A földi élet keletkezése - asztrobiológia kurzus, III. rész

Kétéves online tudományos ismeretterjesztő tanfolyamot indított az [origo] tudomány rovata, amely a Földön kívüli élet utáni kutatás iránt érdeklődő, de szakirányú végzettséggel nem rendelkező olvasókat vezeti be az alapokba és a legújabb eredményekbe. A sorozat harmadik részében az élet lényegét próbáljuk megközelíteni. A Földön kívüli élet kereséséhez ugyanis első lépésként a földi életet kell megismerni, és különösen kialakulási körülményeit megérteni. A feladat nehéz, azonban az elmúlt években sok olyan eredmény született, amelyek közelebb visznek bennünket a válaszhoz - ezekből tekintünk át néhány fontosat a következő összeállításban.

Bolygónk mai képe, amelynek kialakításában fontos szerepet játszott az élővilág (NASA)

A sorozat bevezető részében megvizsgáltuk, mi az asztrobiológia, melyek a fő kutatási területei és mi adja ezek aktualitását, illetve bemutattuk a "kurzus" tematikáját. Az első részben arról olvashattak, hogyan keletkeztek a periódusos rendszer elemei, miként jutottak ki a világűrbe, végül pedig ott hogyan álltak össze olyan bonyolult szerves molekulákká, amelyek később alapanyagként szolgáltak a földi vagy - esetleg máshol - a földihez hasonló élet keletkezéséhez. A második részben a bolygók keletkezésének elméleti hátterét és az eddig megfigyelt születő bolygórendszerek jellemzőit vizsgáltuk meg. Kitérünk az exobolygók általános paramétereire, típusaira, valamint azon háttérismeretekre, amelyek segítenek a Naprendszer égitesteinek kialakulását megérteni.

Mi az élet?

A Földön kívüli élet keresésének egyik alapvető problémája, hogy magát a földi életet sem ismerjük eléggé, így azt definiálni is nehéz. Az élet fogalma mint az élőlények állapota közelíthető, tehát az anyagnak egy sajátos szervezettségéhez kapcsolódó folyamatai vizsgálhatók. Az alábbiakban nagyon egyszerűsített formában a Gánti Tibor munkáján alapuló megközelítést vázoljuk, amelyet a kutató Magyarországon az 1970-es évek elején publikált, külföldön pedig az elmúlt években kezd elterjedni. (Az élet és az élőlények definíciójára még számos egyéb elgondolás létezik, amelyek elsősorban a különböző életjelenségek meghatározásából és csoportosításából indulnak ki. A Földön kívüli élet esetében azonban minél inkább absztrakt-jellegű megközelítés szükséges, ezért indulunk ki az alábbiakból.)

Az élet fogalmának vizsgálatakor az egyik alapkérdés, hogy milyen "állapotú" élőlényeket vizsgálunk. Megkülönböztethetünk ugyanis életfolyamatokat mutató és aktív élőlényeket, valamint életfolyamatokat nem mutató és inaktív, esetleg tetszhalott élőlényeket. Utóbbiak nem tekinthetők elpusztult élőlényeknek, mivel megfelelő körülmények közé kerülve ismét életképesek lehetnek, és életfolyamatokat mutathatnak. Egyszerű példa erre egy beszáradt baktérium vagy egy mag, amely télen szunnyad a földben - életjelenséget egyikük sem mutat, mégsem tekinthetjük elpusztultaknak. Velük ellentétben létezik az a csoport, amelybe az életfolyamatokat nem mutató és azokra már soha többé nem is képes, elpusztult élőlények tartoznak.

Az aktív életfolyamatokat mutató élőlények esetében két csoportra oszthatjuk az azonosításukhoz használt életkritériumokat. Az abszolút életkritériumok közé tartoznak azok, amelyek minden élőlényre érvényesek, a tetszhalott, inaktív állapotot leszámítva. Ezek között említhető az anyagcsere, valamint a rendszer egészét jellemző olyan tulajdonságok, mint a képesség a külső ingerekre adott megfelelő reakciókra, képesség a stabil belső állapot fenntartására és egyes belső folyamatok szabályozott működtetésére. Emellett létezik benne egy, a fentiek megvalósításához szükséges információkat hordozó rendszer is. Az aktív élőlényt alkotó komponensek egy összefüggő, kölcsönható és programvezérelt rendszert alkotnak, amely belső együttműködései révén több, mint az egyes komponensek egyszerű összeadása. Belső szervezettsége van, komponensei külön-külön nem mutatják az egész rendszer tulajdonságait.

A fenti tényezők mellett léteznek még további életkritériumok, amelyekkel nem mindig és nem minden élőlény bír. Ezek a kritériumok inkább az élővilág egészének fejlődése szempontjából, nem pedig egy adott élőlény pillanatnyi élettevékenysége szempontjából hangsúlyosak. Ilyen, ún. potenciális életkritériumok a növekedés és szaporodás, az öröklődő változás létrehozására való képesség, valamint a halál lehetősége. Nem felelnek meg a potenciális életkritériumoknak például egyes hangyadolgozók vagy az öszvérek, amelyek nem tudnak szaporodóképes utódokat létrehozni.

Az élet és az élőlények definiálásával kapcsolatban sok további probléma merül fel. Az élet lényege feltehetőleg azért fogható meg nehezen, mert az nem egy-egy konkrét tényezőből, hanem az élőlényeket alkotó részek szervezettségének és kölcsönhatásának módjából származik.

A Földön kívüli élet fogalma

Az asztrobiológiai kutatások szempontjából olyan általános megfogalmazást kell alkotni az életre és az élőlényekre, amelyek elvileg a földitől gyökeresen eltérő formákra is érvényesek. Ilyen szempontból érdemes egy olyan képzeletbeli (kiindulásként földi) élőlényt leírni, amely a lehető legegyszerűbb, de a fenti meghatározások szerint már élőnek tekinthető. Következő lépésként ennek egyes jellemzőit kell minél jobban általánosítani. A cél olyan rendszert alkotni, amely pl. nem csak vizes közegben működik, avagy nem csak széntartalmú molekulákon alapulhat.

Amennyiben sikerül egy olyan absztrakt rendszert leírni, amely teljesíti a minimális életkritériumokat, az kiindulópont lehet a Földön kívüli élet kereséséhez, pontosabban esetleges azonosításához. Ilyen a Gánti Tibor által az 1970-es években megalkotott ún. chemoton absztrakt rendszer.

A chemoton modell az életjelenségeket mutató élő rendszerek leegyszerűsített modellje. Olyan autokatalitikus (önreprodukáló) körfolyamatok együttese, amelyek egymással összekapcsolódnak és kölcsönhatnak - a rendszer egésze pedig életjelenségeket produkál. A chemoton modell három alrendszerének egyszerűsített leírása az alábbiakban olvasható (zárójelben az adott alrendszernek a mai földi élet esetében megjelenő domináns összetevőivel):

• Metabolikus alrendszer: olyan önreprodukáló kémiai rendszer, amely a környezetből felvett elemeket és molekulákat más molekulákká alakítja. Energiát termel és  alapanyagot szolgáltat a további két alrendszernek (különböző fehérjék együttese).
• Vezérlő alrendszer: mintaként szolgáló molekulaláncok, amelyek elkészítik saját másolataikat, és számos információ kódolására adnak lehetőséget (RNS, DNS).
• Membrán alrendszer: részlegesen áteresztő burkot alkotó molekulák együttese, amely a fenti két alrendszert körbeveszi, és azt elkülöníti a környezettől (foszfolipidek alkotta hártya, sejtfal).

Elmondhatjuk, hogy a chemoton anyagcserét folytat, növekszik, szaporodik és programvezérelt. Ha a folyamatok összjátékaként, alkalmanként véletlen örökletes változások keletkeznek a chemotonban, az ezután született "utód" eltérhet a "szülőtől". Tulajdonságait ő is örökíteni képes, és a természetes kiválasztódás révén a kevésbé hatékony formák idővel háttérbe szorulnak, az egymást követő nemzedékek pedig evolválódnak - az újabb és újabb egyedek tehát fejlettebbé válnak.

A chemoton modell absztrakt hálózata, amelyben az anyagcsereciklus, az információhordozó replikációja és a membránnövekedés összekapcsolódik (Gánti Tibor)

A fenti megközelítés további előnye, hogy segítségével az élet és az élőlények definiálásának problémája filozófiai jellegű kérdésből természettudományos módszerekkel, kísérletekkel vizsgálható problémakörré alakult. A chemotonban zajló reakciók számításokkal, kísérletekkel vizsgálhatók. Az élet ilyetén meghatározása elméletben a földi víz- és szénalapútól eltérő biokémiájú rendszerekre is alkalmazható - tehát fontos támpont lehet a Földön kívüli élet kutatásában, amennyiben feltételezzük, hogy léteznek nem szén- és vízalapú életformák is.

Bár elméletileg a szén-alapútól eltérő, pl. szilícium-alapú életformák létezése sem zárható ki, a kutatók szerint a szénatom az optimális elem az élethez az anyagi szempontból egységes Univerzumban. Kisméretű atomtörzsével és négy kovalens kötés létesítésének lehetőségével sokkal összetettebb molekulák kialakítására képes, mint más elemek.