האם אי פעם חשבת על הדרך בה פועלים החיים? כולנו יכולים להצביע על פרח ולומר באופן אינסטינקטיבי כי אלה הם חיים, אבל כיצד אנחנו יודעים זאת? הרי קיימים דברים רבים המציגים תכונות דומות לאורגניזמים חיים, אך אנו יודעים באופן אינטואיטיבי כי אלה אינם חיים, למשל: אש, אינה חיים. למה אנחנו מתכוונים כאשר אנו מדברים על הגדרה של "חיים"? ברמה הבסיסית ביותר, אנו יכולים לתאר את החיים כתהליך – כסדרה של תגובות כימיות הקשורות למולקולות מבוססות פחמן. בתהליך זה, החומר והאנרגיה הנכנסים למערכת, משמשים לצורך צמיחה ורבייה, ולאחר מכן מסולקים כמוצרי פסולת. נציין, עם זאת, כי הגדרה זו עמומה למדי, עלול להיותר שאורגניזם המכיל חיים יסווג כדבר נטול חיים, על בסיס הגדרה פשוטה זו. כאשר בוחנים מהם "חיים", חשוב לציין כי אנו מוגבלים לתצפיות שאנו יכולים לעשות על כדור הארץ. אף על פי כן, ביולוגים רבים יסכימו שההצהרות הבאות כוללות קבוצה של דרישות כדי שמשהו שייחשב כבעל חיים:
• דברים חיים גדלים, מתפתחים ומתרבים.
• היצורים החיים הם מערכות כימיות מאורגנים.
• חיים דורשים אנרגיה, והם מגיבים לסביבתם.
חלק מהמניעים של אסטרוביולוגיה בבחינת טבע החיים על פני כדור הארץ נובע מהצורך להתכונן בצורה טובה יותר לחיפוש אחר חיים במקומות אחרים ביקום. לכן, חשוב לאפיין את החיים על כדור הארץ באופן מושלם ככל האפשר. לדוגמה, היחידה הקטנה ביותר בה מתרחשים תהליכי החיים היא התא. כל היצורים החיים הידועים מורכבים מתא אחד או יותר, כאשר בתוך כול תא מתקיים מערך מורכב של מולקולות. לכן ניתן לומר כי הדברים החיים על כדור הארץ מבוססים על המבנה התאי.
אבל מאילו מרכיבים בדיוק החיים עשויים? באופן מפתיע רוב הגוף של כול אחד מאיתנו , מעל 99%, עשוי רק מארבעה יסודות כימיים : מימן H, חמצן O, פחמן C, חנקן N.
לכל אחד מהמרכיבים הכימיים האלה היבטים מעניינים כחלק מאורגניזמים חיים. ראשית, הכמות גדולה של מימן וחמצן, ובמיוחד היחס בין שני היסודות אלה (שני אטומי מימן עבור כל אטום חמצן אחד), משמשת כדרך לזיהוי אחוז גבוה של מים בכל החיים על כדור הארץ. שנית, כאשר אנו בוחנים את האטמוספרה של כדור הארץ, אנו רואים כי חנקן הוא היסוד השכיח ביותר. והוא גם הוא מרכיב חשוב בכל היצורים החיים כמרכיב מרכזי במולקולות רבות, כגון מולקולת DNA מולקולות החלבונים. פחמן נחשב כיסוד החיים על כדור הארץ והוא מרכיב ממרכזי בבניית התא החי והפעילות שבתוכו.
למעשה, כימיה אורגנית מוגדרת ומתייחסת בעיקר לתהליכים והמבנים של פחמן ותרכובותיו, בין אם מעורב בכך אורגניזם החי ובין אם לאו. פחמן הוא אטום ייחודי ביכולתו לבנות מולקולות גדולות ומורכבות. לשם השוואה, מימן יכול להתחבר עם חמצן כדי ליצור רק שתי מולקולות: מים (H2O) ומי חמצן (H2O2). באופן דומה, מימן יכול להתחבר עם חנקן כדי ליצור רק שתי מולקולות: אמוניה (NH3) והידרוזין (N2H2). מצד שני, מספר הדרכים שמימן יכול להתרכב עם פחמן הוא כל כך גדול כדי כך שהוא אינו ידוע! המולקולה הגדולה ביותר הרשומה בספר הכימיה והפיזיקה היא בעלת נוסחה כימית C90H154. היכולת הייחודית של פחמן ליצור תרכובות מסובכות היא, אם כן, יסוד חיוני ליצירת מבנים מולקולריים הכרחיים לקיום מערכות חיות חיים ומהווה אבן-הבניין המושלמת עבור מבנים מורכבים היוצרים את החיים.
כל היסודות שנדונו לעיל (למעט מימן) נוצרים בתוך ליבות כוכבים והם נפוצים ביקום. מדהים עד כמה ההרכב הכימי של אורגניזם חי על פני כדור הארץ דומה לזה של כוכב יותר מאשר זה של כדור הארץ. פחמן וחנקן, הנחוצים לכל החיים כפי שאנו מכירים אותם, שכיחים יותר בשמש מאשר בכדור הארץ. ברזל, סיליקון ומגנזיום הם המרכיבים הנפוצים ביותר בכדור הארץ – מלבד חמצן – אך מיוצגים רק בכמות מזערית (אם כי חשובה) בכימיה האורגנית ובביולוגיה של התא החי.
ללמרות שאנו מתקשים לספק הגדרה ממוקדת וכוללת של החיים על כדור הארץ, ברור (כפי שהודגם למעלה), כי אנו יכולים לאפיין כמה מן מהתכונות המשותפות שחולקות כל צורות החיים על כדור הארץ . אך מה בדבר החיים מעבר לכדור הארץ? האם כימיה מבוססת פחמן היא הדרך היחידה לקיום חיים ? כימאים (וסופרי מדע בדיוני) העלו השערות לגבי כימיה של חיים המבוססת על סיליקון או על יסוד אחר. עוד יותר ספקולטיבי הוא הרעיון של החיים על בסיס עיקרון מארגן אחר, כגון שדות חשמליים או מגנטיים. איש מעולם לא ראה צורות חיים שכאלה, ולכן איננו יכולים לומר שום דבר מהותי עליהם. עם זאת, הכימיה של היסודות ביקום מובנת היטב. במונחים של בסיס לחיים מוסכם, בדרך כלל, כי יכולתו של הפחמן ליצור מולקולות מורכבות הופך אותו ליסוד המתאים, יותר מכל יסוד אחר, לשמש אבן הבניין לחיים.
מה בדבר המים? הועלתה הצעה כי המים מהווים דרישה יחידה לחיים על פני כדור הארץ. ברור שכדי לקיים חיים חייב להיות, לכל הפחות, ממס נוזלי כדי להקל על ביצוען של תגובות כימיות. האם החיים מתקיימים רק בסביבה מימית, או שהם יכולים לנצל נוזל אחר כדי לבצע את פעילותם? ראשית, עלינו להכיר בכך שהמים הם אולי הנוזל הנפוץ ביותר ביקום. חמצן שכיח הרבה יותר מאשר סיליקון, המרכיב העיקרי ביצירת סלעים. לכן בכוכב לכת סלעי מנוצל כול הסיליקון כדי ליצור תרכובות עם החמצן לשם ייצור סלעים, עם זאת נשארים עודפי חמצן גדולים כדי להתרכב עם היסוד השכיח ביותר, מימן, כדי ליצור מים או קרח. המים נשארים נוזליים על פני מנעד רחב של טמפרטורות שבהן הם מתפקדים כממס ומאפשרים המסה של מגוון גדול של חומרים אחרים ליצירת תמיסות. זו אחת הסיבות שהמים חיוניים כל כך לתפקודים רבים של התא; התמיסה המימית מאפשרת הנעת חומרים מזינים ומזיז מוצרי פסולת בתוך התא, מווסתת את הטמפרטורה של האורגניזם, ואפילו משחקת תפקיד בהגנה על התא מפני קרינת UV מזיקה. (תכונות הממיס של מים הן חרב פיפיות, הוא גם מפרק כימיקלים שימושיים!) לכן אין זה מפתיע כי אסטרוביולוגים משערים כי מקורן של צורות חיים מורכבות באוקיינוסים המפוארים של כדור הארץ. גם ביבשה, חלק גדול ממשקל הצמחים (40%) ובעלי החיים (70%) שייך למים. ממיסים רבים הוצעו כנוזל החיים, כגון אמוניה ואתל אתילי. עם זאת, המים שכיחים ביותר והוכיחו יתרונות ייחודיים המאפשרים קיומם של תהליכי חיים.
למרות שהתצפיות שלנו על החיים מוגבלות לתצפיות שאנחנו יכולים לעשות בכדור הארץ, אפשר להעלות השערות ביחס לקיום חיים במקומות אחרים ביקום. אחת בעיות שאנו עלולים להיתקל עוסקת בשאלה עד כמה ניתן למתוח את ההגדרה של החיים? האם וירוס נחשב לצורת חיים? וירוסים פשוטים יותר מאשר אורגניזמים חד-תאיים רבים (הם חסרים אברי רבייה), אבל הם יכולים לשכפל את עצמם באמצעות חומרים השייכים לתא המארח אליו פלשו. הם לא יכולים, עם זאת, לתפקד באופן עצמאי כמו תאים אחרים. מכיוון אחר, מתברר שהטכנולוגיה התקדמה עד לנקודה שבה מכונות ומחשבים מגלים תכונות האופייניות לבעלי חיים. עד כמה מחשבים מתוכנתים להתפתח ולהתאים עצמם לסביבה. האם ניתן להתייחס אל מכונות מסוימות או מחשבים מסוימים כאל ישויות חיות? לא משנה איפה אנחנו מעבירים את הקו ביחס למקרים שכאלה, קרוב לוודאי שנצטרך להעריך מחדש את ההגדרה שלנו ביחס לחיים, כאשר אנו מתחילים את החיפוש אחר החיים מעבר לכדור הארץ.
Author: Chris Impey