodził się z krwi Kronosa), a Piotr Gąsiorowski umieści gigantów w jakimś drzewie filogenetycznym. A tytułowe światło nawiązuje oczywiście do etymologii słowa “fosfor”, o którym pisałem tutaj.

Literatura dodatkowa

Cosmic Dust Analyzer

Związki organiczne na Enceladusie

Przegląd związków odkrytych na Enceladusie

Jak grawitacja ogrzewa wnętrze tego księżyca

Czy na Enceladusie jest życie?