By: Astrobiology Magazine staff
Is it alive?
A crystal can grow, reach equilibrium, and even move in response to stimuli, but lacks what commonly would be thought of as a biological nervous system.
Image Credit: National Ignition Facility Programs
How to define “life” is a sweeping question that affects whole branches of biology, biochemistry, genetics, and ultimately the search for life elsewhere in the universe.
Hasonlítva a szemantikai feladatot ahhoz az ősi hindu történethez, amely szerint egy elefántot úgy kell azonosítani, hogy hat vak ember mindegyike csak a farkát, az ormányát vagy a lábát érinti, a biológus által adott válasz drámaian eltérhet egy elméleti fizikus által adott választól.
Mindenesetre némi kezdeti egyetértés lehetséges. Az élőlények általában összetettek és nagymértékben szervezettek. Képesek energiát felvenni a környezetből és átalakítani azt a növekedés és a szaporodás érdekében. A szervezetek hajlamosak a homeosztázisra: a belső környezetüket meghatározó paraméterek egyensúlyára. Az élőlények reagálnak, és az ingerlésük reakciószerű mozgást, visszahatást és fejlett formákban tanulást vált ki. Az élet reproduktív, mivel valamilyen másolásra van szükség ahhoz, hogy az evolúció egy populáció mutációján és természetes szelekcióján keresztül érvényesüljön. A növekedéshez és fejlődéshez az élőlényeknek mindenekelőtt fogyasztónak kell lenniük, mivel a növekedés magában foglalja a biomassza megváltoztatását, új egyedek létrehozását és a hulladék kiválasztását.
Hogy élőlénynek minősüljön, egy élőlénynek mindezen kritériumok valamely változatának meg kell felelnie. Egy kristály például képes növekedni, egyensúlyba kerülni, sőt ingerekre reagálva mozogni is, de hiányzik belőle az, amit általában biológiai idegrendszernek gondolnánk.
Míg szükség van egy “világos vonalú” definícióra, a határesetek kifejezetten szürkévé és homályossá teszik az élet definícióját. Abban a reményben, hogy a munkadefiníciót legalább földi szempontból leszűkíthetjük, úgy tűnik, hogy minden ismert organizmusnak közös a szénalapú kémia, függ a víztől, és olyan szén- vagy kénizotópokat tartalmazó fosszíliákat hagy hátra, amelyek jelenlegi vagy múltbeli anyagcserére utalnak.
Ha ezek a tendenciák a jellemzők gazdag halmazát alkotják, kritika érte őket, hogy figyelmen kívül hagyják magának az életnek a történetét. Földi szempontból az életet négy biológiai családba sorolják: archaea, baktériumok, eukarióták és vírusok. Az archaea az a nemrégiben meghatározott ág, amely gyakran szélsőséges környezetben, egyetlen sejtként marad fenn, és mind a baktériumokkal, mind az eukariótákkal közös vonásaik vannak. A gyakran prokariótáknak nevezett baktériumok általában nem rendelkeznek klorofillal (kivéve a cianobaktériumokat) és sejtmaggal, és az energiatermelés érdekében erjednek és lélegeznek. Az eukarióták közé tartozik minden olyan organizmus, amelynek sejtje rendelkezik sejtmaggal – így az ember és minden más állat eukarióta, akárcsak a növények, az őslények és a gombák. Az utolsó csoportba tartoznak a vírusok, amelyeknek egyáltalán nincsenek sejtjeik, hanem DNS- és RNS-töredékek, amelyek parazita módon szaporodnak, amikor megfertőznek egy kompatibilis gazdasejtet. Ezek az osztályozások tisztázzák a létező élet nagy rejtélyét, de kevéssé alkalmasak arra, hogy végleges definíciót adjanak.
Az élet meghatározása még varázslatosabb jelleget ölt, ha a földi bioszférán túlra is kiterjesztjük. Az extremofilok (archaea) nemrégiben történt felvétele az élet fájára aláhúzza azt a gondolatot, hogy az életet az határozza meg, amit ismerünk, amit már láttunk, és gyakran az, amit sikerült háziasítani a laboratóriumi petri-csészében.
Az Astrobiology Magazine szakértői véleményt kért erről a fontos kérdésről Dr. Carol Clelandtől, aki filozófiát tanít a boulderi Colorado Egyetemen és a NASA Asztrobiológiai Intézetének tagja. A spanyolországi Madridban, a Centro de Astrobiologia (CSIC-INTA) kutatóközpontban töltött szabadsága alatt megosztotta gondolatait a definíciók tudományt és filozófiát formáló erejéről.
Interjú Carol Clelanddel
“Olyan stratégiát szeretnék megfogalmazni a földönkívüli élet keresésére, amely lehetővé teszi, hogy az életről alkotott földközpontú fogalmaink határait feszegessük”. -Carol Cleland
Képhitel: University of Colorado
Q: Mi a véleménye az “élet” meghatározására tett kísérletekről?
Az Origins of Life and Evolution of the Biosphere című folyóiratban nemrég megjelent tanulmányban Christopher Chyba és én amellett érvelünk, hogy hiba az “élet” meghatározására tett kísérlet. Az ilyen erőfeszítések alapvető félreértéseket tükröznek a definíciók természetével és erejével kapcsolatban.
A definíciók a nyelvünkben szereplő szavak jelentéséről árulkodnak, nem pedig a világ természetéről. Az élet esetében a tudósokat az élet természete érdekli; nem érdekli őket, hogy az “élet” szó történetesen mit jelent a nyelvünkben. Amire valóban összpontosítanunk kell, az az élő rendszerek megfelelően általános elméletének kidolgozása, szemben az “élet” meghatározásával.”
Az élő rendszerek általános elméletének megfogalmazásához azonban az élet egyetlen példájánál többre van szükség. Amint az a figyelemre méltó biokémiai és mikrobiológiai hasonlóságokból kiderül, a földi életnek közös eredete van. Elképesztő morfológiai változatossága ellenére a földi élet csak egyetlen esetet képvisel. Az élő rendszerek általános elméletének megfogalmazásához az élet alternatív lehetőségeinek feltárása a kulcs. Érdekel egy olyan stratégia megfogalmazása a földönkívüli élet keresésére, amely lehetővé teszi, hogy az életről alkotott földközpontú elképzeléseink határait feszegessük.
Q: Az “élő” kategóriájából kizárná az Ön által “határesetnek” nevezett eseteket – a vírusokat, az önreprodukáló fehérjéket, vagy akár a nem hagyományos, információtartalommal rendelkező, szaporodó, fogyasztó és pusztuló tárgyakat (mint a számítógépes programok, erdőtüzek stb.)?
Ez egy összetett kérdés. A nyelv homályos, és minden fogalom határesetekkel szembesül. Egy nőtlen tizenkét éves fiú “agglegény”? Mi a helyzet a tizennyolc évesekkel? Hány hajszál kell ahhoz, hogy egy “kopasz” emberből “nem kopasz” ember legyen? 20 vagy 100 vagy 1000 hajszál?
A tény, hogy vannak határesetek – hogy nem tudunk pontos határértéket megállapítani – nem jelenti azt, hogy nincs különbség agglegény és házas férfi, vagy kopasz és nem kopasz férfi között. Ezek a nehézségek nem jelentenek mélyreható nehézségeket; csupán azt mutatják, hogy a nyelv bizonyos fokú rugalmassággal rendelkezik. Tehát nem hiszem, hogy az olyan entitások, mint a vírusok, nagyon érdekes kihívást jelentenének az “élet” definíciói számára.”
Másrészt nem hiszem, hogy az “élet” meghatározása nagyon hasznos tevékenység lenne a tudósok számára, mivel nem fogja megmondani nekünk azt, amit valójában tudni akarunk, vagyis azt, hogy “mi az élet”. Az élet tudományos elmélete (ami nem azonos az élet definíciójával) képes lenne kielégítő módon megválaszolni ezeket a kérdéseket.”
A középkori alkimisták analógiaként sokféle anyagot a vízhez soroltak, köztük a salétromsavat (amit “aqua fortis”-nak neveztek). Azért tették ezt, mert a salétromsav a víz számos érzékelhető tulajdonságát mutatta, és ami talán a legfontosabb, hogy jó oldószer volt. Csak a molekuláris elmélet megjelenése után értették meg a tudósok, hogy a salétromsav, amely a víz számos tulajdonságával rendelkezik, miért nem víz. A molekuláris elmélet világosan és meggyőzően megmagyarázza, hogy miért van ez így: a víz H2O — két hidrogénatom és egy oxigénatom. A salétromsavnak más a molekuláris összetétele.
Egy jó életelmélet ugyanezt tenné az ön által említett esetekre, például a számítógépes programokra is. Az “élet” puszta meghatározása oly módon, hogy az magában foglalja a kedvenc, nem hagyományos “élő” entitást, egyáltalán nem viszi előre ezt a projektet.
Q: Mi a kedvenc elmélete arra vonatkozóan, hogyan keletkezhetett az élet a Földön – agyagkristályok, RNS-világ, membránok, vagy más lehetőség?
Freeman Dyson, a “kettős eredet elmélet” megalapítója.”
Képhitel: Trustees of Dartmouth College
Úgy tűnik nekem, hogy az élet eredetének minden elmélete két nagy akadályba ütközik. A legnagyobb a fehérjék és a nukleinsavak között kidolgozott bonyolult együttműködési séma – a biomolekulák önreprodukáló katalitikus rendszereinek irányított előállítása – eredetének magyarázata. Az élet eredetéről szóló összes népszerű beszámoló úgy tűnik számomra, hogy ezt a kérdést megkerülte. Ehelyett a másik akadályra összpontosítanak: az aminosavak és nukleotidok előállítására, és arra, hogy ezek fehérjékké és nukleinsavakká (jellemzően RNS) polimerizálódjanak. De úgy tűnik számomra, hogy egyikük sem szolgáltatott számunkra nagyon kielégítő történetet arról, hogyan történt ez.
Az összes forgatókönyv, amelyet az RNS hihető természetes körülmények közötti előállítására javasoltak, nélkülözi a kísérleti bizonyítást, és ebbe beletartozik az RNS-világ, az agyagkristályok és a vezikulák beszámolója is. Senkinek sem sikerült fehérje-katalizátorok vagy nukleinsav-sablonok segítsége nélkül RNS-t szintetizálni, és ezen a problémán felül még az RNS-molekula törékenységével is meg kell küzdeni.
De én mégis úgy gondolom, hogy a komolyabb problémát a folyamat következő szakasza jelenti, a fehérjék és az RNS genetikai kódon keresztül történő összehangolása egy önreprodukáló katalitikus molekularendszerré. Annak a valószínűsége, hogy ez véletlenül (a fehérjék és az RNS véletlenszerű keveréke mellett) megtörténjen, csillagászatilag alacsonynak tűnik. Mégis úgy tűnik, a legtöbb kutató azt feltételezi, hogy ha értelmet tudnak adni a fehérjék és az RNS független előállításának a természetes őskörülmények között, akkor a koordináció valahogyan magától megoldódik.
Azt hiszem, ha ki kellene választanom egy kedvenc elméletet, akkor az Freeman Dyson kettős eredet elmélete lenne, amely egy kezdeti fehérje világot tételez fel, amely végül egy egyre kifinomultabb anyagcsere melléktermékeként egy RNS világot hozott létre. Az RNS-világ, amely a fehérjék világának kötelező parazitájaként indul, végül létrehozza a kooperatív sémát, és így az életet, ahogyan ma ismerjük. Tetszik, hogy ez a beszámoló megpróbál foglalkozni az együttműködő séma eredetével.
K: Ön szerint az életnek többszörös eredete is lehetett, vagy az élet máshonnan is érkezhetett a Földre?
Az élettelen anyagokból többszörösen keletkező élet a Földön kívül máshol is előfordulhatott, de a Földön is előfordulhatott. Lehetséges, hogy létezik földönkívüli élet, és ennek ellenére minden életnek van egy közös őse. A tudósok ma már úgy vélik, hogy a mikrobák túlélhetik a bolygóközi utazásokat az életet tartalmazó bolygótestekre becsapódó aszteroidák által termelt meteorokba zárva. Más szóval, mindannyian a marslakók leszármazottai lehetünk – vagy a marslakók, ha léteznek, közös ősük lehet velünk! Röviden, a földönkívüli élet puszta felfedezése nem garantálja, hogy az életnek több mint egy eredete volt.
K: Ön szerint a tudomány egyik nagy rejtélye és kihívása, hogy kísérletekkel meg tudjuk-e határozni az élet eredetét?
Remélem, igen! De amíg nincs megfelelő elméletünk az életről, amely a megfelelő kísérletek megfogalmazását vezérli, addig nehéz lesz megmondani. Feltételezem, mindig lehetséges, hogy az élet nem természetes kategória, és így nem fogalmazható meg az élet univerzális elmélete. De ezt kétlem.
Az is lehetséges, hogy a földi élet egy nagyon összetett történelmi folyamat terméke, amely túl sok eshetőséget foglal magában ahhoz, hogy végleges kísérleti vizsgálatokkal könnyen hozzáférhető legyen. Egy megfelelően általános életelmélet azonban ezt világossá tenné. Emellett a történeti kutatás igenis képes olyan empirikus bizonyítékokat szerezni, amelyek megoldhatják az ilyen jellegű történelmi kérdéseket – olyan bizonyítékokat, amelyek éppoly meggyőzőek, mint a klasszikus kísérleti kutatások által szolgáltatottak! Tehát még ha laboratóriumban nem is tudunk élettelen anyagokból életet előállítani, ebből nem következik, hogy soha nem fogjuk megtudni, hogyan keletkezett az élet a Földön.
Mi következik?
Az Európai Űrügynökség 2003 kora nyarán Mars-küldetést indít. A jelenlegi tervek szerint a leszállóegység, a Beagle 2 biológiai kísérleteket fog végezni, amelyek célja, hogy bizonyítékokat keressen az életre a Marson. Példaként arra, hogy az élet definíciója hogyan alakíthatja közvetlenül a felfedező tudományt, a Beagle 2 tudományos hasznos terhe az életre utalónak vélt közös jellemzőket fogja vizsgálni. A Beagle 2 például a víz jelenlétét, a karbonátos ásványok meglétét, a szerves maradványok előfordulását, valamint a szerves és szervetlen fázisok közötti izotópos frakcionáltságot fogja vizsgálni. Ezek mindegyike az uralkodó környezeti viszonyokkal – hőmérséklet, nyomás, szélsebesség, UV-áramlás, oxidációs potenciál és porkörnyezet – összevetve támpontokat ad az élet valószínűségére a Marson.
Abstract from Cleland, Chyba (2002): “Az “életnek” nincs széles körben elfogadott definíciója. A javasolt definíciók problémákkal szembesülnek, gyakran robusztus ellenpéldák formájában. Itt a nyelv filozófiai vizsgálatainak meglátásait használjuk fel, hogy amellett érveljünk, hogy az “élet” meghatározása jelenleg hasonló dilemmát vet fel, mint amivel azok szembesültek, akik a “víz” meghatározását remélték a molekuláris elmélet létezése előtt. Az élő rendszerek természetéről szóló analóg elmélet hiányában az élet definíciójával kapcsolatos véget nem érő vita elkerülhetetlen.”
Cleland, Carol E.; Chyba, Christopher F., Origins of Life and Evolution of the Biosphere, v. 32, Issue 4, p. 387-393 (2002).