Czy jest jeszcze ktoś oprócz nas? Arka życia. Teach article

Tłumaczenie: Grzegorz Glubowski. Olbrzymi meteoryt wybija z Marsa skałę, która zmierza w stronę Ziemi. Czy na niej przybyło życie? Cornelia Meyer wiedzie nas trasą wytyczoną teorią panspermii i opisuje jak, razem z zaprzyjaźnionymi studentami, dowodzi jej wiarygodności.

Kliknij aby powiększyć
Obraz Marsa za zgodą NASA; Obraz
Ziemi za zgodą Deutsches Zentrum
für Luft- und Raumfahr

7 września 1996 naukowcy z NASA obwieścili wykrycie struktur o wyglądzie skamieniałych bakterii w marsjańskim meteorycie ALH84001, znalezionym w Allan Hills, na Antarktyce. Pomimo braku zgody co do znaczenia owego meteorytu pozostało pytanie: „Czy było życie na Marsie?”.

Uderzające w planetę komety lub asteroidy, potrafią wyrwać z jej powierzchni skaliste fragmenty i wyrzucić je w przestrzeń, a one –jak ten z Allan Hills – trafiają niekiedy jako meteoryty na inne planety. Wywołało to wiele pytań. Czy pierwsze formy życia mogły pojawić się nie na Ziemi ale na Marsie, bądź innej odległej planecie? Czy meteoryty mogły przenieść życie na Ziemię?

W 2007 doktoranci – Ralf Moeller, Thomas Berger i Jean-Pierre de Vera – ora z ja, zdecydowaliśmy zbadać wiarygodność tej teorii, znanej jako teoria panspermii (rysunek powyżej), w trzech etapach:

  1. Wyniesienie w kosmos żywych organizmów na powierzchni meteorytu.
  2. Wpływ podróży kosmicznej na żywe organizmy.
  3. Ich przetrwanie podczas wejścia w atmosferę Ziemi i lądowania.

 

Teoria panspermii – jak skała solidna?

Elektronowy obraz formy o
niezwykłym, podłużnym kształcie,
mniejszej niż 1/100 szerokości
ludzkiego włosa; być może
będącej pozostałością pozaziemskiej
bakterii, znalezionej w meteorycie
ALH84001, pochodzącym jak
wierzymy z Marsa

Dzięki uprzejmości NASA

Teorię lithopanspermii (z greki: lithos = skała, pan = cały, sperma = nasienie) przedstawił w 1903 Svante Arrhenius ze Szwecji. Choć idea nie jest powszechnie akceptowana, istnieją dowody na jej poparcie:

  • Istnienie księżycowych i marsjańskich meteorytów na Ziemi
  • Obecność materiału organicznego i (być może) szczątków mikrobów na meteorycie Allan Hills (zobacz obraz)
  • Fakt, że duże komety lub asteroidy w zderzeniu z planetą wybijają skalne fragmenty, których szybkość pozwala na pokonanie grawitacji i ucieczkę z planety (jako meteorytom)
  • Zdolność przetrwalników bakterii do znoszenia ciśnienia i temperatury wywołanej takim zderzeniem
  • Odporność mikroorganizmów na promieniowanie UV oraz niskie temperatury panujące w kosmosie
  • Trwanie przetrwalników bakterii w bursztynie lub soli przez miliony lat
  • Przetrwanie bakterii w przestrzeni kosmicznej przez czas do sześciu lat
  • Paleogeochemiczne dowody istnienia na Ziemi ekosystemów mikrobów, których ewolucja od prostych molekuł do form komórkowych trwała zaledwie około 400 mln lat

Słownik

Asteroida: Jedno z licznych, małych, ciał skalistych orbitujących wokół Słońca. Większość występuje w „pasie głównym”, pomiędzy Marsem i Jowiszem, niektóre mają orbity przecinające się z orbitą Ziemi i mogą się z nią zderzyć.

Kometa: Jeden z pierwotnych, lodowych obiektów, pochodzących z zewnętrznych obszarów Układu Słonecznego, eliptycznie orbitujących wokół Słońca. Blisko Słońca lodowy materiał wyparowuje z komety, formując połyskujący ogon.

Meteoryt: Skała pozaziemska, która spadła na Ziemię. W większości meteoryty to fragmenty asteroidów: kamienne, kammienno-żelazne lub żelazne.

Meteor: Mały obiekt stały przemierzający przestrzeń międzyplanetarną. Po upadku na Ziemię nazywany meteorytem.

1. Początek podróży

Cornelia Meyer, Ralf Moeller
i Jean-Pierre de Vera

Dzięki uprzejmośc Cornelia Meyer

W pracach magisterskich i doktorskich badaliśmy możliwość zaistnienia pierwszego etapu: fazy wyrzucenia materiału żywego w przestrzeń na skutek uderzenia meteorytu (Horneck et al, 2008; Stöffler et al, 2007). Włożyliśmy warstwę mikroorganizmów między dwa wycinki skał podobnych do skał marsjańskich i poddaliśmy taką „kanapkę” wybuchowi TNT w żelaznym cylindrze.

Celowo wykorzystaliśmy mikroorganizmy. Na Ziemi tylko mikroby są zdolne do przetrwania w ekstremalnie nieprzyjaznych środowiskach było zatem prawdopodobne, że przetrwają nasz eksperyment. Dodatkowo, jako organizmy proste, przypuszczalnie mogą być podobne do pierwszych form życia na Marsie. W szczególności wybraliśmy żyjące wewnątrz lub na skałach spory bakterii, sinice i porosty, które mogą przetrwać warunki kosmiczne.

Skały również wybraliśmy starannie. W celu poznania czy meteoryt pochodzi z Marsa, jego skład porównuje się ze składem skał badanych na powierzchni Marsa. Najczęściej znajdowane na Ziemi meteoryty marsjańskie to bazaltowe shergottyty uformowane w wyniku aktywności wulkanicznej. Użyliśmy dlatego bazaltu – łatwo osiągalnego na Ziemi i podobnego do skał Marsjańskich.

W wielu eksplozjach TNT mikroorganizmy były poddawane ciśnieniom od 5•109 do 5•1010 Pa. Odpowiadają one ciśnieniom wytwarzanym podczas uderzenia w Marsa meteorytu tworzącego krater o średnicy przekraczającej 75 km i wyrzucającego marsjańskie skały w kosmos. Ciśnienie wybuchu poddawało mikroorganizmy temperaturom do 1000 °C. Chociaż warunki te powinny unicestwić całe życie, przy ciśnieniu 4•1010 Pa (400 000 razy większego od normalnego ciśnienia atmosferycznego), 0.02% mikroorganizmów przeżyło.

Obecnie, temperatury na Marsie wahają się od -143 °C przy biegunach do +27 °C C na równiku. Chociaż młodszy Mars mógł być cieplejszy, mógł też ostygnąć szybciej niż Ziemia, gdyż stracił atmosferę. Oznacza to, że w czasie transferu życia z Marsa na Ziemię (około 20 mln lat temu), na Marsie mogły już być niższe temperatury, istniejące na nim do dziś. Dlatego w drugim eksperymencie, by lepiej odzwierciedlić warunki na Marsie, użyliśmy zestalonego dwutlenku węgla (suchego lodu) by przed wybuchem schłodzić aparaturę do -80°C. Odkryliśmy, że niektóre mikroorganizmy przetrwały nawet przy 5•1010 Pa. W poprzednich eksperymentach, bez chłodzenia, nie przeżyły takiego ciśnienia.

Podczas eksperymentów, mikroorganizmy poddawano wysokiej temperaturze i ciśnieniu przez zaledwie kilka mikrosekund, podobnie jak w rzeczywistym zderzeniu meteorytu z Marsem. Mogło to mieć kluczowe znaczenie dla ich przetrwania. Zatem, pierwsza część teorii panspermii okazała się prawdopodobna: naskalne organizmy mogą przetrwać wyrzucenie w przestrzeń kosmiczną.

2. Podróż kosmiczna: udział studentów w konkursie ESA

Tablice obrazujące eksperymenty
na ISS, podobne do projektowanego
sztucznego meteorytu

Dzięki uprzejmośc Cornelia Meyer

Zdecydowaliśmy następnie ubiegać się o możliwość sprawdzenia drugiego etapu teorii panspermii: czy żywe organizmy mogły przetrwać zimno, promieniowanie i próżnię podczas długiej podróży kosmicznej? Organizowany przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA) studencki konkurs SUCCESSw1, dał nam szansę prowadzenia eksperymentu na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) w listopadzie 2009.

Od lat 80-tych, różne eksperymenty ukazały, że mikroorganizmy są zdolne przetrwać w przestrzeni kosmicznej (np. Mileikowsky et al, 2000). Jednak, mikroorganizmy były w tych testach chronione powłoką aluminium lub przebywały w przestrzeni tylko kilka dni. Jak długo są w stanie przetrwać w przestrzeni? Chcemy wykorzystać ISS dla bardziej realistycznego badania wpływu warunków kosmicznych na organizmy żywe.

Zasugerowaliśmy zbudowanie sztucznego meteorytu napakowanego mikroorganizmami i czujnikami mierzącymi promieniowanie kosmiczne i temperaturę. Potniemy odłamek skały bazaltowej na osiem plastrów z otworami na mikroorganizmy i czujniki. Otwory zostaną zamknięte skałą, a plastry ponownie złączone w hermetyczną strukturę. Sztuczny meteoryt będzie przeniesiony na ISS i umieszczony na aluminiowej platformie na zewnątrz stacji, gdzie będzie poddawany warunkom kosmicznym przez sześć miesięcy. Drugi, kontrolny meteoryt zostanie na Ziemi.

Gdy nasz meteoryt wróci na Ziemię, biolodzy Ralf i Jean-Pierre określą współczynnik przetrwania mikroorganizmów i ich zmiany fizjologiczne wywołane warunkami kosmosu. Jako mineralog, będę badać wpływ pogody kosmicznej na nasz meteoryt. Kosmiczny klimat (Space weathering) jest ogólnym terminem obejmującym wszystko, co działa na obiekty w nieprzyjaznym środowisku kosmicznym, np.: promieniowanie, wiatr słoneczny, bombardowanie meteorytami. Porównamy również fizyczne właściwości sztucznego meteorytu z właściwościami skały, która pozostała na Ziemi.

Oprócz dowodów, które mogłyby wesprzeć teorię panspermii, nasze badania mogłyby dostarczyć informacji o wpływie kosmicznej pogody na właściwości optyczne skał. Te właściwości są istotne przy obserwacji asteroidów, gdyż dla określenia ich składu stosuje się spektroskopię optyczną. Większa wiedza na temat wpływu pogody kosmicznej mogłaby pomóc decydować, czy meteoryty znajdowane na Ziemi i asteroidy widziane w przestrzeni pochodzą z tych samych obiektów macierzystych.

3. Nowy eksperyment? Miękkie lądowanie

Uderzenie meteorytu w Ziemię
Dzięki uprzejmośc iStockphoto

Nawet jeśli dwa pierwsze etapy teorii panspermii są prawdopodobne – przetrwanie startu z planety i dość długiej podróży przez przestrzeń – czy mikroorganizmy mogłyby przeżyć na innej planecie? Astrobiolodzy z Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt zasugerowali, że mikroorganizmy ziemskie mogłyby przetrwać jakiś czas na Marsiw2. Oznaczałoby to, że formy życia marsjańskiego byłyby również zdolne do przetrwania na Ziemi, o ile przetrwałyby zderzenie. Jak dotąd, bardzo mało wiemy o zjawiskach towarzyszących lądowaniu meteorytu z żywymi organizmami na Ziemi. Mamy jednak informacje, które upoważniają do spekulowania na ten temat.

Powierzchnia obiektu wpadającego z dużą szybkością w atmosferę ziemską ogrzewa się do bardzo wysokiej temperatury wskutek tarcia. Jednak, choć temperatura warstw zewnętrznych meteorytu jest wystarczająco wysoka do ich stopienia – lub nawet odparowania – skała wewnątrz meteorytu zachowuje temperaturę bliską -273 °C (0 K) taką jak w kosmosie.

Bardzo często meteoryty rozpadają się w zetknięciu z gruntem. Gdyby jakiekolwiek organizmy przetrwały wewnątrz meteorytu – chronione przed bardzo wysoką temperaturą na jego powierzchni – mogłyby zostać uwolnione i rozpocząć kolonizację Ziemi. Doświadczyłyby szoku termicznego, przechodząc z -273 °C wewnątrz meteorytu do temperatury istniejącej w otoczeniu, ale mikroorganizmy są znane z umiejętności przetrwania szybkich zmian temperatury.

Dowody istnienia panspermii?

Chociaż mikroorganizmy mogłyby przetrwać wszystkie trzy etapy opisane w teorii panspermii nie stanowi to dowodu, że życie na Ziemi ma pochodzenie pozaziemskie. Przede wszystkim nie wiemy, czy istnieje życie poza naszą planetą – badania życia pozaziemskiego trwają. Trwają również spekulacje dotyczące naszego pochodzenia.

 

Konkurs „ESA SUCCESS”

Konkurs „SUCCESS” (the Space station Utilisation Contest Calls for European Student initiativeS), organizowany przez ESAw1, ma na celu uczynienie z obecnych studentów użytkowników Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) w przyszłości. Europejscy studenci studiów magisterskich, mają szansę przeprowadzić eksperyment na pokładzie ISS.

Pierwszą nagrodą jest jednoroczny udział w pracach centrum technologiczno-badawczym ESTES w Holandii. Zwycięzca będzie mógł pracować nad swoim eksperymentem, by umożliwić jego przeprowadzenie na ISS.

Konkurs obecnie jest zamknięty dla nowych uczestników. Kolejna jego edycja jest przewidywana na 2010.

Download

Download this article as a PDF

References

  • Horneck G et al (2008) Microbial rock inhabitants survive impact and ejection from host planet: first phase of lithopanspermia experimentally tested. Astrobiology 8: 17-44
  • Mileikowsky C et al (2000) Natural transfer of viable microbes in space. Part 1: From Mars to Earth and Earth to Mars. Icarus 145: 391-427
  • Stöffler D et al (2007) Experimental evidence for the potential impact ejection of viable micro-organisms from Mars and Mars-like planets. Icarus 186: 585-588

Web References

Resources

Institution

ESA

Author(s)

Kiedy ta grupa rozpoczęła eksperymenty, Cornelia Meyer przygotowywała się do magisterium z mineralogii w Muzeum Historii Naturalnejw3 w Berlinie. Ralf Moeller (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR – Niemieckie Centrum Kosmiczne) i Jean-Pierre de Vera (University of Düsseldorf, Germany) pracowali nad doktoratami z biologii. Thomas Berger studiował przed doktoratem z fizyki w DLR. Cornelia obecnie jest doktorantem. Pozostali prowadzą post-doktoranckie badania.




License

CC-BY-NC-ND