Nel film "Avatar", potremmo dire a colpo d'occhio che la luna aliena Pandora brulicava di vita aliena. Ci sono 50 milioni di organismi batterici in un solo grammo di terreno e la biomassa batterica mondiale supera quella di tutte le piante e animali. I microbi possono crescere in ambienti estremi di temperatura, salinità, acidità, radiazione e pressione. La forma più probabile in cui incontreremo la vita altrove nel nostro sistema solare è microbica.
Gli astrobiologi hanno bisogno di strategie per dedurre la presenza di vita microbica aliena o i suoi resti fossilizzati. Hanno bisogno di strategie per inferire la presenza della vita aliena sui pianeti lontani di altre stelle, che sono troppo lontani per essere esplorati con i veicoli spaziali nel prossimo futuro. Per fare queste cose, desiderano ardentemente una definizione di vita, che consentirebbe di distinguere in modo affidabile la vita dalla non vita.
Sfortunatamente, come abbiamo visto nella prima puntata di questa serie, nonostante l'enorme crescita della nostra conoscenza degli esseri viventi, i filosofi e gli scienziati non sono stati in grado di produrre una tale definizione. Gli astrobiologi riescono meglio che possono con definizioni parziali e con eccezioni. La loro ricerca è orientata alle caratteristiche della vita sulla Terra, l'unica vita che attualmente conosciamo.
Nella prima parte, abbiamo visto come la composizione della vita terrestre influenza la ricerca della vita extraterrestre. Gli astrobiologi cercano ambienti che una volta contenevano o attualmente contengono acqua liquida e che contengono molecole complesse basate sul carbonio. Molti scienziati, tuttavia, vedono le caratteristiche essenziali della vita come legate alle sue capacità invece che alla sua composizione.
Nel 1994, un comitato della NASA adottò una definizione di vita come "sistema chimico autosufficiente capace di evoluzione darwiniana", basato su un suggerimento di Carl Sagan. Questa definizione contiene due caratteristiche, il metabolismo e l'evoluzione, che sono in genere menzionate nelle definizioni di vita.
Il metabolismo è l'insieme dei processi chimici attraverso i quali gli esseri viventi utilizzano attivamente l'energia per mantenersi, crescere e svilupparsi. Secondo la seconda legge della termodinamica, un sistema che non interagisce con il suo ambiente esterno diventerà più disorganizzato e uniforme con il tempo. Gli esseri viventi costruiscono e mantengono il loro stato improbabile e altamente organizzato perché sfruttano le fonti di energia nel loro ambiente esterno per alimentare il loro metabolismo.
Le piante e alcuni batteri usano l'energia della luce solare per produrre molecole organiche più grandi da subunità più semplici. Queste molecole immagazzinano energia chimica che può essere successivamente estratta da altre reazioni chimiche per alimentare il loro metabolismo. Gli animali e alcuni batteri consumano piante o altri animali come cibo. Scindono molecole organiche complesse nel loro cibo in più semplici, per estrarre l'energia chimica immagazzinata. Alcuni batteri possono utilizzare l'energia contenuta nelle sostanze chimiche derivate da fonti non viventi nel processo di chemiosintesi.
In un articolo del 2014 in Astrobiology, Lucas John Mix, un biologo evoluzionista di Harvard, si riferiva alla definizione metabolica della vita come Haldane Life dopo il pionieristico fisiologo J. B. S. Haldane. La definizione di vita di Haldane ha i suoi problemi. Tornado e vortici come la Grande Macchia Rossa di Giove usano l'energia ambientale per sostenere la loro struttura ordinata, ma non sono vivi. Il fuoco usa l'energia del suo ambiente per sostenersi e crescere, ma non è neanche vivo.
Nonostante le sue carenze, gli astrobiologi hanno usato la definizione di Haldane per escogitare esperimenti. I lander vichinghi hanno fatto finora l'unico tentativo di testare direttamente la vita extraterrestre, rilevando le presunte attività metaboliche dei microbi marziani. Presumevano che il metabolismo marziano fosse chimicamente simile alla sua controparte terrestre.
Un esperimento ha cercato di rilevare la scomposizione metabolica dei nutrienti in molecole più semplici per estrarre la loro energia. Un secondo mirava a rilevare l'ossigeno come prodotto di scarto della fotosintesi. Un terzo ha cercato di mostrare la produzione di molecole organiche complesse da subunità più semplici, che si verifica anche durante la fotosintesi. Tutti e tre gli esperimenti sembravano dare risultati positivi, ma molti ricercatori ritengono che i risultati dettagliati possano essere spiegati senza biologia, dagli agenti ossidanti chimici nel suolo.
Alcuni dei risultati vichinghi rimangono controversi fino ad oggi. A quel tempo, molti ricercatori hanno ritenuto che l'incapacità di trovare materiali organici nel suolo marziano escludesse un'interpretazione biologica dei risultati metabolici. La più recente constatazione che il suolo marziano in realtà contiene molecole organiche che potrebbero essere state distrutte dai perclorati durante l'analisi di Viking e che l'acqua liquida un tempo era abbondante sulla superficie di Marte conferisce nuova plausibilità all'affermazione che Viking potrebbe essere effettivamente riuscito a rilevare vita. Da soli, tuttavia, i risultati dei Vichinghi non hanno dimostrato che la vita esiste su Marte, né la escludono.
Le attività metaboliche della vita possono anche lasciare il segno sulla composizione delle atmosfere planetarie. Nel 2003, la navicella spaziale europea Mars Express ha rilevato tracce di metano nell'atmosfera marziana. Nel dicembre 2014, un team di scienziati della NASA ha riferito che il rover Curiosity Mars aveva confermato questo risultato rilevando il metano atmosferico proveniente dalla superficie marziana.
Gran parte del metano presente nell'atmosfera terrestre viene rilasciato dagli organismi viventi o dai loro resti. Gli ecosistemi batterici sotterranei che usano la chemosintesi come fonte di energia sono comuni e producono metano come prodotto di scarto metabolico. Sfortunatamente, ci sono anche processi geochimici non biologici che possono produrre metano. Quindi, ancora una volta, il metano marziano è frustrantemente ambiguo come segno di vita.
I pianeti extrarolari in orbita attorno ad altre stelle sono troppo lontani per essere visitati con un veicolo spaziale nel prossimo futuro. Gli astrobiologi sperano ancora di usare la definizione di Haldane per cercare la vita su di loro. Con i telescopi spaziali del prossimo futuro, gli astronomi sperano di apprendere la composizione delle atmosfere di questi pianeti analizzando lo spettro delle lunghezze d'onda della luce riflesse o trasmesse dalle loro atmosfere. Il James Webb Space Telescope previsto per il lancio nel 2018, sarà il primo ad essere utile in questo progetto. Gli astrobiologi vogliono cercare biomarcatori atmosferici; gas che sono prodotti di scarto metabolici di organismi viventi.
Ancora una volta, questa ricerca è guidata dall'unico esempio di pianeta vitale che abbiamo attualmente; Terra. Circa il 21% dell'atmosfera del nostro pianeta natale è ossigeno. Ciò è sorprendente perché l'ossigeno è un gas altamente reattivo che tende a entrare in combinazioni chimiche con altre sostanze. L'ossigeno libero dovrebbe svanire rapidamente dalla nostra aria. Rimane presente perché la perdita viene costantemente sostituita da piante e batteri che la rilasciano come prodotto di scarto metabolico della fotosintesi.
Tracce di metano sono presenti nell'atmosfera terrestre a causa dei batteri chemiosintetici. Poiché il metano e l'ossigeno reagiscono l'uno con l'altro, nessuno dei due rimarrebbe a lungo a meno che gli organismi viventi non riforniscano costantemente l'approvvigionamento. L'atmosfera terrestre contiene anche tracce di altri gas che sono sottoprodotti metabolici.
In generale, gli esseri viventi usano l'energia per mantenere l'atmosfera terrestre in uno stato lontano dall'equilibrio termodinamico che raggiungerebbe senza vita. Gli astrobiologi sospetterebbero qualsiasi pianeta con un'atmosfera in uno stato simile di accoglienza della vita. Ma, come per gli altri casi, sarebbe difficile escludere completamente le possibilità non biologiche.
Oltre al metabolismo, il comitato della NASA ha identificato l'evoluzione come una capacità fondamentale delle cose viventi. Perché avvenga un processo evolutivo ci deve essere un gruppo di sistemi, in cui ognuno è in grado di riprodursi in modo affidabile. Nonostante l'affidabilità generale della riproduzione, ci devono essere anche occasionali errori di copia casuale nel processo riproduttivo in modo che i sistemi acquisiscano tratti diversi. Infine, i sistemi devono differire nella loro capacità di sopravvivere e riprodursi in base ai benefici o alle responsabilità dei loro tratti distintivi nel loro ambiente. Quando questo processo si ripete più e più volte nel corso delle generazioni, i tratti dei sistemi si adatteranno meglio al loro ambiente. I tratti molto complessi possono talvolta evolversi in modo graduale.
Mix ha chiamato questo il Vita di Darwin definizione, dopo il naturalista del XIX secolo Charles Darwin, che formulò la teoria dell'evoluzione. Come la definizione di Haldane, la definizione di vita di Darwin presenta importanti carenze. Ha problemi tra cui tutto ciò che potremmo considerare vivo. I muli, ad esempio, non possono riprodursi e quindi, secondo questa definizione, non contano come vivi.
Nonostante tali carenze, la definizione di vita di Darwin è di fondamentale importanza, sia per gli scienziati che studiano l'origine della vita sia per gli astrobiologi. La versione moderna della teoria di Darwin può spiegare come forme di vita diverse e complesse possano evolversi da una forma semplice iniziale. È necessaria una teoria sull'origine della vita per spiegare come la forma semplice iniziale abbia acquisito la capacità di evolversi in primo luogo.
I sistemi chimici o le forme di vita trovati su altri pianeti o lune nel nostro sistema solare potrebbero essere così semplici che sono vicini al confine tra vita e non vita che la definizione di Darwin stabilisce. La definizione potrebbe rivelarsi vitale per gli astrobiologi che cercano di decidere se un sistema chimico che hanno trovato si qualifica davvero come una forma di vita. I biologi non sanno ancora come è nata la vita. Se gli astrobiologi riescono a trovare sistemi vicino al confine di Darwin, i loro risultati potrebbero essere di fondamentale importanza per comprendere l'origine della vita.
Gli astrobiologi possono usare la definizione di Darwin per trovare e studiare la vita extraterrestre? È improbabile che un veicolo spaziale in visita possa rilevare il processo di evoluzione stesso. Ma potrebbe essere in grado di rilevare le strutture molecolari di cui hanno bisogno gli organismi viventi per prendere parte a un processo evolutivo. Il filosofo Mark Bedau ha proposto che un sistema minimo in grado di subire un'evoluzione dovrebbe avere tre cose: 1) un processo metabolico chimico, 2) un contenitore, come una membrana cellulare, per stabilire i confini del sistema e 3) un prodotto chimico "Programma" in grado di dirigere le attività metaboliche.
Qui sulla Terra, il programma chimico si basa sul DNA della molecola genetica. Molti teorici dell'origine della vita pensano che la molecola genetica delle prime forme di vita terrestri possa essere stata l'acido ribonucleico (RNA) della molecola più semplice. Il programma genetico è importante per un processo evolutivo perché rende stabile il processo di copia riproduttiva, con solo errori occasionali.
Sia il DNA che l'RNA sono biopolimeri; molecole lunghe simili a catene con molte subunità ripetute. La sequenza specifica delle subunità base nucleotidiche in queste molecole codifica le informazioni genetiche che trasportano. Affinché la molecola possa codificare tutte le possibili sequenze di informazioni genetiche, deve essere possibile che le subunità si verifichino in qualsiasi ordine.
Steven Benner, un ricercatore di genomica computazionale, ritiene che potremmo essere in grado di sviluppare esperimenti di veicoli spaziali per rilevare biopolimeri genetici alieni. Nota che il DNA e l'RNA sono biopolimeri molto insoliti perché cambiare la sequenza in cui si verificano le loro subunità non cambia le loro proprietà chimiche. È questa insolita proprietà che consente a queste molecole di essere portatori stabili di qualsiasi possibile sequenza di codici genetici.
DNA e RNA sono entrambi polielettroliti; molecole con aree che si ripetono regolarmente di carica elettrica negativa. Benner ritiene che questo sia ciò che spiega la loro notevole stabilità. Pensa che qualsiasi biopolimero genetico alieno dovrebbe anche essere un polielettrolita e che potrebbero essere ideati test chimici attraverso i quali un veicolo spaziale potrebbe rilevare tali molecole di polielettrolita. Trovare la controparte aliena del DNA è una prospettiva molto eccitante e un altro pezzo del puzzle dell'identificazione della vita aliena.
Nel 1996 il presidente Clinton fece un drammatico annuncio della possibile scoperta della vita su Marte. Il discorso di Clinton è stato motivato dai risultati della squadra di David McKay con il meteorite di Alan Hills. In effetti, i risultati di McKay si sono rivelati solo un pezzo del puzzle più grande della possibile vita marziana. A meno che un giorno un alieno non passi davanti alle nostre macchine fotografiche in attesa, è improbabile che la questione dell'esistenza o meno di una vita extraterrestre venga risolta da un singolo esperimento o da una svolta drammatica improvvisa. I filosofi e gli scienziati non hanno un'unica definizione infallibile della vita. Di conseguenza, gli astrobiologi non hanno un unico test di sicurezza che risolverà il problema. Se esistono forme di vita semplici su Marte o altrove nel sistema solare, ora sembra probabile che quel fatto emergerà gradualmente, sulla base di molte linee convergenti di prove. Non sapremo davvero cosa stiamo cercando fino a quando non lo troveremo.
Riferimenti e ulteriori letture:
P. Anderson (2011) La curiosità potrebbe determinare se Viking ha trovato la vita su Marte ?, Space Magazine.
S. K. Atreya, P. R. Mahaffy, A-S. Wong, (2007), Metano e relative specie in tracce su Marte: origine, perdita, implicazioni per la vita e abitabilità, Scienze planetarie e spaziali, 55:358-369.
M. A. Bedau (2010), un resoconto aristotelico sulla vita chimica minima, Astrobiology, 10(10): 1011-1020.
S. Benner (2010), Definire la vita, Astrobiology, 10(10):1021-1030.
E. Machery (2012), Perché ho smesso di preoccuparmi della definizione di vita ... e perché dovresti anche sintesi, 185:145-164.
G. M. Marion, C. H. Fritsen, H. Eicken, M. C. Payne, (2003) La ricerca della vita su Europa: limitare i fattori ambientali, i potenziali habitat e gli analoghi della Terra. Astrobiology 3(4):785-811.
L. J. Mix (2015), Difesa delle definizioni di vita, Astrobiology, 15 (1) pubblicati online prima della pubblicazione.
P. E. Patton (2014) Moons of Confusion: Why Finding Extraterrestrial potrebbe essere più difficile di quanto pensassimo, Space Magazine.
T. Reyes (2014) Curiosity Rover della NASA rileva Methane, Organics on Mars, Space Magazine.
S. Seeger, M. Schrenk e W. Bains (2012), Una visione astrofisica dei gas della biosignatura terrestre. Astrobiology, 12(1): 61-82.
S. Tirard, M. Morange e A. Lazcano, (2010), La definizione di vita: una breve storia di un tentativo scientifico sfuggente, Astrobiology, 10(10):1003-1009.
C. Webster, e numerosi altri membri del team MSL Science, (2014) rilevamento del metano su Marte e variabilità nel cratere Gale, Scienza, La scienza esprime i primi contenuti.
I lander vichinghi hanno trovato i mattoni della vita? Il pezzo mancante ispira un nuovo look al puzzle. Science Daily Featured Research 5 settembre 2010
Il rover della NASA trova chimica organica antica e attiva su Marte, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Notizie, 16 dicembre 2014.
