De som bor på jorden idag kanske är avsedda att ta reda på svaret på en av de äldsta frågorna som är intressanta för mänskligheten: är vi ensamma i universum?
Så snart en terrängrobot som låser sig på undervattenssidan av en isflak på en av sjöarna i Alaska får en signal från NASA: s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien, blinkar en strålkastare på den. "Det fungerade!" - utbryter ingenjör John Leicty, kramad i ett tält på isen. Förmodligen kan denna händelse inte kallas ett stort steg inom teknik, men som det första steget på vägen för att utforska en avlägsen satellit från en annan planet kommer den att göra.
Mer än sju tusen kilometer söderut i Mexiko vandrar geomikrobiologen Penelope Boston knådjup i vatten genom en grottas ogenomträngliga mörker. Liksom andra forskare i sin grupp drog Boston en kraftfull andningsapparat och drog en burk luft för att inte förgiftas av vätesulfid och kolmonoxid, som sipprar in i grottorna, och den underjordiska strömmen som tvättar hennes stövlar bär svavelsyra. Plötsligt lyser en Boston-ficklampstråle en långsträckt droppe av tjock genomskinlig vätska som sipprar från grottans porösa kalkstenvägg. "Är det inte härligt?" Utropar hon.
Kanske, i en frusen arktisk sjö och en tropisk grotta fylld med giftiga ångor, kommer det att vara möjligt att hitta ledtrådar som hjälper till att svara på en av de mest otrevliga och forntida frågorna på jorden: finns det liv på Mars? (Tja, eller åtminstone någonstans utanför vår planet?) Livet för andra världar, vare sig det är i vårt solsystem eller nära andra stjärnor, kan väl luras under isen som täcker hela oceaner, som på Europa, Jupiters måne eller i tätt tillsluten och gasfyllda grottor, av vilka det förmodligen finns många på Mars. Om du lär dig att identifiera och identifiera livsformer som trivs under liknande förhållanden på jorden blir det lättare att hitta något liknande utanför det.
Det är svårt att säga vid vilken tidpunkt sökandet efter livet bland stjärnorna förvandlades från science fiction till science, men en av de viktigaste händelserna var forskarmötet i november 1961. Det organiserades av Frank Drake, en ung radioastronom, angelägen om idén att hitta radiovågor av främmande ursprung.
"Då", påminner Drake, nu 84, "var sökandet efter utomjordisk intelligens [i Sök efter utomjordisk intelligens - SETI] ett slags tabu." Men med stöd av chefen för hans laboratorium samlade Frank flera astronomer, kemister, biologer och ingenjörer för att diskutera de frågor som astrobiologi - vetenskapen om utomjordiskt liv - behandlar idag.
Drake ville att hans kollegor skulle ge honom råd om hur smart det skulle vara att ägna avsevärd radioteleskoptid åt att lyssna på radiosändningar från utomjordingar och vilket sätt att hitta utomjordiskt liv kan vara det mest lovande. Han var också intresserad av hur många civilisationer vår galax, Vintergatan, kan ha, och innan gästerna anlände skrev Frank en ekvation på tavlan.
Kampanjvideo:
Den nu berömda Drake-ekvationen bestämmer antalet civilisationer som vi kan upptäcka, baserat på stjärnhastigheten för stjärnorna i Vintergatan, multiplicerat med fraktionen stjärnor med planeter, sedan med det genomsnittliga antalet planeter med lämpliga livsvillkor i ett stjärnsystem (planeterna måste vara i storlek ungefär lika stor som jordens storlek och vara i sin stjärnas beboeliga zon), sedan till andelen av planeterna där liv skulle kunna uppstå, och till andelen av dem där sinnet kunde framträda, och slutligen till andelen av dem där de intelligenta livsformerna kan uppnå av en sådan utvecklingsnivå för att sända igenkännliga radiosignaler, och under den genomsnittliga tid under vilken sådana civilisationer fortsätter att skicka dem eller till och med existerar.
Om sådana samhällen är benägna att förstöra sig själva i ett kärnvapenkrig bara några decennier efter radioens uppfinning, kommer deras antal troligen att vara mycket litet vid varje given tidpunkt.
Ekvationen är stor, förutom en inkonsekvens. Ingen hade ens en vag uppfattning om vad alla dessa fraktioner och siffror var lika med, förutom den allra första variabeln, bildningshastigheten för stjärnor som liknar solen. Allt annat var rent gissning. Naturligtvis, om forskare som letade efter liv i rymden kunde upptäcka en utomjordisk radiosignal skulle alla dessa antaganden förlora sin mening. Men i avsaknad av sådana, var specialister i alla variabler i Drake-ekvationen tvungna att hitta sina exakta värden - för att ta reda på hur ofta stjärnor av soltyp har planeter. Tja, eller avslöja hemligheten med livets ursprung på jorden …
En tredjedel av ett sekel gick innan till och med ungefärliga värden kunde ersättas med ekvationen. 1995 upptäckte Michel Mayor och Didier Kelo vid Genèves universitet den första planeten i ett annat solsystem. Denna planet - 51 Pegasi b, 50 ljusår långt ifrån oss, är en enorm gasformig boll ungefär hälften så stor som Jupiter; dess bana är så nära stjärnan att året på den bara varar fyra dagar, och temperaturen vid ytan överstiger tusen grader Celsius.
Ingen trodde ens att livet skulle kunna uppstå under sådana helvete. Men upptäckten av till och med en enda exoplanet var redan en stor framgång. Tidigt nästa år hittade ett lag som leddes av Jeffrey Marcy, sedan vid University of San Francisco och nu i Berkeley, en andra exoplanet och sedan en tredje, och dammen sprängde. Idag känner astronomer nästan två tusen av de mest olika exoplaneterna - båda större än Jupiter och mindre än jorden; flera tusen fler (de flesta upptäcktes med det extremt känsliga rymdteleskopet Kepler) väntar på att upptäckten ska bekräftas.
Ingen av de avlägsna planeterna är en exakt kopia av jorden, men forskare tvivlar inte på att detta kommer att hittas inom en snar framtid. Baserat på data från flera större planeter har astronomer beräknat att mer än en femtedel av stjärnorna av soltyp har beboeliga, jordliknande planeter. Det finns en statistisk sannolikhet att det närmaste av dem ligger 12 ljusår bort - enligt kosmiska standarder, på en närliggande gata.
Detta är uppmuntrande. Men de senaste åren har bebodda världsjägare insett att det inte alls är nödvändigt att begränsa deras sökningar till stjärnor som liknar solen.”När jag gick i skolan”, påminner David Charbonneau, en astronom vid Harvard,”fick vi veta att jorden kretsar kring den vanligaste, genomsnittliga stjärnan. Men det är inte så. Faktum är att 70 till 80 procent av stjärnorna i Vintergatan är små, relativt svala, svaga, rödaktiga kroppar - röda och bruna dvärgar.
Om en markplanet kretsade runt en sådan dvärg på rätt avstånd (närmare stjärnan än jorden, för att inte frysa över), kunde förutsättningarna för uppkomst och utveckling av liv utvecklas på den. Dessutom behöver en planet inte vara lika stor som jorden för att vara beboelig. "Om du är intresserad av min åsikt", säger Dimitar Sasselov, en annan Harvard-astronom, "är vilken massa som helst mellan en och fem jordar ideal." Det verkar som om mångfalden av beboeliga stjärnsystem är mycket rikare än Frank Drake och hans konferensdeltagare kunde ha antagit 1961.
Och det är inte allt: det visar sig att temperaturskillnaden och mångfalden av kemiska miljöer där extremofila organismer (bokstavligen "älskare av extrema förhållanden") kan trivas också är större än vad man kunde ha föreställt sig för ett halvt sekel sedan. På 1970-talet upptäckte oceanografer, inklusive Robert Ballard, sponsrade av National Geographic Society, super heta källor på havsbotten - svarta rökare, nära vilka det finns rika bakteriesamhällen.
Mikrober som matar på vätesulfid och andra kemiska föreningar tjänar i sin tur som mat för mer komplexa organismer. Dessutom har forskare hittat livsformer som trivs i gejsrar på land, i isiga sjöar gömda under ett lager av Antarktis som är hundratals meter tjocka, under förhållanden med hög syra, alkalinitet eller radioaktivitet, i saltkristaller och till och med i bergmikrosprickor djupt i jordens tarmar. … "På vår planet är det invånare i smala nischer", säger Lisa Kaltenegger, som arbetar deltid vid Harvard och Max Planck Astronomical Institute i Heidelberg, Tyskland. "Det är dock lätt att föreställa sig att de på andra planeter kan råda."
Den enda faktorn, utan vilken, enligt biologer, livet som vi vet att det inte kan existera är flytande vatten - ett kraftfullt lösningsmedel som kan leverera näringsämnen till alla delar av kroppen. När det gäller vårt solsystem, efter expeditionen av den interplanetära stationen Mariner 9 till Mars 1971, vet vi att det en gång i tiden strömmade vattenströmmar längs den röda planetens yta. Kanske fanns det också liv där, åtminstone mikroorganismer - och det är möjligt att en del av dem kan överleva i ett flytande medium under planetens yta.
På den relativt unga isytan i Europa, Jupiters måne, är sprickor synliga, vilket indikerar att havet krusar under isen. På ett avstånd av cirka 800 miljoner kilometer från solen bör vattnet frysa, men i Europa, under påverkan av Jupiter och flera av dess andra satelliter, uppstår ständigt tidvattenfenomen på grund av vilken värme frigörs och vattnet under isskiktet förblir flytande. I teorin kan det finnas liv också där.
År 2005 upptäckte NASA: s interplanetära rymdskepp Cassini vattengejser på ytan av Enceladus, en annan Jupitermån; forskning utförd av Cassini i april i år bekräftade förekomsten av underjordiska vattenkällor på denna måne. Men forskare vet ännu inte hur mycket vatten som döljs av Enceladus-arket, inte heller hur länge vattnet är i flytande tillstånd för att fungera som livets vagga. Titan, Saturnus största måne, har floder och sjöar och det regnar. Men detta är inte vatten utan flytande kolväten som metan och etan. Kanske finns det liv där, men det är väldigt svårt att föreställa sig vad det är.
Mars är mycket mer som jorden och mycket närmare den än alla dessa avlägsna satelliter. Och från varje nytt härkomstfordon förväntar vi oss nyheter om upptäckten av livet där. Och nu utforskar NASAs Curiosity Rover Gale Crater, där en enorm sjö befann sig för miljarder år sedan, under vilka förhållanden att bedöma sedimentens kemiska sammansättning var gynnsamma för förekomsten av mikrober.
Naturligtvis är en grotta i Mexiko inte Mars, och en sjö i norra Alaska är inte Europa. Men det var sökandet efter utomjordiskt liv som ledde NASAs astrobiolog Kevin Hand och medlemmar i hans team, inklusive John Lakety, till Lake Sukok i Alaska. Och det är för detta som Penelope Boston och hennes kollegor upprepade gånger klättrar in i den giftiga Cueva de Villa Luz i närheten av den mexikanska staden Tapihulapa.
Astrobiolog Kevin Hand förbereder sig för att lansera en robot under isen av sjön Sukok i Alaska.
Och där och där testar forskare ny teknik för att hitta liv under förhållanden som åtminstone delvis liknar dem där rymdprober kan befinna sig. I synnerhet letar de efter "spår av liv" - geologiska eller kemiska tecken som indikerar dess närvaro, nu eller tidigare.
Ta till exempel en mexikansk grotta. Orbiters har fått information om att det finns håligheter på Mars. Vad händer om mikroorganismer överlevde där, efter att planeten förlorat sin atmosfär och vatten på ytan för ungefär tre miljarder år sedan? Invånarna i marsgrottorna måste hitta en annan energikälla än solljus - precis som slimmedroppen som glädde Boston. Forskare hänvisar till dessa oattraktiva ränder som snotiter i analogi med stalaktiter. [På ryska kan denna term låta som "snotig". - Ungefär. översättare.] Det finns tusentals av dem i grottan, från en centimeter till en halv meter långa, och de ser oattraktiva ut. I själva verket är detta en biofilm - en gemenskap av mikrober som bildar en viskös, viskös bubbla.
"Mikroorganismerna som skapar snotiter är kemotrofer", förklarar Boston. "De oxiderar vätesulfid, den enda energikällan som är tillgänglig för dem, och de släpper ut detta slem." Snotiter är bara en av de lokala samhällena av mikroorganismer. Boston, forskare vid New Mexico Institute of Mining and Technology och National Caves and Karst Research Institute, säger:”Det finns ungefär ett dussin sådana samhällen i grottan. Var och en har ett mycket distinkt utseende. Var och en är inbyggd i ett annat näringssystem. " En av dessa samhällen är särskilt intressant: den bildar inte droppar eller bubblor utan täcker grottans väggar med mönster av fläckar och linjer, som liknar hieroglyfer.
Astrobiologer kallade dessa mönster för biovermer, från ordet "vermicule" - en prydnad gjord av lockar. Det visar sig att sådana mönster "drar" inte bara mikroorganismer som lever i grottornas valv. "Spår som dessa förekommer på många olika ställen där näring är knappt", säger Keith Schubert, ingenjör och bildspecialist vid Baylor University som reste till Cueva de Villa Luz för att sätta upp kameror för långvarig övervakning i grottan. … - Rötterna till gräs och träd skapar också biovermer i torra regioner; detsamma händer under bildandet av ökenjord under påverkan av bakteriesamhällen, liksom lavar."
Idag är de spår av livet som astrobiologer letar efter främst gaser, såsom syre, som levande organismer på jorden avger. Syresamhällen kan dock vara bara en av de många livsformerna. "För mig", säger Penelope Boston, "är bioverver intressanta för att dessa mönster, trots deras olika omfattning och manifestation, är mycket lika överallt."
Boston och Schubert tror att framväxten av biovermer, som är konditionerade av enkla utvecklingsregler och kampen för resurser, kan tjäna som en indikator på livet som är karakteristiskt för hela universum. Dessutom kvarstår bioverver även efter att de mikrobiella samhällena själva har dött. "Om roveren hittar något liknande i valven i en marsgrotta," sade Schubert, "är det omedelbart klart vad man ska fokusera på."
Skakande forskare och ingenjörer arbetar vid Sukok-sjön med ett liknande syfte. Ett av de undersökta områdena i sjön ligger bredvid ett läger med tre små tält, som de kallade "NASAville", det andra - med ett enda tält - ligger cirka en kilometer bort. Eftersom bubblorna av metan som släpps ut längst ner i sjön stör vattnet, bildas polynyor på det, och för att komma från ett läger till ett annat med snöskoter måste du ta en rondellväg - annars faller du inte länge genom isen.
Det var tack vare metan 2009 som forskare först uppmärksammade Sukok och andra närliggande sjöar i Alaska. Denna gas frigörs av metanbildande bakterier som bryter ner organiskt material och tjänar således som ett av de livstecken som astrobiologer kan upptäcka. Emellertid frigörs metan, till exempel under vulkanutbrott, som bildas naturligt i atmosfären hos jätteplaneter som Jupiter, liksom i atmosfären på Saturnusmånen Titan. Därför är det viktigt för forskare att skilja metan från biologiska källor från metan från icke-biologiska källor. Om forskningsämnet är täckt av Europa, precis som Kevin Hand, är sjön Sukok långt ifrån det värsta stället att förbereda sig på.
Hand, innehavare av National Geographic Grant for Young Explorers, gynnar Europa framför Mars av en anledning.”Antag,” säger han, “vi åker till Mars och hittar levande organismer under dess yta, och de har DNA, som på jorden. Detta kan betyda att DNA är en universell molekyl i livet, och detta är mycket troligt. Men det kan också betyda att livet på jorden och på Mars har ett gemensamt ursprung."
Det är säkert känt att stenfragment som slogs ut från Mars yta genom asteroidpåverkan nådde jorden och föll i form av meteoriter. Förmodligen, och fragment av markbundna stenar nådde Mars. Om det fanns levande mikroorganismer inuti dessa rymdvandrare som kunde överleva resan, skulle de föda liv på planeten där de "landade". "Om det visar sig att Mars liv är baserat på DNA", säger Hand, "blir det svårt för oss att avgöra om det uppstod oberoende av jorden." Här ligger Europa mycket längre från oss. Om liv finns där kommer det att indikera dess oberoende ursprung - även med DNA.
Europa har utan tvekan förutsättningar för livet: mycket vatten, och det kan finnas varma källor på havsbotten som kan förse mikronäringsämnen. Kometer faller ibland på Europa, som innehåller organiskt material, vilket också bidrar till livets utveckling. Därför verkar idén om en expedition till Jupiters måne väldigt attraktiv.
Under det spruckna isarket i Europa, som vi ser i den här bilden från rymdfarkosten Galileo, ligger ett hav där alla nödvändiga förutsättningar för livet finns.
Tyvärr ansågs lanseringen av rymdfarkosten, som US National Research Council uppskattade till 4,7 miljarder dollar, medan den var vetenskapligt motiverad, för dyr. Ett team vid Jet Propulsion Laboratory, ledd av Robert Pappalardo, gick tillbaka till ritningarna och utvecklade ett nytt projekt: Europa Clipper skulle kretsa kring Jupiter snarare än Europa, som skulle använda mindre bränsle och spara pengar; samtidigt kommer det att närma sig Europa 45 gånger så att forskare kan se dess yta och bestämma atmosfärens kemiska sammansättning och indirekt - i havet.
Pappalardo sa att det nya projektet kommer att kosta mindre än 2 miljarder dollar. "Om denna idé godkänns", säger han, "kan vi lansera i början eller mitten av 2020-talet." Atlas V-bärraket kommer att hjälpa till att nå Europa till sex år, och om det nya lanseringssystemet, som NASA för närvarande utvecklar, är involverat på bara 2,7 år.
Vid NASAs Jet Propulsion Laboratory undersöker forskare en sond som liknar vad som snart kommer att kunna tränga igenom isen av Jupiters måne Europa.
Förmodligen kommer Clipper inte att kunna hitta liv i Europa, men det kommer att samla in data för att motivera nästa expedition, redan ett nedstigningsfordon, som tar isprover och studerar dess kemiska sammansättning, som rovers gjorde. Dessutom kommer Clipper att identifiera de bästa landningsplatserna. Nästa steg efter landaren - att skicka en sond till Europa för att studera havet - kan bli mycket svårare: allt beror på tjockleken på isskyddet. Forskare erbjuder också en reserv: att utforska sjön, som kan ligga nära isytan. "När vår nedsänkbara äntligen är född", säger Hand, "blir det Homo sapiens jämfört med Australopithecus som vi testar i Alaska."
Enheten, som kommer att testas vid sjön Sukok, kryper längs undersidan av en 30 centimeter isflak, snuggling mot den, och dess sensorer mäter temperatur, salthalt och surhetsnivåer och andra vattenparametrar. Men han letar inte efter levande organismer direkt - detta är forskarnas uppgift på andra sidan sjön. En av dem är John Priscu från University of Montana, som förra året upptäckte levande bakterier i Lake Willians, som ligger 800 meter under västra Antarktis. Tillsammans med geobiologen Alison Murray från Institute for Desert Research i Reno, Nevada, undersöker Priscu hur kallvattenförhållandena måste vara för att stödja livet och vem som bor där.
Så användbar som studien av extremofiler är för att förstå livets natur utanför vår planet, den ger bara jordiska ledtrådar för att lösa utomjordiska mysterier. Men snart kommer vi att ha andra sätt att hitta de saknade variablerna i Drake-ekvationerna: NASA har planerat start av teleskopets drift - TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite, eller en satellit för att studera passerande exoplaneter, det vill säga de som passerar mot bakgrunden av skivan till sin stjärna) 2017. TESS kommer inte bara att söka efter planeter nära stjärnorna närmast oss utan också identifiera spår av gaser i deras atmosfär, vilket indikerar närvaron av liv. Även om den gamle mannen Hubble tillät upptäckten av moln på superjorden - GJ 1214b.
Fascinationen med sökandet efter spår av liv och extremofiler innebär dock att molekyler av levande saker innehåller kol på alla planeter, och vatten fungerar som ett lösningsmedel. Detta är helt acceptabelt eftersom kol och vatten finns rikligt i hela vår galax. Dessutom vet vi bara inte vilka tecken vi ska leta efter liv utan koldioxid. "Om vi går ut från sådana lokaler i vår sökning, kanske vi inte hittar någonting alls", säger Dimitar Sasselov. "Du måste föreställa dig åtminstone några av de möjliga alternativen och förstå vad du mer måste uppmärksamma när du studerar den främmande atmosfären." Tänk dig till exempel, i stället för kolcykeln som råder på jorden, svavelcykeln …
Bland dessa halvfantastiska projekt är tanken med vilken astrobiologi började för ett halvt sekel sedan helt förlorad. Även om Frank Drake är officiellt pensionerad fortsätter han att söka efter utomjordiska signaler - en sökning som, om han lyckas, kommer att överskugga allt annat. Trots att finansieringen för SETI nästan har upphört är Drake full av entusiasm för ett nytt projekt - att söka efter ljusblixt som utsänds av utomjordiska civilisationer istället för radiosignaler. "Vi måste testa alla alternativ", säger han, "eftersom vi inte har någon aning om vad och hur utomjordingar faktiskt gör."
National Geographic juli 2014