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.
Comparând sarcina semantică cu vechea poveste hindusă de identificare a unui elefant prin faptul că fiecare dintre cei șase orbi a atins doar coada, trunchiul sau piciorul, răspunsul pe care l-ar putea da un biolog poate diferi dramatic de răspunsul dat de un fizician teoretician.
Cu toate acestea, este posibil un acord inițial. Lucrurile vii tind să fie complexe și foarte bine organizate. Ele au capacitatea de a prelua energie din mediul înconjurător și de a o transforma pentru creștere și reproducere. Organismele tind spre homeostazie: un echilibru al parametrilor care definesc mediul lor intern. Ființele vii răspund, iar stimularea lor favorizează o mișcare asemănătoare unei reacții, cum ar fi mișcarea, reculul și, în forme avansate, învățarea. Viața este reproductivă, deoarece este nevoie de un anumit tip de copiere pentru ca evoluția să se instaleze prin mutația și selecția naturală a unei populații. Pentru a crește și a se dezvolta, creaturile vii au nevoie în primul rând să fie consumatori, deoarece creșterea include schimbarea biomasei, crearea de noi indivizi și eliminarea deșeurilor.
Pentru a se califica drept ființă vie, o creatură trebuie să îndeplinească o anumită variație pentru toate aceste criterii. De exemplu, un cristal poate să crească, să atingă echilibrul și chiar să se miște ca răspuns la stimuli, dar îi lipsește ceea ce în mod obișnuit ar fi considerat un sistem nervos biologic.
În timp ce este nevoie de o definiție cu o „linie clară”, cazurile limită conferă definiției vieții o calitate clar gri și neclară. În speranța de a restrânge definiția de lucru cel puțin la nivel terestru, toate organismele cunoscute par să aibă în comun o chimie bazată pe carbon, să depindă de apă și să lase în urmă fosile cu izotopi de carbon sau de sulf care indică un metabolism prezent sau trecut.
Dacă aceste tendințe constituie un set bogat de caracteristici, ele au fost criticate ca ignorând istoria vieții însăși. La nivel terestru, viața este clasificată în patru familii biologice: archaea, bacterii, eucariote și virusuri. Archaea este ramura definită recent care supraviețuiește adesea în medii extreme sub formă de celule unice și care împărtășește trăsături atât cu bacteriile, cât și cu eucariotele. Bacteriile, denumite adesea procariote, sunt în general lipsite de clorofilă (cu excepția cianobacteriilor) și de un nucleu celular, și fermentează și respiră pentru a produce energie. Eucariotele includ toate organismele ale căror celule au un nucleu – astfel, oamenii și toate celelalte animale sunt eucariote, la fel ca și plantele, protitele și ciupercile. Ultima grupare include virușii, care nu au deloc celule, ci fragmente de ADN și ARN care se reproduc în mod parazitar atunci când infectează o celulă gazdă compatibilă. Aceste clasificări clarifică marele puzzle al vieții existente, dar fac prea puțin pentru a oferi o definiție finală.
Definirea vieții capătă un caracter mai fermecător atunci când este extinsă dincolo de biosfera Pământului. Adăugarea recentă a extremofilelor (archaea) la arborele vieții subliniază noțiunea că viața este definită de ceea ce cunoaștem, de ceea ce am mai văzut înainte și, adesea, de ceea ce am reușit să domesticim într-o farfurie Petri de laborator.
Astrobiology Magazine a căutat opinia experților cu privire la această întrebare importantă la Dr. Carol Cleland, care predă filozofia la Universitatea Colorado din Boulder și este membru al Institutului de Astrobiologie al NASA. Aflată în concediu sabatic la Madrid, Spania, la Centro de Astrobiologia (CSIC-INTA), aceasta și-a împărtășit gândurile despre puterea definițiilor de a modela știința și filosofia.
Interviu cu Carol Cleland
„Sunt interesată să formulez o strategie de căutare a vieții extraterestre care să permită împingerea limitelor conceptelor noastre de viață centrate pe Pământ.” -Carol Cleland
Creditul imaginii: University of Colorado
Întrebare: Ce părere aveți despre încercările de definire a „vieții”?
Într-un articol recent apărut în Origins of Life and Evolution of the Biosphere, Christopher Chyba și cu mine susținem că este o greșeală să încercăm să definim „viața”. Astfel de eforturi reflectă neînțelegeri fundamentale despre natura și puterea definițiilor.
Definițiile ne vorbesc despre semnificațiile cuvintelor din limba noastră, spre deosebire de a ne spune despre natura lumii. În cazul vieții, oamenii de știință sunt interesați de natura vieții; ei nu sunt interesați de ceea ce se întâmplă să însemne cuvântul „viață” în limbajul nostru. Ceea ce trebuie să ne concentrăm cu adevărat este să elaborăm o teorie generală adecvată a sistemelor vii, spre deosebire de o definiție a cuvântului „viață.”
Dar pentru a formula o teorie generală a sistemelor vii, este nevoie de mai mult decât un singur exemplu de viață. Așa cum reiese din asemănările biochimice și microbiologice remarcabile, viața de pe Pământ are o origine comună. În ciuda diversității sale morfologice uimitoare, viața terestră reprezintă doar un singur caz. Cheia pentru formularea unei teorii generale a sistemelor vii este explorarea unor posibilități alternative pentru viață. Sunt interesat de formularea unei strategii de căutare a vieții extraterestre care să permită împingerea limitelor conceptelor noastre de viață centrate pe Pământ.
În categoria a ceea ce este „viu”, ați exclude ceea ce numiți cazuri „limită” – viruși, proteine care se autoreplică sau chiar obiecte netradiționale care au un anumit conținut informațional, se reproduc, se consumă și mor (cum ar fi programele de calculator, incendiile de pădure etc.)?
Este o întrebare complexă. Limbajul este vag, iar toți termenii se confruntă cu cazuri-limită. Este un băiat necăsătorit de 12 ani un „burlac”? Dar un tânăr de optsprezece ani? De câte fire de păr este nevoie pentru ca un bărbat „chel” să se transforme într-un bărbat care „nu este chel”? 20 sau 100 sau 1.000 de fire?
Faptul că există cazuri limită – că nu putem stabili o limită precisă – nu înseamnă că nu există o diferență între un burlac și un bărbat căsătorit, sau între un bărbat chel și un bărbat care nu este chel. Aceste dificultăți nu reprezintă dificultăți profunde; ele reprezintă pur și simplu faptul că limbajul are un anumit grad de flexibilitate. Așadar, nu cred că entități precum virușii reprezintă provocări foarte interesante pentru definițiile „vieții.”
Pe de altă parte, nu cred că definirea „vieții” este o activitate foarte utilă pentru oamenii de știință, deoarece nu ne va spune ceea ce vrem să știm cu adevărat, și anume „ce este viața”. O teorie științifică a vieții (care nu este același lucru cu o definiție a vieții) ar fi capabilă să răspundă la aceste întrebări într-un mod satisfăcător.
Ca o analogie, alchimiștii medievali au clasificat multe tipuri diferite de substanțe ca fiind apă, inclusiv acidul azotic (care era numit „aqua fortis”). Ei au făcut acest lucru deoarece acidul nitric prezenta multe dintre proprietățile sensibile ale apei și, poate cel mai important, era un bun solvent. Abia după apariția teoriei moleculare, oamenii de știință au putut înțelege de ce acidul nitric, care are multe dintre proprietățile apei, nu este totuși apă. Teoria moleculară explică în mod clar și convingător de ce se întâmplă acest lucru: apa este H2O – doi atomi de hidrogen și un atom de oxigen. Acidul azotic are o compoziție moleculară diferită.
O bună teorie a vieții ar face același lucru pentru cazurile pe care le menționați, cum ar fi programele de calculator. Simpla definiție a „vieții” în așa fel încât să încorporeze entitatea „vie” netradițională preferată a cuiva nu avansează deloc acest proiect.
Întrebare: Care este teoria dvs. preferată pentru modul în care ar fi putut apărea viața pe Pământ – cristale de argilă, lumea ARN, membrane sau o altă opțiune?
Freeman Dyson, fondator al „teoriei dublei origini.”
Creditul imaginii: Trustees of Dartmouth College
Mi se pare că toate teoriile privind originea vieții se confruntă cu două obstacole majore. Cel mai mare este explicarea originii schemei complexe de cooperare elaborată între proteine și acizi nucleici – producția controlată de sisteme catalitice autoreplicante de biomolecule. Toate relatările populare despre originea vieții mi se pare că ocolesc această problemă. În schimb, ele se concentrează asupra celuilalt obstacol: producerea de aminoacizi și nucleotide și determinarea acestora să se polimerizeze în proteine și acizi nucleici (de obicei, ARN). Dar mi se pare că niciunul dintre ele nu ne-a oferit o poveste foarte satisfăcătoare despre cum s-a întâmplat acest lucru.
Toate scenariile care au fost propuse pentru producerea ARN-ului în condiții naturale plauzibile nu au o demonstrație experimentală, iar acest lucru include lumea ARN-ului, cristalele de argilă și relatările despre vezicule. Nimeni nu a reușit să sintetizeze ARN fără ajutorul catalizatorilor proteici sau al șabloanelor de acizi nucleici și, pe lângă această problemă, trebuie să ne confruntăm cu fragilitatea moleculei de ARN.
Dar continui să cred că cea mai gravă problemă este următoarea etapă a procesului, coordonarea proteinelor și a ARN-ului prin intermediul unui cod genetic într-un sistem catalitic de molecule care se autoreplică. Probabilitatea ca acest lucru să se întâmple din întâmplare (dat fiind un amestec aleatoriu de proteine și ARN) pare astronomic de mică. Cu toate acestea, majoritatea cercetătorilor par să presupună că, dacă pot da sens producției independente de proteine și ARN în condiții naturale primordiale, coordonarea va avea cumva grijă de ea însăși.
Supun că, dacă ar trebui să aleg o teorie preferată, aceasta ar fi teoria originii duble a lui Freeman Dyson, care postulează o lume inițială a proteinelor care a produs în cele din urmă o lume a ARN-ului ca produs secundar al unui metabolism din ce în ce mai sofisticat. Lumea ARN, care începe ca un parazit obligatoriu al lumii proteinelor, produce în cele din urmă schema de cooperare și, prin urmare, viața așa cum o cunoaștem astăzi. Îmi place faptul că această relatare încearcă să abordeze originea schemei de cooperare.
Întrebare: Credeți că ar fi putut exista mai multe origini ale vieții sau că viața ar fi putut veni pe Pământ din altă parte?
Viața care a apărut de mai multe ori din materiale neviabile ar putea apărea în altă parte decât pe Pământ, dar ar fi putut apărea și pe Pământ. Este posibil ca viața extraterestră să existe și ca toate formele de viață să aibă totuși un strămoș comun. Oamenii de știință cred în prezent că microbii pot supraviețui călătoriilor interplanetare ascunși în meteoriți produși de impactul asteroizilor asupra corpurilor planetare care conțin viață. Cu alte cuvinte, am putea fi cu toții urmașii marțienilor – sau marțienii, dacă se întâmplă să existe, ar putea avea un strămoș comun cu noi! Pe scurt, simpla descoperire a vieții extraterestre nu garantează că viața a avut mai mult de o origine.
Întrebare: Fiind unul dintre marile mistere și provocări ale științei, credeți că putem determina originea vieții prin experimente?
Sper că da! Dar până când nu vom avea o teorie adecvată a vieții care să conducă la formularea experimentelor potrivite, va fi dificil de spus. Presupun că este întotdeauna posibil ca viața să nu fie o categorie naturală și, prin urmare, să nu poată fi formulată o teorie universală a vieții. Dar mă îndoiesc.
Este, de asemenea, posibil ca viața pe Pământ să fie produsul unui proces istoric foarte complex care implică prea multe contingențe pentru a fi ușor accesibil unor investigații experimentale definitive. Totuși, o teorie generală adecvată a vieții ar clarifica acest lucru. În plus, cercetarea istorică este foarte capabilă să obțină dovezi empirice care pot rezolva întrebări istorice de acest fel – dovezi la fel de convingătoare ca și cele furnizate de cercetarea experimentală clasică! Așadar, chiar dacă nu putem produce viață în laborator din materiale neviabile, nu înseamnă că nu vom ști niciodată cum a apărut viața pe Pământ.
Ce urmează?
Agenția Spațială Europeană va lansa o misiune pe Marte la începutul verii 2003. Planurile actuale prevăd ca modul său de aterizare, Beagle 2, să efectueze experimente biologice menite să caute dovezi ale existenței vieții pe Marte. Ca un exemplu al modului în care definiția vieții poate modela în mod direct știința de explorare, sarcina utilă științifică de pe Beagle 2 va investiga caracteristicile comune despre care se crede că indică viața. De exemplu, Beagle 2 va căuta prezența apei, existența mineralelor carbonatate, apariția reziduurilor organice și orice fracționare izotopică între fazele organice și anorganice. Fiecare dintre acestea va oferi indicii cu privire la probabilitatea existenței vieții pe Marte, atunci când sunt comparate cu condițiile de mediu predominante, cum ar fi temperatura, presiunea, viteza vântului, fluxul UV, potențialul de oxidare și mediul de praf.
Abstract din Cleland, Chyba (2002): „Nu există o definiție general acceptată a „vieții”. Definițiile sugerate se confruntă cu probleme, adesea sub forma unor contraexemple solide. Aici folosim cunoștințe din investigațiile filosofice asupra limbajului pentru a argumenta că definirea „vieții” reprezintă în prezent o dilemă analogă cu cea cu care se confruntă cei care sperau să definească „apa” înainte de existența teoriei moleculare. În absența unei teorii analoge a naturii sistemelor vii, controversele interminabile asupra definiției vieții sunt inevitabile.”
Cleland, Carol E.; Chyba, Christopher F., Origins of Life and Evolution of the Biosphere, v. 32, Issue 4, p. 387-393 (2002).
.