Czy istnieje życie na innych światach? Jeśli inne planety mogą wspierać życie w sposób chemiczny, jaki znamy tutaj na Ziemi, jak to się ma do pochodzenia samego życia?
Naukowcy od dawna spekulują na temat teorii, że życie w swojej najbardziej prymitywnej formie może być następnym krokiem w ewolucji kosmicznej po uformowaniu się planet. Chociaż jest to wciąż tylko teoria, nowe pomysły na pochodzenie planet i ostatnie odkrycia w chemii dały jej wsparcie.
Na przykład, czterdzieści milionów mil od Ziemi, w tym momencie, jest Mars, planeta zimniejsza od Ziemi, bez tlenu w atmosferze i z małą ilością wody na powierzchni. Człowiek przetransportowany na Marsa sapałby i umarłby – i większość innych znanych organizmów również by zginęła.
Ale przez ponad pół wieku astronomowie obserwowali lekkie sezonowe zmiany kolorów na planecie; zmiany najwyraźniej zbiegające się z dostępnością wody. Zostały one zinterpretowane jako dowód na istnienie życia roślinnego na Marsie, życia specjalnie przystosowanego do rygorów marsjańskiego środowiska. Jeśli zgłoszone zmiany kolorów są prawdziwe, wydaje się, że nie ma innej rozsądnej interpretacji.
Dalej, marginalne obserwacje spektroskopowe W. M. Sintona sugerują, że na powierzchni Marsa mogą znajdować się cząsteczki z wiązaniami C-H. Węgiel i wodór są podstawowymi pierwiastkami dla wszystkich organizmów lądowych, a łączące je wiązania chemiczne są niezbędne dla struktury białek, kwasów nukleinowych i innych biologicznych bloków budulcowych. Czy jest zatem możliwe, że ten sam rodzaj życia, podobny w swoim podstawowym składzie chemicznym, powstał dwukrotnie w tym samym układzie słonecznym? Chociaż spekuluje się na temat niektórych szczegółów, ogólny wzór ewolucji kosmicznej jest dość dobrze ustalony.
Ewolucja kosmiczna zaczyna się od ogromnej chmury pyłu kosmicznego, takiej jaka istnieje dzisiaj pomiędzy gwiazdami. Taki obłok ma „kosmiczną” obfitość pierwiastków, składa się głównie z wodoru i helu, z niewielką tylko domieszką cięższych pierwiastków. Tu i ówdzie materia będzie nieco bardziej gęsta niż w pobliskich rejonach. Bardziej rozproszone regiony będą przyciągane grawitacyjnie do gęstszego regionu, który w konsekwencji będzie zwiększał swoje rozmiary i masę. W miarę jak materia będzie napływać w kierunku kondensującego się centralnego jądra, zachowanie momentu pędu spowoduje, że cały region, jądro i napływająca materia, będą obracać się coraz szybciej.
W dodatku, w miarę jak duże ilości materii będą zderzać się z jądrem, jego temperatura będzie stale rosnąć. Po być może stu milionach lat, temperatura w centrum chmury wzrośnie do około piętnastu milionów stopni. Jest to temperatura zapłonu dla reakcji termojądrowych (takich jak przemiana wodoru w hel w bombie wodorowej). W tym czasie jądro obłoku stanie się gwiazdą, „włączając się” i wypromieniowując światło i ciepło w pobliską przestrzeń. Jeśli rotacja jest wystarczająco szybka, formująca się gwiazda rozdzieli się w pewnych warunkach na mniejsze części, tworząc układ podwójny lub wielokrotny gwiazd.
Teraz, gdy gwiazda się formuje, nadal istnieje duży obłok pyłu otaczający gwiazdę i obracający się wraz z nią. W tej chmurze, mgławicy słonecznej, małe, gęstsze regiony zaczynają przyciągać pobliską materię, tak jak w przypadku formowania się gwiazdy. Jednak protoplanety, które wyrastają z tych regionów (w polu grawitacyjnym pobliskiej gwiazdy), nigdy nie wzrastają w wyniku ogrzewania zderzeniowego do temperatury zapłonu termojądrowego, a więc stają się planetami, a nie gwiazdami.
Gerard P. Kuiper, profesor astronomii w Obserwatorium Yerkesa, opisał w ostatnich latach, jak w ten sposób powstają planety. W formujących się protoplanetach istniałaby tendencja do opadania cięższych pierwiastków do centrum, pozostawiając znacznie obfitszy wodór i hel jako główne składniki atmosfery otaczającej nowe planety. Kiedy nowo powstała gwiazda „włącza się”, ciśnienie promieniowania będzie miało tendencję do zdmuchnięcia tej atmosfery.
Jednakże, jeśli protoplaneta jest bardzo masywna, lub bardzo daleko od Słońca, grawitacyjne przyciąganie protoplanety do cząsteczki gazu może być większe niż siła promieniowania próbująca ją zdmuchnąć, a protoplaneta może zachować atmosferę. Atmosfera ta może być pozostałością po proto-atmosferze lub może być wynikiem gazowych ekshalacji z wnętrza planety. Na przykład, obecna atmosfera Ziemi jest wynikiem ekshalacji; obecna atmosfera Jowisza jest szczątkowa.
W taki sposób można zrozumieć, ogólnie, atmosfery planet w tym układzie słonecznym:
- Merkury: Mało masywny, blisko Słońca, zachowuje znikomą atmosferę.
- Wenus: Bardziej masywna niż Merkury, dalej od Słońca, zachowuje tylko ciężki gaz, dwutlenek węgla.
- Ziemia: Zachowuje lżejsze gazy, azot, tlen i parę wodną, ale straciła prawie cały wodór i hel.
- Mars: Chociaż dalej od Słońca, jest mniej masywny niż Ziemia lub Wenus, a więc zachowuje głównie tylko ciężki gaz, dwutlenek węgla.
- Jowisz, Saturn, Uran, Neptun: Znacznie dalej od Słońca i bardzo masywne, zachowują dużo wodoru i helu, podczas gdy inne planety je utraciły.
Jednym z faktów dotyczących naszego Układu Słonecznego, który zabrzmiał jak śmiertelne zagłuszenie wielu kosmogonii, jest to, że chociaż ponad 99 procent masy Układu Słonecznego znajduje się w Słońcu, ponad 98 procent momentu pędu Układu znajduje się w planetach. Jest to tak, jakby bezwładność obrotowa została przeniesiona ze Słońca na planety. H. Alfven wyjaśnił to jako magnetyczne hamowanie rotacji Słońca, spowodowane oddziaływaniem „jego pola magnetycznego ze zjonizowaną mgławicą słoneczną”. Na tej podstawie istnienie mgławicy słonecznej, z której tworzą się układy planetarne, spowoduje, że centralna gwiazda będzie się obracać coraz wolniej.
Teraz pochodzenie planet musi być zależne od temperatury centralnej gwiazdy. Jeśli jest ona zbyt zimna, atmosfera protoplanet nie zostanie zdmuchnięta, co być może doprowadzi do powstania układu planet podobnych do Jowisza, ale jeszcze większych i masywniejszych. Z drugiej strony, jeśli gwiazda jest zbyt gorąca, ciśnienie promieniowania gwałtownie rozproszy mgławicę słoneczną, pozostawiając, jeśli w ogóle, małe planety bez atmosfery lub system milionów maleńkich planetoid. Aby planety mogły powstać, temperatura gwiazdy musi znajdować się pomiędzy tymi ekstremami.
Jest jeszcze jeden powód, aby wierzyć, że gorące gwiazdy nie mają planet. Jeśli powstawanie układów planetarnych i spowolnienie rotacji gwiazd wynikają z istnienia mgławic słonecznych, to powinniśmy oczekiwać, że gorące gwiazdy, które rozpraszają swoje mgławice słoneczne i nie tworzą planet, będą rotować szybciej. To jest dokładnie to, co jest obserwowane! Im gorętsza gwiazda, tym szybsza rotacja. Chłodniejsze gwiazdy obracają się wolniej niż można by się spodziewać.
W temperaturze około 7000 stopni, charakterystycznej dla tak zwanych gwiazd F, następuje nagły duży spadek średniej prędkości rotacji i jest możliwe, być może, że poniżej tej temperatury wszystkie gwiazdy zachowują wystarczającą ilość swoich mgławic słonecznych do formowania planet, (pod warunkiem, że nie zużyły swoich mgławic słonecznych w formowaniu układów podwójnych lub wielokrotnych słońc).
Liczba takich gwiazd wynosi od jednego do dziesięciu procent całkowitej liczby gwiazd, co sugeruje, że istnieje aż dziesięć miliardów układów słonecznych w samej naszej galaktyce. Spośród nich być może jeden procent, czyli 100 milionów posiada planety podobne do Ziemi. Jakie jest prawdopodobieństwo życia na tych światach?
Ponieważ najobficiej występującym pierwiastkiem, kosmicznie, jest wodór, atmosfera wczesnych protoplanet każdego systemu musi zawierać dużo wodoru i związków wodoru. Związki wodoru z węglem, azotem i tlenem są prawdopodobnie najbardziej obfitymi związkami wodoru w proto-atmosferze. Są to, odpowiednio, metan, CH4, amoniak, NH3, i para wodna, H20.
W 1953 roku, Stanley Miller, PhD’54, wtedy student pracujący pod profesorem Harold C. Urey pokazał, że kiedy wodór, metan, amoniak i para wodna są mieszane razem, i dostarczane z energią, niektóre podstawowe związki organiczne są produkowane. (Źródłem energii w protoatmosferach jest prawdopodobnie światło ultrafioletowe ze słońca, wokół którego krąży protoplaneta.)
Związki te to prawie wszystkie aminokwasy, biochemiczne bloki budulcowe, z których konstruowane są białka. Istnieje również pewien powód, aby wierzyć, że aminokwasy prowadzą do powstawania puryn i pirymidyn, które z kolei są budulcem dla kwasów nukleinowych. Białka i kwasy nukleinowe są dwoma podstawowymi składnikami życia, jakie znamy na Ziemi; materiały dziedziczne, takie jak geny i chromosomy składają się prawdopodobnie wyłącznie z kwasów nukleinowych i białek. Ponadto, enzymy, które katalizują powolne reakcje chemiczne, a tym samym uczynić złożone formy życia możliwe, są zawsze proteiny.
Doświadczenia o porównywalnym znaczeniu do tych z Miller zostały wykonane przez S. W. Fox. Fox zastosował ciepło, w zakresie między 100 i 200 stopni Celsjusza, do prostych cząsteczek, takich jak te syntetyzowane przez Millera. W wyniku tej prostej procedury powstawały niewielkie ilości złożonych cząsteczek organicznych, które tak się składa, że są szeroko rozpowszechnione we wszystkich organizmach lądowych. W szczególności Fox wytworzył kwas ureidosuccinic, kluczowy pośrednik w syntezie kwasów nukleinowych. Temperatury wymagane przez Foxa mogą być łatwo dostarczone przez radioaktywne ogrzewanie skorupy ziemskiej. Istnieją dowody, że takie radioaktywne ogrzewanie jest normalną częścią wczesnej ewolucji wszystkich planet.
Teraz jest to naprawdę uderzające, że cząsteczki produkowane przez Millera i Foxa są dokładnie cząsteczki niezbędne do tworzenia życia, jak wiemy. Prawie żadne cząsteczki nie zostały wyprodukowane, które nie są zasadniczo zaangażowane we współczesne organizmy lądowe.
Procesy opisane przez Millera i Foxa prawdopodobnie wystąpiłyby na co najmniej jednej planecie każdej gwiazdy o umiarkowanej temperaturze. Wszystko, co jest wymagane, to sposób zbierania cząsteczek wytwarzanych przez te procesy w jedno miejsce, gdzie mogą one oddziaływać. Ciekły ośrodek na powierzchni planety służy temu celowi znakomicie. Cz±steczki wytwarzane w atmosferze wpadaj± do takich zbiorników cieczy, a cz±steczki wytwarzane na l±dzie w wyniku działania ciepła również s± do nich wmywane. Chociaż morza ciekłego amoniaku lub kwasu fluorowodorowego mogłyby służyć, można wykazać, że morza wody byłyby najbardziej efektywne w zbieraniu i zachowywaniu biomolekuł.
Jedna planeta w każdym systemie, który rozważamy, prawdopodobnie posiadała morza ciekłej wody we wczesnym okresie swojej historii, a zatem na takich planetach można oczekiwać produkcji białek i kwasów nukleinowych.
Białka i kwasy nukleinowe mają pewne niezwykłe właściwości; tak daleko, jak wiemy, takie, których nie ma w żadnych innych cząsteczkach. Mogą one tworzyć nową cząsteczkę, która nie tylko może konstruować inne identyczne cząsteczki z materii unoszącej się w otaczającym ją morzu, ale która, jeśli zostanie w jakiś sposób zmieniona, może również konstruować kopie swojej zmienionej struktury. Taka mutująca, samoreprodukująca się molekuła lub zbiór molekuł musi podlegać naturalnej selekcji. Z tych powodów musi ona zostać zidentyfikowana jako pierwsza żywa istota na danej planecie.
Tak więc w samej tylko galaktyce może istnieć 100 milionów planet, na których kwitną organizmy przynajmniej biochemicznie podobne do nas. Z drugiej strony, dzięki doborowi naturalnemu, organizmy te muszą być dobrze przystosowane, każdy do swojego środowiska. Ponieważ nawet niewielkie różnice w środowisku powodują w końcu ekstremalne różnice w budowie organizmów, nie powinniśmy przyjmować, że pozaziemskie formy życia przypominają cokolwiek znajomego. Ale są powody, by wierzyć, że one tam są.