Астробиология

редактировать
Наука, связанная с жизнью во Вселенной

Нуклеиновые кислоты, возможно, не единственные биомолекулы в Вселенная способна кодировать жизненные процессы.

Астробиология, ранее известная как экзобиология, является междисциплинарной научной областью, связанной с происхождением, ранней эволюцией, распространение и будущее жизни во вселенной. Астробиология рассматривает вопрос о том, существует ли внеземная жизнь, и если да, то как люди могут ее обнаружить.

Астробиология использует молекулярную биологию, биофизику, биохимия, химия, астрономия, физическая космология, экзопланетология и геология, чтобы исследовать возможность существования жизни в других мирах и помочь распознать биосферы, которые могут отличаться от земных. Происхождение и ранняя эволюция жизни являются неотъемлемой частью дисциплины астробиологии. Астробиология занимается интерпретацией существующих научных данных, и, хотя для создания контекста используются предположения, астробиология в первую очередь занимается гипотезами, которые прочно укладываются в существующие научные теории.

Эта междисциплинарная область охватывает исследования происхождения планетных систем, происхождения органических соединений в космосе, взаимодействия горных пород, воды и углерода, абиогенеза на Земле, обитаемость на планете, исследования биосигнатур для обнаружения жизни и исследования потенциала жизни для адаптации к вызовам на Земле и в космическое пространство.

Биохимия могла начаться вскоре после Большого взрыва, 13,8 миллиарда лет назад, в эпоху обитания, когда Вселенная была всего лишь 10–17 миллионов лет. Согласно гипотезе панспермии микроскопическая жизнь, распределенная метеороидами, астероидами и другими небольшими телами Солнечной системы, может существовать по всей Вселенной.. Согласно исследованию, опубликованному в августе 2015 года, очень большие галактики могут быть более благоприятными для создания и развития обитаемых планет, чем такие меньшие галактики, как Млечный Путь. Тем не менее, Земля - ​​единственное известное людям место во вселенной, где есть жизнь. Оценка обитаемых зон вокруг других звезд, иногда называемых «зонами Златовласки », наряду с открытием сотен внесолнечных планет и новым пониманием экстремальных мест обитания здесь, на Земле, предполагают, что во Вселенной может быть гораздо больше обитаемых мест, чем считалось возможным до недавнего времени.

Текущие исследования на планете Марс, выполненные Curiosity и Opportunity марсоходы ищут свидетельства древней жизни, а также равнины, связанные с древними реками или озерами, которые могли быть пригодными для жизни. Поиск доказательств обитаемости, тафономии (связанных с окаменелостями ) и органических молекул на планете Марс теперь является основным НАСА и ЕКА объектив.

Даже если внеземная жизнь никогда не будет обнаружена, междисциплинарный характер астробиологии и порожденные ею космические и эволюционные перспективы все равно могут принести ряд преимуществ здесь, на Земле.

Содержание

  • 1 Обзор
  • 2 Методология
    • 2.1 Обитаемость планет
    • 2.2 Попытки коммуникации
    • 2.3 Элементы астробиологии
      • 2.3.1 Астрономия
      • 2.3.2 Биология
      • 2.3.3 Астроэкология
      • 2.3.4 Астрогеология
  • 3 Жизнь в Солнечной системе
  • 4 Гипотеза редкой Земли
  • 5 Исследования
    • 5.1 Результаты исследований
    • 5.2 Экстремофилы
  • 6 Миссии
    • 6.1 Предлагаемые концепции
  • 7 См. Также
  • 8 Ссылки
  • 9 Библиография
  • 10 Дополнительная литература
  • 11 Внешние ссылки

Обзор

Термин впервые был предложен русскими (советскими ) астроном Гавриил Тихов в 1953 году. Астробиология этимологически происходит от греческого ἄστρον, астроном, «созвездие, звезда»; βίος, биос, «жизнь»; и -λογία, -logia, этюд. Синонимы астробиологии разнообразны; однако синонимы были структурированы по отношению к наиболее важным наукам, задействованным в его развитии: астрономия и биология. Близкий синоним - экзобиология от греческого Έξω, «внешний»; Βίος, биос, «жизнь»; и λογία, -логия, этюд. Термин экзобиология был придуман молекулярным биологом и лауреатом Нобелевской премии Джошуа Ледербергом. Считается, что экзобиология имеет узкую сферу применения, ограниченную поиском жизни за пределами Земли, тогда как предметная область астробиологии шире и исследует связь между жизнью и вселенной, которая включает поиск внеземной жизни, но также включает изучение жизни на Земле, ее происхождения, эволюции и пределов.

Неизвестно, будет ли жизнь где-нибудь во вселенной использовать клеточные структуры, подобные тем, что есть на Земле. (Хлоропласты в растительных клетках показаны здесь.)

Еще один термин, использовавшийся в прошлом, - ксенобиология («биология иностранцев»), слово, использованное в 1954 году писателем-фантастом Роберт Хайнлайн в своей работе Звездный зверь. Термин ксенобиология теперь используется в более специализированном смысле, чтобы означать «биологию, основанную на чужой химии», будь то внеземное или земное (возможно, синтетическое) происхождение. Поскольку в лаборатории были созданы альтернативные химические аналоги некоторых жизненных процессов, ксенобиология теперь рассматривается как существующий предмет.

Хотя это новая и развивающаяся область, вопрос о том, жизнь существует где-то в другом месте во Вселенной, это проверяемая гипотеза и, следовательно, действительная линия научного исследования. Хотя когда-то астробиология рассматривалась вне основного направления научных исследований, она стала формализованной областью исследований. Ученый-планетолог Дэвид Гринспун называет астробиологию областью естественной философии, обосновывая предположения о неизвестном в известной научной теории. Интерес НАСА к экзобиологии впервые начался с разработки космической программы США. В 1959 году НАСА профинансировало свой первый проект по экзобиологии, а в 1960 году НАСА основало Программу экзобиологии, которая сейчас является одним из четырех основных элементов нынешней программы астробиологии НАСА. В 1971 году НАСА профинансировало поиск внеземного разума (SETI) для поиска радиочастот электромагнитного спектра для межзвездной связи, передаваемой внеземной жизнью за пределами Солнечной системы.. В рамках миссии НАСА "Викинг" на Марс, начатой ​​в 1976 году, были три биологических эксперимента, предназначенные для поиска метаболизма нынешней жизни на Марсе.

в июне В 2014 году Центр Джона В. Клюге Библиотеки Конгресса провел семинар по астробиологии. Члены группы (слева направо) Робин Ловин, Дерек Мэлоун-Франс и Стивен Дж. Дик

Достижения в области астробиологии, наблюдательной астрономии и открытие большого количества экстремофилов с необычайными способность процветать в самых суровых условиях на Земле, привели к предположениям, что жизнь, возможно, процветает на многих внеземных телах во Вселенной. Особое внимание в современных астробиологических исследованиях уделяется поиску жизни на Марсе из-за близости этой планеты к Земле и геологической истории. Появляется все больше свидетельств того, что Марс ранее имел значительное количество воды на своей поверхности, причем вода считается важным предшественником развития жизни на основе углерода.

Миссиями, специально разработанными для поиска существующей жизни на Марсе, были зонды Viking program и Beagle 2. Результаты Viking были неубедительными, и Beagle 2 потерпел неудачу через несколько минут после приземления. Будущей миссией, играющей важную роль в астробиологии, был бы орбитальный аппарат ледяных лун Юпитера, разработанный для изучения замороженных спутников Юпитера, некоторые из которых могли содержать жидкую воду, если бы его не отменили. В конце 2008 года спускаемый аппарат Phoenix исследовал окружающую среду на предмет прошлой и настоящей планетарной обитаемости микробной жизни на Марсе и исследовал историю воды там.

Дорожная карта астробиологии Европейского космического агентства от 2016 года определяет пять основных исследовательских тем и определяет несколько ключевых научных целей для каждой темы. Пятью темами исследования являются: 1) Происхождение и эволюция планетных систем; 2) Происхождение органических соединений в космосе; 3) Взаимодействие породы, воды и углерода, органический синтез на Земле и шаги к жизни; 4) Жизнь и обитаемость; 5) Биосигнатуры, способствующие обнаружению жизни.

В ноябре 2011 года НАСА запустило миссию Mars Science Laboratory с марсоходом Curiosity, который приземлился на Марсе в кратере Гейла. в августе 2012 года. Марсоход Curiosity в настоящее время исследует окружающую среду на предмет прошлой и настоящей планетарной обитаемости микробной жизни на Марсе. 9 декабря 2013 года НАСА сообщило, что на основании данных Curiosity, изучавших Эолис Палус, Кратер Гейла содержал древнее пресноводное озеро, которое могло быть гостеприимной средой. для микробной жизни.

Европейское космическое агентство в настоящее время сотрудничает с Федеральным космическим агентством (Роскосмос) и разрабатывает астробиологический марсоход ExoMars, который должен был быть запущен в июле 2020 года, но был отложен до 2022 года. Тем временем НАСА запустило астробиологический марсоход Mars 2020 и хранилище проб для последующего возвращения на Землю.

Методология

Обитаемость планет

При поиске жизни на других планетах, таких как Земля, некоторые упрощающие предположения полезны для уменьшения объема задачи астробиолога. Одним из них является обоснованное предположение, что подавляющее большинство форм жизни в нашей галактике основано на химии углерода, как и все формы жизни на Земле. Углерод хорошо известен благодаря необычайно широкому разнообразию молекул, которые могут образовываться вокруг него. Углерод является четвертым по распространенности элементом во Вселенной, и энергия, необходимая для образования или разрыва связи, находится как раз 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 создавать чрезвычайно длинные и сложные молекулы.

Присутствие жидкой воды является предполагаемым требованием, поскольку это обычная молекула и обеспечивает отличную среду для образование сложных молекул на основе углерода, которые в конечном итоге могут привести к возникновению жизни. Некоторые исследователи полагают, что окружающая среда, состоящая из смесей вода - аммиак, является возможными растворителями для гипотетических типов биохимии.

Третье предположение - сосредоточить внимание на планетах, вращающихся вокруг Солнца -подобных звезды для увеличения вероятностей планетарной обитаемости. Очень большие звезды имеют относительно короткое время жизни, а это означает, что жизнь может не успеть появиться на планетах, вращающихся вокруг них. Очень маленькие звезды дают так мало тепла и тепла, что только планеты на очень близких орбитах вокруг них не будут заморожены, и на таких близких орбитах эти планеты будут приливно "привязаны" к звезде. Длительный срок жизни красных карликов может позволить создать обитаемую среду на планетах с толстой атмосферой. Это важно, поскольку красные карлики очень распространены. (См. Обитаемость систем красных карликов ).

Поскольку Земля - ​​единственная известная планета, на которой живет, нет очевидного способа узнать, верны ли какие-либо из этих упрощающих предположений.

Попытки коммуникации

Иллюстрация на мемориальной доске Pioneer

Исследования связи с внеземным разумом (CETI ) сосредоточены на составлении и расшифровке сообщений, которые теоретически могут быть поняты другая технологическая цивилизация. Попытки общения людей включали широковещательную передачу математических языков, графических систем, таких как сообщение Аресибо, и вычислительные подходы к обнаружению и расшифровке общения на «естественном» языке. Программа SETI, например, использует и радиотелескопы, и оптические телескопы для поиска преднамеренных сигналов от внеземного разума.

. Профильные ученые, такие как Карл Саган, выступали за передачу сообщений, ученый Стивен Хокинг предостерег от этого, предполагая, что инопланетяне могут просто совершить набег на Землю в поисках ее ресурсов, а затем уйти.

Элементы астробиологии

Астрономия

Представление художника о внесолнечной планете OGLE-2005-BLG-390Lb, вращающейся вокруг своей звезды 20,000 световых лет от Земли ; эта планета была открыта с помощью гравитационного микролинзирования. . Миссия НАСА Кеплер, запущенная в марте 2009 года, проводит поиск внесолнечных планет.

Большинство астробиологических вопросов, связанных с астрономией исследование подпадает под категорию обнаружения внесолнечной планеты (экзопланеты). Гипотеза состоит в том, что если жизнь возникла на Земле, то она могла бы возникнуть и на других планетах с аналогичными характеристиками. С этой целью был рассмотрен ряд инструментов, предназначенных для обнаружения экзопланет размером с Землю, в первую очередь NASA Terrestrial Planet Finder (TPF) и ESA Дарвин программы, обе отменены. НАСА запустило миссию Кеплера в марте 2009 года, а Французское космическое агентство запустило космическую миссию COROT в 2006 году. Есть также несколько менее амбициозных наземных проектов. в процессе.

Целью этих миссий является не только обнаружение планет размером с Землю, но и прямое обнаружение света от планеты, чтобы его можно было исследовать спектроскопически. Изучая планетные спектры, можно было бы определить основной состав атмосферы и / илиповерхности внесолнечной планеты. Зная это, можно будет оценить вероятность обнаружения жизни на этой планете. Исследовательская группа НАСА, Лаборатория виртуальных планет, использует компьютерное моделирование для создания широкого спектра виртуальных планет, чтобы увидеть, как они будут выглядеть, если их будет рассматривать TPF или Дарвин. Есть надежда, что, как только эти миссии будут запущены, их спектры можно будет перепроверить с этими виртуальными планетными спектрами на предмет особенностей, которые могут указывать на присутствие жизни.

Оценка количества планет с разумной коммуникативной внеземной жизнью может быть получена из уравнения Дрейка, по сути уравнения, выражающего вероятность разумной жизни как продукта факторов, таких как доля планет, которые могут быть обитаемы, и доля планет, на которых может возникнуть жизнь:

N = R ∗ × fp × ne × fl × fi × fc × L {\ displaystyle N = R ^ { *} ~ \ times ~ f_ {p} ~ \ times ~ n_ {e} ~ \ times ~ f_ {l} ~ \ times ~ f_ {i} ~ \ times ~ f_ {c} ~ \ times ~ L}N=R^{*}~\times ~f_{p}~\times ~n_{e}~\times ~f_{l}~\times ~f_{i}~\times ~f_{c}~\times ~L

где:

  • N= количество коммуникативных цивилизаций
  • R*= скорость образования подходящих звезд (таких как наше Солнце)
  • fp= доля этих звезд с планетами (текущие данные показывают, что планетные системы могут быть является общим для звезд, таких как Солнце)
  • ne= Количество миров размером с Землю в каждой планетной системе
  • fl= Доля тех планет размером с Землю, где на самом деле развивается жизнь
  • fi= Доля жизненных мест, где развивается интеллект
  • fc= Фракция n коммуникативных планет (тех, на которых развиваются технологии электромагнитной связи)
  • L= «время жизни» взаимодействующих цивилизаций

Однако, хотя логическое обоснование этого уравнения является разумным, маловероятно, что уравнение будет ограничено разумными пределами ошибки в ближайшее время. Проблема с формулой в том, что она не используется для генерации или поддержки гипотез, потому что она содержит факторы, которые невозможно проверить. Первый член, R *, количество звезд, обычно ограничивается несколькими порядками величины. Второй и третий члены, f p, звезды с планетами и f e, планеты с пригодными для жизни условиями, оцениваются для окрестностей звезды. Первоначально Дрейк сформулировал уравнение просто как повестку дня для обсуждения на конференции Green Bank, но некоторые приложения формулы были приняты буквально и связаны с упрощенными или псевдонаучными аргументами. Еще одна связанная с этим тема - парадокс Ферми, который предполагает, что если разумная жизнь обычна во вселенной, то должны быть очевидные ее признаки.

Еще одна область активных исследований в астробиологии - формирование планетных систем. Было высказано предположение, что особенности Солнечной системы (например, присутствие Юпитера в качестве защитного щита) могли значительно увеличить вероятность возникновения разумной жизни на нашей планете.

Биология

Гидротермальные источники способны поддерживать экстремофильные бактерии на Земле, а также могут поддерживать жизнь в других частях космоса.

Биология не может утверждать, что процесс или явление, будучи математически возможными, должны насильственно существовать во внеземном теле. Биологи уточняют, что является умозрительным, а что нет. Открытие экстремофилов, организмов, способных выживать в экстремальных условиях, стало ключевым элементом исследования для астробиологов, поскольку они важны для понимания четырех областей в пределах жизни в планетарном контексте: потенциал для панспермия, дальнейшее заражение из-за деятельности человека по исследованию, колонизация планеты людьми и исследование вымершей и сохранившейся внеземной жизни.

До 1970-х жизнь считалась полностью зависит от энергии Солнца. Растения на поверхности Земли захватывают энергию солнечного света, фотосинтезируют сахара из углекислого газа и воды, выделяя в процессе кислород, который затем потребляется дышащими кислородом организмами, передавая свою энергию вверх по пищевая цепочка. Считалось, что даже жизнь в океанских глубинах, куда не может проникнуть солнечный свет, получает свое питание либо от потребления органического детрита, падающего из поверхностных вод, либо от поедания животных, которые его питали. Считалось, что способность мира поддерживать жизнь зависит от его доступа к солнечному свету. Однако в 1977 году во время исследовательского погружения в Галапагосский рифт в глубоководном исследовательском подводном аппарате Элвин ученые обнаружили колонии гигантских трубчатых червей, моллюски, ракообразные, мидии и другие разнообразные существа, сгруппированные вокруг подводных вулканических образований, известных как черные курильщики. Эти существа

Последняя правка сделана 2021-06-13 02:10:54
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте