I sin sökning efter utomjordisk intelligens anklagas forskare ofta för "kolchauvinism" eftersom de förväntar sig att andra livsformer i universum består av samma biokemiska byggstenar som vi gör och skräddarsyr deras sökningar i enlighet med detta. Men livet kan mycket väl vara annorlunda - och människor funderar på det - så låt oss utforska tio möjliga biologiska och icke-biologiska system som vidgar definitionen av "liv".
Och efter att ha läst kommer du att säga vilken form som är tveksam för dig, även teoretiskt.
Metanogener
2005 förberedde Heather Smith från International Space University i Strasbourg och Chris McKay från NASA: s Ames Research Center en uppsats som undersökte möjligheten till liv baserat på metan, de så kallade metanogenerna. Sådana livsformer kan konsumera väte, acetylen och etan och andas ut metan istället för koldioxid.
Detta kan göra möjliga beboeliga zoner för livet i kalla världar som Saturnusmånen Titan. Precis som jorden är Titans atmosfär mest kväve men blandad med metan. Titan är också den enda platsen i vårt solsystem, förutom jorden, där det finns stora flytande vattenkroppar - sjöar och floder med en blandning av etan och metan. (Underjordiska vattendrag finns också på Titan, dess systermånen Enceladus och Jupiters måne Europa.) Vätska anses vara nödvändig för molekylära interaktioner i organiskt liv, och naturligtvis kommer fokus att vara på vatten, men etan och metan tillåter också sådana interaktioner.
NASA och ESA: s Cassini-Huygens-uppdrag 2004 observerade en smutsig värld med temperaturer på -179 grader Celsius, där vattnet var stenhårt och metan flöt genom floddalar och bassänger in i polära sjöar. År 2015 utvecklade ett team av kemitekniker och astronomer vid Cornell University ett teoretiskt cellmembran av små organiska kväveföreningar som kunde fungera i Titans flytande metan. De kallade sin teoretiska cell för "kväveosom", som bokstavligen betyder "kvävehaltig kropp", och den hade samma stabilitet och flexibilitet som jordens liposom. Den mest intressanta molekylära föreningen var akrylnitrilazotosomen. Akrylnitril, en färglös och giftig organisk molekyl, används för akrylfärger, gummi och termoplaster på jorden. det hittades också i atmosfären i Titan.
Kampanjvideo:
Konsekvenserna av dessa experiment för sökandet efter utomjordiskt liv är svåra att överskatta. Livet kan inte bara potentiellt utvecklas på Titan, utan det kan också detekteras med väte-, acetylen- och etanspår på ytan. Metandominerade planeter och månar kanske inte bara finns runt solliknande stjärnor utan också runt röda dvärgar i den bredare Goldilocks-zonen. Om NASA lanserar Titan Mare Explorer 2016 kommer vi att ha detaljerad information om den möjliga livstiden för kväve 2023.
Kiselbaserat liv
Kiselbaserat liv är kanske den vanligaste formen av alternativ biokemi, älskad av populärvetenskap och fiktion - kom ihåg Horta från Star Trek. Denna idé är långt ifrån ny, dess rötter går tillbaka till reflektionerna från H. G. Wells 1894:”Vilken fantastisk fantasi kunde spelas ut från ett sådant antagande: föreställ dig kisel-aluminium-organismer - eller kanske kisel-aluminium-människor på en gång? - som reser genom en atmosfär av gasformigt svavel, låt oss säga, på hav av flytande järn med en temperatur på flera tusen grader eller något liknande, strax ovanför en masugns temperatur.
Kisel är fortfarande populärt just för att det liknar mycket kol och kan bilda fyra bindningar, som kol, vilket öppnar upp möjligheten att skapa ett biokemiskt system helt beroende av kisel. Det är det vanligaste elementet i jordskorpan, förutom syre. Det finns alger på jorden som införlivar kisel i deras tillväxtprocess. Kisel spelar en andra roll efter kol, eftersom det kan bilda mer stabila och olika komplexa strukturer som är nödvändiga för livet. Kolmolekyler inkluderar syre och kväve, som bildar otroligt starka bindningar. Tyvärr tenderar kiselbaserade komplexa molekyler att sönderdelas. Dessutom är kol extremt rikligt i universum och har funnits i miljarder år.
Det är osannolikt att kiselbaserat liv kommer fram i en jordliknande miljö, eftersom det mesta av det fria kislet kommer att fångas i vulkaniska och magmatiska bergarter av silikatmaterial. Man tror att i en högtemperaturmiljö kan allt vara annorlunda, men inga bevis har hittats ännu. En extrem värld som Titan kan stödja kiselbaserat liv, eventuellt i kombination med metanogener, eftersom kiselmolekyler som silaner och polysilaner kan efterlikna jordens organiska kemi. Titans yta domineras emellertid av kol, medan det mesta av kislet ligger djupt under ytan.
NASA-astrokemisten Max Bernstein föreslog att kiselbaserat liv skulle kunna existera på en mycket het planet, med en atmosfär rik på väte och syrefattig, vilket möjliggör komplex silankemi med kiselomvända bindningar att hända med selen eller tellur, men detta är enligt Bernstein osannolikt. På jorden skulle sådana organismer föröka sig mycket långsamt och vår biokemi skulle inte störa varandra på något sätt. De kunde emellertid långsamt äta upp våra städer, men "en jackhammer kunde appliceras på dem."
Andra biokemiska alternativ
I grund och botten har det funnits en hel del förslag på livssystem baserade på något annat än kol. Liksom kol och kisel tenderar bor också att bilda starka kovalenta molekylära bindningar och bildar olika strukturella hydridvarianter där boratomer är länkade av vätebroar. Som kol kan bor bindas med kväve för att bilda föreningar med kemiska och fysikaliska egenskaper som liknar alkaner, de enklaste organiska föreningarna. Det största problemet med borbaserat liv är att det är ett ganska sällsynt element. Borbaserat liv är bäst lämpligt i en miljö som är tillräckligt kall för flytande ammoniak, då kommer kemiska reaktioner att kontrolleras mer.
En annan möjlig livsform som har fått viss uppmärksamhet är arsenikbaserat liv. Allt liv på jorden består av kol, väte, syre, fosfor och svavel, men 2010 meddelade NASA att man hade hittat bakterierna GFAJ-1, som skulle kunna införliva arsenik istället för fosfor i cellstrukturen utan några konsekvenser för sig själv. GFAJ-1 bor i det arsenikrika vattnet i Mono-sjön i Kalifornien. Arsenik är giftigt för alla levande varelser på planeten, med undantag för några mikroorganismer som normalt bär det eller andas det. GFAJ-1 är första gången kroppen har införlivat detta element som en biologisk byggsten. Oberoende experter utspädde detta påstående lite när de inte hittade några bevis för att arsenik ingår i DNA eller till och med några arsenat. Icke desto mindre har intresset blossat upp för möjlig biokemi baserad på arsenik.
Ammoniak har också lagts fram som ett möjligt alternativ till vatten för att bygga livsformer. Forskare har antagit att det finns en biokemi baserad på kväve-väteföreningar som använder ammoniak som lösningsmedel. den kan användas för att skapa proteiner, nukleinsyror och polypeptider. Varje ammoniakbaserad livslängd måste existera vid låga temperaturer vid vilka ammoniak får flytande form. Fast ammoniak är tätare än flytande ammoniak, så det finns inget sätt att förhindra att det fryser när det blir kallt. För encelliga organismer skulle detta inte vara ett problem, men det skulle orsaka kaos för flercelliga organismer. Ändå finns det en möjlighet att det finns encellulära ammoniakorganismer på de kallare planeterna i solsystemet, liksom på gasjättar som Jupiter.
Svavel tros vara grunden för början av ämnesomsättningen på jorden, och kända organismer som metaboliserar svavel istället för syre finns under extrema förhållanden på jorden. Kanske i en annan värld kan svavelbaserade livsformer få en evolutionär fördel. Vissa tror att kväve och fosfor också kan ta plats för kol under ganska specifika förhållanden.
Memetiskt liv
Richard Dawkins tror att livets grundprincip låter så här: "Allt liv utvecklas tack vare reproducerande varelsers mekanismer för överlevnad." Livet ska kunna reproducera sig (med vissa antaganden) och vara i en miljö där naturligt urval och evolution kommer att vara möjligt. I sin bok The Selfish Gene noterade Dawkins att begrepp och idéer genereras i hjärnan och sprids bland människor genom kommunikation. På många sätt liknar detta beteende och anpassning av gener, varför han kallar dem "memes". Vissa människor jämför mänskliga samhällets sånger, skämt och ritualer med de första stadierna i det organiska livet - fria radikaler som flyter i de forntida haven på jorden. Sinnets skapelser reproducerar, utvecklas och kämpar för att överleva inom idéernas område.
Liknande memes fanns före mänskligheten, i fåglarnas sociala samtal och primaters inlärda beteende. När mänskligheten blev i stånd att tänka abstrakt utvecklades memes vidare, som styr stamförhållanden och bildade grunden för de första traditionerna, kulturen och religionen. Uppfinningen med att skriva skrev ytterligare på utvecklingen av memes, eftersom de kunde sprida sig i rum och tid och överföra memetisk information på ett liknande sätt som gener överför biologisk information. För vissa är detta en ren analogi, men andra tror att memes representerar en unik, om än något rudimentär och begränsad livsform.
Vissa gick ännu längre. Georg van Driem utvecklade teorin om "symbiosism", vilket innebär att språk är livsformer i sig. Gamla språkteorier ansåg att språk var något av en parasit, men van Driem tror att vi lever i samarbete med de memetiska enheter som bor i våra hjärnor. Vi lever i ett symbiotiskt förhållande med språkliga organismer: de kan inte existera utan oss, och utan dem skiljer vi oss inte från apor. Han tror att illusionen om medvetande och fri vilja sprids från interaktionen mellan djurinstinkter, hunger och lust hos en mänsklig bärare och en språklig symbion som återges med hjälp av idéer och betydelser.
XNA-baserad syntetisk livslängd
Livet på jorden bygger på två informationsbärande molekyler, DNA och RNA, och forskare har länge undrat om andra liknande molekyler skulle kunna skapas. Medan vilken polymer som helst kan lagra information, representerar RNA och DNA ärftlighet, kodning och överföring av genetisk information, och kan anpassa sig över tid genom evolution. DNA och RNA är kedjor av nukleotidmolekyler som består av tre kemiska komponenter - fosfat, en sockergrupp med fem kol (deoxiribos i DNA eller ribos i RNA) och en av fem standardbaser (adenin, guanin, cytosin, tymin eller uracil).
År 2012 var en grupp forskare från England, Belgien och Danmark de första i världen som utvecklade xenonukleinsyra (XNA, XNA), syntetiska nukleotider som funktionellt och strukturellt liknar DNA och RNA. De utvecklades genom att ersätta sockergrupperna av deoxiribos och ribos med olika ersättare. Sådana molekyler har gjorts tidigare, men för första gången i historien kunde de reproducera och utvecklas. I DNA och RNA sker replikering av polymerasmolekyler som kan läsa, transkribera och reversera transkribera normala nukleinsyrasekvenser. Gruppen utvecklade syntetiska polymeraser som skapade sex nya genetiska system: HNA, CeNA, LNA, ANA, FANA och TNA.
Ett av de nya genetiska systemen, HNA, eller hexitonukleinsyra, var tillräckligt robust för att lagra precis rätt mängd genetisk information som kunde tjäna som grund för biologiska system. En annan, treosonukleinsyra, eller TNA, visade sig vara en potentiell kandidat för den mystiska primära biokemi som regerade vid livets början.
Det finns många potentiella användningsområden för dessa framsteg. Ytterligare forskning kan hjälpa till att utveckla bättre modeller för uppkomsten av liv på jorden och kommer att få konsekvenser för biologiska uppfinningar. XNA har terapeutiska tillämpningar eftersom det är möjligt att skapa nukleinsyror för att behandla och binda till specifika molekylära mål som inte försämras lika snabbt som DNA eller RNA. De kan till och med ligga till grund för molekylära maskiner eller i allmänhet en artificiell livsform.
Men innan detta är möjligt måste andra enzymer utvecklas som är kompatibla med en av XNA. Några av dem utvecklades redan i Storbritannien i slutet av 2014. Det finns också en möjlighet att XNA kan skada RNA / DNA-organismer, så säkerhet måste komma först.
Kromodynamik, svag kärnkraft och gravitationellt liv
1979 föreslog forskaren och nanoteknologen Robert Freitas Jr. ett möjligt icke-biologiskt liv. Han uppgav att den möjliga metabolismen av levande system baseras på fyra grundläggande krafter - elektromagnetism, stark kärnkraft (eller kvantkromodynamik), svag kärnkraft och tyngdkraft. Elektromagnetiskt liv är det vanliga biologiska livet vi har på jorden.
Kromodynamiskt liv kan baseras på en stark kärnkraftsstyrka, som anses vara den starkaste av de grundläggande krafterna, men bara över extremt korta avstånd. Freitas teoretiserade att ett sådant medium kan vara möjligt i en neutronstjärna, ett tungt roterande objekt 10-20 kilometer i diameter med massan av en stjärna. Med en otrolig densitet, kraftfullt magnetfält och tyngdkraft 100 miljarder gånger starkare än på jorden, skulle en sådan stjärna ha en kärna med en 3 km skorpa av kristallint järn. Under det skulle det finnas ett hav med otroligt heta neutroner, olika kärnpartiklar, protoner och atomkärnor och möjliga neutronrika "makrokärnor". Dessa makrokärnor skulle i teorin kunna bilda stora superkärnor, analoga med organiska molekyler, neutroner skulle fungera som motsvarande vatten i ett bisarrt pseudobiologiskt system.
Freitas såg livsformer baserade på svaga kärnkraftsinteraktioner som osannolika, eftersom svaga krafter endast fungerar i det subnukleära området och inte är särskilt starka. Som beta radioaktivt sönderfall och fritt sönderfall av neutroner ofta visar, kan svaga interaktioner livsformer existera med noggrann kontroll av svaga interaktioner i deras miljö. Freitas föreställde sig varelser som består av atomer med överskott av neutroner som blir radioaktiva när de dör. Han föreslog också att det finns regioner i universum där en svag kärnkraftsstyrka är starkare, vilket innebär att chanserna för att ett sådant liv uppstår är högre.
Gravitationella varelser kan också existera, eftersom tyngdkraften är den vanligaste och mest effektiva grundläggande kraften i universum. Sådana varelser kunde ta emot energi från själva tyngdkraften och få obegränsad kraft från kollisioner med svarta hål, galaxer och andra himmelska föremål; mindre varelser från planeternas rotation; det minsta - från energin från vattenfall, vind, tidvatten och havsströmmar, eventuellt jordbävningar.
Livsformer för damm och plasma
Organiskt liv på jorden är baserat på molekyler med kolföreningar, och vi har redan räknat ut möjliga föreningar för alternativa former. Men 2007 dokumenterade en internationell forskargrupp under ledning av V. N. Tsytovich från Institutet för allmän fysik vid Ryska vetenskapsakademien att partiklar av oorganiskt damm under rätt förhållanden kan samlas i spiralkonstruktioner, som sedan kommer att interagera med varandra på ett sätt som är inneboende i organisk kemi. Detta beteende föds också i plasmatillståndet, det fjärde tillståndet av materia efter fast, flytande och gasformigt, när elektroner lossnar från atomer och lämnar en massa laddade partiklar.
Tsytovichs grupp fann att när elektronladdningar separeras och plasman polariseras, organiseras partiklarna i plasma i spiralstrukturer som en korkskruv, elektriskt laddade och lockas till varandra. De kan också dela genom att göra kopior av originalstrukturer, som DNA, och framkalla avgifter i sina grannar. Enligt Tsytovich”uppfyller dessa komplexa, självorganiserande plasmastrukturer alla nödvändiga krav för att betraktas som kandidater för oorganiskt levande material. De är autonoma, de reproducerar och de utvecklas."
Vissa skeptiker tror att sådana påståenden är mer uppmärksammande än allvarliga vetenskapliga påståenden. Även om spiralformade strukturer i plasma kan likna DNA, innebär likhet i form inte nödvändigtvis likhet i funktion. Dessutom betyder det faktum att spiralerna reproducerar inte livets potential; moln gör det också. Ännu mer nedslående, mycket av forskningen har gjorts på datormodeller.
En av deltagarna i experimentet rapporterade också att även om resultaten liknade livet, till slut var de "bara en speciell form av plasmakristall." Och ändå, om oorganiska partiklar i plasma kan växa till självreplikerande, utvecklande livsformer, kan de vara den vanligaste livsformen i universum, tack vare den allestädes närvarande plasma och interstellära dammmoln i hela rymden.
Oorganiska kemiska celler
Professor Lee Cronin, en kemist vid College of Science and Engineering vid University of Glasgow, drömmer om att skapa levande celler från metall. Han använder polyoxometallater, en serie metallatomer kopplade till syre och fosfor, för att skapa cellliknande bubblor, som han kallar "oorganiska kemiska celler" eller iCHELLs (en akronym som kan översättas som "neocelli").
Cronins grupp började med att skapa salter från negativt laddade joner av stora metalloxider bundna till en liten positivt laddad jon som väte eller natrium. En lösning av dessa salter injiceras sedan i en annan saltlösning full av stora positivt laddade organiska joner bundna till små negativt laddade. De två salterna möts och byter delar så att stora metalloxider samverkar med stora organiska joner och bildar en slags bubbla som är ogenomtränglig för vatten. Genom att modifiera metalloxidens ryggrad kan bubblorna få egenskaperna hos biologiska cellmembran som selektivt tillåter och släpper ut kemikalier från cellen, vilket potentiellt kan tillåta samma typ av kontrollerade kemiska reaktioner som förekommer i levande celler.
Teamet har också gjort bubblor i bubblor genom att efterlikna de inre strukturerna i biologiska celler och har gjort framsteg i att skapa en artificiell form av fotosyntes som potentiellt kan användas för att skapa konstgjorda växtceller. Andra syntetiska biologer påpekar att sådana celler kanske aldrig kommer att leva förrän de har ett replikations- och evolutionssystem som DNA. Cronin tappar inte hopp om att vidareutveckling kommer att bära frukt. Möjliga tillämpningar av denna teknik inkluderar också utveckling av material för solbränslenheter och naturligtvis medicin.
Enligt Cronin är "huvudmålet att skapa komplexa kemiska celler med levande egenskaper som kan hjälpa oss att förstå livets utveckling och följa samma väg för att föra ny teknik baserad på evolution in i den materiella världen - en slags oorganisk levande teknik."
Von Neumann sonder
Maskinbaserat konstgjort liv är en ganska vanlig idé, nästan banal, så låt oss bara titta på von Neumann-sonder för att inte kringgå det. De uppfanns först i mitten av 1900-talet av den ungerska matematikern och futuristen John von Neumann, som trodde att en maskin måste ha mekanismer för självkontroll och självläkning för att reproducera den mänskliga hjärnans funktioner. Så han kom på idén att skapa självreproduktionsmaskiner, baserat på observationer av livets ökande komplexitet i reproduktionsprocessen. Han trodde att sådana maskiner kunde bli en typ av universell konstruktör, som inte bara skulle kunna skapa fullständiga repliker av sig själv utan också att förbättra eller ändra versioner och därigenom genomföra evolution och öka komplexiteten över tiden.
Andra futurister som Freeman Dyson och Eric Drexler använde snabbt dessa idéer för rymdutforskning och skapade von Neumann-sonden. Att skicka en självreplikerande robot i rymden kan vara det mest effektiva sättet att kolonisera en galax, eftersom den kan fånga hela Vintergatan på mindre än en miljon år, även med ljusets hastighet.
Som Michio Kaku förklarade:
“Von Neumann-sonden är en robot designad för att nå avlägsna stjärnsystem och skapa fabriker som kommer att bygga tusentals exemplar av sig själva. En död måne, inte ens en planet, kan vara en idealisk destination för von Neumann-sonder, eftersom det kommer att göra det lättare att landa och ta av från dessa månar, och också för att månarna inte har erosion. Sonderna kunde leva av marken, bryta järn, nickel och andra råvaror för att bygga robotfabriker. De skulle skapa tusentals kopior av sig själva, som sedan skulle spridas på jakt efter andra stjärnsystem."
Under åren har olika versioner av den grundläggande idén med von Neumann-sonden tagits fram, inklusive undersöknings- och utforskningssonder för att tyst utforska och observera utomjordiska civilisationer; kommunikationssonder utspridda över rymden för att bättre ta upp utomjordiska radiosignaler; arbetssonder för konstruktion av supermassiva rymdstrukturer; koloniserande sonder som kommer att erövra andra världar. Det kan till och med finnas vägledande sonder som tar unga civilisationer i rymden. Ack, det kan finnas berserker-sonder, vars uppgift kommer att vara att förstöra spår av organiskt material i rymden, följt av konstruktion av polisonder som kommer att återspegla dessa attacker. Med tanke på att von Neumann-sonder kan bli ett slags rymdvirus, bör vi vara försiktiga när vi utvecklar dem.
Gaias hypotes
År 1975 skrev James Lovelock och Sidney Upton en artikel för New Scientist med titeln "Finding Gaia." Med hänsyn till den traditionella uppfattningen att livet härstammar på jorden och blomstrar på grund av de rätta materiella förhållandena föreslog Lovelock och Upton att livet därmed tog en aktiv roll för att upprätthålla och bestämma förutsättningarna för dess överlevnad. De föreslog att all levande materia på jorden, i luften, haven och på ytan är en del av ett enda system som beter sig som en superorganism som kan justera temperaturen på ytan och atmosfärens sammansättning på ett sätt som är nödvändigt för överlevnad. De kallade detta system Gaia, efter den grekiska gudinnan på jorden. Det finns för att upprätthålla homeostas, tack vare vilket biosfären kan existera på jorden.
Lovelock har arbetat med Gaia-hypotesen sedan mitten av 1960-talet. Grundidén är att jordens biosfär har ett antal naturliga cykler, och när man går fel, kompenserar andra för det på ett sätt som bibehåller vital kapacitet. Detta kan förklara varför atmosfären inte helt är gjord av koldioxid eller varför haven inte är för salta. Även om vulkanutbrott gjorde den tidiga atmosfären till övervägande del koldioxid, framkom kväveproducerande bakterier och växter som producerar syre genom fotosyntes. Miljontals år senare har atmosfären förändrats till vår fördel. Medan floder bär salt till haven från stenar, förblir havens salthalt stabil på 3,4% när salt sipprar genom sprickor i havsbotten. Dessa är inte medvetna processer, utan resultatet av feedback,vilket håller planeterna i beboelig jämvikt.
Andra bevis inkluderar att om det inte vore för biotisk aktivitet skulle metan och väte försvinna från atmosfären på bara några decennier. Trots en ökning av solens temperatur med 30% under de senaste 3,5 miljarder åren har den genomsnittliga globala temperaturen bara förskjutits med bara 5 grader Celsius tack vare en regleringsmekanism som tar bort koldioxid från atmosfären och fångar den i fossiliserat organiskt material.
Ursprungligen möttes Lovelocks idéer med förlöjligande och anklagelser. Med tiden påverkade dock Gaias hypotes idéerna om jordens biosfär och hjälpte till att bilda deras integrerade uppfattning i den vetenskapliga världen. Idag respekteras Gaias hypotes snarare än accepterad av forskare. Snarare är det en positiv kulturell ram inom vilken vetenskaplig forskning på jorden som ett globalt ekosystem bör bedrivas.
Paleontologen Peter Ward utvecklade den konkurrerande Medea-hypotesen, uppkallad efter modern som dödade sina barn, i grekisk mytologi, vars huvudidé är att livet i sig är självförstörande och självmord. Han påpekar att historiskt sett var de flesta av massutrotningarna orsakade av livsformer som mikroorganismer eller hominider i byxor, som allvarligt skadar jordens atmosfär.