Ζωή στο Σύμπαν

Αναζητώντας τη ζωή

Ένα ερώτημα που απασχολεί συνεχώς τους βιολόγους χωρίς να έχουν καταλήξει σε έναν τελικό ορισμό είναι το “Τί είναι η ζωή;”. Είναι γνωστό ότι η επιστήμη της Βιολογίας έχει ως αντικείμενο τη μελέτη της ζωής, όμως οι επιστήμονες δεν μπορούν να συμφωνήσουν σε έναν απόλυτο ορισμό. Η προσπάθεια να δώσουμε έναν ορισμό για τη ζωή δεν είναι μόνο μια φιλοσοφική άσκηση. Πρέπει να καταλάβουμε τι χωρίζει τα ζωντανά πλάσματα από τη μη ζωντανή ύλη, πριν μπορέσουμε να ισχυριστούμε ότι βρήκαμε ζωή κάπου αλλού στο Σύμπαν. Σύμφωνα με όσα γνωρίζουμε για τη ζωή πάνω στη Γη, οι ζωντανοί οργανισμοί έχουν ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά ή λειτουργίες: τάξη, μεταβολισμό, ευαισθησία ή ανταπόκριση σε ερεθίσματα, αναπαραγωγή, ανάπτυξη και εξέλιξη, κανονικότητα, ομοιοστασία και ενεργειακή επεξεργασία. Όταν θεωρήσουμε όλα αυτά τα χαρακτηριστικά από κοινού, τότε αυτά χρησιμεύουν για τον ορισμό της ζωής.

Με βάση τα παραπάνω, μπορούμε να πούμε ότι αυτή είναι η οριστική λίστα των χαρακτηριστικών των ζωντανών οργανισμών; Οι ζωντανοί οργανισμοί έχουν πολλές διαφορετικές ιδιότητες που σχετίζονται με το να θεωρούνται ζωντανοί και μπορεί να είναι δύσκολο να αποφασιστεί το ακριβές σύνολο που ορίζει καλύτερα τη ζωή. Έτσι, διάφοροι επιστήμονες έχουν αναπτύξει διαφορετικούς καταλόγους των ιδιοτήτων της ζωής. Για παράδειγμα, κάποιες λίστες μπορεί να περιλαμβάνουν την κίνηση ως καθοριστικό χαρακτηριστικό, ενώ άλλες μπορεί να καθορίζουν ότι τα ζωντανά «πράγματα» μεταφέρουν τις γενετικές τους πληροφορίες με τη μορφή DNA. Ακόμα, άλλοι μπορεί να τονίσουν ότι η ζωή βασίζεται στον άνθρακα. Είναι, επίσης, αλήθεια ότι η παραπάνω λίστα ιδιοτήτων δεν είναι ξεκάθαρη. Σήμερα είναι γενικά αποδεκτό ότι η παραπάνω λίστα παρέχει ένα λογικό σύνολο ιδιοτήτων, που θα μας βοηθήσουν να διακρίνουμε τα «πράγματα» που είναι ζωντανά και αυτά που δεν είναι.

Από τα 92 χημικά στοιχεία που υπάρχουν με φυσικό τρόπο στη Γη, μόνο τα 25 παίζουν ρόλο στις χημικές διεργασίες της ζωής. Από αυτά τα 25, 4 στοιχεία αποτελούν το περισσότερο από το 96% όλων των βιολογικών οργανισμών. Τα 4 αυτά στοιχεία είναι: ο άνθρακας (C), το οξυγόνο (O), το υδρογόνο (H) και άζωτο (N). Σχεδόν κάθε σημαντική οργανική ένωση αποτελείται από αυτά τα τέσσερα στοιχεία. Αλλά γεννιέται εύλογα το ερώτημα, γιατί αυτά τα χημικά στοιχεία είναι τα πιο κατάλληλα για τη σύσταση των οργανισμών; Είναι γνωστό ότι τα ανωτέρω τέσσερα χημικά στοιχεία συμμετέχουν, σε σημαντικό βαθμό, στη σύνθεση των μορίων που αποτελούν τα βασικά δομικά ή λειτουργικά συστατικά των οργανισμών και παράγονται από τους ίδιους τους οργανισμούς (π.χ. οι πρωτεΐνες). Τα μόρια αυτά είναι απαραίτητο να διακρίνονται από σταθερότητα και ποικιλομορφία. Σταθερότητα, για να μπορούν να συμμετέχουν στη δημιουργία σταθερών δομών, που είναι απαραίτητες στους οργανισμούς, και ποικιλομορφία, για να εξασφαλίζουν τη μεγάλη ποικιλία λειτουργιών και μορφολογικών χαρακτηριστικών, που είναι συνυφασμένη με το φαινόμενο της ζωής.

Από αυτά τα τέσσερα στοιχεία το πιο σημαντικό είναι ο άνθρακας, αφού αποτελεί το βασικό στοιχείο της ζωής. Ο σημαντικός του ρόλος πηγάζει από την ικανότητά του να σχηματίζει τέσσερις χημικούς δεσμούς με άλλα στοιχεία, ταυτόχρονα. Τα άτομα του άνθρακα συνδέονται συχνά με άλλα άτομα άνθρακα, σχηματίζοντας μεγάλες αλυσίδες που ονομάζονται υδρογονάνθρακες. Αυτά τα μόρια παίρνουν το όνομά τους επειδή οι κεντρικοί άνθρακες συνδέονται επίσης με το υδρογόνο. Εκτός από τη σύνδεση με άλλα τέσσερα άτομα, ο άνθρακας έχει επίσης τη δυνατότητα να κάνει δύο ή τρεις ξεχωριστές συνδέσεις με τον ίδιο απλό συνεργάτη (και να κάνει τους εναπομείναντες δεσμούς του με άλλες ουσίες). Αυτοί οι δεσμοί, οι οποίοι είναι ισχυρότεροι από τους απλούς δεσμούς, είναι γνωστοί ως διπλοί ή τριπλοί δεσμοί, αντίστοιχα, και παρέχουν τη δυνατότητα δημιουργίας μιας μεγάλης ποικιλίας μορίων. Από το υπόλοιπο 4% των βιολογικών οργανισμών, το μεγαλύτερο μέρος καταλαμβάνεται από τα στοιχεία φώσφορο (Ρ), θείο (S), νάτριο (Na), κάλιο (Κ), ασβέστιο (Ca), μαγνήσιο (Mg), χλώριο (Cl) και ένα μικρό μέρος, περίπου το 0,01%, από μια σειρά χημικών στοιχείων που ονομάζονται ιχνοστοιχεία. Τα τελευταία, αν και σε μικρό ποσοστό, είναι απαραίτητα για σημαντικές λειτουργίες των οργανισμών.

Κάθε φορά που επιχειρούμε να προσδιορίσουμε αν υπάρχει ζωή, όπως την ξέρουμε, στον Άρη ή σε άλλους πλανήτες, οι επιστήμονες προσπαθούν πρώτα να διαπιστώσουν εάν υπάρχει ή όχι νερό. Αυτό συμβαίνει, επειδή η ζωή στη Γη εξαρτάται απόλυτα από το νερό. Ένα υψηλό ποσοστό ζωντανών οργανισμών, φυτικών και ζωικών, βρίσκεται στο νερό. Όλη η ζωή στη Γη πιστεύεται ότι έχει προκύψει από το νερό. Τα σώματα όλων των ζωντανών
οργανισμών αποτελούνται κυρίως από νερό. Περίπου το 70% έως 90% όλων των οργανικών ουσιών είναι νερό. Οι χημικές αντιδράσεις σε όλα τα φυτά και τα ζώα που υποστηρίζουν ζωή, λαμβάνουν χώρα σε υδάτινο μέσο. Το νερό δεν παρέχει μόνο το μέσον για να γίνουν αυτές τις αντιδράσεις που διατηρούν τη ζωή, αλλά το ίδιο το νερό είναι συχνά ένα σημαντικό αντιδραστήριο ή προϊόν αυτών των αντιδράσεων. Τελικά μπορούμε να πούμε ότι η χημεία της ζωής είναι η χημεία του νερού.

Το νερό μπορεί να είναι κάτι περισσότερο από ένα υγρό που βοηθάει στη διευκόλυνση των βασικών διαδικασιών της ζωής. Μπορεί, επίσης, να ήταν η προστατευτική κάψουλα που έφερε τα δομικά στοιχεία της ζωής στη Γη, σύμφωνα με τον Ralf Kaiser, πειραματικό φυσικό και αστροχημικό στο Πανεπιστήμιο της Χαβάης. Μια θεωρία για το πώς προέκυψε η ζωή στη Γη, που ονομάζεται πανσπερμία, υποδηλώνει ότι οι παγωμένοι κομήτες
συγκρούστηκαν με τη Γη, φέρνοντας μικροσκοπικά οργανικά μόρια που απετέλεσαν τους πρόδρομους της ζωής. Όμως το ταξίδι στο διάστημα είναι ένα «σκληρό» ταξίδι, αφού τα διάφορα επίπεδα ακτινοβολίας του μεσογαλαξιακού χώρου επηρεάζουν και τελικά υποβαθμίζουν αυτά τα ευαίσθητα μόρια. Ωστόσο, σύμφωνα πάντα με τον Kaiser, το νερό στη στερεά μορφή του θα μπορούσε να έχει δώσει έναν τρόπο για να προστατέψει αυτά τα μόρια από την ακτινοβολία.

Τα όσα αναφέρονται στη σελίδα αυτή βασίζονται κατά ένα μεγάλο μέρος στο βιβλίο του Π. Νιάρχου “Αναζητώντας μιαν άλλη Γη στο Σύμπαν, Εξωπλανήτες και Εξωγήινη ζωή”.

Η ζωή στο Ηλιακό σύστημα

Το ηλιακό μας σύστημα (Ηλιακό Σύστημα) φιλοξενεί οκτώ πλανήτες, αρκετούς νάνους πλανήτες και εκατοντάδες δορυφόρους (φεγγάρια). Όμως, μέχρι στιγμής, γνωρίζουμε μόνο έναν κόσμο που είναι φιλικός προς τη ζωή – τη Γη. Καθώς εξερευνούμε την οικογένεια των πλανητών μας, οι αστρονόμοι βρίσκουν ωκεανούς, οργανικά υλικά και κόσμους γεμάτους ενέργεια. Εδώ στον πλανήτη μας, αυτές οι συνθήκες συνδυάζονται για να δημιουργήσουν ζωή. Λοιπόν, θα μπορούσαμε να βρούμε ζωή αλλού στο ηλιακό σύστημα;

Από τις μέχρι τώρα έρευνες με τα δεκάδες διαστημικά οχήματα που έχουν αποσταλεί σε κάθε γωνιά του Ηλιακού Συστήματος, έχει βρεθεί ότι υπάρχουν πολλά διαφορετικά περιβάλλοντα που θα μπορούσαν να περιέχουν σημαντικές ενδείξεις για την προέλευση της ζωής και ίσως ακόμη και την ίδια τη ζωή. Ωστόσο, δεν υπάρχουν ακόμη οριστικές ενδείξεις υπέρ ή κατά της εξωγήινης ζωής στους πλανήτες και τους δορυφόρους τους. Έτσι η Γη, μπορεί να κρατάει τη μοναδικότητα όσον αφορά τη νοήμονα ζωή, όμως φαίνεται να μοιράζεται τα επίπεδα της ύπαρξης μικροβιακής ζωής και οργανικών υλικών, αφού αρκετοί πλανήτες και δορυφόροι του ηλιακού μας συστήματος έχουν φιλόξενες γι’ αυτά συνθήκες. Ας δούμε στη συνέχεια τους πιο πιθανούς τόπους στο Ηλιακό Σύ­στημα που ενδεχομένως να φιλοξενούν κάποια μορφή ζωής.

Άρης

Από τη δεκαετία του 1970 ο Άρης κίνησε το ενδιαφέρον των επιστημόνων και του κοινού, ως ένας προκλητικός στόχος για εξερεύνηση. Αν και πολλές μη επανδρωμένες διαστημικές απο­στολές στάλθηκαν και προσεδαφίστηκαν σε αυτόν, οι απορίες πλέον είναι περισσότερες απ’ ότι οι απαντήσεις. Πριν εκατομμύ­ρια χρόνια μπορεί να είχε πυκνή ατμόσφαιρα και θάλασσες με νερό, όμως στις μέρες μας αναφέρεται ως βιολογικά νεκρός, αν και αρκετοί επιστήμονες πιθανολογούν ύπαρξη ζωής σε υπόγειες λίμνες, κάτω από το ξερό έδαφός του ή σε σημεία που αυτό (το νερό) βγαίνει στην επιφάνεια, όμως καμμία διαστημική αποστο­λή δεν το έχει πιστοποιήσει.

Ο Άρης είναι ο πλανήτης που συνδέεται περισσότερο με την εξωγήινη ζωή, και πιθανότατα θα είναι ο πρώτος που θα κατοικηθεί από ανθρώπινα όντα, εάν επιβιώσουμε αρκετά και έχουμε την προθυμία να μεταναστεύσουμε πέρα από το πλανητικό μας σπίτι. Ο Κόκκινος Πλανήτης κάποτε ήταν καλυμμένος με νερό, αλλά οι κλιματολογικές αλλαγές πριν από δισεκατομμύρια χρόνια αφαίρεσαν αυτόν τον κόσμο του υγρού νερού και το μεγαλύτερο μέρος της ατμόσφαιράς του. Μπορεί να βρούμε απολιθωμένα υπολείμματα αρχαίας ζωής εκεί, και υπάρχει πιθανότητα να υπάρχει κάποια μορφή ζωής μέσα στον πάγο που κρύβεται κάτω από την κατακόκκινη επιφάνεια.

Σε μια σχετικά πρόσφατη έρευνα (Dundas, C.M. et al., 2017, Science, 259, 199)  διαπιστώθηκε ότι η διάβρωση στον Άρη έχει αποκαλύψει μεγάλες, απότομες διατομές καθαρού, υπόγειου πάγου (Εικ. 3). Ανακαλύφθηκαν τεράστια φύλλα πάγου σε βάθος πάνω από 100 μέτρα μέσα στο αρειανό έδαφος. Η ανακάλυψη αυτή έγινε με την κάμερα HiRISE του Mars Reconnaissance Orbiter της NASA, και οι επιστήμονες δήλωσαν ότι οι μελλοντικοί αστροναύτες θα έχουν πρόσβαση σε απεριόριστες ποσότητες νερού. Μια άλλη φωτογραφία που πάρθηκε με την ίδια κάμερα τον Μάιο του 2017 δείχνει ότι χιόνι και πάγος καλύπτουν αμμόλοφους, στο βόρειο ημισφαίριο του Άρη. Το επόμενο βήμα: Οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν ακόμα από πού προέρχεται αυτό το νερό και πόσο από αυτό υπάρχει. Τώρα, όμως, που ξέρουν τι ψάχνουν, μπορούν να αρχίσουν την συγκεκριμένη αναζήτηση και να εξετάσουν ώστε να διαπιστώ­σουν αν υπάρχει δίκτυο υδροφόρου ορίζοντα που προμηθεύει αυτό το νερό.

Ευρώπη, δορυφόρος του Δία

Η Ευρώπη (Εικόνα 6.4) έχει μια κρούστα που αποτελείται από μπλοκ, τα οποία πιστεύεται ότι έχουν σπάσει ξεχωριστά και έχουν μετακινηθεί σε νέες θέσεις Είναι πολύ πιθανόν ότι δείχνουν πού το θερμότερο και πιο «βρώμικο» υγρό νερό στον μανδύα του δορυφόρου έχει διαρρεύσει μέσω του φλοιού του. Τα χαρακτηριστικά αυτά είναι η καλύτερη γεωλογική απόδειξη ότι η Ευρώπη μπορεί να είχε έναν ωκεανό κάτω από την επιφάνειά της κάποια στιγμή στο παρελθόν. Τα γεωλογικά αυτά δεδομένα και η παρουσία μαγνητικού πεδίου οδηγεί τους επιστήμονες να πιστεύουν ότι είναι πολύ πιθανόν να υπάρχει ωκεανός στην Ευρώπη.

Τον Μάιο του 2018, οι αστρονόμοι έδωσαν αποδεικτικά στοιχεία σχετικά με την ύπαρξη πιδάκων (νεφών) νερού στην Ευρώπη, βάσει μιας επικαιροποιημένης κριτικής ανάλυσης των δεδομένων που πάρθηκαν από το διαστημικό όχημα Galileo (1989-2003), το οποίο κινήθηκε γύρω από τον Δία, μεταξύ 1995 και 2003. Το Galileo πέρασε κοντά από την Ευρώπη το 1997, σε απόσταση 206 χλμ. από την επιφάνεια του δορυφόρου και οι
ερευνητές εισηγούνται ότι μπορεί να έχει πετάξει μέσα από έναν πίδακα νερού. Μια τέτοια δραστηριότητα θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να αναζητήσουν τη ζωή στον υποθαλάσσιο ωκεανό της Ευρώπης χωρίς να χρειαστεί να γίνει προσγείωση στον δορυφόρο

Όπως και ο δικός μας πλανήτης, η Ευρώπη διαθέτει έναν πυρήνα σιδήρου, βραχώδη μανδύα και αλμυρούς ωκεανούς, και η παγωμένη επιφάνειά της θα μπορούσε να αναπληρώνεται σε τακτική βάση, καθώς πιο δροσεροί, πυκνότεροι πάγοι βυθίζονται, ενώ θερμότερος, λιγότερο πυκνός πάγος ανεβαίνει για να πάρει τη θέση του. Επί του παρόντος, η NASA σχεδιάζει μια νέα αποστολή για να εξερευνήσει τα μυστήρια αυτού του μυστηριώδους φεγγαριού, το Europa Clipper.

Τιτάνας και Εγκέλαδος, δορυφόροι του Κρόνου

Στην περίπτωση του γίγαντα Κρόνου, αν και ο ίδιος είναι εχθρικός για τη φιλοξενία ζωής, δύο από τους 62 (έως τώρα ανακαλυφθέντες) δορυφόρους του, ο Τιτάνας και ο Εγκέλαδος κρύβουν ευνοϊκές συνθήκες. Ο Τιτάνας (Εικ.5) είναι πολύ παγωμένος για να διατηρείται υγρό νερό πάνω του, όμως εδώ και μερικά χρόνια οι επιστήμονες εκτιμούν ότι πιθανόν να υπάρχουν εντελώς ασυνήθιστες μορφές ζωής μέσα στις μεγάλες λίμνες υγρού μεθανίου ή αιθανίου που υπάρχουν στην επιφάνειά του.

Συγκεκριμένα, μια λίμνη στους πόλους του, με έκταση 2.400 τετραγωνικά χιλιόμετρα, και βάθος περίπου ένα μέτρο, φαίνεται να προσφέρει μια όαση στους τροπικούς του Τιτάνα, όπου πιστεύεται ότι βρίσκονται θίνες. Οι υποψίες για παρουσία ζωής στον Τιτάνα αυξήθηκαν το 2004, μετά από τις αποκαλύψεις της διαστημοσυσκευής Cassini (1997-2017) από το διάστημα αλλά και των στοιχείων του εξερευνητικού σκάφους Huygens (1997-2005), που προσεδαφίστηκε στην επιφάνεια του δορυφόρου το 2005, καθώς οι πληροφορίες αποκάλυψαν τεράστιες εκτάσεις με αμμόλοφους σκεπασμένες, πιθανόν, από κάποιο οργανικό υλικό. Αυτός ο κόσμος, μεγαλύτερος από τον πλανήτη Ερμή, μπορεί επίσης να έχει ωκεανούς νερού 55 έως 80 χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνειά του, αν και αυτή η ιδέα περιμένει επιβεβαίωση.

Ο Τιτάνας είναι μια αγαπημένη τοποθεσία για συγγραφείς επιστημονικής φαντασίας και μπορεί επίσης να είναι ένα από τα πιο πιθανά μέρη για να βρουμε εξωτικές μορφές ζωής, σε αντίθεση με αυτές που παρατηρούνται στη Γη.

Σύμφωνα με νέα έρευνα, χρησιμοποιώντας δεδομένα από την αποστολή Cassini (1997-2017) της NASA, ένας παγκόσμιος ωκεανός βρίσκεται κάτω από την παγωμένη κρούστα του γεωλογικά ενεργού δορυφόρου του Κρόνου Εγκέλαδου. Οι ερευνητές βρήκαν ότι το μέγεθος της πολύ μικρής ταλάντευσης του Εγκέλαδου, καθώς περιφέρεται γύρω από τον Κρόνο, μπορεί να εξηγηθεί μόνο αν το εξωτερικό παγωμένο κέλυφος δεν είναι κατεψυγμένα στερεό μέχρι το εσωτερικό του, πράγμα που σημαίνει ότι ένας παγκόσμιος ωκεανός πρέπει να υπάρχει. Τα ευρήματα δείχνουν ένα λεπτό ψεκασμό υδρατμών, παγωμένων σωματιδίων και απλών οργανικών μορίων που προέρχονται από ρήγματα κοντά στο νότιο πόλο του δορυφόρου και τροφοδοτούνται από μια τεράστια δεξαμενή νερού σε υγρή μορφή (Εικ. 6).

Τρίτων, δορυφόρος του Ποσειδώνα

Ακόμα ένας δορυφόρος που πιθανόν διαθέτει δύο από τα σημαντικότερα στοιχεία για τη φιλοξενία ζωής, υγρό νερό και θερμική ενέργεια, είναι ο Τρίτων, δορυφόρος του Ποσειδώνα. Υπάρχουν διάφοροι παράγοντες που κάνουν τον Τρίτωνα πιθανό υποψήφιο για να φιλοξενεί κάποια μορφή ζωής. Καταρχήν είναι ένα βραχώδης δορυφόρος και γεωλογικά ενεργός, πράγμα που σημαίνει ότι θα μπορούσε να περιέχει υγρό υπόγειο ωκεανό. Γνωρίζουμε, ήδη, ότι η επιφάνεια του Τρίτωνα είναι επικαλυμμένη εν μέρει με παγωμένο νερό. Έχει, επίσης, βρεθεί ότι η επιφάνειά του είναι μερικώς επικαλυμμένη με κατεψυγμένο μεθάνιο, κάτι που μπορεί να είναι απόδειξη μιας κάποιας βιολογικής δραστηριότητας.

Ο Τρίτων είναι ο έβδομος σε μέγεθος δορυφόρος στο ηλιακό μας σύστημα, με διάμετρο περίπου διπλάσια από τη διάμετρο του Πλούτωνα. Η εξερεύνησή του για υπόγεια ύδατα είναι ένα δύσκολο έργο για πολλούς λόγους – ένας από αυτούς είναι ότι πρέπει να επινοήσουμε έναν τρόπο να αναζητήσουμε τη ζωή χωρίς δυνητικά να την καταστρέψουμε. Όμως, μέχρι να εγκαταλείψουμε τις προσπάθειες για ανίχνευση εξωγήινης ζωής στο ηλιακό μας σύστημα, ο Τρίτων ανήκει στον κατάλογο των επιλογών μας.

Πλούτων και Δήμητρα, Νάνοι πλανήτες

Ο Πλούτων είναι παγωμένος με στερεό πυρήνα. Η κατεψυγμένη επιφάνεια κατά κύριο λόγο σχηματίζεται από μεθάνιο και άζωτο. Ο μανδύας του, όμως, σχηματίζεται από πάγο νερού. Μέρος από τον επιφανειακό πάγο λιώνει, όταν ο Πλούτωνας πλησιάζει στον ήλιο, απελευθερώνοντας μεθάνιο και άζωτο στον αέρα για να δημιουργήσει μια προσωρινή ατμόσφαιρα. Σε μια πρόσφατη έρευνα (Moore, J.M. et al., 2018, Icarus, 300, 129) αναφέρεται ότι η επιφάνεια του Πλούτωνα φιλοξενεί «πτερύγια πάγου» από μεθάνιο που φθάνουν το ύψος ουρανοξύστη.

Η Δήμητρα είναι το μεγαλύτερο αντικείμενο στη ζώνη των αστεροειδών, ανάμεσα στον Άρη και τον Δία, και ο μόνος νάνος πλανήτης που βρίσκετα στο εσωτερικό ηλιακό μας σύστημα. Το διαστημικό σκάφος Dawn (2007- ) έφθασε το 2015 στη Δήμητρα και ανίχνευσε οργανικές ενώσεις που είναι τα δομικά στοιχεία της ζωής στη Γη. Ωστόσο, οι επιστήμονες εξακολουθούν να διερευνούν πώς θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί τα μόρια και να μεταναστεύσουν μέχρι την επιφάνεια. Τα ευρήματα αυτά, σε συνδυασμό με το γεγονός ότι η Δήμητρα έχει άφθονο νερό (Prettyman, T.H. et al., 2017, Science, 355, 55) και ίσως ακόμη και εσωτερική θέρμανση, υποδηλώνουν ότι ένα είδος πρωτόγονης ζωής (πολύ μικρά μικρόβια, όμοια με βακτήρια) θα μπορούσε να αναπτυχθεί στη Δήμητρα (Platz et al., 2016, Nature Astronomy, 1, 0007(2016).

Η Δήμητρα είναι ένα από τα λίγα μέρη του ηλιακού μας συστήματος όπου οι επιστήμονες θα ήθελαν να αναζητήσουν πιθανά σημάδια της ζωής. Η Δήμητρα έχει κάτι που δεν έχουν πολλοί άλλοι πλανήτες: το νερό που είναι και η βάση της ζωής.

Γανυμήδης και Καλλιστώ, δορυφόροι του Δία

Ο Γανυμήδης, ο μεγαλύτερος δορυφόρος στο ηλιακό μας σύστημα είναι επίσης ο μόνος δορυφόρος που έχει σημαντικό μαγνητικό πεδίο. Αυτό είναι ένα μεγάλο πλεονέκτημα για οποιαδήποτε ζωή έχει εξελιχθεί εκεί, καθώς ο Ήλιος λούζει το Ηλιακό Σύστημα με ακτινοβολία που θα μπορούσε να είναι καταστροφική για μορφές ζωής που ζουν οπουδήποτε χωρίς τέτοια προστασία. Η έρευνα δείχνει ότι ο Γανυμήδης θα μπορούσε να στεγάσει στρώματα πάγου και υγρού νερού μεταξύ της επιφάνειας και του πυρήνα του, παρέχοντας περαιτέρω προστασία για μορφές ζωής σε αυτόν τον τεράστιο δορυφόρο του Δία. Το μαγνητικό πεδίο του Γανυμήδη δημιουργεί επίσης τις μοναδικές αύρες που είναι γνωστές στο ηλιακό σύστημα, εκτός από τα βόρεια και νότια φώτα που φαίνονται στη Γη. Ο ανυμήδης αποτελείται έχει ένα πυρήνα σιδήρου που περιβάλλεται από ένα βραχώδη μανδύα και καλύπτεται από πάγο. Οι αστρονόμοι έχουν ισχυρές ενδείξεις ότι ένας τεράστιος ωκεανός βρίσκεται κάτω από τον παγωμένο φλοιό και οι παλιρροιακές δυνάμεις από τον Δία θα μπορούσαν να κρατήσουν αυτό το νερό σε μια ψυχρή υγρή μορφή.

Η Καλλιστώ, ο δεύτερος μεγαλύτερος δορυφόρος του Δία μπορεί να έχει πραγματικές δυνατότητες να βρει ζωή. Η επιφάνειά της είναι η παλαιότερη και με τους περισσότερους κρατήρες στο ηλιακό μας σύστημα, κάτι που υποδηλώνει μικρή γεωλογική δραστηριότητα. Ωστόσο, το διαστημικό σκάφος Galileo αποκάλυψε ότι αυτός ο κόσμος έχει έναν σημαντικό ωκεανό, που βρίσκεται 250 χιλιόμετρα κάτω από το φλοιό της Καλλιστώ. Έχει επίσης μια αραιή ατμόσφαιρα από διοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο, καθιστώντας αυτό το φεγγάρι πιο φιλόξενο για τα ζωντανά όντα που μπορεί να έχουν εξελιχθεί εκεί.

Περισσότερες πληροφορίες για τη ζή στο Ηλιακό Σύστημα μπορείτε να βρείτε εδώ και εδώ.

Η ζωή σε εξωηλιακούς πλανήτες

Πλανητική κατοικησιμότητα

Η πλανητική κατοικησιμότητα είναι το μέτρο της δυνατότητας ενός πλανήτη ή ενός φυσικού δορυφόρου (του πλανήτη) να έχει κατοικήσιμα περιβάλλοντα, φιλόξενα για ζωή. Τα κατοικήσιμα περιβάλλοντα δεν χρειάζεται να περιέχουν ζωή. Η ζωή μπορεί να αναπτυχθεί απευθείας σε πλανήτη ή δορυφόρο ή να μετα­φερθεί εκεί από άλλο σώμα, μια υποθετική διαδικασία που είναι γνωστή ως πανσπερμία. Δεδομένου ότι η ύπαρξη της ζωής πέρα από τη Γη είναι άγνωστη, η πλανητική κατοικησιμότητα είναι σε μεγάλο βαθμό μια προέκταση των συνθηκών στη Γη και των χαρακτηριστικών του Ήλιου και του Ηλιακού Συστήματος, που φαίνονται ευνοϊκά για την «άνθηση» της ζωής.

Μια απόλυτη απαίτηση για την ύπαρξη ζωής είναι μια πηγή ενέργειας ενώ η έννοια της πλανητικής κατοικησιμότητας ση­μαίνει ότι πρέπει να πληρούνται και πολλά άλλα γεωφυσικά, γε­ωχημικά και αστροφυσικά κριτήρια, πριν ένα αστρονομικό σώμα μπορεί να στηρίξει τη ζωή. Η NASA, στον αστροβιολογικό της οδικό χάρτη (NASA astrobiology strategy, 2015), έχει καθορίσει τα κύρια κριτήρια κατοικησιμότητας που είναι: εκτεταμένες πε­ριοχές με νερό σε υγρή μορφή, συνθήκες ευνοϊκές για τη συναρ­μολόγηση σύνθετων οργανικών μορίων και πηγές ενέργειας για τη διατήρηση του μεταβολισμού.

Για να καθοριστεί η κατοικησιμότητα ενός εξωπλανήτη πρέ­πει να εξεταστούν πρώτα τα χαρακτηριστικά του «μητρικού» αστέρα και στη συνέχεια τα χαρακτηριστικά του πλανήτη. Πιο συγκεκριμένα, τα τρία βήματα για την κατάταξη εξωηλιακών πλανητών στους κατοικήσιμους κόσμους είναι:

1. Προσδιορισμός των φυσικών παραμέτρων του αστέρα και του πλανήτη

Πρέπει να προσδιοριστούν τα βασικά χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες τόσο του «μητρικού» αστέρα (συνήθως πρόκειται για ηλιακού τύπου αστέρες) όσο και του πλανήτη, δηλαδή πρέπει να προσδιοριστούν: η μάζα, η ακτίνα, ο φασματικός τύπος (θερ­μοκρασία) και η φωτεινότητα του μητρικού αστέρα, καθώς και η ακτίνα, η μάζα και η απόσταση του πλανήτη από τον αστέρα.

Για αστέρες μικρής μάζας με μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, οι αστρονόμοι ορίζουν την κατοικήσιμη ζώνη (HZ) ως την περιοχή που περιβάλλει τον αστέρα και στην οποία το νερό μπορεί να παραμείνει στην υγρή του κατάσταση. Στην Εικόνα 10, η γκρι ζώνη αντιπροσωπεύει τη θέση της κατοικήσιμης ζώνης. Παρατη­ρούμε, όπως αναμενόταν, ότι για ψυχρούς αστέρες μικρής μάζας (< της ηλιακής μάζας) η περιοχή είναι πιο κοντά στον αστέρα και για μεγαλύτερες μάζες και θερμότερους αστέρες, η περιοχή είναι πιο απομακρυσμένη από τον αστέρα. Στην εικόνα αυτή, η Γη φαίνεται να είναι ακριβώς στη μέση της κατοικήσιμης ζώνης για τον Ήλιο, η Αφροδίτη είναι εκτός και ο Άρης εφάπτεται εξωτερικά της ζώνης.

Μια άλλη απεικόνιση της κατοικήσιμης ζώνης φαίνεται στην Εικόνα 11. Από τις τρεις περιοχές γύρω από τον κεντρικό αστέ­ρα, η κόκκινη περιοχή είναι πολύ θερμή, η μπλε περιοχή είναι πολύ κρύα και η πράσινη περιοχή είναι κατάλληλη για υγρό νερό.

2. Χημικοί δείκτες – Ατμοσφαιρική Χημεία

Η κατοικησιμότητα ενός πλανήτη εξαρτάται από τη χημική σύ­σταση της ατμόσφαιράς του. Το φως που προέρχεται από την ατμόσφαιρα του πλανήτη αναλύεται ώστε να βρεθεί η ύπαρξη νερού και άλλων αερίων, όπως οξυγόνου (Ο), διοξειδίου του άν­θρακα (CO2), μεθανίου (CH4) και αζώτου (N). Η ύπαρξη των στοιχείων αυτών δεν εγγυάται την ύπαρξη ζωής, αλλά αποτελούν ισχυρούς δείκτες κατοικησιμότητας. Πώς μπορεί όμως να γίνει η μελέτη της χημικής σύστασης μιας πλανητικής ατμόσφαιρας;

Με τη μέθοδο των διαβάσεων μπορούμε να παρατηρήσουμε το φως του «μητρικού» αστέρα που φιλτράρεται μέσω της ατμό­σφαιρας του πλανήτη. Εάν το τηλεσκόπιο μπορεί ταυτόχρονα να αναλύσει τα χρώματα του φωτός (να πάρει δηλαδή το φάσμα του), τότε μπορεί να δώσει πληροφορίες για τη χημική σύνθεση της ατμόσφαιρας. Η περιοχή μήκους κύματος στην οποία πα­ρατηρεί το τηλεσκόπιο –υπεριώδης (UV), ορατή (V), κοντινό υπέρυθρο (NIR), μεσαίο υπέρυθρο (MIR)– περιορίζει τα χημικά στοιχεία που μπορούν να ανιχνευθούν. Μέχρι στιγμής, η δια­κριτική ικανότητα των διαθέσιμων τηλεσκοπίων επέτρεψε την παρατήρηση τέτοιων ατμοσφαιρικών φασμάτων μόνο για μεγά­λους πλανήτες του μεγέθους του Δία. Το διαστημικό τηλεσκόπιο Kepler έχει εντοπίσει πολλούς πλανήτες μεγέθους της Γης και μικρότερους αυτής, αλλά δεν μπορεί να αναλύσει τις διαβάσεις τους φασματικά, όμως γνωρίζουμε ότι είναι εκεί. Τα επόμενα τηλεσκόπια που κατασκευάζονται τώρα ή είναι στα σχέδια, αναμένεται να παρέχουν φασματικό χαρακτηρισμό της ατμόσφαιρας πλανητών τόσο μικρών όσο το μέγεθος της Γης.

3. Βιολογικοί δείκτες – Δείκτες βιολογικής δραστηριότητας

Η κατοικησιμότητα ενός πλανήτη επιβεβαιώνεται από κάποιους «ισχυρούς» δείκτες ύπαρξης ζωής. Μια τέτοια ζωή σε έναν κα­τοικήσιμο πλανήτη, άφθονη και ευρέως διαδεδομένη, θα έχει τα σημάδια της στη χημεία της ατμόσφαιρας και στο πώς το φως απορροφάται από την επιφάνεια. Π.χ. η ύπαρξη οξυγόνου και μεθανίου (με σχετικά μικρή διάρκεια ζωής στις πλανητικές ατμόσφαιρες), είναι καλοί δείκτες βιολογικών διεργασιών που τα αναπληρώνουν στην ατμόσφαιρα.

Σύμφωνα με μια μελέτη της αστροφυσικού και πλανητολό­γου Sara Seager του ΜΙΤ (Seager, S., 2014, Proc. Natl. Acad. Sci. , USA., 111(35): 12634), η ανακάλυψη και ο χαρακτηρισμός των εξωπλανητών έχουν τη δυνατότητα να προ­σφέρουν στον κόσμο ένα από τα σημαντικότερα ευρήματα που υπήρξαν ποτέ στην ιστορία της αστρονομίας – την αναγνώριση της ύπαρξης ζωής πέρα από τη Γη. Η ζωή μπορεί να συναχθεί από την παρουσία ατμοσφαιρικών αερίων που δείχνουν ύπαρξη ζωής, δηλαδή αερίων που παράγονται από τη ζωή και μπορούν να συσσωρεύονται σε ανιχνεύσιμα επίπεδα στην ατμόσφαιρα ενός εξωπλανήτη. Η ανίχνευση θα γίνεται με τηλεανίχνευση από εξειδικευμένα διαστημικά τηλεσκόπια. Η πεποίθηση ότι αέρια «βιοϋπογραφών» θα ανιχνευθούν πραγματικά στο μέλλον μετρι­άζεται από τα προβλήματα που αντιμετωπίσαμε στην προσπά­θεια να μελετήσουμε δεκάδες ατμόσφαιρες των εξωπλανήτων την τελευταία δεκαετία.

Μέχρι σήμερα, με τα όργανα και τις τεχνικές παρατήρησης που διαθέτουμε, μόνο το βήμα 1 και εν μέρει το 2 είναι εφικτά. Μια πιο λεπτομερή παρουσίαση του θέματος μπορείτε να βρείτε εδώ.

Κατοικήσιμοι εξωπλανήτες

Από τις μέχρι τώρα έρευνες έχει βρεθεί ότι υπάρχει ένας αριθμός εξωηλιακών πλανητών που θεωρούνται ότι διαθέτουν τις συνθήκες εκείνες που είναι απαραίτητες για να φιλοξενούν κάποια μορφή ζωής. Ο κατάλογος, που δίνεται παρακάτω στον Πίνακα 1, βασίζεται σε εκτιμήσεις της κατοικησιμότητας από τον Κατάλογο Κατοικήσιμων Εξωπλανητών (Habitable Exoplanets Catalogue, HEC) και τα μέχρι τώρα δεδομένα από το αρχείο εξωπλανητών της NASA. Ο κατάλογος HEC συντάσσεται από το Εργαστήριο Πλανητικής Κατοικησιμότητας στο Πανεπιστήμιο του Πουέρτο Ρίκο στο Arecibo (http://phl.upr.edu/projects/habitable-exoplanets-catalog). Για να οριστεί η κατοικησιμότητα ενός πλανήτη λαμβάνονται υπόψη: η περιφορά του εξωπλανήτη και μάλιστα στη σωστή απόσταση γύρω από τον μητρικό αστέρα, ώστε να υπάρχει το νερό σε υγρή μορφή πάνω στην επιφάνεια του πλανήτη, οι διάφορες γεωφυσικές και γεωδυναμικές ιδιότητές του, όπως η πυκνότητα της ατμόσφαιρας και η ένταση της ακτινοβολίας του μητρικού αστέρα.

Ο κατάλογος των κατοικήσιμων εξωπλανήτων (HEC) περιλαμβάνει μια επιλογή από όλους τους γνωστούς εξωπλανήτες με κάθε δυνατότητα να υποστηρίξουν ζωή, συμπεριλαμβανομένων και ορισμένων ανεπιβεβαίωτων πλανητών. Ο κατάλογος προσπαθεί να είναι όσο το δυνατόν πιο ανοιχτός, ώστε να μην αποκλείει κανένα αντικείμενο που παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Η επιλογή μπορεί να περιοριστεί όπως εμείς θέλουμε, χρησιμοποιώντας πιο συντηρητικά κριτήρια που βασίζονται σε
διαφορετικές μετρήσεις κατοικησιμότητας. Το βασικό κριτήριο για τη σειρά, στην κατάταξη των κατοικήσιμων εξωπλανητών, είναι ο Δείκτης Ομοιότητας με τη Γη (Earth Similarity Index, ESI). Ο δείκτης αυτός μετράει πόσο παρόμοιοι είναι οι πλανήτες με τη Γη, σε κλίμακα από το 0 έως 1, με το 1 να αντιστοιχεί σε πλανήτη πανομοιότυπο με τη Γη. Οι τιμές του ESI μεταξύ 0,8 και 1,0 αντιστοιχούν σε πλανήτες παρόμοιους με τη Γη, με βραχώδη σύνθεση και που είναι σε θέση να συγκρατούν μια γήινη ατμόσφαιρα με εύκρατες συνθήκες. Το ESI είναι μια συνάρτηση της ακτίνας, της πυκνότητας, της ταχύτητας διαφυγής και της επιφανειακής θερμοκρασίας του πλανήτη.

Στον επόμενο Πίνακα 1 δίνονται οι δέκα πρώτοι από ένα συντηρητικό δείγμα δυνητικά κατοικήσιμων εξωπλανητών με ορισμένα από τα βασικά χαρακτηριστικά τους σε σύγκριση με τα αντίστοιχα της Γης.

Πίνακας 1. Συντηρητικό δείγμα των πρώτων δέκα δυνητικά κατοικήσιμων πλανητών.

______________________________________________________________________________

Υπόμνημα πίνακα
• Name: το όνομα του πλανήτη
• Type: η ταξινόμηση του πλανήτη με βάση τον φασματικό τύπο του κεντρικού αστέρα (F, G, K, M), τη θέση στην κατοικήσιμη ζώνη (hot=θερμός, warm=ζεστός, cold=κρύος) και το μέγεθος (terran=γήινος)
• Mass: η ελάχιστη μάζα του πλανήτη σε γήινες μάζες (Μάζα Γης=1)
• Radius: ακτίνα του πλανήτη σε γήινες ακτίνες (Ακτίνα Γης= 1) • Flux: μέση αστρική φωτεινή ροή του πλανήτη σε γήινη ροή (φωτεινή ροή Γης= 1)
• Τeq: η πλανητική θερμοκρασία ισορροπίας (θεωρητική θερμοκρασία που θα είχε ο πλανήτης αν εθεωρείτο ως μέλαν σώμα θερμαινόμενο μόνο από τον κεντρικό αστέρα. Η πραγματική επιφανειακή θερμοκρασία αναμένεται να είναι μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία ισορροπίας, εξαρτώμενη από την ατμόσφαιρα του πλανήτη που, προς το παρόν, είναι άγνωστη.
• Period: η τροχιακή περίοδος του πλανήτη σε ημέρες
• Distance: η απόσταση του πλανήτη από τη Γη σε έτη φωτός (ly)
• ESI: ο Δείκτης Ομοιότητα με τη Γη

Στην επόμενη Εικόνα 12 δίνονται κατ’ αύξουσα σειρά απόστασης από τη Γη σε έτη φωτός (ly) οι 21 πρώτοι δυνητικά κατοικήσιμοι εξωπλανήτες.

• 

______________________________________________________________________________

Subterran  (Mars-size)	Terran     (Earth-size)	Superterran (Super-Earth)	Total
1	20	38	59

Εκτός από τον Πίνακα 1, όπου έχουν εφαρμοστεί αυστηρά κριτήρια κατοικησιμότητας (βραχώδεις πλανήτες, και νερό στην επιφάνεια σε υγρή μορφή), το Εργαστήριο Πλανητικής Κατοικησιμότητας συντάσσει και πίνακα κατοικήσιμων πλανητών με πιο χαλαρά κριτήρια κατοικησιμότητας (περιπτώσεις όπου είναι λιγότερο πιθανό να είναι βραχώδεις ή να έχουν υγρό νερό στην επιφάνεια). Ένα τέτοιο «αισιόδοξο» δείγμα δυνητικά κατοικήσιμων πλανητών περιλαμβάνει, με βάση τα μέχρι τώρα δεδομένα, 55 εξωπλανήτες. Εννοείται ότι ο αριθμός των εξωπλανητών στα δύο δείγματα που αναφέραμε πιο πάνω (συντηρητικό και αισιόδοξο) μεταβάλλεται συνεχώς, καθόσον ανακαλύπτονται διαρκώς νέοι εξωπλανήτες. Περισσότερα για τους κατοικήσιμους εξωπλανήτες μπορείτε να βρείτε εδώ και εδώ.