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.
Przyrównując to zadanie semantyczne do starożytnej hinduskiej opowieści o identyfikacji słonia, w której każdy z sześciu niewidomych dotyka tylko ogona, trąby lub nogi, odpowiedź biologa może się drastycznie różnić od odpowiedzi fizyka teoretycznego.
Jednakże możliwe jest pewne wstępne porozumienie. Istoty żywe mają tendencję do bycia złożonymi i wysoce zorganizowanymi. Mają zdolność do pobierania energii ze środowiska i przekształcania jej w celu wzrostu i reprodukcji. Organizmy dążą do homeostazy: równowagi parametrów, które określają ich środowisko wewnętrzne. Istoty żywe reagują, a ich stymulacja wywołuje reakcję w postaci ruchu, odruchu, a w zaawansowanych formach – uczenia się. Życie ma charakter reprodukcyjny, ponieważ pewien rodzaj kopiowania jest potrzebny, aby ewolucja mogła zachodzić poprzez mutacje w populacji i dobór naturalny. Aby rosnąć i rozwijać się, żywe istoty muszą przede wszystkim być konsumentami, ponieważ wzrost obejmuje zmianę biomasy, tworzenie nowych osobników i pozbywanie się odpadów.
Aby zakwalifikować się jako żywa istota, musi ona spełniać pewne warianty wszystkich tych kryteriów. Na przykład kryształ może rosnąć, osiągać równowagę, a nawet poruszać się w odpowiedzi na bodźce, ale brakuje mu tego, co powszechnie uważa się za biologiczny układ nerwowy.
Jakkolwiek definicja „jasnej linii” jest potrzebna, przypadki graniczne nadają definicji życia wyraźnie szarą i rozmytą jakość. W nadziei na ograniczenie definicji roboczej przynajmniej w odniesieniu do ziemi, wszystkie znane organizmy wydają się dzielić chemię opartą na węglu, zależą od wody i pozostawiają po sobie skamieliny z izotopami węgla lub siarki, które wskazują na obecny lub przeszły metabolizm.
Jeśli te tendencje tworzą bogaty zestaw cech, zostały skrytykowane jako ignorujące historię samego życia. Ziemskie życie jest sklasyfikowane w czterech biologicznych rodzinach: archaea, bakterie, eukarionty i wirusy. Archaea to niedawno zdefiniowana gałąź, która często przeżywa w ekstremalnych środowiskach jako pojedyncze komórki, i dzieli cechy zarówno z bakteriami, jak i eukariontami. Bakterie, często nazywane prokariotami, zazwyczaj nie posiadają chlorofilu (z wyjątkiem cyjanobakterii) i jądra komórkowego, a do produkcji energii wykorzystują proces fermentacji i oddychania. Do eukariotów należą wszystkie organizmy, których komórki posiadają jądro komórkowe – tak więc ludzie i wszystkie inne zwierzęta są eukariotami, podobnie jak rośliny, protisty i grzyby. Ostatnią grupę stanowią wirusy, które nie mają komórek, lecz fragmenty DNA i RNA, które pasożytniczo rozmnażają się, gdy zainfekują zgodną komórkę gospodarza. Te klasyfikacje wyjaśniają wielką zagadkę istniejącego życia, ale niewiele wnoszą do jego ostatecznej definicji.
Definiowanie życia nabiera bardziej urzekającego charakteru, gdy wykracza poza ziemską biosferę. Niedawne dodanie ekstremofilów (archaea) do drzewa życia podkreśla, że życie jest definiowane przez to, co znamy, co widzieliśmy wcześniej, a często to, co udało nam się udomowić w laboratoryjnej szalce Petriego.
Astrobiology Magazine zasięgnął opinii eksperta w tej ważnej kwestii od dr Carol Cleland, która wykłada filozofię na Uniwersytecie Colorado w Boulder i jest członkiem Instytutu Astrobiologii NASA. Będąc na urlopie naukowym w Madrycie, w Hiszpanii, w Centro de Astrobiologia (CSIC-INTA), podzieliła się swoimi przemyśleniami na temat siły definicji w kształtowaniu nauki i filozofii.
Wywiad z Carol Cleland
„Interesuje mnie sformułowanie strategii poszukiwania życia pozaziemskiego, która pozwala przesunąć granice naszych ziemsko-centrycznych koncepcji życia.” -Carol Cleland
Image Credit: University of Colorado
Q: Jakie jest Pani zdanie na temat prób zdefiniowania „życia”?
W ostatnim artykule w Origins of Life and Evolution of the Biosphere, Christopher Chyba i ja argumentujemy, że błędem jest próba zdefiniowania „życia”. Takie wysiłki odzwierciedlają fundamentalne nieporozumienia dotyczące natury i mocy definicji.
Definicje mówią nam o znaczeniach słów w naszym języku, w przeciwieństwie do mówienia nam o naturze świata. W przypadku życia, naukowców interesuje natura życia; nie interesuje ich, co słowo „życie” oznacza w naszym języku. To, na czym naprawdę musimy się skupić, to wymyślenie odpowiednio ogólnej teorii systemów żywych, w przeciwieństwie do definicji „życia”.”
Ale aby sformułować ogólną teorię systemów żywych, potrzeba czegoś więcej niż pojedynczego przykładu życia. Jak ujawniają niezwykłe biochemiczne i mikrobiologiczne podobieństwa, życie na Ziemi ma wspólne pochodzenie. Pomimo zadziwiającej różnorodności morfologicznej, życie na Ziemi stanowi tylko pojedynczy przypadek. Kluczem do sformułowania ogólnej teorii systemów żywych jest zbadanie alternatywnych możliwości powstania życia. Interesuje mnie sformułowanie strategii poszukiwania życia pozaziemskiego, która pozwoli przesunąć granice naszych ziemsko-centrycznych koncepcji życia.
Q: Czy w kategorii tego, co jest „żywe”, wykluczyłbyś to, co nazywasz przypadkami „granicznymi” – wirusy, samoreplikujące się białka, a nawet nietradycyjne obiekty, które mają pewną zawartość informacyjną, rozmnażają się, konsumują i umierają (jak programy komputerowe, pożary lasów itp.)? Język jest niejasny, a wszystkie pojęcia mają przypadki graniczne. Czy nieżonaty dwunastoletni chłopiec jest „kawalerem”? A co z osiemnastolatkiem? Ile włosów potrzeba, aby „łysy” mężczyzna zmienił się w mężczyznę, który „nie jest łysy”? 20 czy 100, czy 1000 włosów? Fakt, że istnieją przypadki graniczne – że nie możemy ustalić dokładnej granicy – nie oznacza, że nie ma różnicy między kawalerem a żonatym mężczyzną, czy łysym mężczyzną a mężczyzną, który nie jest łysy. Te trudności nie reprezentują głębokich trudności; reprezentują one jedynie fakt, że język ma pewien stopień elastyczności. Nie sądzę więc, aby byty takie jak wirusy stanowiły bardzo interesujące wyzwanie dla definicji „życia”.”
Z drugiej strony, nie sądzę, aby definiowanie „życia” było bardzo użytecznym zajęciem dla naukowców, ponieważ nie powie nam tego, co naprawdę chcemy wiedzieć, czyli „czym jest życie”. Naukowa teoria życia (która nie jest tym samym, co definicja życia) byłaby w stanie odpowiedzieć na te pytania w satysfakcjonujący sposób.
Jako analogię, średniowieczni alchemicy sklasyfikowali wiele różnych rodzajów substancji jako wodę, w tym kwas azotowy (który nazywano „aqua fortis”). Zrobili to, ponieważ kwas azotowy wykazywał wiele sensownych właściwości wody, a co być może najważniejsze, był dobrym rozpuszczalnikiem. Dopiero wraz z pojawieniem się teorii molekularnej naukowcy mogli zrozumieć, dlaczego kwas azotowy, który ma wiele właściwości wody, nie jest jednak wodą. Teoria molekularna jasno i przekonująco wyjaśnia, dlaczego tak jest: woda to H2O – dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu. Kwas azotowy ma inny skład molekularny.
Dobra teoria życia zrobiłaby to samo dla przypadków, o których Pan wspomina, takich jak programy komputerowe. Samo zdefiniowanie „życia” w taki sposób, że zawiera ono ulubioną nietradycyjną „żywą” istotę, wcale nie posuwa tego projektu do przodu.
Pytanie: Jaka jest Twoja ulubiona teoria na temat tego, jak życie mogło powstać na Ziemi – kryształy gliny, świat RNA, membrany, czy jakaś inna opcja?
Freeman Dyson, twórca „podwójnej teorii pochodzenia”
Image Credit: Trustees of Dartmouth College
Wydaje mi się, że wszystkie teorie pochodzenia życia napotykają dwie główne przeszkody. Największą z nich jest wyjaśnienie pochodzenia złożonego schematu współpracy wypracowanego między białkami i kwasami nukleinowymi – kontrolowanej produkcji samoreplikujących się systemów katalitycznych biomolekuł. Wszystkie popularne opisy pochodzenia życia uderzają mnie jako odsuwające tę kwestię na bok. Zamiast tego skupiają się na innej przeszkodzie: wytwarzaniu aminokwasów i nukleotydów oraz doprowadzeniu do ich polimeryzacji w białka i kwasy nukleinowe (zazwyczaj RNA). Wydaje mi się jednak, że żaden z nich nie dostarczył nam bardzo satysfakcjonującej opowieści o tym, jak do tego doszło.
Wszystkim scenariuszom, które zostały zaproponowane do produkcji RNA w wiarygodnych warunkach naturalnych, brakuje eksperymentalnej demonstracji, a dotyczy to świata RNA, kryształów gliny i relacji pęcherzykowych. Nikt nie był w stanie syntetyzować RNA bez pomocy katalizatorów białkowych lub szablonów kwasów nukleinowych, a do tego dochodzi jeszcze kruchość cząsteczki RNA, z którą trzeba się zmagać.
Wciąż jednak uważam, że poważniejszym problemem jest kolejny etap procesu, koordynacja białek i RNA poprzez kod genetyczny w samoreplikujący się katalityczny system cząsteczek. Prawdopodobieństwo, że stanie się to przez przypadek (biorąc pod uwagę losową mieszaninę białek i RNA) wydaje się astronomicznie niskie. Jednak większość badaczy zdaje się zakładać, że jeśli uda im się zrozumieć niezależną produkcję białek i RNA w naturalnych warunkach pierwotnych, koordynacja jakoś sama się ułoży. Przypuszczam, że gdybym miał wybrać ulubioną teorię, byłaby to teoria podwójnego pochodzenia Freemana Dysona, która postuluje początkowy świat białek, który ostatecznie wytworzył świat RNA jako produkt uboczny coraz bardziej wyrafinowanego metabolizmu. Świat RNA, który zaczynał jako obowiązkowy pasożyt świata białek, ostatecznie wytworzył schemat współpracy, a więc życie, jakie znamy dzisiaj. Podoba mi się, że w tym opracowaniu podjęto próbę zmierzenia się z pochodzeniem schematu współpracy.
Pytanie: Czy sądzi Pan, że mogło dojść do wielokrotnego powstania życia lub że mogło ono przybyć na Ziemię z innego miejsca?
Życie powstające więcej niż raz z materiałów nieożywionych mogło powstać gdzie indziej niż na Ziemi, ale mogło też powstać na Ziemi. Jest możliwe, że istnieje życie pozaziemskie i że wszystkie formy życia mają wspólnego przodka. Naukowcy uważają obecnie, że mikroby mogą przetrwać podróże międzyplanetarne uwięzione w meteorach powstałych w wyniku uderzeń asteroid w ciała planetarne zawierające życie. Innymi słowy, wszyscy możemy być potomkami Marsjan – lub Marsjanie, jeśli takowi istnieją, mogą mieć z nami wspólnego przodka! Krótko mówiąc, samo odkrycie życia pozaziemskiego nie gwarantuje, że miało ono więcej niż jedno pochodzenie.
Q: Czy uważasz, że możemy ustalić pochodzenie życia poprzez eksperymenty, co jest jedną z największych tajemnic i wyzwań nauki?
Mam nadzieję, że tak! Ale dopóki nie będziemy mieli odpowiedniej teorii życia, która pozwoli nam sformułować właściwe eksperymenty, trudno będzie to stwierdzić. Przypuszczam, że zawsze jest możliwe, że życie nie jest kategorią naturalną, a zatem nie można sformułować żadnej uniwersalnej teorii życia. Wątpię jednak w to.
Możliwe jest również, że życie na Ziemi jest produktem bardzo złożonego procesu historycznego, który obejmuje zbyt wiele okoliczności, by można je było łatwo poddać ostatecznym badaniom eksperymentalnym. Odpowiednio ogólna teoria życia pozwoliłaby to jednak wyjaśnić. Poza tym badania historyczne są w stanie uzyskać dowody empiryczne, które mogą rozstrzygnąć tego rodzaju kwestie historyczne – dowody, które są równie przekonujące, jak te dostarczone przez klasyczne badania eksperymentalne! Tak więc nawet jeśli nie potrafimy wytworzyć życia w laboratorium z materiałów nieożywionych, nie oznacza to, że nigdy nie dowiemy się, jak powstało życie na Ziemi. o dalej? Europejska Agencja Kosmiczna wystartuje z misją na Marsa wczesnym latem 2003 roku. Obecne plany przewidują, że jej lądownik, Beagle 2, przeprowadzi eksperymenty biologiczne mające na celu poszukiwanie dowodów życia na Marsie. Jako przykład tego, jak definicja życia może bezpośrednio kształtować naukę odkrywczą, ładunek naukowy na Beagle 2 będzie badał wspólne cechy, które mogą wskazywać na życie. Na przykład, Beagle 2 będzie szukał obecności wody, minerałów węglanowych, pozostałości organicznych oraz frakcjonowania izotopowego między fazami organiczną i nieorganiczną. Każda z tych informacji dostarczy wskazówek na temat prawdopodobieństwa istnienia życia na Marsie, gdy zostanie zestawiona z panującymi warunkami środowiskowymi, takimi jak temperatura, ciśnienie, prędkość wiatru, strumień UV, potencjał utleniania i środowisko pyłowe.
Abstrakt z Cleland, Chyba (2002): „Nie istnieje szeroko akceptowana definicja 'życia’. Sugerowane definicje napotykają na problemy, często w postaci solidnych kontrprzykładów. Tutaj używamy spostrzeżeń z filozoficznych badań nad językiem, aby argumentować, że definiowanie 'życia’ obecnie stanowi dylemat analogiczny do tego, przed którym stanęli ci, którzy mieli nadzieję zdefiniować 'wodę’ przed istnieniem teorii molekularnej. Wobec braku analogicznej teorii natury systemów żywych, nieuniknione są niekończące się kontrowersje dotyczące definicji życia.”
Cleland, Carol E.; Chyba, Christopher F., Origins of Life and Evolution of the Biosphere, v. 32, Issue 4, p. 387-393 (2002).