Livet i universum

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 26 september 2018; kontroller kräver 17 redigeringar .

Livet i universum  - denna term ska förstås som ett komplex av problem och uppgifter som syftar till att söka efter liv . I det mest allmänna fallet tolkas livet så brett som möjligt - som en aktiv form av materiens existens , i viss mening den högsta i jämförelse med dess fysiska och kemiska existensformer. I den allmänna formuleringen av problemet finns det alltså inget krav på att livet ska likna jorden, och det finns ett antal teorier som bevisar att liv kan ta andra former. Men det huvudsakliga tillvägagångssättet som används inom astrobiologi när man bygger sökstrategier består av två steg [1] :

  1. Studiet av livets ursprung på jorden. Utveckling av de viktigaste bestämmelserna. Skelettets roll är [2] :
    • Data om planetens geologiska liv, i synnerhet vulkanism, tektonik och magnetfält.
    • Data om klimatets historia och vår förståelse av de mekanismer som reglerar det.
    • Grundläggande idéer om livets struktur, särskilt om DNA, celler och gränserna för levande organismers överlevnad
    • Data om levande organismers ursprung och deras utveckling.
  2. Samordning av huvudbestämmelserna med astronomiska observationer och teorier och riktad sökning. Inkluderar:
    • Sök efter beboeliga exoplaneter
    • Konstruktionen av teorier om formationer, inklusive i övervägandet av komplexa molekylära formationer, från vilka liv senare kan uppstå.
    • Studiet av solsystemet och korrelationen av erhållna data med data om extrasolära system

Dessutom kan sökandet efter utomjordiska civilisationer pekas ut som ett separat forskningsområde . Det finns tre huvudfrågor inom detta område:

Och här, i att bygga en forskningsstrategi, tillhör en extremt viktig, om inte nyckelroll, Drake-ekvationen , förutom de typer av civilisationer enligt Kardashev . [3]

Studie av livet på jorden

Generella egenskaper hos levande organismer

För närvarande finns det ingen konsensus om begreppet liv, det finns ett stort antal definitioner av begreppet beroende på tillvägagångssättet, men forskare inser generellt att den biologiska manifestationen av livet kännetecknas av: organisation , metabolism , tillväxt , anpassning , respons på stimuli och reproduktion [4] .

Den grundläggande strukturella och funktionella enheten för nästan alla organismer är cellen . Icke-cellulära organismer är virus , som är en mellanliggande länk mellan livlig och livlös natur. Jämfört med en cell har de en mycket enkel struktur - de består bara av en nukleinsyra ( RNA eller DNA ) och ett proteinskal . Dessutom kan virus utföra sina livsprocesser endast inuti cellen, utanför den är de ett objekt av livlös natur.

Celler har en liknande kemisk sammansättning, dess huvudsakliga egenskap är en hög vattenhalt och närvaron av organiska ämnen . Av de oorganiska ämnena innehåller cellen, förutom vatten, koldioxid , mineralsalter , baser och syror . Bland de organiska ämnen som bildar en cell urskiljs proteiner , kolhydrater , lipider och nukleinsyror .

Livets ursprung

Vid olika tidpunkter lades olika hypoteser om livets ursprung fram , för närvarande är hypotesen om biokemisk evolution allmänt erkänd [5] [6] [7] . Enligt den, i processen för biokemisk evolution, uppstod alla organiska ämnen från oorganiska ämnen under påverkan av extern energi och urvalsfaktorer och på grund av utbyggnaden av självorganiseringsprocesser som är inneboende i alla relativt komplexa system, som utan tvekan alla är kol- som innehåller molekyler.

Man tror att enkla organiska ämnen uppstod först ( alkoholer , syror , heterocykliska föreningar : puriner , pyrimidiner och pyrrol ), sedan syntetiserades mer komplexa ämnen - monosackarider , nukleotider , aminosyror , fettsyror , som i sin tur blev en del av fler komplexa biopolymerer: polysackarider , nukleinsyror , proteiner .

På 2000-talet har Oparin-Haldane-teorin , som antyder att de första organismernas uppkomst föregicks av det första uppkomsten av proteiner , praktiskt taget gett vika för en mer modern. Drivkraften för dess utveckling var upptäckten av ribozymer - RNA-  molekyler som har enzymatisk aktivitet och därför kan kombinera funktioner som i verkliga celler huvudsakligen utförs separat av proteiner och DNA , det vill säga katalysera biokemiska reaktioner och lagra ärftlig information. Således antas det att de första levande varelserna var RNA-organismer utan proteiner och DNA, och deras prototyp skulle kunna vara en autokatalytisk cykel som bildas av just de ribozymer som kan katalysera syntesen av sina egna kopior. [åtta]

Allt som är känt om materiens kemi gör det möjligt att begränsa problemet med kemisk evolution till ramen för den så kallade " vatten-kol-chauvinismen ", som postulerar att livet i vårt universum presenteras i den enda möjliga varianten: som en "existenssätt för proteinkroppar" [9] , vilket är genomförbart på grund av en unik kombination av polymerisationsegenskaper hos kol och depolariserande egenskaper hos ett vattenhaltigt medium i vätskefas, som både nödvändiga och/eller tillräckliga (?) villkor för uppkomsten och utveckling av alla livsformer som vi känner till. Detta innebär att det, åtminstone inom en bildad biosfär , endast kan finnas en arvskod gemensam för alla levande varelser i en given biota , men frågan är fortfarande öppen om det finns andra biosfärer utanför jorden och om andra varianter av den genetiska apparaten är möjliga.

Det är också okänt när och var den kemiska utvecklingen började. Alla datum är möjliga efter slutet av den andra cykeln av stjärnbildning, som inträffade efter kondensationen av produkterna från explosioner av primära supernovor , som försörjer tunga element (med en atommassa på mer än 26) till det interstellära rymden. Den andra generationen av stjärnor , redan med planetsystem berikade med tunga grundämnen som är nödvändiga för genomförandet av kemisk utveckling, dök upp 0,5–1,2 miljarder år efter Big Bang . Under vissa ganska troliga förhållanden kan nästan vilken miljö som helst vara lämplig för att starta kemisk evolution: havens djup, planeternas tarmar, deras ytor, protoplanetära formationer och till och med moln av interstellär gas, vilket bekräftas av den utbredda upptäckten i rymden genom astrofysikmetoder för många typer av organiska ämnen - aldehyder, alkoholer, sockerarter och till och med aminosyran glycin, som tillsammans kan fungera som utgångsmaterial för kemisk evolution, som har som slutresultat livets uppkomst .

Astronomi spelar in

Livets kemi vid bildningen av planeter

Beboeliga planeter och deras sökning

Eftersom existensen av levande organismer på andra planeter än jorden inte har bevisats, kan någon planet inte med säkerhet anses vara lämplig, vi talar om att extrapolera information om de fysikalisk-kemiska förhållandena på jorden, såväl som i solsystemet . Dessa egenskaper (typ av stjärna, avståndet mellan jorden och solen, jordens massa och omloppsbana ) bidrar till utvecklingen av inte bara encelliga organismer som kan existera i ett brett temperaturområde, utan också flercelliga organismer. Forskning inom detta område, både teoretisk och experimentell, är föremål för den relativt unga vetenskapliga disciplinen astrobiologi , som är en del av planetvetenskapen .

En absolut nödvändig förutsättning för existensen av levande organismer är en energikälla , men planeternas potentiella lämplighet för utveckling av liv beror också på en kombination av geofysiska , geokemiska och astrofysiska faktorer. I NASA :s Astrobiology Development Program definieras kriterierna för planeters lämplighet för utveckling av liv som: ”Stora områden med flytande vattenmiljö; förhållanden som främjar syntesen av komplexa organiska ämnen ; samt tillgången på en energikälla för att upprätthålla ämnesomsättningen " [10] .

Vid bestämning av en planets potentiella beboelighet fokuserar forskningen på den grundläggande sammansättningen, omloppsbanans egenskaper , atmosfären och möjliga kemiska reaktioner. De viktigaste stjärnegenskaperna är: massa och ljusstyrka , stabilitet och hög metallicitet . Steniga jordliknande planeter och deras månar , som potentiellt har liv baserat på kol (dock teoretiskt kan det ha ett helt annat utseende och baseras på ett annat kemiskt element!), är den viktigaste forskningsriktningen inom astrobiologi , även om andra teorier ibland överväga alternativ biokemi och andra typer av kosmiska kroppar.

I slutet av 1900-talet skedde två genombrott på detta område. Observation och studie av robotbaserade interplanetära stationer av andra planeter och satelliter i solsystemet har gett kritisk information för att bestämma livshållbarhetskriterier och möjliggör viktiga geofysiska jämförelser mellan jorden och andra objekt. Antalet extrasolära planeter , som först upptäcktes 1991 [11] [12] , växer ständigt, vilket gör det möjligt att få ytterligare information om studiet av möjligheten till utomjordiskt liv . Viktigast av allt, det bekräftade att solen inte är unik bland stjärnorna genom att ha ett planetsystem och utökade sökhorisonten bortom solsystemet.

Drake Ekvationen och Habitat

1960 utvecklade Frank Donald Drake , professor i astronomi och astrofysik vid Santa Cruz University i Kalifornien , en formel som kunde bestämma antalet civilisationer i galaxen som mänskligheten har en chans att komma i kontakt med.

Formeln ser ut så här:

,

var:

  •  - antalet intelligenta civilisationer redo att ta kontakt;
  •  - antalet stjärnor som bildas per år i vår galax;
  •  är bråkdelen av stjärnor som har planeter;
  •  - det genomsnittliga antalet planeter (och satelliter) med lämpliga förhållanden för civilisationens uppkomst;
  •  - sannolikheten för uppkomsten av liv på en planet med lämpliga förhållanden;
  •  - sannolikheten för uppkomsten av intelligenta livsformer på planeten där det finns liv;
  •  - förhållandet mellan antalet planeter vars intelligenta invånare kan komma i kontakt med och letar efter det, och antalet planeter på vilka det finns intelligent liv;
  •  - livstiden för en sådan civilisation (det vill säga den tid under vilken en civilisation existerar, kan ta kontakt och vill ta kontakt).

Det finns olika uppskattningar av parametrarna i ekvationen, från de extremt pessimistiska till de mest optimistiska. Här är de mest tillförlitliga parametrarna hittills.

R = stjärnbildningshastighet

Bedömd av Drake som 10/år. De senaste resultaten från NASA och European Space Agency ger ett värde på 7 per år. [13]

f p = andel stjärnor med planetsystem

Bedömd av Drake som 0,5. Enligt nyare studier har minst 30 % av stjärnorna av soltyp planeter [14] , och med tanke på att det bara finns stora planeter kan denna uppskattning anses underskattad. [15] Infraröda studier av dammskivor runt unga stjärnor tyder på att 20-60 % av stjärnorna av soltyp kan bilda jordliknande planeter. [16]

n e = Genomsnittligt antal användbara planeter eller satelliter i ett system

Drakes poäng är 2. Marcy noterar [15] att de flesta av de upptäckta planeterna har mycket excentriska banor eller passerar för nära stjärnan. Det är dock kända system som har en stjärna av soltyp och planeter med gynnsamma banor ( HD 70642 , HD 154345 , eller Gliese 849 ). Det är troligt att de har jordliknande planeter i ett beboeligt område, som inte upptäcktes på grund av deras ringa storlek. Det hävdas också att livet inte kräver en solliknande stjärna eller en jordliknande planet för att liv ska uppstå – Gliese 581 d skulle också kunna vara beboelig. [17] [18] Även om över 350 planetsystem är kända, ger detta bara . Även för en planet i den beboeliga zonen kan uppkomsten av liv vara omöjligt på grund av bristen på vissa kemiska element. [19] Dessutom finns den unika jordhypotesen , som säger att kombinationen av alla nödvändiga faktorer är extremt osannolik, och kanske jorden är unik i detta avseende. Då anses n e vara ett extremt litet värde.

f l = Sannolikheten för att liv inträffar under lämpliga förhållanden

Bedömd av Drake som 1. År 2002 uppskattade Charles Lineweaver och Tamara Davis f l till > 0,13 för planeter med mer än en miljard års historia baserat på jordens statistik. [20] Lineweaver fastställde också att omkring 10 % av stjärnorna i galaxen är beboeliga när det gäller att ha tunga grundämnen, som rör sig bort från supernovor och är någorlunda stabila i strukturen. [21]

f i = Sannolikhet för utveckling före uppkomsten av intelligens

Uppskattad av Drake till 0,01.

f c = Andel civilisationer med förmåga och vilja att etablera kontakt.

Uppskattad av Drake till 0,01.

L = förväntad livslängd för en civilisation under vilken den försöker etablera kontakt.

Drakes uppskattning är 10 000 år. I en artikel i Scientific American uppskattade Michael Schemmer L till 420 år baserat på exemplet med sextio historiska civilisationer. Med hjälp av statistik från "moderna" civilisationer fick han 304 år. Civilisationernas fall har dock i allmänhet inte åtföljts av en fullständig förlust av teknologi, vilket skulle hindra dem från att betraktas som separata i Drake-ekvationens mening. Samtidigt tillåter bristen på metoder för interstellär kommunikation oss också att förklara denna period noll. Värdet på L kan mätas från datumet för skapandet av radioastronomi 1938 till idag. År 2008 är L alltså minst 70 år. En sådan uppskattning är dock meningslös - 70 år är minimum, i avsaknad av några gissningar om maximinivån. 10 000 år är fortfarande det populäraste värdet.

Total:

R = 7/år, f p = 0,5, n e = 0,005, fl = 0,13, fi = 0,01, f c = 0,01 och L = 10 000 år

Vi får:

N = 7 x 0,5 x 0,005 x 0,13 x 0,01 x 0,01 x 10 000 = 0,002275 (inga kontaktorer)

SETI. Sök efter intelligent liv

Det finns tre sätt att söka efter utomjordisk intelligens:

  • Leta efter signaler från utomjordiska civilisationer, och räkna med att andra sinnen också kommer att leta efter kontakt (aktiv SETI). Det finns tre huvudproblem med detta tillvägagångssätt: vad man ska leta efter, hur man ska leta och var man ska leta.
  • Skicka en så kallad "klarsignal", i hopp om att någon ska leta efter denna signal (aktiv SETI). Huvudproblemen med detta tillvägagångssätt är praktiskt taget desamma som i det första tillvägagångssättet, med undantag för mindre tekniska problem.
  • Leta efter signaler om utomjordiska civilisationer, oavsett deras önskan att ta kontakt (passiv SETI), till exempel förändringar i naturliga förhållanden på grund av teknisk utveckling. Huvudproblemet här är att skilja civilisationens signal från den naturliga strålningen från planeten själv.

Ett tillvägagångssätt uttrycks i det NASA - finansierade programmet för att lyssna på artificiella elektromagnetiska signaler - med antagandet att vilken tekniskt avancerad civilisation som helst bör komma till skapandet av system för radio-tv eller radarsignaler - samma som på jorden. De tidigaste elektromagnetiska signalerna på jorden kunde vid det här laget färdas i alla riktningar över ett avstånd på nästan 100 ljusår. Försök att isolera främmande signaler riktade mot jorden har hittills varit misslyckade, men antalet stjärnor som "testats" på detta sätt är mindre än 0,1 % av antalet stjärnor som fortfarande väntar på forskning, om det finns en statistiskt signifikant sannolikhet att hitta utomjordiska civilisationer.

2011 föreslog astronomerna Abraham Loeb från Harvard University och Edwin Turner från Princeton University ett nytt system för sökandet efter utomjordiska civilisationer . Deras förslag är att söka efter främmande civilisationer genom att belysa deras möjliga städer som ligger på nattsidan av deras planeter. Det finns också tvivel om att avancerade utomjordiska civilisationer kan använda radiovågor som kan registreras på kosmiska avstånd. [22]

I det nya arbetet föreslog forskare att leta efter "lätta" spår av utomjordiska civilisationer. Så, till exempel, föreslår de att registrera belysningen av nattsidan av exoplaneter , (till exempel genom ljuset från städer). Om man antar att planetens bana är elliptisk har astronomer visat att det är möjligt att mäta variationen i ett objekts ljusstyrka och upptäcka om dess mörka sida är upplyst. Samtidigt antar forskare dock att ljusstyrkan på den mörka sidan är jämförbar med ljusstyrkan på dagen (för jorden skiljer sig dessa värden med fem storleksordningar).

Dessutom avser forskare att leta efter ljusa objekt i Kuiperbälten runt andra stjärnor med efterföljande spektralanalys av deras strålning. Astronomer tror att en sådan analys kommer att avgöra belysningens natur - om den är naturlig eller artificiell. Forskare betonar att alla de föreslagna alternativen är orealiserbara med hjälp av befintlig teknik. Samtidigt, enligt deras åsikt, kan den nya generationens teleskop, som amerikanen " James Webb ", mycket väl klara de uppgifter som beskrivs i tidningen.

Bakgrund

Anteckningar

  1. ↑ Edwin A. Bergin. Astrobiologi: En astronoms perspektiv. - 2013. - arXiv : 1309.4729 .
  2. ↑ Jeffrey Bennett, Seth Shostak. Livet i universum. - 3:a. - 2012. - ISBN 0-321-68767-1 .
  3. ↑ Adam Frank, Woodruff Sullivan. Hållbarhet och det astrobiologiska perspektivet: Rama in mänskliga framtider i ett planetariskt sammanhang. - 2013. - arXiv : 1310.3851 .
  4. ↑ Definition av liv . California Academy of Sciences (2006). Hämtad 7 januari 2007. Arkiverad från originalet 21 augusti 2011.
  5. ↑ Futuyma DJ Evolution. - Sunderland: Sinauer Associates, 2005. - S. 92-94. - ISBN 0-878-93187-2 .
  6. ↑ Ridley M. Evolution. — 3:e uppl. - Wiley-Blackwell, 2004. - P. 529-531. — 751 sid. — ISBN 978-1-4051-0345-9 .
  7. ↑ Rauchfuss, Horst. Kemisk evolution och livets ursprung. - Springer, 2008. - ISBN 978-3-540-78822-5 .
  8. ↑ Komplexitetens födelse. Evolutionsbiologi idag: oväntade upptäckter och nya frågor / A. V. Markov. — M.: Astrel: CORPUS, 2010. — S. 60.
  9. ↑ Engelska F. Anti-Dühring; Marx K. och Engels F., Works, 2nd ed., vol. 20, sid. 82.
  10. ↑ Mål 1: Förstå naturen och fördelningen av beboeliga miljöer i universum . Astrobiologi: Färdkarta . NASA . Hämtad 11 augusti 2007. Arkiverad från originalet 11 mars 2012.
  11. ↑ Wolszczan, A. & Frail, DA (9 januari 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 > Arkiverad 23 oktober 2006 på Wayback Machine 
  12. ↑ Wolszczan, A (22 april 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. ↑ Vintergatan slår ut sju nya stjärnor per år, säger forskare . Goddard Space Flight Center, NASA. Hämtad 8 maj 2008. Arkiverad från originalet 22 augusti 2011.
  14. ↑ En trio av Super-Earths . Europeiska sydobservatoriet. Hämtad 24 juni 2008. Arkiverad från originalet 22 augusti 2011.
  15. ↑ 12 Marcy , G .; Butler, R.; Fischer, D.; et al.  Observerade egenskaper hos exoplaneter : massor, banor och metalliciteter  // Tillägg för teoretisk fysik : journal. - 2005. - Vol. 158 . - S. 24 - 42 . - doi : 10.1086/172208 . Arkiverad från originalet den 2 oktober 2008. Arkiverad kopia (inte tillgänglig länk) . Hämtad 11 oktober 2017. Arkiverad från originalet 2 oktober 2008. 
  16. ↑ Många, kanske mest, närliggande solliknande stjärnor kan bilda steniga planeter . Arkiverad från originalet den 22 augusti 2011.
  17. ↑ W. von Bloh, C. Bounama, M. Cuntz och S. Franck. Superjordarnas beboelighet i Gliese 581  // Astronomy and Astrophysics  : journal  . - 2007. - Vol. 476 . — S. 1365 . - doi : 10.1051/0004-6361:20077939 .
  18. ↑ F. Selsis, JF Kasting, B. Levrard, J. Paillet, I. Ribas och X. Delfosse. Beboeliga planeter runt stjärnan Gliese 581?  (engelska)  // Astronomy and Astrophysics  : journal. - 2007. - Vol. 476 . - S. 1373 . - doi : 10.1051/0004-6361:20078091 .
  19. ↑ Trimble, V. Ursprunget till de biologiskt viktiga elementen // Orig Life Evol Biosph .. - 1997. - V. 27 , No. 1-3 . - S. 3-21 . - doi : 10.1023/A:1006561811750 . — PMID 9150565 .
  20. ↑ Lineweaver, CH & Davis, T.M. Tycker det snabba uppkomsten av liv på jorden att liv är vanligt i universum? (engelska)  // Astrobiologi: tidskrift. - 2002. - Vol. 2 , nr. 3 . - s. 293-304 . - doi : 10.1089/153110702762027871 . — PMID 12530239 .
  21. ↑ En tiondel av stjärnorna kan stödja liv . New Scientist (1 januari 2004). Hämtad 8 maj 2008. Arkiverad från originalet 22 augusti 2011.
  22. ↑ arXiv : 1110.6181

Litteratur

Länkar