Астробиология (также ксенология или экзобиология ) — это научная область в науках о жизни и окружающей среде , которая изучает происхождение , раннюю эволюцию , распространение и будущее жизни во Вселенной путем исследования ее детерминированных условий и случайных событий. [2] Как дисциплина, астробиология основана на предпосылке, что жизнь может существовать за пределами Земли. [3]
Исследования в области астробиологии охватывают три основных направления: изучение обитаемых сред в Солнечной системе и за ее пределами, поиск планетарных биосигнатур прошлой или настоящей внеземной жизни и изучение происхождения и ранней эволюции жизни на Земле.
Область астробиологии берет свое начало в 20 веке с началом освоения космоса и открытием экзопланет . Ранние исследования астробиологии были сосредоточены на поиске внеземной жизни и изучении потенциала существования жизни на других планетах. [2] В 1960-х и 1970-х годах НАСА начало свои астробиологические исследования в рамках программы Viking , которая была первой миссией США, совершившей посадку на Марсе и поиском признаков жизни . [4] Эта миссия, наряду с другими ранними миссиями по исследованию космоса, заложила основу для развития астробиологии как дисциплины.
Что касается обитаемых сред , астробиология исследует потенциальные места за пределами Земли, которые могли бы поддерживать жизнь, такие как Марс , Европа и экзопланеты , посредством исследования экстремофилов, населяющих суровые среды на Земле, такие как вулканические и глубоководные среды. Исследования в этой теме проводятся с использованием методологии наук о Земле, особенно геобиологии , для астробиологических приложений.
Поиск биосигнатур включает в себя идентификацию признаков прошлой или настоящей жизни в форме органических соединений , изотопных соотношений или микробных ископаемых. Исследования в рамках этой темы проводятся с использованием методологии планетарной и экологической науки , особенно атмосферной науки , для астробиологических приложений и часто проводятся с помощью дистанционного зондирования и миссий in situ.
Астробиология также занимается изучением происхождения и ранней эволюции жизни на Земле, чтобы попытаться понять условия, необходимые для формирования жизни на других планетах. [5] Это исследование стремится понять, как жизнь возникла из неживой материи и как она эволюционировала, чтобы стать разнообразным набором организмов, которые мы видим сегодня. Исследования в рамках этой темы проводятся с использованием методологии палеонаук, особенно палеобиологии , для астробиологических приложений.
Астробиология — это быстро развивающаяся область с сильным междисциплинарным аспектом, которая несет в себе множество проблем и возможностей для ученых. Программы и исследовательские центры по астробиологии присутствуют во многих университетах и научно-исследовательских институтах по всему миру, а космические агентства, такие как NASA и ESA, имеют специальные отделы и программы для исследований в области астробиологии.
Термин астробиология был впервые предложен русским астрономом Гавриилом Тиховым в 1953 году. [6] Он этимологически происходит от греческого ἄστρον , «звезда»; βίος , «жизнь»; и -λογία , -logia , «изучение». Близкий синоним — экзобиология от греческого Έξω, «внешний»; βίος , «жизнь»; и -λογία , -logia , «изучение», придуманный американским молекулярным биологом Джошуа Ледербергом ; считается, что экзобиология имеет узкую сферу применения, ограниченную поиском жизни за пределами Земли. [7] Другой связанный термин — ксенобиология , от греческого ξένος, «чужой»; βίος , «жизнь»; и -λογία, «изучение», введенное американским писателем-фантастом Робертом Хайнлайном в его произведении «Звездный зверь » ; [8] ксенобиология теперь используется в более специализированном смысле, относящемся к «биологии, основанной на чужеродной химии», как внеземного, так и земного (обычно синтетического) происхождения. [9]
Хотя потенциал внеземной жизни, особенно разумной жизни, изучался на протяжении всей истории человечества в рамках философии и повествования, этот вопрос является проверяемой гипотезой и, следовательно, обоснованным направлением научного исследования; [10] [11] планетолог Дэвид Гринспун называет это областью естественной философии, обосновывая предположения о неизвестном в известной научной теории. [12]
Современную область астробиологии можно проследить до 1950-х и 1960-х годов с появлением космических исследований , когда ученые начали серьезно рассматривать возможность жизни на других планетах. В 1957 году Советский Союз запустил Спутник-1 , первый искусственный спутник, который ознаменовал начало космической эры . Это событие привело к увеличению изучения потенциала жизни на других планетах, поскольку ученые начали рассматривать возможности, открываемые новой технологией космических исследований. В 1959 году НАСА профинансировало свой первый проект по экзобиологии, а в 1960 году НАСА основало Программу экзобиологии, которая теперь является одним из четырех основных элементов текущей Программы астробиологии НАСА. [13] В 1971 году НАСА профинансировало проект Циклоп , [14] часть поиска внеземного разума , для поиска радиочастот электромагнитного спектра для межзвездных сообщений, передаваемых внеземной жизнью за пределами Солнечной системы. В 1960–1970-х годах НАСА запустило программу «Викинг» , которая стала первой американской миссией по высадке на Марсе и поиску метаболических признаков современной жизни; результаты оказались неубедительными.
В 1980-х и 1990-х годах эта область начала расширяться и диверсифицироваться по мере появления новых открытий и технологий. Открытие микробной жизни в экстремальных условиях на Земле, таких как глубоководные гидротермальные источники, помогло прояснить возможность существования потенциальной жизни в суровых условиях. Разработка новых методов обнаружения биосигнатур, таких как использование стабильных изотопов, также сыграла значительную роль в развитии этой области.
Современный ландшафт астробиологии появился в начале 21-го века, сосредоточившись на использовании науки о Земле и окружающей среде для приложений в сопоставимых космических средах. Миссии включали Beagle 2 ЕКА, который потерпел неудачу через несколько минут после посадки на Марс, посадочный модуль Phoenix НАСА , который исследовал окружающую среду на предмет прошлой и настоящей планетарной обитаемости микробной жизни на Марсе и исследовал историю воды, и марсоход Curiosity НАСА , в настоящее время исследующий окружающую среду на предмет прошлой и настоящей планетарной обитаемости микробной жизни на Марсе.
Астробиологические исследования делают ряд упрощающих предположений при изучении необходимых компонентов для обитаемости планет.
Углерод и органические соединения : Углерод является четвертым по распространенности элементом во Вселенной, и энергия, необходимая для создания или разрыва связи, находится на подходящем уровне для построения молекул, которые не только стабильны, но и реактивны. Тот факт, что атомы углерода легко связываются с другими атомами углерода, позволяет строить чрезвычайно длинные и сложные молекулы. Таким образом, астробиологические исследования предполагают, что подавляющее большинство форм жизни в галактике Млечный Путь основаны на углеродной химии , как и все формы жизни на Земле. [15] [16] Однако теоретическая астробиология рассматривает потенциал других органических молекулярных основ для жизни, поэтому астробиологические исследования часто фокусируются на выявлении сред, которые имеют потенциал для поддержания жизни на основе присутствия органических соединений.
Жидкая вода : Жидкая вода — это обычная молекула, которая обеспечивает прекрасную среду для образования сложных молекул на основе углерода и, как правило, считается необходимой для жизни, какой мы ее знаем. Таким образом, астробиологические исследования предполагают, что внеземная жизнь также зависит от доступа к жидкой воде, и часто фокусируются на выявлении сред, которые потенциально могут поддерживать жидкую воду. [17] [18] Некоторые исследователи предполагают, что среды смесей воды и аммиака являются возможными растворителями для гипотетических типов биохимии . [19]
Стабильность окружающей среды : когда организмы адаптивно эволюционируют к условиям окружающей среды, в которой они обитают, стабильность окружающей среды считается необходимой для существования жизни. Это предполагает необходимость стабильной температуры , давления и уровней радиации ; в результате астробиологические исследования фокусируются на планетах, вращающихся вокруг звезд, подобных Солнцу , — красных карликах . [20] [16] Это связано с тем, что очень большие звезды имеют относительно короткую продолжительность жизни, а это означает, что жизнь может не успеть возникнуть на планетах, вращающихся вокруг них; очень маленькие звезды обеспечивают так мало тепла и тепла, что только планеты на очень близких орбитах вокруг них не замерзнут, а на таких близких орбитах эти планеты будут приливно заблокированы звездой; [21] тогда как длительное время жизни красных карликов может позволить развиться обитаемой среде на планетах с толстой атмосферой. [22] Это важно, поскольку красные карлики чрезвычайно распространены. ( См. также : Обитаемость систем красных карликов ).
Источник энергии : предполагается, что любая жизнь в другом месте во Вселенной также потребует источника энергии. Ранее предполагалось, что это обязательно будет звезда, похожая на Солнце , однако с развитием исследований экстремофилов современные астробиологические исследования часто фокусируются на выявлении сред, которые имеют потенциал для поддержания жизни на основе доступности источника энергии, например, наличия вулканической активности на планете или луне, которая могла бы обеспечить источник тепла и энергии.
Важно отметить, что эти предположения основаны на нашем текущем понимании жизни на Земле и условий, в которых она может существовать. По мере развития нашего понимания жизни и потенциала ее существования в различных средах эти предположения могут меняться.
Астробиологические исследования, касающиеся изучения обитаемых сред в нашей солнечной системе и за ее пределами, используют методы в рамках наук о Земле. Исследования в этой отрасли в первую очередь касаются геобиологии организмов, которые могут выживать в экстремальных условиях на Земле, таких как вулканическая или глубоководная среда, чтобы понять пределы жизни и условия, при которых жизнь могла бы выживать на других планетах. Это включает, но не ограничивается:
Глубоководные экстремофилы : исследователи изучают организмы, которые живут в экстремальных условиях глубоководных гидротермальных источников и холодных просачиваний. [23] Эти организмы выживают при отсутствии солнечного света, а некоторые способны выживать при высоких температурах и давлении, а также использовать химическую энергию вместо солнечного света для производства пищи.
Экстремофилы пустынь : исследователи изучают организмы, способные выживать в экстремально сухих условиях с высокими температурами, например, в пустынях. [24]
Микробы в экстремальных условиях : исследователи изучают разнообразие и активность микроорганизмов в таких средах, как глубокие шахты, подземные слои почвы, холодные ледники [25] и полярные льды [26] , а также высокогорные среды.
Исследования также касаются долгосрочного выживания жизни на Земле, а также возможностей и опасностей жизни на других планетах, включая:
Биоразнообразие и устойчивость экосистем : ученые изучают, как разнообразие жизни и взаимодействие между различными видами способствуют устойчивости экосистем и их способности восстанавливаться после нарушений. [27]
Изменение климата и вымирание : исследователи изучают влияние изменения климата на различные виды и экосистемы, а также то, как оно может привести к вымиранию или адаптации. [28] Сюда входит эволюция климата и геологии Земли и их потенциальное влияние на пригодность планеты для жизни в будущем, особенно для людей.
Влияние человека на биосферу : ученые изучают, каким образом деятельность человека, такая как вырубка лесов, загрязнение и внедрение инвазивных видов, влияет на биосферу и долгосрочное выживание жизни на Земле. [29]
Долгосрочное сохранение жизни : исследователи изучают способы сохранения образцов жизни на Земле в течение длительных периодов времени, такие как криоконсервация и геномная консервация, на случай катастрофического события, которое может уничтожить большую часть жизни на Земле. [30]
Новые астробиологические исследования, касающиеся поиска планетарных биосигнатур прошлой или настоящей внеземной жизни, используют методологии в планетарных науках. Они включают:
Изучение микробной жизни в недрах Марса :
Ученые используют данные, полученные в ходе миссий марсоходов, для изучения состава недр Марса , поиска биосигнатур прошлой или настоящей микробной жизни. [31] Изучение жидких тел на ледяных лунах :
Открытия поверхностных и подповерхностных тел жидкости на таких лунах, как Европа , [32] [33] [34] Титан [35] и Энцелад [36] [37], показали возможные зоны обитаемости, что делает их перспективными целями для поиска внеземной жизни. С сентября 2024 года [update]такие миссии, как Europa Clipper и Dragonfly, планируются для поиска биосигнатур в этих средах.
Изучение атмосфер планет :
Ученые изучают возможность существования жизни в атмосферах планет, уделяя особое внимание изучению физических и химических условий, необходимых для существования такой жизни, а именно обнаружению органических молекул и биосигнатурных газов; например, изучают возможность существования жизни в атмосферах экзопланет, вращающихся вокруг красных карликов, и изучают возможность существования микробной жизни в верхних слоях атмосферы Венеры. [38]
Телескопы и дистанционное зондирование экзопланет : открытие тысяч экзопланет открыло новые возможности для поиска биосигнатур. Ученые используют телескопы, такие как космический телескоп Джеймса Уэбба и транзитный спутник Exoplanet Survey Satellite, для поиска биосигнатур на экзопланетах. Они также разрабатывают новые методы обнаружения биосигнатур, такие как использование дистанционного зондирования для поиска биосигнатур в атмосфере экзопланет. [39]
SETI и CETI :
Ученые ищут сигналы от разумных внеземных цивилизаций, используя радио- и оптические телескопы в рамках дисциплины внеземной разумной связи (CETI). CETI фокусируется на составлении и расшифровке сообщений, которые теоретически могли бы быть поняты другой технологической цивилизацией. Попытки коммуникации со стороны людей включали трансляцию математических языков, изобразительных систем, таких как сообщение Аресибо , и вычислительные подходы к обнаружению и расшифровке «естественной» языковой коммуникации. В то время как некоторые известные ученые, такие как Карл Саган , выступали за передачу сообщений, [40] [41] физик-теоретик Стивен Хокинг предостерег от этого, предполагая, что инопланетяне могут совершить набег на Землю за ее ресурсами. [42]
Новые астробиологические исследования, касающиеся изучения происхождения и ранней эволюции жизни на Земле, используют методологии палеонауки. Они включают:
Изучение ранней атмосферы : исследователи изучают роль ранней атмосферы в обеспечении необходимых условий для возникновения жизни, например, наличие газов, которые могли бы помочь стабилизировать климат и образование органических молекул. [43]
Изучение раннего магнитного поля : исследователи изучают роль раннего магнитного поля в защите Земли от вредного излучения и содействии стабилизации климата. [44] Это исследование имеет огромные астробиологические последствия, тогда как у объектов современных астробиологических исследований, таких как Марс, такого поля нет.
Изучение пребиотической химии : ученые изучают химические реакции, которые могли происходить на ранней Земле и которые привели к образованию строительных блоков жизни — аминокислот, нуклеотидов и липидов, — и то, как эти молекулы могли образоваться спонтанно в условиях ранней Земли. [45]
Изучение событий, связанных со столкновением : ученые изучают потенциальную роль событий, связанных со столкновением, особенно метеоритов, в доставке воды и органических молекул на раннюю Землю. [46]
Изучение первичного бульона :
Исследователи изучают условия и ингредиенты, которые присутствовали на ранней Земле и которые могли привести к образованию первых живых организмов, такие как наличие воды и органических молекул, а также то, как эти ингредиенты могли привести к образованию первых живых организмов. [47] Сюда входит роль воды в образовании первых клеток и в катализе химических реакций.
Изучение роли минералов : Ученые изучают роль минералов, таких как глина, в катализе образования органических молекул, тем самым играя роль в возникновении жизни на Земле. [48]
Изучение роли энергии и электричества : Ученые изучают потенциальные источники энергии и электричества, которые могли быть доступны на ранней Земле, и их роль в формировании органических молекул, а значит, и в возникновении жизни. [49]
Изучение ранних океанов : ученые изучают состав и химию ранних океанов и то, как они могли сыграть роль в возникновении жизни, например, наличие растворенных минералов, которые могли помочь катализировать образование органических молекул. [50]
Изучение гидротермальных источников : Ученые изучают потенциальную роль гидротермальных источников в происхождении жизни, поскольку эти среды могли предоставить энергию и химические строительные блоки, необходимые для ее возникновения. [51]
Изучение тектоники плит : Ученые изучают роль тектоники плит в создании разнообразных условий на ранней Земле. [52]
Изучение ранней биосферы : исследователи изучают разнообразие и активность микроорганизмов на ранней Земле, а также то, какую роль эти организмы могли сыграть в возникновении жизни. [53]
Изучение микробных окаменелостей : Ученые изучают наличие микробных окаменелостей в древних породах, которые могут дать подсказки о ранней эволюции жизни на Земле и появлении первых организмов. [54]
Систематический поиск возможной жизни за пределами Земли является обоснованным многопрофильным научным начинанием. [55] Однако гипотезы и прогнозы относительно ее существования и происхождения сильно различаются, и в настоящее время разработка гипотез, прочно основанных на науке, может считаться наиболее конкретным практическим применением астробиологии. Было высказано предположение, что вирусы , вероятно, встречаются на других планетах, на которых есть жизнь, [56] [57] и могут присутствовать даже при отсутствии биологических клеток. [58]
По состоянию на 2024 год [update]никаких доказательств существования внеземной жизни обнаружено не было. [59] Дэвид Маккей и несколько других ученых полагают , что исследование метеорита Allan Hills 84001 , который был обнаружен в Антарктиде в 1984 году и прилетел с Марса , содержит микроокаменелости внеземного происхождения; эта интерпретация является спорной. [60] [61] [62]
Yamato 000593 , второй по величине метеорит с Марса , был найден на Земле в 2000 году. На микроскопическом уровне в метеорите обнаружены сферы , богатые углеродом по сравнению с окружающими областями, в которых таких сфер нет. Богатые углеродом сферы могли быть образованы биотической активностью, по мнению некоторых ученых НАСА. [63] [64] [65]
5 марта 2011 года Ричард Б. Гувер , ученый из Центра космических полетов им. Маршалла , высказал предположение о находке предполагаемых микроокаменелостей, похожих на цианобактерии, в углеродистых метеоритах CI1 в маргинальном журнале Journal of Cosmology , история, широко освещаемая основными средствами массовой информации . [66] [67] Однако НАСА официально дистанцировалось от заявления Гувера. [68] По словам американского астрофизика Нила Деграсса Тайсона : «На данный момент жизнь на Земле является единственной известной жизнью во Вселенной, но есть убедительные аргументы, позволяющие предположить, что мы не одиноки». [69]
Большинство исследований астробиологии, связанных с астрономией, попадают в категорию обнаружения экзопланет (экзопланет), гипотеза заключается в том, что если жизнь возникла на Земле, то она могла возникнуть и на других планетах с похожими характеристиками. С этой целью были рассмотрены несколько инструментов, разработанных для обнаружения экзопланет размером с Землю, в частности, программы Terrestrial Planet Finder ( TPF) NASA и Darwin от ESA , обе из которых были отменены. NASA запустило миссию Kepler в марте 2009 года, а Французское космическое агентство запустило космическую миссию COROT в 2006 году. [70] [71] Также ведутся несколько менее амбициозных наземных проектов.
Целью этих миссий является не только обнаружение планет размером с Землю, но и непосредственное обнаружение света от планеты, чтобы его можно было изучить спектроскопически . Изучая планетарные спектры, можно было бы определить основной состав атмосферы и/или поверхности экзопланеты. [72] Учитывая эти знания, можно будет оценить вероятность обнаружения жизни на этой планете. Исследовательская группа НАСА, Лаборатория виртуальных планет, [73] использует компьютерное моделирование для создания большого разнообразия виртуальных планет, чтобы увидеть, как они будут выглядеть, если смотреть с TPF или Darwin. Есть надежда, что как только эти миссии выйдут в сеть, их спектры можно будет перепроверить с этими виртуальными планетарными спектрами на предмет признаков, которые могут указывать на наличие жизни.
Оценку количества планет с разумной коммуникабельной внеземной жизнью можно получить из уравнения Дрейка , по сути, уравнения, выражающего вероятность разумной жизни как произведение таких факторов, как доля планет, которые могут быть пригодны для жизни, и доля планет, на которых может возникнуть жизнь: [74]
где:
Однако, хотя обоснование уравнения является обоснованным, маловероятно, что уравнение будет ограничено разумными пределами погрешности в ближайшее время. Проблема с формулой заключается в том, что она не используется для создания или поддержки гипотез , поскольку содержит факторы, которые никогда не могут быть проверены. Первый член, R* , количество звезд, обычно ограничен в пределах нескольких порядков величины. Второй и третий члены, f p , звезды с планетами и f e , планеты с обитаемыми условиями, оцениваются для окрестностей звезды. Дрейк первоначально сформулировал уравнение просто как повестку дня для обсуждения на конференции Green Bank [75] , но некоторые приложения формулы были восприняты буквально и связаны с упрощенными или псевдонаучными аргументами. [76] Другая связанная тема — парадокс Ферми , который предполагает, что если разумная жизнь распространена во Вселенной , то должны быть очевидные признаки ее существования.
Еще одной активной областью исследований в астробиологии является формирование планетарных систем . Было высказано предположение, что особенности Солнечной системы (например, наличие Юпитера как защитного щита) [77] могли значительно увеличить вероятность возникновения разумной жизни на Земле. [78] [79]
Биология не может утверждать, что процесс или явление, будучи математически возможным, должны принудительно существовать во внеземном теле. Биологи определяют, что является спекулятивным, а что нет. [76] Открытие экстремофилов , организмов, способных выживать в экстремальных условиях, стало основным элементом исследования для астробиологов, поскольку они важны для понимания четырех областей в пределах жизни в планетарном контексте: потенциал панспермии , прямое загрязнение из-за исследовательских предприятий человека, колонизация планет людьми и исследование вымершей и существующей внеземной жизни. [80]
До 1970-х годов считалось, что жизнь полностью зависит от энергии Солнца . Растения на поверхности Земли поглощают энергию солнечного света для фотосинтеза сахаров из углекислого газа и воды, выделяя в этом процессе кислород, который затем потребляется организмами, дышащими кислородом, передавая свою энергию вверх по пищевой цепи . Даже жизнь в глубинах океана, куда не может проникнуть солнечный свет, как считалось, получает свое питание либо за счет потребления органического детрита, выпадающего с поверхности воды, либо за счет поедания животных, которые туда проникли. [81] Считалось, что способность мира поддерживать жизнь зависит от его доступа к солнечному свету . Однако в 1977 году во время исследовательского погружения в Галапагосский разлом на глубоководном исследовательском аппарате Alvin ученые обнаружили колонии гигантских трубчатых червей , моллюсков , ракообразных , мидий и других разнообразных существ, сгруппированных вокруг подводных вулканических образований, известных как черные курильщики . [81] Эти существа процветают, несмотря на отсутствие доступа к солнечному свету, и вскоре было обнаружено, что они образуют полностью независимую экосистему . Хотя большинству этих многоклеточных форм жизни необходим растворенный кислород (вырабатываемый кислородным фотосинтезом) для их аэробного клеточного дыхания и, таким образом, они сами по себе не полностью независимы от солнечного света, основой их пищевой цепи является форма бактерий , которая получает энергию от окисления реактивных химических веществ, таких как водород или сероводород , которые всплывают из недр Земли. Другие формы жизни, полностью отделенные от энергии солнечного света, — это зеленые серные бактерии, которые захватывают геотермальный свет для аноксигенного фотосинтеза, или бактерии, управляющие хемолитоавтотрофией, основанной на радиоактивном распаде урана. [82] Этот хемосинтез произвел революцию в изучении биологии и астробиологии, показав, что жизнь не обязательно должна зависеть от солнечного света; для ее существования требуются только вода и градиент энергии.
Биологи обнаружили экстремофилов, которые процветают во льду, кипящей воде, кислоте, щелочи, водном ядре ядерных реакторов, соляных кристаллах, токсичных отходах и в ряде других экстремальных мест обитания, которые ранее считались негостеприимными для жизни. [83] [84] Это открыло новое направление в астробиологии, значительно расширив число возможных внеземных мест обитания. Характеристика этих организмов, их среды обитания и их эволюционных путей считается важнейшим компонентом для понимания того, как жизнь может развиваться в других местах Вселенной. Например, некоторые организмы, способные выдерживать воздействие вакуума и радиации открытого космоса, включают лишайниковые грибы Rhizocarpon geographicum и Rusavskia elegans , [85] бактерию Bacillus safensis , [86] Deinococcus radiodurans , [86] Bacillus subtilis , [86] дрожжи Saccharomyces cerevisiae , [86] семена Arabidopsis thaliana («кресс-салат мышиного уха»), [86] , а также беспозвоночное животное Tardigrade . [86] Хотя тихоходки не считаются истинными экстремофилами, они считаются экстремально толерантными микроорганизмами, которые внесли свой вклад в область астробиологии. Их экстремальная толерантность к радиации и наличие белков защиты ДНК могут дать ответы на вопрос, может ли жизнь выжить вдали от защиты земной атмосферы. [87]
Спутник Юпитера, Европа , [84] [88] [89] [90] [91] и спутник Сатурна, Энцелад , [92] [36] в настоящее время считаются наиболее вероятными местами для существующей внеземной жизни в Солнечной системе из-за их подповерхностных водных океанов , где радиогенный и приливный нагрев позволяет существовать жидкой воде. [82]
Происхождение жизни, известное как абиогенез , отличное от эволюции жизни , является еще одной продолжающейся областью исследований. Опарин и Холдейн постулировали, что условия на ранней Земле способствовали образованию органических соединений из неорганических элементов и, таким образом, образованию многих химических веществ, общих для всех форм жизни, которые мы видим сегодня. Изучение этого процесса, известного как пребиотическая химия, достигло определенного прогресса, но до сих пор неясно, могла ли жизнь сформироваться таким образом на Земле. Альтернативная гипотеза панспермии заключается в том, что первые элементы жизни могли сформироваться на другой планете с еще более благоприятными условиями (или даже в межзвездном пространстве, на астероидах и т. д.), а затем были перенесены на Землю.
Космическая пыль, пронизывающая вселенную, содержит сложные органические соединения («аморфные органические твердые вещества со смешанной ароматическо - алифатической структурой»), которые могли быть созданы естественным образом и быстро звездами . [93] [94] [95] Кроме того, один ученый предположил, что эти соединения могли быть связаны с развитием жизни на Земле, и сказал, что «если это так, то жизнь на Земле могла бы зародиться легче, поскольку эти органические вещества могут служить основными ингредиентами для жизни». [93]
Более 20% углерода во Вселенной может быть связано с полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ) , возможными исходными материалами для образования жизни . ПАУ , по-видимому, образовались вскоре после Большого взрыва , широко распространены по всей Вселенной и связаны с новыми звездами и экзопланетами . [96] ПАУ подвергаются воздействию межзвездной среды и преобразуются посредством гидрогенизации , оксигенации и гидроксилирования в более сложные органические вещества — «шаг на пути к аминокислотам и нуклеотидам , сырью белков и ДНК соответственно ». [97] [98]
В октябре 2020 года астрономы предложили идею обнаружения жизни на далеких планетах путем изучения теней деревьев в определенное время дня, чтобы найти закономерности, которые можно было бы обнаружить посредством наблюдения за экзопланетами. [99] [100]
Дэвид Гринспун назвал астробиологию областью естественной философии. [101] Астробиология пересекается с философией , поднимая вопросы о природе и существовании жизни за пределами Земли. Философские импликации включают определение самой жизни , проблемы философии разума и когнитивной науки в случае обнаружения разумной жизни, эпистемологические вопросы о природе доказательства, этические соображения об исследовании космоса, а также более широкое влияние открытия внеземной жизни на человеческую мысль и общество.
Дюнер [102] подчеркнул философию астробиологии как постоянное экзистенциальное упражнение в индивидуальном и коллективном самопонимании, чьей главной задачей является построение и обсуждение концепций, таких как концепция жизни. Ключевыми вопросами для Дюнера являются вопросы денег ресурсов и денежного планирования, эпистемологические вопросы, касающиеся астробиологических знаний, лингвистические вопросы межзвездной коммуникации, когнитивные вопросы, такие как определение интеллекта , а также возможность межпланетного заражения . Перссон [103] также подчеркнул ключевые философские вопросы в астробиологии. Они включают этическое обоснование ресурсов, вопрос жизни в целом, эпистемологические вопросы и знания об одиночестве во вселенной, этика по отношению к внеземной жизни, вопрос политики и управления необитаемыми мирами, а также вопросы экологии .
Для фон Хегнера [104] вопрос астробиологии и возможности астрофилософии различается. Для него дисциплина должна разделиться на астробиологию и астрофилософию, поскольку дискуссии, ставшие возможными благодаря астробиологии, но носившие астрофилософский характер, существовали с тех пор, как появились дискуссии о внеземной жизни. Астробиология — это самокорректирующееся взаимодействие между наблюдением, гипотезой, экспериментом и теорией, относящееся к исследованию всех природных явлений. Астрофилософия состоит из методов диалектического анализа и логической аргументации, относящихся к прояснению природы реальности. Шекрст [105] утверждает, что астробиология требует утверждения астрофилософии, но не как отдельного родственного астробиологии направления. Позиция концептуального speciem, по мнению Шекрста, пронизывает астробиологию, поскольку само название астробиология пытается говорить не только о биологии , но и о жизни в общем смысле, которая включает земную жизнь как подмножество. Это приводит нас либо к переопределению философии, либо к рассмотрению необходимости астрофилософии как более общей дисциплины, для которой философия является всего лишь подмножеством, которое имеет дело с такими вопросами, как природа человеческого разума и другими антропоцентрическими вопросами.
Большая часть философии астробиологии касается двух основных вопросов: вопроса жизни и этики освоения космоса. Колб [106] специально подчеркивает вопрос вирусов , для которых вопрос, являются ли они живыми или нет, основан на определениях жизни, которые включают саморепликацию . Шнайдер [107] попытался определить экзожизнь, но пришел к выводу, что мы часто начинаем с наших собственных предрассудков и что определение внеземной жизни кажется бесполезным с использованием человеческих понятий. Для Дика астробиология опирается на метафизическое предположение о существовании внеземной жизни, что подтверждает вопросы в философии космологии , такие как тонкая настройка или антропный принцип .
Гипотеза редкой Земли постулирует, что многоклеточные формы жизни, обнаруженные на Земле, на самом деле могут быть большей редкостью, чем предполагают ученые. Согласно этой гипотезе, жизнь на Земле (и более того, многоклеточная жизнь) возможна из-за сочетания правильных обстоятельств (галактика и местоположение внутри нее, планетная система , звезда, орбита, размер планеты, атмосфера и т. д.); и вероятность того, что все эти обстоятельства повторятся в другом месте, может быть редкой. Она дает возможный ответ на парадокс Ферми , который предполагает: «Если внеземные пришельцы обычны, почему они не очевидны?». По-видимому, это противоречит принципу посредственности , предполагаемому знаменитыми астрономами Фрэнком Дрейком , Карлом Саганом и другими. Принцип посредственности предполагает, что жизнь на Земле не является исключительной, и ее более чем вероятно можно найти в бесчисленных других мирах.
Исследования экологических ограничений жизни и работы экстремальных экосистем продолжаются, что позволяет исследователям лучше предсказывать, какие планетарные среды могут быть наиболее вероятными для жизни. Такие миссии, как Phoenix Lander , Mars Science Laboratory , ExoMars , Mars 2020 Rover на Марс и зонд Cassini к лунам Сатурна , направлены на дальнейшее изучение возможностей жизни на других планетах Солнечной системы.
Два посадочных модуля Viking каждый доставили по четыре типа биологических экспериментов на поверхность Марса в конце 1970-х годов. Это были единственные посадочные модули на Марсе, которые проводили эксперименты, специально направленные на изучение метаболизма текущей микробной жизни на Марсе . Посадочные модули использовали роботизированную руку для сбора образцов почвы в герметичные испытательные контейнеры на корабле. Два посадочных модуля были идентичны, поэтому одни и те же испытания проводились в двух местах на поверхности Марса: Viking 1 около экватора и Viking 2 дальше на север. [108] Результат оказался неубедительным, [109] и до сих пор оспаривается некоторыми учеными. [110] [111] [112] [113]
Норман Горовиц был руководителем бионаучного отдела Лаборатории реактивного движения для миссий Mariner и Viking с 1965 по 1976 год. Горовиц считал, что большая универсальность атома углерода делает его элементом, наиболее вероятным для решения, даже экзотических, проблем выживания жизни на других планетах. [114] Однако он также считал, что условия, обнаруженные на Марсе, несовместимы с жизнью на основе углерода.
Beagle 2 был неудачным британским марсианским посадочным модулем, который входил в состав миссии Mars Express Европейского космического агентства 2003 года. Его основной целью был поиск признаков жизни на Марсе , в прошлом или настоящем. Хотя он благополучно приземлился, он не смог правильно развернуть свои солнечные панели и телекоммуникационную антенну. [115]
EXPOSE — многопользовательская установка, установленная в 2008 году за пределами Международной космической станции, предназначенная для астробиологии. [116] [117] EXPOSE была разработана Европейским космическим агентством (ЕКА) для длительных космических полетов , которые позволяют подвергать органические химикаты и биологические образцы воздействию космического пространства на низкой околоземной орбите . [118]
Миссия Mars Science Laboratory (MSL) высадила марсоход Curiosity , который в настоящее время работает на Марсе . [119] Он был запущен 26 ноября 2011 года и приземлился в кратере Гейла 6 августа 2012 года. Цели миссии — помочь оценить пригодность Марса для жизни и, таким образом, определить, может ли Марс поддерживать жизнь или могла ли она когда-либо поддерживаться , [120] собрать данные для будущей миссии с участием человека , изучить геологию Марса, его климат и дополнительно оценить роль, которую вода , необходимый ингредиент для жизни, какой мы ее знаем, играла в формировании минералов на Марсе.
Миссия Tanpopo — это орбитальный астробиологический эксперимент, исследующий потенциальный межпланетный перенос жизни, органических соединений и возможных земных частиц на низкой околоземной орбите. Целью является оценка гипотезы панспермии и возможности естественного межпланетного переноса микробной жизни, а также пребиотических органических соединений. Ранние результаты миссии показывают, что некоторые скопления микроорганизмов могут выживать в космосе по крайней мере один год. [121] Это может подтверждать идею о том, что скопления микроорганизмов размером более 0,5 миллиметра могут быть одним из способов распространения жизни с планеты на планету. [121]
ExoMars — это роботизированная миссия на Марс для поиска возможных биосигнатур марсианской жизни , прошлой или настоящей. Эта астробиологическая миссия в настоящее время разрабатывается Европейским космическим агентством (ESA) в партнерстве с Российским федеральным космическим агентством (Роскосмос); ее запуск запланирован на 2022 год. [122] [123] [124]
Mars 2020 успешно посадил свой марсоход Perseverance в кратере Джезеро 18 февраля 2021 года. Он будет исследовать среды на Марсе, имеющие отношение к астробиологии, исследовать его поверхностные геологические процессы и историю, включая оценку его прошлой обитаемости и потенциала сохранения биосигнатур и биомолекул в доступных геологических материалах. [125] Команда по определению науки предлагает марсоходу собрать и упаковать по крайней мере 31 образец кернов горных пород и почвы для более поздней миссии, чтобы вернуть для более точного анализа в лабораториях на Земле. Марсоход мог бы проводить измерения и демонстрации технологий, чтобы помочь проектировщикам человеческой экспедиции понять любые опасности, создаваемые марсианской пылью, и продемонстрировать, как собирать углекислый газ (CO 2 ), который может быть ресурсом для производства молекулярного кислорода (O 2 ) и ракетного топлива . [126] [127]
Europa Clipper — это миссия, запуск которой запланирован НАСА на 2025 год. В ходе миссии будет проведена детальная разведкаспутника Юпитера Европы и будет изучено, могут ли его внутренние океаны содержать условия, пригодные для жизни. [128] [129] Она также поможет в выборе будущих мест посадки . [130] [131]
Dragonfly — это миссия NASA, которая должна приземлиться на Титане в 2036 году для оценки его микробной обитаемости и изучения его пребиотической химии. Dragonfly — это винтокрылый посадочный модуль, который будет выполнять контролируемые полеты между несколькими точками на поверхности, что позволит производить отбор проб из различных регионов и геологических контекстов. [132]
Icebreaker Life — это миссия спускаемого аппарата, которая была предложена для программы NASA Discovery для возможности запуска в 2021 году, [133] но она не была выбрана для разработки. Она должна была иметь стационарный спускаемый аппарат, который был бы почти копией успешного Phoenix 2008 года , и он мог бы нести модернизированную научную полезную нагрузку по астробиологии, включая 1-метровый керновый бур для взятия образцов сцементированного льдом грунта на северных равнинах для проведения поиска органических молекул и доказательств текущей или прошлой жизни на Марсе . [134] [135] Одной из ключевых целей миссии Icebreaker Life является проверка гипотезы о том, что богатый льдом грунт в полярных регионах имеет значительную концентрацию органики из-за защиты льдом от окислителей и радиации .
Путешествие на Энцелад и Титан ( JET ) — это концепция астробиологической миссии по оценкепотенциала обитаемости спутников Сатурна Энцелада и Титана с помощью орбитального аппарата. [136] [137] [138]
Enceladus Life Finder ( ELF ) — это предлагаемая концепция астробиологической миссии космического зонда, предназначенного для оценки обитаемости внутреннего водного океана Энцелада,шестого по величине спутника Сатурна . [139] [140]
Исследование жизни на Энцеладе ( LIFE ) — это предлагаемая концепция миссии по возврату образцов астробиологии. Космический корабль выйдет на орбиту Сатурна и позволит совершить несколько пролетов через ледяные шлейфы Энцелада, чтобы собрать частицы ледяного шлейфа и летучие вещества и вернуть их на Землю на капсуле. Космический корабль может взять образцы шлейфов Энцелада, кольца E Сатурна и верхней атмосферы Титана . [141] [142] [143]
Oceanus — орбитальный аппарат, предложенный в 2017 году для миссии New Frontiers № 4. Он отправится на спутник Сатурна , Титан , чтобы оценить его обитаемость . [144] Цели Oceanus — раскрыть органическую химию Титана , геологию, гравитацию, топографию, собрать данные трехмерной разведки, каталогизировать органику и определить, где она может взаимодействовать с жидкой водой. [145]
Explorer of Enceladus and Titan ( E 2 T ) — концепция миссии орбитального аппарата, которая будет исследовать эволюцию и обитаемость спутников Сатурна Энцелада и Титана . Концепция миссии была предложена в 2017 году Европейским космическим агентством . [146]
{{cite web}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite web}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite web}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite news}}
: CS1 maint: unfit URL (link)