30.2: Astrobiolojia

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza vitalu vya ujenzi vya kemikali vinavyotakiwa kwa maisha
• Eleza mifumo ya Masi na michakato ya kuendesha gari asili na mageuzi ya maisha
• Eleza sifa za mazingira yanayofaa
• Eleza baadhi ya hali mbaya zaidi duniani, na ueleze jinsi viumbe fulani vimebadilishwa na hali hizi

Wanasayansi leo huchukua mbinu mbalimbali za kusoma asili, mageuzi, usambazaji, na hatima ya mwisho ya maisha katika ulimwengu; uwanja huu wa utafiti unajulikana kama astrobiolojia. Unaweza pia wakati mwingine kusikia uwanja huu unaojulikana kama exobiology au bioastronomia. Astrobiolojia huleta pamoja wanaastronomia, wanasayansi wa sayari, wanakemia, jiolojia, na wanabiolojia (miongoni mwa wengine) kufanya kazi juu ya matatizo yaleyale kutoka mitazamo yao mbalimbali.

Miongoni mwa masuala ambayo astrobiologists kuchunguza ni hali ambayo maisha yaliondoka duniani na sababu za kubadilika kwa ajabu kwa maisha katika sayari yetu. Pia wanahusika katika kutambua ulimwengu unaoishi zaidi ya Dunia na katika kujaribu kuelewa kwa maneno ya vitendo jinsi ya kuangalia maisha kwenye ulimwengu huo. Hebu tuangalie baadhi ya masuala haya kwa undani zaidi.

Vitalu vya Ujenzi wa Maisha

Wakati hakuna ushahidi usiojulikana wa maisha bado umepatikana popote zaidi ya Dunia, vitalu vya ujenzi wa kemikali vya maisha vimegunduliwa katika mazingira mbalimbali ya nje ya nchi. Meteorites (ambayo ulijifunza katika Sampuli za Cosmic na Mwanzo wa Mfumo wa Jua) umepatikana kuwa na aina mbili za vitu ambazo miundo ya kemikali huwaweka alama kama kuwa na asili ya nje ya nchi - amino asidi na sukari. Amino asidi ni misombo ya kikaboni ambayo ni vitalu vya ujenzi wa protini. Protini ni molekuli muhimu za kibiolojia zinazotoa muundo na kazi ya tishu na viungo vya mwili na kimsingi hufanya “kazi” ya seli. Tunapochunguza gesi na vumbi karibu na comets, tunapata pia idadi ya molekuli za kikaboni-misombo ambayo duniani huhusishwa na kemia ya maisha.

Kupanua zaidi ya mfumo wetu wa jua, mojawapo ya matokeo ya kuvutia zaidi ya astronomia ya redio ya kisasa imekuwa ugunduzi wa molekuli za kikaboni katika mawingu makubwa ya gesi na vumbi kati ya nyota. Zaidi ya 100 molekuli tofauti zimetambuliwa katika hifadhi hizi za malighafi ya cosmic, ikiwa ni pamoja na formaldehyde, pombe, na wengine tunajua kama mawe muhimu ya kuongezeka katika maendeleo ya maisha duniani. Kwa kutumia darubini za redio na spectrometers za redio, wanaastronomia wanaweza kupima wingi wa kemikali mbalimbali katika mawingu haya. Tunapata molekuli za kikaboni kwa urahisi zaidi katika mikoa ambapo vumbi vya interstellar ni nyingi zaidi, na inageuka haya ni mikoa ambayo malezi ya nyota (na pengine malezi ya sayari) hutokea kwa urahisi zaidi (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) Cloud ya gesi na vumbi. Wingu hili la gesi na vumbi katika kundinyota ya Scorpius ni aina ya kanda ambako molekuli tata hupatikana. Pia ni aina ya wingu ambako nyota mpya zinatokana na hifadhi ya gesi na vumbi katika wingu. Mionzi kutoka kundi la nyota moto (mbali picha hadi upande wa kushoto chini) inayoitwa Scorpius OB Association ni “kula ndani ya” wingu, likijitokeza katika sura ya vidogo na kusababisha mwanga wa rangi nyekundu unaoonekana kwenye ncha yake.

Kwa wazi Dunia ya mapema yenyewe ilizalisha baadhi ya vitalu vya ujenzi wa Masi ya maisha. Tangu mwanzoni mwa miaka ya 1950, wanasayansi wamejaribu kurudia katika maabara yao njia za kemikali ambazo zimesababisha maisha katika sayari yetu. Katika mfululizo wa majaribio inayojulikana kama majaribio ya Miller-Urey, yaliyoanzishwa na Stanley Miller na Harold Urey katika Chuo Kikuu cha Chicago, biochemists wamefanya hali ya Dunia mapema na wameweza kuzalisha baadhi ya vitalu vya msingi vya maisha, ikiwa ni pamoja na wale ambao huunda protini na molekuli nyingine kubwa ya kibiolojia inayojulikana kama asidi nucleic (ambayo tutajadili hivi karibuni).

Ingawa majaribio haya yalizalisha matokeo ya kutia moyo, kuna baadhi ya matatizo nao. Kemia ya kuvutia zaidi kutokana na mtazamo wa kibiolojia hufanyika kwa gesi tajiri ya hidrojeni au kupunguza, kama vile amonia na methane. Hata hivyo, angahewa ya mwanzo ya Dunia pengine iliongozwa na dioksidi kaboni (kama anga za Venus na Mars' bado ziko leo) na huenda zisiwe na wingi wa gesi za kupunguza kulinganishwa na ile iliyotumika katika majaribio ya aina ya Miller-Urey. Hydrothermal vents-seafloor mifumo ambayo maji ya bahari ni superheated na kusambazwa kwa njia ya miamba crustal au vazi kabla reemerging katika bahari-pia imekuwa alipendekeza kama wachangiaji uwezo wa misombo ya kikaboni katika dunia mapema, na vyanzo vile bila kuhitaji Dunia kuwa na kupunguza mapema angahewa.

Vyanzo vyote vya kidunia na vya nje vinaweza kuchangia ugavi wa mapema wa molekuli za kikaboni, ingawa tuna ushahidi zaidi wa moja kwa moja kwa mwisho. Inawezekana hata kwamba maisha yenyewe yalitokea mahali pengine na ilipandwa kwenye sayari yetu—ingawa hii, bila shaka, haina kutatua tatizo la jinsi maisha hayo yalivyoanza kuanza.

Matundu ya hydrothermal yanaanza kuonekana uwezekano zaidi kama wachangiaji mapema kwa misombo ya kikaboni inayopatikana duniani. Soma kuhusu matundu ya hydrothermal, angalia video na slideshows kwenye maajabu haya na mengine ya bahari, na jaribu simulation maingiliano ya mzunguko wa hydrothermal kwenye tovuti ya Woods Hole Oceanographic Institute

Mwanzo na Mageuzi ya Mapema ya Maisha

Misombo ya kaboni ambayo huunda msingi wa kemikali ya maisha inaweza kuwa ya kawaida katika ulimwengu, lakini bado ni hatua kubwa kutoka vitalu hivi vya ujenzi hadi kiini kilicho hai. Hata molekuli rahisi za jeni (vitengo vya msingi vya kazi ambavyo hubeba maumbile, au hereditary, nyenzo katika seli) zina mamilioni ya vitengo vya Masi, kila mmoja hupangwa kwa mlolongo sahihi. Aidha, hata maisha zaidi primitive required uwezo mbili maalum: njia ya kuchimba nishati kutoka mazingira yake, na njia ya encoding na replicating habari ili kufanya nakala mwaminifu yenyewe. Wanabiolojia leo wanaweza kuona njia ambazo mojawapo ya uwezo huu inaweza kuwa imeunda katika mazingira ya asili, lakini bado tuko mbali mbali na kujua jinsi hizi mbili zilivyokusanyika katika aina za kwanza za maisha.

Hatuna ushahidi thabiti kwa njia iliyosababisha asili ya maisha katika dunia yetu isipokuwa kwa historia yoyote ya awali inaweza kubakia katika biokemia ya maisha ya kisasa. Hakika, tuna ushahidi mdogo sana wa moja kwa moja wa kile Dunia yenyewe ilikuwa kama wakati wa historia yake ya mwanzo-sayari yetu ni yenye ufanisi sana katika kufufua yenyewe kupitia tectonics ya sahani (tazama sura ya Dunia kama Sayari) kwamba miamba michache sana hubakia kutoka kipindi hiki cha mwanzo. Katika sura ya awali juu ya Ulimwengu wa Cratered, ulijifunza kwamba Dunia ilikuwa inakabiliwa na bombardment nzito-kipindi cha matukio makubwa-baadhi ya miaka bilioni 3.8 hadi 4.1 iliyopita. Athari kubwa ingekuwa na nguvu ya kutosha kuharakisha tabaka za uso wa Dunia, ili hata kama maisha yangeanza kwa wakati huu, ingeweza kufutwa.

Wakati athari kubwa zilikoma, eneo hilo liliwekwa kwa mazingira ya amani zaidi kwenye sayari yetu. Ikiwa bahari za Dunia zilikuwa na nyenzo za kikaboni zilizokusanywa kutoka kwa vyanzo vyovyote vilivyotajwa tayari, viungo vilipatikana ili kufanya viumbe hai. Hatuelewi kwa undani yoyote mlolongo wa matukio yaliyosababisha kutoka kwa molekuli hadi biolojia, lakini kuna ushahidi wa kisukuku wa maisha ya microbial katika miamba ya umri wa miaka bilioni 3.5, na uwezekano (kujadiliwa) ushahidi wa maisha hadi miaka bilioni 3.8.

Maisha kama tunavyojua inaajiri mifumo miwili kuu ya Masi: molekuli ya kazi inayojulikana kama protini, ambayo hufanya kazi ya kemikali ya seli, na molekuli zenye habari za DNA (deoxyribonucleic acid) zinazohifadhi habari kuhusu jinsi ya kuunda kiini na kemikali yake na vipengele vya kimuundo. Asili ya maisha wakati mwingine huchukuliwa kama “tatizo la kuku na yai” kwa sababu, katika biolojia ya kisasa, hakuna mifumo hii haifanyi kazi bila nyingine. Ni protini zetu zinazokusanya vipande vya DNA kwa utaratibu sahihi unaotakiwa kuhifadhi habari, lakini protini zinaundwa kulingana na habari zilizohifadhiwa katika DNA. Ambayo alikuja kwanza? Baadhi ya asili ya watafiti wa maisha wanaamini kwamba kemia ya prebiotic ilikuwa msingi wa molekuli ambazo zinaweza kuhifadhi habari na kufanya kazi ya kemikali ya seli. Imependekezwa kuwa RNA (asidi ribonucleic), molekuli inayosaidia katika mtiririko wa habari za maumbile kutoka DNA hadi protini, huenda ikawa imetumikia kusudi hilo. Wazo la “dunia ya RNA” ya mapema imezidi kukubaliwa, lakini mpango mkubwa unabaki kueleweka kuhusu asili ya maisha.

Pengine uvumbuzi muhimu zaidi katika historia ya biolojia, mbali na asili ya maisha yenyewe, ilikuwa ugunduzi wa mchakato wa usanisinuru, mlolongo mgumu wa athari za kemikali kwa njia ambayo baadhi ya vitu hai vinaweza kutumia jua kutengeneza bidhaa zinazohifadhi nishati (kama vile wanga), ikitoa oksijeni kama moja kwa-bidhaa. Hapo awali, maisha yalipaswa kufanya na vyanzo vya nishati ya kemikali vinavyopatikana duniani au kutolewa kutoka angani. Lakini nishati nyingi zinazopatikana katika jua zinaweza kusaidia biosphere kubwa na yenye uzalishaji zaidi, pamoja na baadhi ya athari za biochemical ambazo haziwezekani kwa maisha. Moja kati ya hayo ilikuwa uzalishaji wa oksijeni (kama bidhaa taka) kutoka dioksidi kaboni, na ongezeko la viwango vya anga vya oksijeni takriban miaka bilioni 2.4 iliyopita inamaanisha kuwa usanisinuru unaozalisha oksijeni lazima uwe umeibuka na kuwa muhimu duniani kwa wakati huu. Kwa kweli, kuna uwezekano kwamba photosynthesis inayozalisha oksijeni iliibuka mapema sana.

Baadhi ya aina ya ushahidi kemikali zilizomo katika miamba ya kale, kama vile imara, layered mwamba formations inayojulikana kama stromatolites, ni mawazo kuwa fossils ya oxygen-kuzalisha bakteria photosynthetic katika miamba ambayo ni karibu miaka bilioni 3.5 (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Kwa ujumla hufikiriwa kuwa aina rahisi ya usanisinuru usiozalisha oksijeni (na bado inatumiwa na baadhi ya bakteria leo) pengine ilitangulia usanisinuru unaozalisha oksijeni, na kuna ushahidi mkubwa wa kisukuku kwamba aina moja au nyingine ya usanisinuru ilikuwa ikifanya kazi duniani angalau hadi nyuma kama Miaka bilioni 3.4 iliyopita.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\) Stromatolites Hifadhi Mwanzo Physical Uwakilishi wa Maisha duniani. Katika kufikia jua, microbes moja-celled sumu mikeka ambayo trapped sediments katika maji juu yao. Vipande vile vilivyopigwa vilianguka na kuunda tabaka juu ya mikeka. Kisha viumbe vidogo vilipanda juu ya tabaka za sediment na kuziba sediment zaidi. Kinachopatikana katika rekodi ya mwamba ni (a) safu za sedimentary zilizoimarishwa, ambazo ni saini za shughuli za kibiolojia. Stromatolite ya kwanza inayojulikana ni umri wa miaka bilioni 3.47 na inapatikana katika Australia ya Magharibi. (b) Mfano huu wa hivi karibuni ni katika Ziwa Thetis, pia katika Australia Magharibi.

Oksijeni ya bure iliyotengenezwa na photosynthesis ilianza kujilimbikiza katika anga yetu kuhusu miaka bilioni 2.4 iliyopita. Mwingiliano wa jua na oksijeni unaweza kuzalisha ozoni (ambayo ina atomi tatu za oksijeni kwa molekuli, ikilinganishwa na atomi mbili kwa molekuli katika oksijeni tunayopumua), ambayo imekusanya katika safu ya juu katika anga ya dunia. Kama ilivyo duniani leo, ozoni hii ilitoa ulinzi kutokana na mionzi ya mionzi ya ultraviolet iliyoharibika ya jua. Hii iliruhusu maisha kutawala ardhi ya dunia yetu badala ya kubaki tu katika bahari.

Kuongezeka kwa viwango vya oksijeni kulikuwa na mauti kwa vijidudu vingine kwa sababu, kama kemikali yenye nguvu sana, inaweza kuharibu kwa kiasi kikubwa baadhi ya biomolecules ambazo maisha ya mapema yalikuwa yameendelea bila kukosekana kwa oksijeni. Kwa vijidudu vingine, ilikuwa ni mafanikio: kuchanganya oksijeni na maumbile ya kikaboni au kemikali nyingine zilizopunguzwa huzalisha nishati nyingi—unaweza kuona hili wakati logi inawaka, kwa mfano-na aina nyingi za maisha zilipitisha njia hii ya maisha. Chanzo hiki kipya cha nishati kiliwezesha kuenea kwa viumbe, ambavyo viliendelea kubadilika katika mazingira yenye utajiri wa oksijeni.

Maelezo ya mageuzi hayo ni vizuri suala la kozi za biolojia, lakini mchakato wa mageuzi na uteuzi wa asili (maisha ya fittest) hutoa maelezo wazi kwa ajili ya maendeleo ya aina ya ajabu ya dunia ya aina ya maisha. Haina, hata hivyo, kutatua moja kwa moja siri ya mwanzo wa maisha. Tunadhani kwamba maisha yatatokea wakati wowote hali zinafaa, lakini hypothesis hii ni aina nyingine ya kanuni ya Copernican. Sasa tuna uwezo wa kushughulikia hypothesis hii na uchunguzi. Ikiwa mfano wa pili wa maisha unapatikana katika mfumo wetu wa jua au nyota iliyo karibu, ingekuwa na maana kwamba maisha yanajitokeza kwa kawaida kiasi kwamba ulimwengu unaweza kujazwa na biolojia. Ili kufanya uchunguzi huo, hata hivyo, lazima kwanza tuamua wapi kuzingatia utafutaji wetu.

Je! Uhai ulitokeaje mahali pa kwanza? Na inaweza kuwa kilichotokea kwa aina tofauti ya kemia? Tazama video ya dakika 15 Making Matter Come Alive ambapo mtaalam wa kemia anachunguza baadhi ya majibu ya maswali haya, kutoka kwenye TED Talk 2011.

Mazingira Yanayofaa

Miongoni mwa idadi kubwa ya vitu katika mfumo wetu wa jua, Galaxy, na ulimwengu, baadhi wanaweza kuwa na hali zinazofaa kwa maisha, wakati wengine hawana. Kuelewa hali na vipengele vinavyotengeneza mazingira yanayofaa - mazingira yenye uwezo wa kuhudhuria maisha-ni muhimu kwa kuelewa jinsi mazingira yaliyoenea yanaweza kuwa katika ulimwengu na kwa kuzingatia utafutaji wa maisha zaidi ya Dunia. Hapa, tunazungumzia habitability kutokana na mtazamo wa maisha tunayoyajua. Tutazingatia mahitaji ya msingi ya maisha na, katika sehemu inayofuata, fikiria hali kamili ya mazingira duniani ambapo maisha hupatikana. Wakati hatuwezi kutawala kabisa uwezekano kwamba aina nyingine za maisha zinaweza kuwa na biokemia kulingana na njia mbadala za kaboni na maji ya kioevu, maisha kama hayo “kama hatujui” bado ni ya kubahatisha kabisa. Katika majadiliano yetu hapa, tunazingatia uwezekano wa kuishi kwa maisha ambayo ni sawa na kemikali na ile duniani.

Maisha inahitaji kutengenezea (kiowevu ambacho kemikali zinaweza kufuta) kinachowezesha ujenzi wa biomolecules na mwingiliano kati yao. Kwa maisha kama tunavyojua, kwamba kutengenezea ni maji, ambayo ina mali mbalimbali ambazo ni muhimu kwa jinsi biochemistry yetu inavyofanya kazi. Maji ni mengi ulimwenguni, lakini maisha yanahitaji maji yawe katika fomu ya kiowevu (badala ya barafu au gesi) ili kujaza vizuri jukumu lake katika biochemistry. Hiyo ni kesi tu ndani ya aina fulani ya joto na shinikizo-juu mno au chini mno katika variable ama, na maji huchukua umbo la mango au gesi. Kutambua mazingira ambako maji yapo ndani ya hali ya joto na shinikizo inayofaa ni hatua muhimu ya kwanza katika kutambua mazingira yanayofaa. Hakika, mkakati wa “kufuata maji” umekuwa, na unaendelea kuwa, dereva muhimu katika utafutaji wa sayari ndani na nje ya mfumo wetu wa jua.

Biokemia yetu inategemea molekuli zilizofanywa kwa kaboni, hidrojeni, nitrojeni, oksijeni, fosforasi, na sulfuri. Kaboni ni msingi wa kemia ya kikaboni. Uwezo wake wa kuunda vifungo vinne, kwa yenyewe na kwa mambo mengine ya maisha, inaruhusu kuundwa kwa idadi kubwa ya molekuli zinazoweza kutegemea biochemistry. Vipengele vilivyobaki vinachangia muundo na reactivity ya kemikali kwa biomolecules yetu, na huunda msingi wa mwingiliano wengi kati yao. Hizi “vipengele biogenic,” wakati mwingine hujulikana kwa kifupi CHNOPS (kaboni, hidrojeni, nitrojeni, oksijeni, fosforasi, na kiberiti), ni malighafi ambayo maisha wamekusanyika, na ugavi wa kupatikana kwao ni mahitaji ya pili ya habitability.

Kama tulivyojifunza katika sura zilizopita kuhusu fusion ya nyuklia na hadithi ya maisha ya nyota, kaboni, nitrojeni, oksijeni, fosforasi, na sulfuri zote zinaundwa kwa fusion ndani ya nyota na kisha kusambazwa ndani ya galaksi yao kama nyota hizo zinakufa. Lakini jinsi zinavyosambazwa kati ya sayari zinazounda ndani ya mfumo mpya wa nyota, kwa namna gani, na jinsi michakato ya kemikali, kimwili, na kijiolojia kwenye sayari hizo inazunguka elementi kuwa miundo ambayo inapatikana kwa biolojia, inaweza kuwa na athari kubwa juu ya usambazaji wa maisha. Katika bahari za Dunia, kwa mfano, wingi wa phytoplanktoni (viumbe rahisi ambavyo ni msingi wa mlolongo wa chakula cha bahari) katika maji ya uso unaweza kutofautiana kwa mara elfu kwa sababu ugavi wa nitrojeni hutofautiana kutoka sehemu kwa mahali (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Kuelewa ni michakato gani inayodhibiti upatikanaji wa vipengele katika mizani yote ni sehemu muhimu ya kutambua mazingira yanayofaa.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\) Chlorophyll Wingi. Wengi wa chlorophyll (kiashiria cha bakteria ya photosynthetic na mwani) hutofautiana na karibu mara elfu katika mabonde ya bahari. Tofauti hiyo ni karibu kabisa kutokana na upatikanaji wa nitrojeni-moja ya kuu “elementi za biogeniki” katika fomu ambazo zinaweza kutumiwa na maisha.

Kwa mahitaji haya mawili ya kwanza, tuna malighafi ya msingi ya maisha na kutengenezea ambayo tunawakusanya katika molekuli ngumu zinazoendesha biochemistry yetu. Lakini kufanya mkutano huo na kudumisha mashine ngumu ya biochemical ya maisha inachukua nishati. Unatimiza mahitaji yako mwenyewe ya nishati kila wakati unapokula chakula au pumzi, na huwezi kuishi kwa muda mrefu ikiwa umeshindwa kufanya ama mara kwa mara. Maisha duniani hutumia aina mbili kuu za nishati: kwenu, hizi ni oksijeni katika hewa unayopumua na molekuli za kikaboni katika chakula chako. Lakini maisha kwa ujumla yanaweza kutumia safu pana sana ya kemikali na, wakati wanyama wote wanahitaji oksijeni, bakteria wengi hawana. Moja ya michakato ya kwanza inayojulikana ya maisha, ambayo bado inafanya kazi katika microorganisms za kisasa, huchanganya hidrojeni na dioksidi kaboni kufanya methane, ikitoa nishati katika mchakato. Kuna microorganisms kwamba “kupumua” metali ambayo itakuwa sumu kwetu, na hata baadhi ambayo kupumua katika sulfuri na kupumua asidi sulfuriki. Mimea na microorganisms photosynthetic pia imebadilika taratibu za kutumia nishati katika mwanga moja kwa moja.

Maji katika awamu ya kioevu, vipengele vya biogenic, na nishati ni mahitaji ya msingi ya kuishi. Lakini kuna vikwazo vya ziada vya mazingira? Tunazingatia hili katika sehemu inayofuata.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\) Grand Prismatic Spring katika Yellowstone National Park. Hii chemchemi ya moto, ambapo maji yanajitokeza kutoka kituo cha bluu kwenye joto karibu na kiwango cha kuchemsha (karibu 92 ºC), inasaidia safu inayoendelea ya maisha ya microbial. Rangi ya kijani, njano, na rangi ya machungwa karibu na kando hutoka “mikeka” yenye nene ya bakteria ya photosynthetic. Kwa kweli, rangi yao kwa sehemu inaonyesha matumizi yao ya nishati ya mwanga-baadhi ya wavelengths ya jua inayoingia huchaguliwa kwa nishati; wengine hujitokeza nyuma. Kwa kuwa inakosa wavelengths zilizokamatwa, nuru hii sasa ni tofauti na rangi kuliko jua inayoiangazia. Sehemu ya bluu ya chemchemi ina joto la juu sana ili kuruhusu maisha ya photosynthetic (hivyo ukosefu wa rangi isipokuwa ile inayotolewa na maji yenyewe), lakini maisha bado yapo. Hapa, kwa karibu joto la kuchemsha, bakteria hutumia nishati ya kemikali inayotolewa na mchanganyiko wa hidrojeni na kemikali nyingine zenye oksijeni.

Maisha katika hali mbaya

Katika kiwango cha kemikali, maisha yana aina nyingi za molekuli zinazoingiliana ili kutekeleza michakato ya maisha. Mbali na maji, malighafi ya msingi, na nishati, maisha pia yanahitaji mazingira ambayo molekuli hizo ngumu zina imara (usivunjike kabla ya kufanya kazi zao) na mwingiliano wao unawezekana. Biokemia yako mwenyewe inafanya kazi vizuri tu ndani ya aina nyembamba sana ya takriban 10 °C katika joto la mwili na sehemu mbili za kumi za kitengo katika pH ya damu (pH ni kipimo cha namba cha asidi, au kiasi cha ioni za hidrojeni huru). Zaidi ya mipaka hiyo, uko katika hatari kubwa.

Maisha kwa ujumla yanapaswa pia kuwa na mipaka kwa hali ambayo inaweza kufanya kazi vizuri lakini, kama tutakavyoona, ni pana sana kuliko mipaka ya kibinadamu. Rasilimali ambazo maisha ya mafuta hugawanywa katika hali mbalimbali sana. Kwa mfano, kuna nishati nyingi za kemikali zinazopatikana katika chemchemi za moto ambazo ni asidi ya kuchemsha (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Hii inatoa motisha ya kutosha kwa ajili ya mageuzi kujaza kiasi cha aina hiyo na maisha kama inavyowezekana biochemically. Kiumbe (kwa kawaida kidudu) kinachovumilia au hata kustawi chini ya hali ambayo maisha mengi yanayotuzunguka yangeweza kufikiria uadui, kama vile joto la juu sana au la chini au asidi, hujulikana kama extremophile (ambapo suffix -phile inamaanisha “mpenzi wa”). Hebu tuangalie baadhi ya masharti ambayo yanaweza kupinga maisha na viumbe ambavyo vimeweza kuchonga niche wakati wa kufikia uwezekano.

Joto la juu na la chini linaweza kusababisha tatizo kwa maisha. Kama kiumbe kikubwa, una uwezo wa kudumisha joto la kawaida la mwili ikiwa ni baridi au joto katika mazingira karibu nawe. Lakini hii haiwezekani kwa ukubwa mdogo wa microorganisms; chochote halijoto katika ulimwengu wa nje pia ni halijoto ya microbe, na biokemia yake lazima iwe na uwezo wa kufanya kazi katika joto hilo. Joto la juu ni adui wa utata-kuongezeka kwa nishati ya joto huelekea kuvunja mbali molekuli kubwa kuwa bits ndogo na ndogo, na maisha yanahitaji kuimarisha molekuli na vifungo vikali na protini maalum. Lakini njia hii ina mipaka yake.

Hata hivyo, kama ilivyoelezwa hapo awali, mazingira ya juu ya joto kama chemchemi za moto na matundu ya hydrothermal mara nyingi hutoa vyanzo vingi vya nishati ya kemikali na hivyo kuendesha mageuzi ya viumbe ambayo yanaweza kuvumilia joto la juu (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)); viumbe vile huitwa thermophile. Hivi sasa, mmiliki wa rekodi ya joto la juu ni microorganism inayozalisha methane ambayo inaweza kukua saa 122 °C, ambapo shinikizo pia ni kubwa kiasi kwamba maji bado hayana chemsha. Hiyo ni ajabu wakati unafikiri juu yake. Tunapika chakula chetu—maana yake, tunabadilisha kemia na muundo wa biomolecules yake—kwa kuchemsha kwenye joto la 100 °C Kwa kweli, chakula kinaanza kupika kwa joto la chini sana kuliko hili. Na hata hivyo, kuna viumbe ambao biochemistry inabakia intact na inafanya kazi nzuri sana katika joto la digrii 20 za juu.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\) Hydrothermal Vent kwenye sakafu ya Bahari. Nini inaonekana kuwa moshi mweusi ni kweli superheated maji kujazwa na madini ya sulfidi chuma. Maji ya maji ya hydrothermal yanaweza kuwakilisha chanzo kikubwa cha nishati ya kemikali, na hivyo dereva wa mageuzi ya microorganisms ambayo inaweza kuvumilia joto la juu. Bakteria wanaolisha nishati hii ya kemikali huunda msingi wa mlolongo wa chakula ambao unaweza kusaidia jamii zinazostawi za wanyama-katika kesi hii, kiraka kikubwa cha minyoo nyekundu na nyeupe inayokua karibu na msingi wa vent.

Baridi pia inaweza kuwa tatizo, kwa sehemu kwa sababu inapunguza kasi kimetaboliki kwa viwango vya chini sana, lakini pia kwa sababu inaweza kusababisha mabadiliko ya kimwili katika biomolecules. Vipande vya kiini—bahasha za molekuli zinazozunguka seli na kuruhusu kubadilishana kwao kemikali na ulimwengu wa nje-kimsingi hutengenezwa kwa molekuli kama mafuta. Na kama vile mafuta yanavyopungua, utando huangaza, kubadilisha jinsi wanavyofanya kazi katika kubadilishana vifaa ndani na nje ya seli. Baadhi ya seli zilizochukuliwa na baridi (zinazoitwa psychrophiles) zimebadilika kemikali ya utando wao ili kukabiliana na tatizo hili; lakini tena, kuna mipaka. Hadi sasa, joto la baridi zaidi ambalo microbe yoyote imeonyeshwa kuzaliana ni takriban -25 ºC.

Masharti ambayo ni tindikali sana au alkali pia yanaweza kuwa tatizo kwa maisha kwa sababu wengi wa molekuli zetu muhimu, kama protini na DNA, zinavunjika chini ya hali hiyo. Kwa mfano, safi ya kukimbia kaya, ambayo inafanya kazi yake kwa kuvunja muundo wa kemikali wa vitu kama nywele za nywele, ni suluhisho la alkali sana. Viumbe wengi wenye uvumilivu wa asidi (acidophiles) wana uwezo wa kuishi katika maadili ya pH karibu na sifuri-karibu mara milioni kumi zaidi ya tindikali kuliko damu yako (Kielelezo\(\PageIndex{6}\)). Kwa upande mwingine uliokithiri, baadhi alkaliphiles inaweza kukua katika viwango vya pH ya karibu 13, ambayo ni sawa na pH ya bleach ya kaya na karibu mara milioni zaidi ya alkali kuliko damu yako.

Kielelezo\(\PageIndex{6}\) Hispania ya Rio Tinto. Kwa pH karibu na 2, Rio Tinto ni halisi mto wa asidi. Vidubini vinavyopenda asidi (acidophiles) sio tu kustawi katika maji haya, shughuli zao za kimetaboliki husaidia kuzalisha asidi katika nafasi ya kwanza. Rangi nyekundu yenye kutu inayotoa mto jina lake linatokana na viwango vya juu vya chuma vilivyoyeyushwa majini.

Viwango vya juu vya chumvi katika mazingira vinaweza pia kusababisha tatizo kwa maisha kwa sababu chumvi huzuia baadhi ya kazi za mkononi. Binadamu walitambua karne hizi zilizopita na wakaanza kuponya chakula cha chumvi ili kukiweka kisichoharibika—maana, ili kukizuia isiwe na ukoloni na vijidudu. Hata hivyo baadhi ya microbes wamebadilika kukua katika maji ambayo ni ulijaa katika sodium chloride (meza chumvi) -kuhusu mara kumi kama chumvi kama maji ya bahari (Kielelezo\(\PageIndex{7}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{7}\) chumvi mabwawa. Maji ya chumvi evaporative kazi karibu na San Francisco ni rangi nyekundu na jamii thriving ya viumbe photosynthetic. Maji haya yana takriban mara kumi kama chumvi kama maji ya bahari—ya kutosha kwa kloridi ya sodiamu kuanza kuangaza nje—lakini baadhi ya viumbe vinaweza kuishi na kustawi katika hali hizi.

Shinikizo la juu sana linaweza literally itapunguza biomolecules ya maisha, na kusababisha yao kupitisha fomu zaidi za kuchanganya ambazo hazifanyi kazi vizuri sana. Lakini bado tunapata maisha—si tu microbial, lakini hata maisha ya mnyama- kwenye makalio ya bahari yetu, ambapo shinikizo ni zaidi ya mara 1000 shinikizo la anga. Mabadiliko mengine mengi kwa “extremes” ya mazingira yanajulikana pia. Kuna hata viumbe, Deinococcus radiodurans, ambayo inaweza kuvumilia mionzi ionizing (kama vile iliyotolewa na mambo ya mionzi) mara elfu makali zaidi kuliko ungeweza kuhimili. Pia ni nzuri sana katika kuishi kukausha uliokithiri (kukausha nje) na aina mbalimbali za metali ambayo itakuwa sumu kwa wanadamu.

Kutokana na mifano mingi kama hiyo, tunaweza kuhitimisha kwamba maisha yana uwezo wa kuvumilia aina mbalimbali za mazingira - kiasi kwamba tunapaswa kufanya kazi kwa bidii kutambua mahali ambapo maisha hayawezi kuwepo. Sehemu chache hizo zinajulikana—kwa mfano, maji ya matundu ya hydrothermal kwenye zaidi ya 300 °C yanaonekana moto mno kusaidia maisha yoyote-na kutafuta maeneo haya husaidia kufafanua uwezekano wa maisha mahali pengine. Utafiti wa extremophiles katika miongo michache iliyopita umepanua hisia zetu za hali mbalimbali maisha yanaweza kuishi na, kwa kufanya hivyo, imefanya wanasayansi wengi kuwa na matumaini zaidi juu ya uwezekano kwamba maisha yanaweza kuwepo nje ya Dunia.

Dhana muhimu na Muhtasari

Utafiti wa maisha katika ulimwengu, ikiwa ni pamoja na asili yake duniani, inaitwa astrobiolojia. Maisha kama tunavyojua inahitaji maji, malighafi fulani ya msingi (kaboni, hidrojeni, nitrojeni, oksijeni, fosforasi, na sulfuri), nishati, na mazingira ambayo kemia tata ya maisha imara. Molekuli makao ya kaboni (au kikaboni) ni tele katika anga na huenda pia zimetengenezwa na michakato duniani. Maisha yanaonekana kuwa yameenea duniani kote ndani ya miaka milioni 400 baada ya mwisho wa bombardment nzito, ikiwa sio mapema. Asili halisi ya maisha-michakato inayoongoza kutoka kemia hadi biolojia-haieleweki kabisa. Mara baada ya maisha kushika, ilibadilika kutumia vyanzo vingi vya nishati, ikiwa ni pamoja na kwanza aina mbalimbali za kemia tofauti na baadaye mwanga, na mseto katika mazingira mbalimbali ya mazingira ambayo wanadamu wanaona kuwa “uliokithiri.” Uenezi huu wa maisha katika niches nyingi za mazingira, hivi karibuni baada ya sayari yetu ikawa hai, imewahi kufanya wanasayansi wengi matumaini juu ya nafasi ambazo maisha yanaweza kuwepo mahali pengine.

faharasa

amino asidi

misombo ya kikaboni ambayo ni Masi ya ujenzi wa vitalu vya protini

astrobiolojia

utafiti mbalimbali ya maisha katika ulimwengu: asili yake, mageuzi, usambazaji, na hatima; maneno sawa ni exobiology na bioastronomy

DNA (asidi deoxyribonucleic)

molekuli inayohifadhi habari kuhusu jinsi ya kuiga kiini na vipengele vyake vya kemikali na miundo

mwendo wa mwisho

kiumbe (kwa kawaida microbe) ambayo huvumilia au hata kustawi chini ya hali ambayo wengi wa maisha karibu nasi watafikiria uadui, kama vile joto la juu sana au la chini au asidi

jini

kitengo cha msingi cha kazi ambacho hubeba nyenzo za maumbile (hereditary) zilizomo kwenye seli

mazingira yanayofaa

mazingira yenye uwezo wa kuhudhuria maisha

kiwanja kikaboni

kiwanja kilicho na kaboni, hasa kiwanja kikubwa cha kaboni; si lazima zinazozalishwa na maisha

usanidimwanga

mlolongo tata wa athari za kemikali kwa njia ambayo baadhi ya vitu vilivyo hai vinaweza kutumia jua kutengeneza bidhaa zinazohifadhi nishati (kama vile wanga), ikitoa oksijeni kama moja kwa bidhaa

protini

molekuli muhimu ya kibiolojia ambayo hutoa muundo na kazi ya tishu za mwili na viungo, na kimsingi hufanya kazi ya kemikali ya seli

RNA (asidi ribonucleic)

molekuli kwamba misaada katika mtiririko wa habari za maumbile kutoka DNA kwa protini

stromatolites

imara, layered mwamba formations kwamba ni mawazo ya fossils ya oksijeni kuzalisha photosynthetic bakteria katika miamba ambayo ni miaka bilioni 3.5

thermophile

kiumbe ambacho kinaweza kuvumilia joto la juu