Plats: University of Edinburgh, Skottland och Harvard University, USA
Datum: 15 december 2024
Det är naturligt att vi tänker på planeter som de enda platserna där liv kan existera, eftersom vi själva lever på en sådan. Men två forskare från Skottland och USA föreslår att liv kan finnas även utan planeter. De uppmanar oss att överväga om andra miljöer, till och med sådana som upprätthålls av organismer själva, kan tillhandahålla de nödvändiga förutsättningarna för liv.
I en ny studie publicerad i tidskriften Astrobiology, visar forskarna att ekosystem kan skapa och upprätthålla de villkor som krävs för deras egen överlevnad utan att behöva en planet.
Artikeln heter ”Self-Sustaining Living Habitats in Extraterrestrial Environments” och är skriven av Robin Wordsworth, professor i jord- och planetvetenskap vid Harvard, och Charles Cockell, professor i astrobiologi vid School of Physics and Astronomy vid University of Edinburgh.
”Standarddefinitioner av beboelighet antar att liv kräver närvaro av planetära gravitationsbrunnar för att stabilisera flytande vatten och reglera yttemperatur,” skriver de. ”Här utvärderas konsekvenserna av att avslappna denna antagande.”
Wordsworth och Cockell förklarar att biologiskt genererade barriärer och strukturer kan imitera de planetära villkoren som gör liv möjligt utan planeten. De kan släppa igenom ljus för fotosyntes samtidigt som de blockerar UV-ljus. De kan också förhindra förlust av flyktiga ämnen i vakuum och upprätthålla den temperatur- och tryckintervall som krävs för att vatten ska förbli flytande.
”Biologiskt genererade barriärer som kan överföra synligt ljus, blockera ultraviolett och upprätthålla temperaturgradienter på 25-100 K och tryckskillnader på 10 kPa mot vakuumet i rymden kan möjliggöra beboeliga förhållanden mellan 1 och 5 astronomiska enheter i solsystemet,” skriver de.
För att förstå begränsningarna för liv utanför jorden kan vi börja med att granska varför vår hemplanet är en bra miljö för liv i första hand, skriver forskarna.
Jorden gör mer än att bara tillhandahålla flytande vatten och skydd mot strålning. Den är ett helt system med lager av interagerande komplexitet.
Planetens yta är exponerad för en lättillgänglig energikälla från solen som driver hela biosfären. De element som vi anser vara essentiella för liv är tillgängliga, även om de ibland är begränsade: kol, väte, kväve, syre, fosfor och svavel. De cirkulerar genom biosfären via vulkanism och plattetektonik och blir tillgängliga igen.
Jorden är också oxiderande i atmosfären och på ytan, och reducerande i andra regioner som sediment och den djupa undermarken. Detta gör det möjligt att ”utnyttja redoxgradienter för metaboliska ändamål,” förklarar författarna.
Dessa villkor finns inte annorstädes. Astrobiologi riktar in sig på solsystemets frusna månar på grund av deras varma, salta hav. Men har de näringsämnestykler?
Objekt med låg massa i det yttre solsystemet har stor yta, men solens energi är svag. Det är osannolikt att de kan hålla kvar sina atmosfärer, så det rätta trycket och temperaturen för flytande vatten är oåtkomligt. De är också oskyddade mot UV-strålning och kosmisk strålning.
”För att överleva utanför jorden måste varje levande organism modifiera eller anpassa sig till sin miljö tillräckligt för att övervinna dessa utmaningar,” skriver författarna.
Forskarna påpekar att biologiska material här på jorden redan kan göra det. Det är tänkbart att ekosystem kan utveckla de villkor som krävs för deras egen överlevnad, och om fotosyntetiskt liv kan göra det i vakuumet i rymden, då kan vi också göra det. Det skulle vara en stor fördel för mänsklig rymdexploration.
Det börjar med vatten, och när det gäller flytande vatten, talar forskare om dess trippelpunkt. En trippelpunkt är en termodynamisk referenspunkt som förklarar fasövergångar och hur vatten beter sig under olika tryck och temperaturer.
”Det minsta tryck som krävs för att upprätthålla flytande vatten är trippelpunkten: 611,6 Pa vid 0°C (273 K),” förklarar forskarna. Detta tal stiger till några kPa mellan 15 och 25 Celsius.
Cyanobakterier kan växa med luftheadspace-tryck på 10 kPa, så länge ljuset, temperaturen och pH-värdet är i rätt intervall. Frågan är, finns det några levande organismer som vi känner till som genererar väggar som kan upprätthålla 10 kPa?
”Interna tryckskillnader på 10 kPa är lätta att upprätthålla av biologiska material och faktiskt vanliga i makroskopiska organismer på jorden,” skriver författarna. ”Blodtryckshöjningen från huvudet till fötterna hos en 1,5 meter hög människa är cirka 15 kPa.”
Tång kan också upprätthålla interna flytande nodultryck på 15-25 kPa genom att släppa ut CO2 från fotosyntesen.
Temperatur är nästa övervägande när det gäller flytande vatten. Jorden upprätthåller sin temperatur genom den atmosfäriska växthuseffekten. Men små steniga kroppar kan troligen inte replikera detta.
”Därför måste ett biologiskt genererat habitat uppnå samma effekt via fast tillståndsfysik,” skriver författarna.
Inkommande energi och utgående energi måste balanseras, och vissa organismer på jorden har utvecklats för att upprätthålla denna balans.
”Sahariska silvermyror har till exempel utvecklat förmågan att förbättra både sin ytnära-infraröd reflektivitet och sin termiska emissivitet, vilket gör att de kan överleva i omgivande temperaturer över intervallet för alla andra kända leddjur,” skriver Wordsworth och Cockell. Det gör att de kan överleva genom att söka föda i värme på dagen när predatorer måste stanna utanför solen.
Människor har tillverkat silikon-aerogeler med extremt låg densitet och termisk ledningsförmåga. Även om det inte finns några direkta biologiska motsvarigheter, skriver författarna att ”många organismer existerar i naturen som producerar komplexa silika-strukturer.”
Faktiskt kan vissa diatomer producera silika-strukturer genom att manipulera silika-partiklar som är mindre än de som används i våra tillverkningsprocesser. Aerogeler som tillverkas av organiska material har liknande egenskaper som de konstgjorda.
”Med tanke på detta är det troligt att mycket värmeisolerande material kan produceras konstgjort från biogena råvaror eller till och med direkt av levande organismer,” skriver författarna.
Författarna beräknade att dessa typer av strukturer skulle kunna upprätthålla den rätta temperaturen och trycket för att upprätthålla flytande vatten.
”Som synes är det möjligt att upprätthålla intern temperatur på 288 K för ett brett spektrum av banavstånd,” förklarar de. ”Denna beräkning antar ett fritt flytande habitat, men liknande överväganden gäller för habitater på ytan av en asteroid, måne eller planet.”
Förlust av flyktiga ämnen är ett annat problem. Ett habitat som inte kan hålla kvar sin atmosfär kan inte upprätthålla den temperatur och det tryck som krävs för flytande vatten.
”Alla material har en viss permeabilitet för atomer och små molekyler, och över långa tidsperioder representerar vakuumet i rymden en i princip permanent sänka för flyktiga arter,” förklarar författarna.
Detta kan lösas av samma barriärer som upprätthåller tryck och temperatur. ”Hämning av flyktig förlust skulle enklast uppnås av den delen av habitatväggen som är ansvarig för att upprätthålla tryckdifferentialen som är nödvändig för att stabilisera flytande vatten,” skriver författarna.
Forskarna överväger även effekterna av UV-strålning. Strålning kan vara dödlig, men det finns exempel på liv här på jorden som har utvecklats för att klara av det.
”Den kan dock enkelt blockeras av föreningar som amorf silika och reducerat järn, som dämpar UV i silifierade biofilmer och stromatoliter idag utan att blockera det synliga ljus som behövs för fotosyntes,” skriver de.
Tillgången till solenergi för fotosyntes är troligen inte ett stort hinder i många delar av solsystemet. Forskarna påpekar att arktiska alger växer i extremt svagt ljus under isen.
Någon form av näringsämnestykler skulle krävas, precis som på jorden. ”På lång sikt är ett ytterligare övervägande förmågan hos ett slutet ekosystem att bearbeta avfallsprodukter som motståndskraftiga organiska ämnen och att upprätthålla interna redoxgradienter,” förklarar författarna.
Den extrema värme i jordens inre får det att fungera, men utan dessa extremer ”kräver ett fullt slutet ekosystem i rymden en viss intern kompartmentering för att upprätta kemiska gradienter och specialistbiota som kan bryta ner motståndskraftiga avfallsprodukter,” skriver de.
I sin artikel täcker författarna andra faktorer som cellstorlek och de faktorer som begränsar storleken hos encelliga organismer och större, mer komplexa organismer. De sluter sig till att fullt autonoma levande habitater inte kan uteslutas.
”Oavsett är ett fullt autonomt system som är kapabelt till regeneration och tillväxt inte förbjudet av några fysiska eller kemiska begränsningar och är därför intressant att överväga lite längre,” skriver de.
Det är möjligt så länge systemet kan regenerera sina väggar. Författarna påpekar att befintligt fotosyntetiskt liv redan kan producera amorf silika och organiska polymerer. Dessa material skulle kunna tjäna som väggar och åtminstone visa att det finns en väg för organismer att utvecklas för att skapa habitatväggar.
”Ett mer autonomt livshabitat skulle kunna växa sitt eget väggmaterial, precis som växtceller regenererar sina egna väggar på mikrometerskalan,” förklarar de.
Vi tenderar att tro att om liv existerar annorstädes, så följer det samma evolutionära väg som det gjorde här på jorden, men det kan inte vara sant. ”Eftersom evolutionen av liv annorstädes kan ha följt mycket olika vägar än på jorden, kan levande habitater också finnas utanför traditionella beboeliga miljöer runt andra stjärnor, där de skulle ha ovanliga men potentiellt upptäckbara biosignaturer,” skriver författarna.
Författarna frågar, ”Kan de typ av biologiska strukturer som vi diskuterar här utvecklas naturligt, utan intelligent ingripande?” De argumenterar för att icke-medvetet liv kan upprätthålla alla de villkor som krävs för att överleva i extraterrestriella miljöer.
”Livet på jorden har inte gjort detta ännu, även om det har anpassat sig till ett alltmer brett spektrum av miljöförhållanden över tiden,” slutar de. ”Att undersöka sannolikheten för olika evolutionära vägar för liv under alternativa planetära gränsvillkor kommer att vara ett intressant ämne för framtida forskning.”
Källa: Universe Today
Taggar: Liv i rymden, Astrobiologi, Forskning, Beboelighet, Ekosystem, Rymdexploration
