Viața în Univers

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă revizuită de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 26 septembrie 2018; verificările necesită 17 modificări .

Viața în Univers  - acest termen ar trebui înțeles ca un complex de probleme și sarcini care vizează căutarea vieții . În cel mai general caz, viața este interpretată cât mai larg posibil - ca o formă activă a existenței materiei , într-un sens, cea mai înaltă în comparație cu formele sale fizice și chimice de existență. Astfel, în formularea generală a problemei, nu există nicio cerință ca viața să fie similară cu Pământul și există o serie de teorii care demonstrează că viața poate lua alte forme. Cu toate acestea, abordarea principală utilizată în astrobiologie la construirea strategiilor de căutare constă în două etape [1] :

  1. Studiul originii vieții pe Pământ. Dezvoltarea principalelor prevederi. Rolul scheletului este [2] :
    • Date despre viața geologică a planetei, în special vulcanismul, tectonica și câmpul magnetic.
    • Date despre istoria climei și înțelegerea noastră a mecanismelor care o reglementează.
    • Idei de bază despre structura vieții, în special despre ADN, celule și limitele supraviețuirii organismelor vii
    • Date despre originea organismelor vii și evoluția lor.
  2. Coordonarea principalelor prevederi cu observațiile și teoriile astronomice și căutarea țintită. Include:
    • Căutați exoplanete locuibile
    • Construirea teoriilor formațiunilor, inclusiv în considerarea formațiunilor moleculare complexe, din care ar putea apărea ulterior viața.
    • Studiul sistemului solar și corelarea datelor obținute cu datele privind sistemele extrasolare

De asemenea, căutarea civilizațiilor extraterestre poate fi evidențiată ca o zonă separată de cercetare . Există trei întrebări principale în acest domeniu:

Și aici, în construirea unei strategii de cercetare, un rol extrem de important, dacă nu chiar cheie, revine ecuației Drake , pe lângă tipurile de civilizații conform lui Kardashev . [3]

Studiul vieții pe Pământ

Proprietăți generale ale organismelor vii

În prezent, nu există un consens asupra conceptului de viață, există un număr mare de definiții ale conceptului în funcție de abordare, cu toate acestea, oamenii de știință recunosc în general că manifestarea biologică a vieții se caracterizează prin: organizare , metabolism , creștere , adaptare , răspuns la stimuli și reproducere [4] .

Unitatea structurală și funcțională de bază a aproape tuturor organismelor este celula . Organismele necelulare sunt viruși , care reprezintă o legătură intermediară între natura animată și cea neînsuflețită. În comparație cu o celulă, au o structură foarte simplă - constau doar dintr-un acid nucleic ( ARN sau ADN ) și o înveliș proteic . În plus, virușii își pot desfășura procesele de viață doar în interiorul celulei, în afara acesteia fiind un obiect de natură neînsuflețită.

Celulele au o compoziție chimică similară, principala sa caracteristică este un conținut ridicat de apă și prezența substanțelor organice . Dintre substanțele anorganice, celula conține, pe lângă apă, dioxid de carbon , săruri minerale , baze și acizi . Dintre substanțele organice care formează o celulă se disting proteinele , carbohidrații , lipidele și acizii nucleici .

Originea vieții

În diferite momente au fost înaintate diverse ipoteze ale originii vieții , în momentul de față ipoteza evoluției biochimice este general recunoscută [5] [6] [7] . Potrivit acesteia, în procesul de evoluție biochimică, toate substanțele organice au apărut din substanțele anorganice sub influența energiei externe și a factorilor de selecție și datorită desfășurării proceselor de auto-organizare inerente tuturor sistemelor relativ complexe, care, fără îndoială, sunt toate carbon- conţinând molecule.

Se crede că mai întâi au apărut substanțe organice simple ( alcooli , acizi , compuși heterociclici : purine , pirimidine și pirol ), apoi au fost sintetizate substanțe mai complexe - monozaharide , nucleotide , aminoacizi , acizi grași , care, la rândul lor, au devenit parte din mai multe biopolimeri complecși: polizaharide , acizi nucleici , proteine .

Până în secolul 21 , teoria Oparin-Haldane , care sugerează că apariția primelor organisme a fost precedată de apariția inițială a proteinelor , practic a cedat locul uneia mai moderne. Impulsul dezvoltării sale a fost descoperirea ribozimelor -  molecule de ARN care au activitate enzimatică și, prin urmare, sunt capabile să combine funcții care în celulele reale sunt efectuate în principal separat de proteine ​​și ADN , adică catalizarea reacțiilor biochimice și stocarea informațiilor ereditare . Astfel, se presupune că primele ființe vii au fost organisme ARN fără proteine ​​și ADN, iar prototipul lor ar putea fi un ciclu autocatalitic format din chiar ribozimele capabile să catalizeze sinteza propriilor copii. [opt]

Tot ceea ce se știe despre chimia materiei face posibilă limitarea problemei evoluției chimice la cadrul așa-numitului „ șovinism apă-carbon ”, postulând că viața în Universul nostru este prezentată în singura variantă posibilă: ca un „modul de existență a corpurilor proteice” [9] , care este fezabil datorită unei combinații unice de proprietăți de polimerizare a carbonului și proprietăți de depolarizare ale unui mediu apos în fază lichidă, ca condiții atât necesare și/sau suficiente (?) pentru apariție. și dezvoltarea tuturor formelor de viață cunoscute nouă. Aceasta implică faptul că, cel puțin în cadrul unei biosfere formate , poate exista un singur cod de ereditate comun tuturor ființelor vii dintr-o anumită biotă , dar întrebarea rămâne deschisă dacă există alte biosfere în afara Pământului și dacă alte variante ale aparatului genetic. sunt posibile.

De asemenea, nu se știe când și unde a început evoluția chimică. Orice dată este posibilă după sfârșitul celui de-al doilea ciclu de formare a stelelor, care a avut loc după condensarea produselor exploziilor supernovelor primare , furnizând elemente grele (cu o masă atomică mai mare de 26) în spațiul interstelar. A doua generație de stele , deja cu sisteme planetare îmbogățite în elemente grele care sunt necesare pentru implementarea evoluției chimice, a apărut la 0,5–1,2 miliarde de ani după Big Bang . În anumite condiții destul de probabile, aproape orice mediu poate fi potrivit pentru lansarea evoluției chimice: adâncurile oceanelor, intestinele planetelor, suprafețele acestora, formațiunile protoplanetare și chiar norii de gaz interstelar, ceea ce este confirmat de detectarea pe scară largă în spațiu. prin metode astrofizice a multor tipuri de substanțe organice - aldehide, alcooli, zaharuri și chiar aminoacidul glicina, care împreună pot servi drept material de pornire pentru evoluția chimică, care are ca rezultat final apariția vieții .

Astronomia intră în joc

Chimia vieții în formarea planetelor

Planetele locuibile și căutarea lor

Deoarece existența organismelor vii pe alte planete decât Pământul nu a fost dovedită, nicio planetă nu poate fi considerată potrivită cu încredere, vorbim despre extrapolarea informațiilor despre condițiile fizico-chimice de pe Pământ, precum și din sistemul solar . Aceste caracteristici (tipul de stea, distanța dintre Pământ și Soare, masa și orbita Pământului) contribuie la dezvoltarea nu numai a organismelor unicelulare care pot exista într-o gamă largă de temperaturi, ci și a organismelor pluricelulare. Cercetările în acest domeniu, atât teoretice, cât și experimentale, fac obiectul disciplinei științifice relativ tinere a astrobiologiei , care face parte din știința planetară .

O condiție absolut necesară pentru existența organismelor vii este o sursă de energie , dar potențiala adecvare a planetelor pentru dezvoltarea vieții depinde și de o combinație de factori geofizici , geochimici și astrofizici . În Programul de Dezvoltare a Astrobiologiei NASA , criteriile de adecvare a planetelor pentru dezvoltarea vieții sunt definite astfel: „Arii mari de mediu acvatic lichid; condiții favorabile sintezei substanțelor organice complexe ; precum și disponibilitatea unei surse de energie pentru menținerea metabolismului ” [10] .

În determinarea posibilității de locuință a unei planete, cercetarea se concentrează pe compoziția de bază, caracteristicile orbitei , atmosferei și posibilele reacții chimice. Cele mai importante caracteristici stelare sunt: ​​masa și luminozitatea , stabilitatea și metalitatea ridicată . Planetele stâncoase asemănătoare Pământului și lunile lor , potențial având viață bazată pe carbon (cu toate acestea, teoretic poate avea un aspect complet diferit și se bazează pe un alt element chimic!), Sunt cea mai importantă direcție de cercetare în astrobiologie , deși alte teorii uneori luați în considerare biochimia alternativă și alte tipuri de corpuri cosmice.

La sfârșitul secolului al XX-lea , au existat două descoperiri în acest domeniu. Observarea și studiul de către stațiile interplanetare robotizate ale altor planete și sateliți ai sistemului solar a oferit informații critice pentru determinarea criteriilor de sustenabilitate a vieții și permite comparații geofizice importante între Pământ și alte obiecte. Numărul planetelor extrasolare , descoperite pentru prima dată în 1991 [11] [12] , este în continuă creștere, ceea ce face posibilă obținerea de informații suplimentare cu privire la studiul posibilității vieții extraterestre . Cel mai important, a confirmat că Soarele nu este unicul dintre stele în a avea un sistem planetar și a extins orizontul de căutare dincolo de sistemul solar.

Ecuația Drake și habitatul

În 1960, Frank Donald Drake , profesor de astronomie și astrofizică la Universitatea Santa Cruz din California , a dezvoltat o formulă care ar putea determina numărul de civilizații din galaxie cu care umanitatea are șansa de a intra în contact.

Formula arată astfel:

,

Unde:

  •  - numărul de civilizații inteligente pregătite să ia contact;
  •  - numărul de stele formate pe an în galaxia noastră;
  •  este fracția de stele care au planete;
  •  - numărul mediu de planete (și sateliți) cu condiții adecvate pentru apariția civilizației;
  •  - probabilitatea originii vieții pe o planetă cu condiții adecvate;
  •  - probabilitatea apariției unor forme de viață inteligente pe planeta pe care există viață;
  •  - raportul dintre numărul de planete ai căror locuitori inteligenți sunt capabili să contacteze și îl caută, la numărul de planete pe care există viață inteligentă;
  •  - durata de viață a unei astfel de civilizații (adică timpul în care o civilizație există, este capabilă să ia contact și vrea să ia contact).

Există diverse estimări ale parametrilor ecuației, de la cele extrem de pesimiste la cele mai optimiste. Iată cei mai fiabili parametri până în prezent.

R = rata de formare a stelelor

Evaluat de Drake ca 10/an. Cele mai recente rezultate de la NASA și Agenția Spațială Europeană dau o valoare de 7 pe an. [13]

f p = proporția de stele cu sisteme planetare

Evaluat de Drake ca 0,5. Conform unor studii recente, cel puțin 30% dintre stelele de tip solar au planete [14] , iar având în vedere că se găsesc doar planete mari, această estimare poate fi considerată subestimată. [15] Studiile în infraroșu ale discurilor de praf din jurul stelelor tinere sugerează că 20-60% dintre stelele de tip solar pot forma planete asemănătoare Pământului. [16]

n e = Numărul mediu de planete sau sateliți utilizabili într-un sistem

Scorul lui Drake este 2. Marcy notează [15] că majoritatea planetelor descoperite au orbite extrem de excentrice sau trec prea aproape de stea. Cu toate acestea, sunt cunoscute sisteme care au o stea de tip solar și planete cu orbite favorabile ( HD 70642 , HD 154345 sau Gliese 849 ). Este probabil să aibă planete de tip terestru într-o regiune locuibilă, care nu au fost descoperite din cauza dimensiunilor reduse. Se susține, de asemenea, că viața nu necesită o stea asemănătoare soarelui sau o planetă asemănătoare Pământului pentru ca viața să apară - Gliese 581 d ar putea fi, de asemenea, locuibilă. [17] [18] Deși sunt cunoscute peste 350 de sisteme planetare, acest lucru dă doar . Chiar și pentru o planetă din zona locuibilă , apariția vieții poate fi imposibilă din cauza lipsei anumitor elemente chimice. [19] În plus, există ipoteza unică a Pământului , care afirmă că combinarea tuturor factorilor necesari este extrem de puțin probabilă și poate că Pământul este unic în acest sens. Atunci n e este considerată a fi o cantitate extrem de mică.

f l = Probabilitatea ca viața să apară în condiții adecvate

Evaluat de Drake drept 1. În 2002, Charles Lineweaver și Tamara Davis au estimat f l la > 0,13 pentru planetele cu mai mult de un miliard de ani de istorie, pe baza statisticilor Pământului. [20] Lineweaver a determinat, de asemenea, că aproximativ 10% dintre stelele din galaxie sunt locuibile în ceea ce privește elementele grele, îndepărtarea de supernove și stabilitatea în structură. [21]

f i = Probabilitatea dezvoltării înainte de apariția inteligenței

Estimată de Drake la 0,01.

f c = Procentul civilizațiilor cu capacitatea și dorința de a stabili contact.

Estimată de Drake la 0,01.

L = Speranța de viață a unei civilizații în timpul căreia încearcă să stabilească contactul.

Estimarea lui Drake este de 10.000 de ani. Într-un articol din Scientific American , Michael Schemmer a estimat L la 420 de ani, pe baza exemplului a șaizeci de civilizații istorice. Folosind statistici din civilizațiile „moderne”, a obținut 304 de ani. Cu toate acestea, căderea civilizațiilor nu a fost în general însoțită de o pierdere completă a tehnologiei, ceea ce le-ar împiedica să fie considerate separate în sensul Ecuației Drake. În același timp, lipsa metodelor de comunicare interstelară ne permite și să declarăm această perioadă zero. Valoarea lui L poate fi măsurată de la data creării radioastronomiei în 1938 până în prezent. În 2008, așadar, L are cel puțin 70 de ani. O astfel de estimare, însă, este lipsită de sens - 70 de ani este minim, în absența oricărei presupuneri cu privire la maxim. 10.000 de ani este încă cea mai populară valoare.

Total:

R = 7/an, f p = 0,5, n e = 0,005, f l = 0,13, f i = 0,01, f c = 0,01 și L = 10.000 de ani

Primim:

N = 7 x 0,5 x 0,005 x 0,13 x 0,01 x 0,01 x 10.000 = 0,002275 (fără contactori)

SETI. Caută viață inteligentă

Există trei abordări ale căutării inteligenței extraterestre:

  • Căutați semnale de la civilizațiile extraterestre, bazând pe faptul că mințile semenilor vor căuta și contactul (SETI activ). Există trei probleme principale cu această abordare: ce să cauți, cum să cauți și unde să cauți.
  • Trimiteți un așa-numit „semnal gata”, în speranța că cineva va căuta acest semnal (SETI activ). Principalele probleme ale acestei abordări sunt practic aceleași cu cele ale primei abordări, cu excepția problemelor tehnice mai mici.
  • Căutați semnale ale civilizațiilor extraterestre, indiferent de dorința lor de a lua contact (SETI pasiv), de exemplu, modificări ale condițiilor naturale datorate dezvoltării tehnologice. Principala problemă aici este să distingem semnalul civilizației de radiația naturală a planetei în sine.

O abordare este exprimată în NASA - programul finanțat pentru ascultarea semnalelor electromagnetice artificiale - pe ipoteza că orice civilizație avansată tehnologic ar trebui să ajungă la crearea unor sisteme de semnale radio-televiziune sau radar - la fel ca pe Pământ. Cele mai timpurii semnale electromagnetice de pe Pământ ar putea călători până acum în toate direcțiile pe o distanță de aproape 100 de ani lumină. Încercările de a izola semnalele extraterestre îndreptate spre Pământ au rămas până acum fără succes, dar numărul de stele „testate” în acest fel este mai mic de 0,1% din numărul de stele care încă așteaptă cercetări, dacă există o probabilitate semnificativă statistic de a găsi extraterestre. civilizatii.

În 2011, astronomii Abraham Loeb de la Universitatea Harvard și Edwin Turner de la Universitatea Princeton au propus o nouă schemă pentru căutarea civilizațiilor extraterestre . Propunerea lor este să caute civilizații extraterestre prin iluminarea posibilelor lor orașe situate pe partea de noapte a planetelor lor. Există, de asemenea, îndoieli că civilizațiile extraterestre avansate pot folosi unde radio care ar putea fi înregistrate la distanțe cosmice. [22]

În noua lucrare, oamenii de știință au propus să caute urme „ușoare” ale civilizațiilor extraterestre. Deci, de exemplu, ei propun să înregistreze iluminarea părții nocturne a exoplanetelor (de exemplu, prin lumina orașelor). Presupunând că orbita planetei este eliptică , astronomii au arătat că este posibil să se măsoare variația luminozității unui obiect și să detecteze dacă partea întunecată a acestuia este iluminată. În același timp, totuși, oamenii de știință presupun că luminozitatea părții întunecate este comparabilă cu luminozitatea zilei (pentru Pământ, aceste valori sunt diferite cu cinci ordine de mărime).

În plus, oamenii de știință intenționează să caute obiecte strălucitoare în centurile Kuiper din jurul altor stele, cu analiza spectrală ulterioară a radiației acestora. Astronomii cred că o astfel de analiză va determina natura luminii - dacă este naturală sau artificială. Oamenii de știință subliniază că toate opțiunile propuse sunt irealizabile folosind tehnologia existentă. În același timp, în opinia lor, telescoapele de nouă generație, cum ar fi americanul „ James Webb ”, ar putea face față sarcinilor descrise în lucrare.

Fundal

Note

  1. ↑ Edwin A. Bergin. Astrobiologie: perspectiva unui astronom. - 2013. - arXiv : 1309,4729 .
  2. ↑ Jeffrey Bennett, Seth Shostak. Viața în univers. - al 3-lea. - 2012. - ISBN 0-321-68767-1 .
  3. ↑ Adam Frank, Woodruff Sullivan. Durabilitatea și perspectiva astrobiologică: încadrarea viitorului uman într-un context planetar. - 2013. - arXiv : 1310.3851 .
  4. ↑ Definiția vieții . Academia de Științe din California (2006). Consultat la 7 ianuarie 2007. Arhivat din original pe 21 august 2011.
  5. ↑ Futuyma DJ Evolution. - Sunderland: Sinauer Associates, 2005. - P. 92-94. - ISBN 0-878-93187-2 .
  6. ↑ Ridley M. Evoluția. — Ed. a 3-a. - Wiley-Blackwell, 2004. - P. 529-531. — 751 p. — ISBN 978-1-4051-0345-9 .
  7. ↑ Rauchfuss, Horst. Evoluția chimică și originea vieții. - Springer, 2008. - ISBN 978-3-540-78822-5 .
  8. ↑ Nașterea complexității. Biologia evoluționistă astăzi: descoperiri neașteptate și întrebări noi / A. V. Markov. — M.: Astrel: CORPUS, 2010. — S. 60.
  9. ↑ Engels F. Anti-Dühring; Marx K. și Engels F., Opere, ed. a 2-a, vol. 20, p. 82.
  10. ↑ Scopul 1: Înțelegerea naturii și distribuția mediilor locuibile din Univers . Astrobiologie: foaie de parcurs . NASA . Preluat la 11 august 2007. Arhivat din original la 11 martie 2012.
  11. ↑ Wolszczan, A. & Frail, DA (9 ianuarie 1992), A planetary system around the millisecond pulsar PSR1257+12 , Nature T. 355: 145–147, doi : 10.1038/355145a0 , < http://www.nature. com/nature/journal/v355/n6356/abs/355145a0.html > Arhivat 23 octombrie 2006 la Wayback Machine 
  12. ↑ Wolszczan, A (22 aprilie 1994), Confirmation of Earth Mass Planets Orbiting the Millisecond Pulsar PSR:B1257+12 , Science T. V.264, (NO.5158): 538 , < http://adsabs.harvard.edu/cgi- bin/nph-bib_query?bibcode=1994Sci...264..538W >  
  13. ↑ Calea Lactee produce șapte stele noi pe an, spun oamenii de știință . Centrul de zbor spațial Goddard, NASA. Preluat la 8 mai 2008. Arhivat din original la 22 august 2011.
  14. ↑ Un trio de Super-Pământuri . Observatorul European de Sud. Consultat la 24 iunie 2008. Arhivat din original pe 22 august 2011.
  15. ↑ 12 Marcy , G .; Butler, R.; Fischer, D.; et al.  Proprietățile observate ale exoplanetelor : mase, orbite și metalități  // Progresul suplimentului de fizică teoretică : jurnal. - 2005. - Vol. 158 . - P. 24 - 42 . - doi : 10.1086/172208 . Arhivat din original pe 2 octombrie 2008. Copie arhivată (link indisponibil) . Consultat la 11 octombrie 2017. Arhivat din original pe 2 octombrie 2008. 
  16. ↑ Multe, poate cele mai multe, stele asemănătoare soarelui din apropiere pot forma planete stâncoase . Arhivat din original pe 22 august 2011.
  17. ↑ W. von Bloh, C. Bounama, M. Cuntz și S. Franck. Habitabilitatea super-Pământurilor în Gliese 581  // Astronomie și Astrofizică  : jurnal  . - 2007. - Vol. 476 . — P. 1365 . - doi : 10.1051/0004-6361:20077939 .
  18. ↑ F. Selsis, JF Kasting, B. Levrard, J. Paillet, I. Ribas și X. Delfosse. Planete locuibile în jurul stelei Gliese 581?  (Engleză)  // Astronomie și Astrofizică  : jurnal. - 2007. - Vol. 476 . - P. 1373 . - doi : 10.1051/0004-6361:20078091 .
  19. ↑ Trimble, V. Originea elementelor biologic importante // Orig Life Evol Biosph .. - 1997. - V. 27 , Nr. 1-3 . - P. 3-21 . - doi : 10.1023/A:1006561811750 . — PMID 9150565 .
  20. ↑ Lineweaver, CH & Davis, T.M. Apariția rapidă a vieții pe Pământ sugerează că viața este comună în univers? (engleză)  // Astrobiologie: jurnal. - 2002. - Vol. 2 , nr. 3 . - P. 293-304 . - doi : 10.1089/153110702762027871 . — PMID 12530239 .
  21. ↑ O zecime din stele poate susține viața . New Scientist (1 ianuarie 2004). Preluat la 8 mai 2008. Arhivat din original la 22 august 2011.
  22. ↑ arXiv : 1110,6181

Literatură

Link -uri