Przeznaczeniem tych, którzy żyją dzisiaj na Ziemi, może być znalezienie odpowiedzi na jedno z najstarszych pytań interesujących ludzkość: czy jesteśmy sami we wszechświecie?
Gdy tylko terenowy robot, przyczepiający się do podwodnej strony kry lodowej na jednym z jezior na Alasce, odbiera sygnał z Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA w Pasadenie w Kalifornii, zaczyna migać reflektor. "Zadziałało!" - woła inżynier John Leicty, skulony w namiocie na lodzie. Prawdopodobnie tego wydarzenia nie można nazwać dużym krokiem technologicznym, ale jako pierwszy krok na ścieżce eksploracji odległego satelity innej planety, będzie to miało miejsce.
Ponad siedem tysięcy kilometrów na południe, w Meksyku, geomikrobiolog Penelope Boston błąka się po kolana w wodzie przez nieprzeniknioną ciemność jaskini. Podobnie jak inni naukowcy z jej grupy, Boston założyła potężny respirator i wyciągnęła puszkę powietrza, aby nie zostać zatrute siarkowodorem i tlenkiem węgla, które przedostają się do grot, a podziemny strumień myjący jej buty niesie kwas siarkowy. Nagle promień bostońskiej latarki oświetla wydłużoną kroplę gęstej, półprzezroczystej cieczy, która wycieka z porowatej wapiennej ściany jaskini. "Czy to nie jest piękne?" Woła.
Być może w zamarzniętym arktycznym jeziorze i tropikalnej jaskini wypełnionej toksycznymi oparami uda się znaleźć wskazówki, które pomogą odpowiedzieć na jedno z najtrudniejszych i najbardziej starożytnych pytań na Ziemi: czy na Marsie jest życie? (Cóż, a przynajmniej gdzieś poza naszą planetą?) Życie innych światów, czy to w naszym Układzie Słonecznym, czy w pobliżu innych gwiazd, może czaić się pod lodem pokrywającym całe oceany, jak na Europie, księżycu Jowisza, lub w szczelnie zamkniętych i wypełnione gazem jaskinie, których prawdopodobnie jest wiele na Marsie. Jeśli nauczysz się rozpoznawać i identyfikować formy życia, które rozwijają się w podobnych warunkach na Ziemi, łatwiej będzie znaleźć coś podobnego poza nią.
Trudno powiedzieć, w którym momencie poszukiwanie życia wśród gwiazd zmieniło się z science fiction w naukę, ale jednym z kluczowych wydarzeń było spotkanie naukowców w listopadzie 1961 roku. Zorganizował je Frank Drake, młody radioastronom, zafascynowany pomysłem znalezienia fal radiowych obcego pochodzenia.
„Wtedy”, wspomina Drake, obecnie 84 lata, „poszukiwania pozaziemskiej inteligencji [w Search for Extraterrestrial Intelligence - SETI] były swego rodzaju tabu”. Jednak przy wsparciu dyrektora swojego laboratorium Frank zebrał kilku astronomów, chemików, biologów i inżynierów, aby omówić problemy, którymi zajmuje się dziś astrobiologia - nauka o życiu pozaziemskim.
Drake chciał, aby jego koledzy doradzili mu, jak mądrze byłoby poświęcić znaczną część czasu radioteleskopu na słuchanie transmisji radiowych od kosmitów i który sposób znajdowania życia pozaziemskiego może być najbardziej obiecujący. Był również zainteresowany tym, ile cywilizacji może mieć nasza galaktyka, Droga Mleczna, i zanim przybyli goście, Frank napisał równanie na tablicy.
Film promocyjny:
To słynne teraz równanie Drake'a określa liczbę cywilizacji, które możemy wykryć, na podstawie szybkości powstawania gwiazd w Drodze Mlecznej pomnożonej przez ułamek gwiazd z planetami, a następnie przez średnią liczbę planet z odpowiednimi warunkami do życia w jednym układzie gwiazdowym (planety muszą mieć rozmiar w przybliżeniu wielkości Ziemi i przebywania w ekosferze jej gwiazdy), następnie - do części planet, na których mogłoby powstać życie, i do części tych z nich, na których mogłaby się pojawić inteligencja, i wreszcie do części tych, na których inteligentne formy życia są w stanie osiągnąć takiego poziomu rozwoju, aby nadawać rozpoznawalne sygnały radiowe i przez średni czas, w którym takie cywilizacje nadal je wysyłają lub nawet istnieją.
Jeśli takie społeczeństwa są skłonne do zniszczenia się w wojnie nuklearnej zaledwie kilka dekad po wynalezieniu radia, to ich liczba będzie prawdopodobnie w danym momencie bardzo mała.
Równanie jest świetne, z wyjątkiem jednej niespójności. Nikt nie miał nawet mglistego pojęcia, czemu te wszystkie ułamki i liczby są równe, z wyjątkiem pierwszej zmiennej, szybkości powstawania gwiazd podobnych do Słońca. Wszystko inne było zgadywaniem. Oczywiście, gdyby naukowcy poszukujący życia w kosmosie byli w stanie wykryć pozaziemski sygnał radiowy, wszystkie te założenia stracą sens. Ale w przypadku braku takich, specjaliści od wszystkich zmiennych równania Drake'a musieli znaleźć ich dokładne wartości - aby dowiedzieć się, jak często gwiazdy typu słonecznego mają planety. Cóż, albo odsłoń tajemnicę powstania życia na Ziemi …
Minęła jedna trzecia wieku, zanim nawet przybliżone wartości mogły zostać podstawione do równania. W 1995 roku Michel Mayor i Didier Kelo z Uniwersytetu Genewskiego odkryli pierwszą planetę w innym układzie gwiazdowym klasy słonecznej. Ta planeta - 51 Pegazów b, oddalona od nas o 50 lat świetlnych, to ogromna gazowa kula wielkości około połowy Jowisza; jej orbita jest tak blisko gwiazdy, że rok na niej trwa tylko cztery dni, a temperatura na powierzchni przekracza tysiąc stopni Celsjusza.
Nikt nawet nie przypuszczał, że życie może powstać w tak piekielnych warunkach. Jednak odkrycie choćby jednej egzoplanety było już wielkim sukcesem. Na początku następnego roku zespół kierowany przez Jeffreya Marcy'ego, wówczas z Uniwersytetu w San Francisco, a teraz z Berkeley, znalazł drugą egzoplanetę, a następnie trzecią i zapora pękła. Dzisiaj astronomowie znają prawie dwa tysiące najbardziej różnych egzoplanet - zarówno większych od Jowisza, jak i mniejszych od Ziemi; kilka tysięcy więcej (większość została odkryta za pomocą ultraczułego teleskopu kosmicznego Kepler) czeka na potwierdzenie odkrycia.
Żadna z odległych planet nie jest dokładną kopią Ziemi, ale naukowcy nie mają wątpliwości, że zostanie ona znaleziona w najbliższej przyszłości. Na podstawie danych z kilku większych planet astronomowie obliczyli, że ponad jedna piąta gwiazd typu słonecznego ma planety podobne do Ziemi, nadające się do zamieszkania. Istnieje statystyczne prawdopodobieństwo, że najbliższy z nich znajduje się 12 lat świetlnych od nas - według kosmicznych standardów na następnej ulicy.
To jest zachęcające. Jednak w ostatnich latach łowcy światów zamieszkałych zdali sobie sprawę, że nie ma potrzeby ograniczać swoich poszukiwań do gwiazd podobnych do Słońca. „Kiedy chodziłem do szkoły” - wspomina David Charbonneau, astronom z Harvardu - „powiedziano nam, że Ziemia kręci się wokół najbardziej zwyczajnej, przeciętnej gwiazdy. Ale tak nie jest. W rzeczywistości 70 do 80 procent gwiazd Drogi Mlecznej to małe, stosunkowo chłodne, słabe, czerwonawe ciała - czerwone i brązowe karły.
Gdyby planeta ziemska obracała się wokół takiego karła w odpowiedniej odległości (bliżej gwiazdy niż Ziemia, żeby nie zamarzać), mogłyby na niej powstać warunki do powstania i rozwoju życia. Co więcej, planeta nie musi mieć rozmiarów Ziemi, aby nadawała się do zamieszkania. „Jeśli interesuje cię moja opinia”, mówi Dimitar Sasselov, inny astronom z Harvardu, „to każda masa od jednej do pięciu Ziem jest idealna”. Wydaje się, że różnorodność nadających się do zamieszkania systemów gwiezdnych jest znacznie bogatsza, niż mogliby przypuszczać Frank Drake i jego uczestnicy konferencji w 1961 roku.
A to nie wszystko: okazuje się, że różnica temperatur i różnorodność środowisk chemicznych, w których mogą rozwijać się organizmy ekstremofilne (dosłownie „miłośnicy ekstremalnych warunków”), są również większe, niż można było sobie wyobrazić pół wieku temu. W latach 70. oceanografowie, w tym sponsorowany przez National Geographic Society Robert Ballard, odkryli na dnie oceanu super gorące źródła - czarnych palaczy, w pobliżu których występują bogate zbiorowiska bakterii.
Drobnoustroje żywiące się siarkowodorem i innymi związkami chemicznymi służą z kolei jako pokarm dla bardziej złożonych organizmów. Ponadto naukowcy odkryli formy życia, które rozwijają się w gejzerach na lądzie, w lodowatych jeziorach ukrytych pod warstwą lodu antarktycznego o grubości setek metrów, w warunkach wysokiej kwasowości, zasadowości lub radioaktywności, w kryształach soli, a nawet w mikropęknięciach skalnych głęboko w trzewiach Ziemi. … „Na naszej planecie są to mieszkańcy wąskich nisz” - mówi Lisa Kaltenegger, która pracuje w niepełnym wymiarze godzin w Harvardzie i Max Planck Astronomical Institute w Heidelbergu w Niemczech. „Jednak łatwo sobie wyobrazić, że na innych planetach mogą zwyciężyć”.
Jedynym czynnikiem, bez którego według biologów życie, jakie znamy, nie może istnieć, jest woda w stanie ciekłym - silny rozpuszczalnik, który może dostarczać składniki odżywcze do wszystkich części ciała. Jeśli chodzi o nasz Układ Słoneczny, po wyprawie międzyplanetarnej stacji Mariner 9 na Marsa w 1971 roku wiemy, że kiedyś po powierzchni czerwonej planety płynęły strumienie wody. Być może istniało tam też życie, przynajmniej mikroorganizmy - i możliwe, że część z nich mogłaby przetrwać w ciekłym ośrodku pod powierzchnią planety.
Na stosunkowo młodej lodowej powierzchni Europy, księżyca Jowisza, widoczne są pęknięcia wskazujące, że ocean faluje pod lodem. W odległości około 800 milionów kilometrów od Słońca woda powinna zamarznąć, ale w Europie pod wpływem Jowisza i kilku innych jego satelitów nieustannie zachodzą zjawiska pływowe, dlatego uwalniane jest ciepło, a woda pod warstwą lodu pozostaje płynna. W teorii życie też może tam istnieć.
W 2005 roku międzyplanetarna sonda kosmiczna Cassini NASA odkryła gejzery wodne na powierzchni Enceladusa, innego księżyca Jowisza; badania Cassini w kwietniu tego roku potwierdziły obecność podziemnych źródeł wody na tym księżycu. Jednak naukowcy nie wiedzą jeszcze, ile wody ukrywa pokrywa lodowa Enceladusa ani jak długo woda pozostaje w stanie ciekłym, aby służyć jako kolebka życia. Tytan, największy księżyc Saturna, ma rzeki i jeziora i pada deszcz. Ale to nie jest woda, ale ciekłe węglowodory, takie jak metan i etan. Być może jest tam życie, ale bardzo trudno sobie wyobrazić, co to jest.
Mars jest znacznie bardziej podobny do Ziemi i bliżej niej niż te wszystkie odległe satelity. A od każdego nowego pojazdu zjeżdżającego oczekujemy wiadomości o odkryciu tam życia. A teraz łazik Curiosity NASA bada krater Gale, w którym miliardy lat temu znajdowało się ogromne jezioro, w warunkach, w których, sądząc po składzie chemicznym osadów, sprzyjały istnieniu drobnoustrojów.
Oczywiście jaskinia w Meksyku to nie Mars, a jezioro na północy Alaski to nie Europa. Ale to poszukiwanie życia pozaziemskiego doprowadziło astrobiologa NASA Kevina Handa i członków jego zespołu, w tym Johna Lakety'ego, do jeziora Sukok na Alasce. I w tym celu Penelope Boston i jej koledzy wielokrotnie wspinają się do trującej Cueva de Villa Luz w pobliżu meksykańskiego miasta Tapihulapa.
Astrobiolog Kevin Hand przygotowuje się do wystrzelenia robota pod lodem jeziora Sukok na Alasce.
I tam, i tam naukowcy testują nowe technologie umożliwiające znajdowanie życia w warunkach przynajmniej częściowo podobnych do tych, w jakich mogą się znaleźć sondy kosmiczne. W szczególności poszukują „śladów życia” - geologicznych lub chemicznych znaków wskazujących na jego obecność obecnie lub w przeszłości.
Weźmy na przykład meksykańską jaskinię. Orbitery uzyskały informację, że na Marsie są jamy. A co by było, gdyby przetrwały tam mikroorganizmy po tym, jak planeta straciła atmosferę i wodę na powierzchni około trzech miliardów lat temu? Mieszkańcy marsjańskich jaskiń musieliby znaleźć źródło energii inne niż światło słoneczne, tak jak kropla szlamu, która zachwyciła Boston. Naukowcy nazywają te nieatrakcyjne smugi snotytami przez analogię do stalaktytów. [W języku rosyjskim ten termin może brzmieć jak „zasmarkany”. - Około. tłumacz.] W jaskini są ich tysiące, długości od centymetra do pół metra i wyglądają nieatrakcyjnie. W rzeczywistości jest to biofilm - społeczność drobnoustrojów, które tworzą lepki, lepki bąbelek.
„Mikroorganizmy, które tworzą snotity, to chemotrofy” - wyjaśnia Boston. „Utleniają siarkowodór, jedyne dostępne im źródło energii, i uwalniają ten śluz”. Snotyci to tylko jedna z lokalnych społeczności mikroorganizmów. Boston, badacz z New Mexico Institute of Mining and Technology oraz National Caves and Karst Research Institute, mówi: „W jaskini jest kilkanaście takich społeczności. Każdy ma bardzo charakterystyczny wygląd. Każdy jest wbudowany w inny system żywieniowy”. Jedna z tych społeczności jest szczególnie interesująca: nie tworzy kropli ani bąbelków, ale pokrywa ściany jaskini wzorami plam i linii, podobnie jak hieroglify.
Astrobiolodzy nazwali te wzory biovermami, od słowa „vermicule” - ornamentem wykonanym z loków. Okazuje się, że takie wzorce „przyciągają” nie tylko mikroorganizmy żyjące w sklepieniach jaskiń. „Takie ślady pojawiają się w wielu różnych miejscach, w których brakuje pożywienia” - mówi Keith Schubert, inżynier i specjalista ds. Systemów obrazowania z Baylor University, który udał się do Cueva de Villa Luz, aby ustawić kamery do długoterminowego monitorowania jaskini. … - Korzenie traw i drzew również tworzą bioverms w suchych regionach; to samo dzieje się, gdy gleby pustynne powstają pod wpływem zbiorowisk bakteryjnych, a także porostów”.
Obecnie ślady życia, których szukają astrobiolodzy, to głównie gazy, takie jak tlen, wydzielane przez żywe organizmy na Ziemi. Jednak społeczności tlenowe mogą być tylko jedną z wielu form życia. „Dla mnie”, mówi Penelope Boston, „biovermy są interesujące, ponieważ pomimo ich różnej skali i charakteru manifestacji, wzorce te są wszędzie bardzo podobne”.
Boston i Schubert uważają, że pojawienie się biowermii, uwarunkowane prostymi zasadami rozwoju i walką o zasoby, może służyć jako wskaźnik życia charakterystycznego dla całego Wszechświata. Ponadto biovermy utrzymują się nawet po śmierci samych zbiorowisk drobnoustrojów. „Jeśli łazik znajdzie coś takiego w podziemiach marsjańskiej jaskini” - powiedział Schubert - „od razu jest jasne, na czym się skupić”.
Drżący naukowcy i inżynierowie pracują nad jeziorem Sukok w podobnym celu. Jeden z badanych obszarów jeziora znajduje się obok obozu trzech małych namiotów, które nazwali „NASAville”, drugi - z jednym namiotem - znajduje się około kilometra dalej. Ponieważ bąbelki metanu uwalniane na dnie jeziora przeszkadzają wodzie, tworzą się na niej polnie, a żeby dostać się z jednego obozu do drugiego skuterem śnieżnym, trzeba jechać okrężną drogą - inaczej nie spadnie się zbyt długo przez lód.
To dzięki metanowi w 2009 roku naukowcy po raz pierwszy zwrócili uwagę na Sukok i inne pobliskie jeziora na Alasce. Gaz ten jest uwalniany przez bakterie wytwarzające metan, rozkładające materię organiczną, a zatem stanowi jedną z oznak życia, które mogą wykryć astrobiolodzy. Jednak metan jest uwalniany np. Podczas erupcji wulkanicznych, powstających naturalnie w atmosferze planet olbrzymów, takich jak Jowisz, a także w atmosferze księżyca Saturna, Tytana. Dlatego ważne jest, aby naukowcy odróżniali metan od źródeł biologicznych od metanu od źródeł niebiologicznych. Jeśli przedmiotem badań jest pokryta lodem Europa, jak Kevin Hand's, to jezioro Sukok nie jest najgorszym miejscem do przygotowania.
Hand, posiadacz stypendium National Geographic dla młodych odkrywców, z jednego powodu przedkłada Europę nad Marsa. „Załóżmy,” mówi, „pojedziemy na Marsa i znajdziemy pod jego powierzchnią żywe organizmy, które mają DNA, jak na Ziemi. Może to oznaczać, że DNA jest uniwersalną cząsteczką życia i jest to bardzo prawdopodobne. Ale może to również oznaczać, że życie na Ziemi i na Marsie ma wspólne pochodzenie”.
Wiadomo na pewno, że fragmenty skał wybite z powierzchni Marsa przez uderzenia asteroid dotarły do Ziemi i spadły w postaci meteorytów. Prawdopodobnie i fragmenty ziemskich skał dotarły na Marsa. Gdyby wewnątrz tych kosmicznych wędrowców znajdowały się żywe mikroorganizmy, które mogłyby przetrwać podróż, zrodziłyby życie na planecie, na której „wylądowali”. „Jeśli okaże się, że życie na Marsie jest oparte na DNA”, mówi Hand, „trudno będzie nam określić, czy powstało niezależnie od Ziemi”. Tutaj Europa znajduje się znacznie dalej od nas. Jeśli znajdzie się tam życie, wskaże swoje niezależne pochodzenie - nawet z DNA.
Europa ma niewątpliwie warunki do życia: dużo wody, a na dnie oceanu mogą znajdować się gorące źródła, które mogą dostarczać mikroelementów. Czasami na Europę spadają komety, które zawierają materię organiczną, która również przyczynia się do rozwoju życia. Dlatego pomysł wyprawy na ten księżyc Jowisza wydaje się bardzo atrakcyjny.
Pod spękaną pokrywą lodową Europy, którą widzimy na tym zdjęciu ze statku kosmicznego Galileo, znajduje się ocean, w którym można znaleźć wszystkie warunki niezbędne do życia.
Niestety, wystrzelenie statku kosmicznego, które amerykańska National Research Council oszacowała na 4,7 miliarda dolarów, zostało uznane, choć naukowo uzasadnione, za zbyt kosztowne. Zespół z Jet Propulsion Laboratory, kierowany przez Roberta Pappalardo, wrócił do planów i opracował nowy projekt: Europa Clipper będzie krążyć wokół Jowisza zamiast Europy, co zużywa mniej paliwa i pozwoli zaoszczędzić pieniądze; jednocześnie zbliży się do Europy 45 razy, aby naukowcy mogli zobaczyć jej powierzchnię i określić skład chemiczny atmosfery, a pośrednio oceanu.
Pappalardo powiedział, że nowy projekt będzie kosztował mniej niż 2 miliardy dolarów. „Jeśli ten pomysł zostanie zaakceptowany”, mówi, „moglibyśmy wystartować na początku lub w połowie lat 20.”. Rakieta Atlas V pomoże dotrzeć do Europy w ciągu sześciu lat, a jeśli w grę wchodzi nowy system startowy, który obecnie opracowuje NASA, zajmie to zaledwie 2,7 roku.
W Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA naukowcy badają sondę podobną do tej, która wkrótce będzie w stanie penetrować lód księżyca Jowisza, Europa.
Prawdopodobnie Clipper nie będzie w stanie znaleźć życia na Europie, ale zbierze dane uzasadniające następną wyprawę, już zjeżdżającym pojazdem, który będzie pobierał próbki lodu i badał jego skład chemiczny, podobnie jak łaziki. Ponadto Clipper wskaże najlepsze miejsca lądowania. Następny krok po lądowniku - wysłanie sondy na Europę w celu zbadania oceanu - może być znacznie trudniejszy: wszystko będzie zależało od grubości pokrywy lodowej. Naukowcy proponują również rozwiązanie awaryjne: zbadanie jeziora, które może znajdować się blisko powierzchni lodu. „Kiedy wreszcie narodzi się nasz okręt podwodny”, mówi Hand, „będzie to Homo sapiens w porównaniu z Australopitekiem, którego testujemy na Alasce”.
Urządzenie, które będzie testowane na jeziorze Sukok, czołga się po spodniej stronie 30-centymetrowej kry lodowej, przytulając się do niej, a jego czujniki mierzą temperaturę, zasolenie i kwasowość oraz inne parametry wody. Nie szuka jednak bezpośrednio organizmów żywych - to zadanie naukowców pracujących po drugiej stronie jeziora. Jednym z nich jest John Priscu z University of Montana, który w zeszłym roku odkrył żywe bakterie w jeziorze Willians, 800 metrów poniżej pokrywy lodowej Antarktydy Zachodniej. Wraz z geobiologiem Alison Murray z Institute for Desert Research w Reno w stanie Nevada, Prisu zastanawia się, jakie muszą być warunki zimnej wody, aby wspierać życie, i kto tam mieszka.
Badania nad ekstremofilami są przydatne do zrozumienia natury życia poza naszą planetą, ale dostarczają jedynie ziemskich wskazówek pozwalających rozwikłać pozaziemskie tajemnice. Wkrótce jednak będziemy mieć inne sposoby na znalezienie brakujących zmiennych równań Drake'a: NASA zaplanowała na 2017 rok start teleskopu - TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite, czyli satelita do badania mijających egzoplanet, czyli tych, które przechodzą na tle dysku swojej gwiazdy). TESS będzie nie tylko szukać planet w pobliżu najbliższych nam gwiazd, ale także identyfikować ślady gazów w ich atmosferze, wskazujące na obecność życia. Chociaż stary człowiek Hubble pozwolił na odkrycie chmur na superziemi - GJ 1214b.
Jednak fascynacja poszukiwaniem śladów życia i ekstremofilów sugeruje, że na wszystkich planetach cząsteczki żywych istot zawierają węgiel, a rozpuszczalnikiem jest woda. Jest to całkowicie akceptowalne, ponieważ w naszej galaktyce występuje dużo węgla i wody. Poza tym po prostu nie wiemy, jakie oznaki szukać życia bez węgla. „Jeśli w naszych poszukiwaniach zaczniemy wychodzić z takich przesłanek, możemy w ogóle nic nie znaleźć” - mówi Dimitar Sasselov. „Musisz wyobrazić sobie przynajmniej niektóre z możliwych alternatyw i zrozumieć, na co jeszcze musisz zwrócić uwagę, badając obcą atmosferę”. Wyobraź sobie, na przykład, zamiast obiegu węgla panującego na Ziemi, cykl siarki …
Wśród tych na wpół fantastycznych projektów idea, z jaką astrobiologia zaczęła się pół wieku temu, jest całkowicie zagubiona. Frank Drake, choć oficjalnie przeszedł na emeryturę, nadal szuka sygnałów pozaziemskich - poszukiwań, które, jeśli mu się uda, przyćmią wszystko inne. Pomimo tego, że finansowanie SETI prawie się skończyło, Drake jest entuzjastycznie nastawiony do nowego projektu - szukania błysków światła emitowanych przez pozaziemskie cywilizacje zamiast sygnałów radiowych. „Musimy wypróbować wszystkie opcje”, mówi, „ponieważ nie mamy pojęcia, co i jak naprawdę robią kosmici”.
National Geographic, lipiec 2014