Биология в астробиологии

Считалось, что способность мира поддерживать жизнь зависит от его доступа к солнечному свету.

До 1970-х годов считалось, что жизнь полностью зависит от солнечной энергии. Растения на поверхности земли захватывают энергию от солнечного света для фотосинтеза сахаров из углекислого газа и воды, высвобождая кислород, который затем потребляется организмами, дышащими кислородом, передавая свою энергию вверх по пищевой цепи.

Считалось, что даже жизнь в океанских глубинах, куда солнечный свет не может проникнуть, питается либо органическим детритом, осыпающимся с поверхности воды, либо животными, которые его едят.

Тем не менее, в 1977 году, во время исследовательского погружения к Галапагосскому рифту в глубоководном исследовательском подводном аппарате Alvin, ученые обнаружили колонии гигантских трубчатых червей, моллюсков, ракообразных, мидий и других разнообразных существ, сгруппированных вокруг подводных вулканических образований, известных как черные курильщики. Эти существа процветают в данной среде, несмотря на отсутствие доступа к солнечному свету, и вскоре было обнаружено, что они составляют полностью независимую экосистему.

Хотя большинство этих многоклеточных форм жизни нуждаются в растворенном кислороде (вырабатываемом оксигенным фотосинтезом) для аэробного клеточного дыхания и, таким образом, не полностью независимы от солнечного света сами по себе, основой их пищевой цепи является форма бактерии, которая получает свою энергию от окисления реактивных химических веществ, таких как водород или сероводород, которые пузырятся из недр Земли. Этот хемосинтез произвел революцию в изучении биологии и астробиологии, показав, что жизнь не обязательно должна зависеть от солнца; для ее существования нужны только вода и энергетическая составляющая.

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

Экстремофилы, организмы, способные выживать в экстремальных условиях, являются ключевым элементом исследований для астробиологов.

К таким организмам относятся биота, способная выживать на глубине нескольких километров под поверхностью океана вблизи гидротермальных источников, и микробы, обитающие в сильно кислой среде.

Сегодня известно, что экстремофилы процветают во льду, кипящей воде, кислоте, щелочах, водяном ядре ядерных реакторов, кристаллах соли, токсичных отходах и в ряде других экстремальных местообитаний, которые ранее считались непригодными для жизни. Это открыло новый путь исследований в астробиологии, значительно расширив число возможных внеземных сред обитания.

Характеристика этих организмов, их среды обитания и эволюционных путей рассматривается как важнейший компонент понимания того, как жизнь может развиваться в других частях Вселенной. Например, некоторые организмы способны выдержать воздействие вакуума и радиации космического пространства, они включают гриб-лишайник Rhizocarpon geographicum и Xanthoria elegans. Бактерии Bacillus safensis, Deinococcus radiodurans, дрожжи Saccharomyces cerevisiae устойчивы к действию ионизирующей радиации. Их крайняя радиационная толерантность и наличие белков защиты ДНК могут дать ответы на вопрос о том, может ли жизнь выжить вдали от защиты атмосферы Земли.

Луна Юпитера, Европа, и луна Сатурна, Энцелад, сегодня считается наиболее вероятным местом для сохранившейся внеземной жизни в Солнечной системе из-за их подземных водных хранилищ, (радиогенный и приливный нагрев позволяют существовать жидкой воде).

Происхождение жизни, известное как абиогенез, в отличие от эволюции жизни, является еще одной постоянной областью исследований астробиологии. Условия на ранней Земле были благоприятны для образования органических соединений из неорганических элементов и, следовательно, для формирования многих химических веществ, общих для всех форм жизни, которые мы видим сегодня. Изучение этого процесса, известного как пребиотическая химия, достигло некоторого прогресса, но до сих пор неясно, могла ли жизнь сформироваться таким образом.

Альтернативная гипотеза панспермии заключается в том, что первые элементы жизни могли образоваться на другой планете с еще более благоприятными условиями (или даже в межзвездном пространстве, на астероидах и т. д.), а затем были перенесены на Землю — это и есть гипотеза панспермии.

Полиароматические углеводороды (ПАУ) — органические соединения, для которых характерно наличие в химической структуре двух и более конденсированных бензольных колец.

Космическая пыль, пронизывающая вселенную, содержит сложные органические соединения (аморфные органические твердые тела со смешанной ароматическо-алифатической структурой), которые могут быть созданы звездами естественным и быстрым образом. Эти соединения, возможно, были связаны с развитием жизни на Земле. В сентябре 2012 года ученые НАСА сообщили, что полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), подвергнутые воздействию условий межзвездной среды, трансформируются за счет гидрирования, оксигенации и гидроксилирования в более сложные органические вещества – и это есть шаг по пути к аминокислотам и нуклеотидам, сырью белков и ДНК соответственно.

Более 20% углерода во Вселенной может быть связано с ПАУ, возможными исходными материалами для формирования жизни. ПАУ, по-видимому, сформировались вскоре после Большого Взрыва, широко распространены во Вселенной и связаны с новыми звездами и экзопланетами.