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.m man jämför den semantiska uppgiften med den gamla hinduiska berättelsen om att identifiera en elefant genom att låta var och en av sex blinda män röra vid endast svansen, stammen eller benet, kan det svar som en biolog kan ge skilja sig dramatiskt från det svar som en teoretisk fysiker ger.
En viss inledande överenskommelse är dock möjlig. Levande varelser tenderar att vara komplexa och mycket organiserade. De har förmågan att ta upp energi från omgivningen och omvandla den för tillväxt och reproduktion. Organismerna tenderar att sträva efter homeostas: en jämvikt mellan de parametrar som definierar deras inre miljö. Levande varelser reagerar, och deras stimulans främjar en reaktion – som rörelse, rekyl och, i avancerade former, inlärning. Livet är reproduktivt, eftersom någon form av kopiering behövs för att evolutionen ska kunna ta fart genom en populations mutationer och naturligt urval. För att växa och utvecklas behöver levande varelser först och främst vara konsumenter, eftersom tillväxt innefattar förändring av biomassa, skapande av nya individer och avkastning av avfall.
För att räknas som en levande varelse måste en varelse uppfylla någon variant för alla dessa kriterier. En kristall kan till exempel växa, nå jämvikt och till och med röra sig som svar på stimuli, men saknar det som vanligtvis skulle betraktas som ett biologiskt nervsystem.
Sedan en definition med ”ljusa linjer” behövs, ger gränsfallen livets definition en tydligt grå och luddig kvalitet. I hopp om att begränsa arbetsdefinitionen åtminstone terrestriskt verkar alla kända organismer dela en kolbaserad kemi, vara beroende av vatten och lämna efter sig fossil med kol- eller svavelisotoper som pekar på nuvarande eller tidigare ämnesomsättning.
Om dessa tendenser utgör en rik uppsättning egenskaper har de kritiserats för att de ignorerar livets egen historia. Jordiskt sett klassificeras livet i fyra biologiska familjer: arkéer, bakterier, eukaryoter och virus. Archaea är den nyligen definierade grenen som ofta överlever i extrema miljöer som enskilda celler, och de delar egenskaper med både bakterier och eukaryoter. Bakterier, som ofta kallas prokaryoter, saknar i allmänhet klorofyll (med undantag för cyanobakterier) och cellkärna, och de fermenterar och andas för att producera energi. Eukaryoter omfattar alla organismer vars celler har en cellkärna – så människor och alla andra djur är eukaryoter, liksom växter, protister och svampar. Den sista gruppen omfattar virusen, som inte har några celler alls, utan fragment av DNA och RNA som förökar sig parasitiskt när de infekterar en kompatibel värdcell. Dessa klassificeringar förtydligar det stora pusslet med existerande liv, men ger inte mycket till en slutgiltig definition.
Definitionen av livet får en mer förtrollande karaktär när den utvidgas utanför jordens biosfär. Det nyligen gjorda tillägget av extremofiler (arkéer) till livets träd understryker uppfattningen att livet definieras av vad vi vet, vad vi har sett tidigare och ofta vad vi har lyckats domesticera till en petriskål i ett laboratorium.
Astrobiology Magazine sökte expertutlåtande om denna viktiga fråga från dr Carol Cleland, som undervisar i filosofi vid Colorados universitet i Boulder och är medlem av NASA:s astrobiologiska institut. Under sitt sabbatsår i Madrid, Spanien, vid Centro de Astrobiologia (CSIC-INTA), delade hon med sig av sina tankar om definitioners makt att forma vetenskap och filosofi.
Intervju med Carol Cleland
”Jag är intresserad av att formulera en strategi för att söka efter utomjordiskt liv som gör det möjligt att tänja på gränserna för våra jordcentrerade begrepp om liv.” -Carol Cleland
Bild: University of Colorado
Q: Vad anser du om försöken att definiera ”liv”?
I en nyligen publicerad artikel i Origins of Life and Evolution of the Biosphere hävdar Christopher Chyba och jag att det är ett misstag att försöka definiera ”liv”. Sådana försök återspeglar grundläggande missförstånd om definitioners natur och makt.
Definitioner berättar för oss om betydelsen av ord i vårt språk, i motsats till att berätta för oss om världens natur. När det gäller livet är forskarna intresserade av livets natur; de är inte intresserade av vad ordet ”liv” råkar betyda i vårt språk. Vad vi verkligen måste fokusera på är att komma fram till en tillräckligt allmän teori om levande system, i motsats till en definition av ”liv”.
Men för att formulera en allmän teori om levande system behöver man mer än ett enda exempel på liv. Som framgår av dess anmärkningsvärda biokemiska och mikrobiologiska likheter har livet på jorden ett gemensamt ursprung. Trots sin fantastiska morfologiska mångfald representerar det jordiska livet endast ett enda fall. Nyckeln till att formulera en allmän teori om levande system är att utforska alternativa möjligheter till liv. Jag är intresserad av att formulera en strategi för att söka efter utomjordiskt liv som gör det möjligt att tänja på gränserna för våra jordcentrerade begrepp om liv.
Q: Skulle du i kategorin vad som är ”levande” utesluta vad du kallar ”gränsfall” – virus, självreproducerande proteiner eller till och med icke-traditionella objekt som har ett visst informationsinnehåll, som reproducerar sig, konsumerar och dör (som dataprogram, skogsbränder osv.)?
Detta är en komplex fråga. Språket är vagt, och alla begrepp har gränsfall. Är en ogift tolvårig pojke en ”ungkarl”? Hur är det med en artonåring? Hur många hårstrån krävs för att förvandla en ”skallig” man till en man som ”inte är skallig”? 20 eller 100 eller 1 000 hårstrån?
Det faktum att det finns gränsfall – att vi inte kan komma fram till en exakt gräns – betyder inte att det inte finns någon skillnad mellan en ungkarl och en gift man, eller en skallig man och en man som inte är skallig. Dessa svårigheter utgör inte några djupa svårigheter; de visar bara att språket har en viss grad av flexibilitet. Så jag tror inte att enheter som virus utgör särskilt intressanta utmaningar för definitioner av ”liv”.
Å andra sidan tror jag inte att det är särskilt användbart för forskare att definiera ”liv”, eftersom det inte kommer att berätta för oss vad vi egentligen vill veta, nämligen ”vad är liv”. En vetenskaplig teori om livet (som inte är detsamma som en definition av livet) skulle kunna besvara dessa frågor på ett tillfredsställande sätt.
Som analogi kan nämnas att de medeltida alkemisterna klassificerade många olika typer av ämnen som vatten, inklusive salpetersyra (som kallades ”aqua fortis”). De gjorde detta eftersom salpetersyra uppvisade många av vattnets förnuftiga egenskaper, och kanske viktigast av allt var att det var ett bra lösningsmedel. Det var inte förrän molekylteorin gjorde sitt intåg som forskarna kunde förstå varför salpetersyra, som har många av vattnets egenskaper, ändå inte är vatten. Molekylteorin förklarar tydligt och övertygande varför detta är fallet: vatten är H2O – två väteatomer och en syreatom. Salpetersyra har en annan molekylär sammansättning.
En bra teori om livet skulle göra detsamma för de fall som du nämner, t.ex. datorprogram. Att bara definiera ”liv” på ett sådant sätt att det innefattar ens favorit icke-traditionella ”levande” entitet främjar inte alls detta projekt.
Q: Vilken är din favoritteori för hur livet kan ha uppstått på jorden – lerkristaller, RNA-världen, membraner, eller något annat alternativ?
Freeman Dyson, grundare av den ”dubbla ursprungsteorin”
Image Credit: Trustees of Dartmouth College
Det förefaller mig som om alla teorier om livets uppkomst står inför två stora hinder. Det största är att förklara ursprunget till det komplexa samarbetsschema som utarbetats mellan proteiner och nukleinsyror – den kontrollerade produktionen av självreplikerande katalytiska system av biomolekyler. Alla de populära beskrivningarna av livets uppkomst slår mig att de inte tar hänsyn till denna fråga. I stället fokuserar de på det andra hindret: att producera aminosyror och nukleotider och få dem att polymerisera till proteiner och nukleinsyror (vanligtvis RNA). Men det förefaller mig som om ingen av dem har gett oss en särskilt tillfredsställande berättelse om hur detta skedde.
Alla scenarier som har föreslagits för att producera RNA under rimliga naturliga förhållanden saknar experimentell demonstration, och detta inkluderar RNA-världen, lerkristaller och vesikelberättelser. Ingen har kunnat syntetisera RNA utan hjälp av proteinkatalysatorer eller nukleinsyramallar, och utöver detta problem finns RNA-molekylens bräcklighet att brottas med.
Men jag tror fortfarande att det allvarligare problemet är nästa steg i processen, samordningen av proteiner och RNA genom en genetisk kod till ett självreplikerande katalytiskt system av molekyler. Sannolikheten för att detta ska ske av en slump (givet en slumpmässig blandning av proteiner och RNA) verkar astronomiskt låg. Ändå verkar de flesta forskare anta att om de kan förstå den oberoende produktionen av proteiner och RNA under naturliga primordiala förhållanden kommer samordningen på något sätt att sköta sig själv.
Jag antar att om jag var tvungen att välja en favoritteori skulle det vara Freeman Dysons teori om det dubbla ursprunget, som postulerar en ursprunglig proteinvärld som så småningom producerade en RNA-värld som en biprodukt av en alltmer sofistikerad metabolism. RNA-världen, som börjar som en obligatorisk parasit till proteinvärlden, producerar så småningom det kooperativa schemat, och därmed livet som vi känner det i dag. Jag gillar det faktum att man i den här redogörelsen försöker ta itu med ursprunget till det kooperativa schemat.
Q: Tror du att det kan ha funnits flera olika ursprung för livet, eller att livet kan ha kommit till jorden någon annanstans ifrån?
Liv som uppstår mer än en gång från icke-levande material skulle kunna uppstå någon annanstans än på jorden, men det skulle också kunna ha uppstått på jorden. Det är möjligt att utomjordiskt liv existerar och att allt liv ändå har en gemensam förfader. Forskare tror nu att mikrober kan överleva interplanetära resor i meteorer som produceras av asteroidnedslag på planetariska kroppar som innehåller liv. Med andra ord kan vi alla vara ättlingar till marsmänniskor – eller marsmänniskor, om de råkar existera, kan dela en gemensam förfader med oss! Kort sagt, enbart upptäckten av utomjordiskt liv garanterar inte att livet har mer än ett ursprung.
Q: Som ett av vetenskapens stora mysterier och utmaningar, tror du att vi kan fastställa livets ursprung genom experiment?
Jag hoppas det! Men tills vi har en adekvat teori om livet som kan styra utformningen av de rätta experimenten kommer det att vara svårt att avgöra. Jag antar att det alltid är möjligt att livet inte är en naturlig kategori och att det därför inte går att formulera någon universell teori om livet. Men jag tvivlar på det.
Det är också möjligt att livet på jorden är en produkt av en mycket komplex historisk process som inbegriper alltför många tillfälligheter för att vara lättillgänglig för definitiva experimentella undersökningar. En tillräckligt allmän teori om livet skulle dock klargöra detta. Dessutom är den historiska forskningen fullt kapabel att få fram empiriska bevis som kan lösa historiska frågor av detta slag – bevis som är lika övertygande som de som tillhandahålls av klassisk experimentell forskning! Så även om vi inte kan framställa liv i laboratoriet från icke levande material, följer det inte av detta att vi aldrig kommer att få veta hur livet uppstod på jorden.
Vad händer härnäst?
Europeiska rymdorganisationen kommer att skicka upp ett marsuppdrag i början av sommaren 2003. Enligt de nuvarande planerna ska landaren Beagle 2 utföra biologiska experiment för att söka efter bevis på liv på Mars. Som ett exempel på hur definitionen av liv direkt kan påverka den utforskande vetenskapen kommer den vetenskapliga lasten på Beagle 2 att undersöka de gemensamma egenskaper som anses tyda på liv. Beagle 2 kommer till exempel att undersöka om det finns vatten, karbonatmineraler, organiska rester och isotopfraktioner mellan organiska och oorganiska faser. Var och en av dessa faktorer kommer att ge ledtrådar om sannolikheten för liv på Mars när de jämförs med de rådande miljöförhållandena, t.ex. temperatur, tryck, vindhastighet, UV-flöde, oxidationspotential och stoftmiljö.
Avsnitt från Cleland, Chyba (2002): ”Det finns ingen allmänt accepterad definition av ’liv’. Föreslagna definitioner möter problem, ofta i form av robusta motexempel. Här använder vi insikter från filosofiska undersökningar av språk för att hävda att definitionen av ’liv’ för närvarande innebär ett dilemma som är analogt med det som de som hoppades kunna definiera ’vatten’ innan molekylärteorin existerade ställdes inför. I avsaknad av en analog teori om de levande systemens natur är oundvikliga kontroverser om definitionen av liv oundvikliga.”
Cleland, Carol E.; Chyba, Christopher F., Origins of Life and Evolution of the Biosphere, v. 32, Issue 4, s. 387-393 (2002).