Czy życie na Wenus jest możliwe? Z Januszem Pętkowskim z Massachusetts Institute of Technology, członkiem zespołu, który we wrześniu 2020 r. ogłosił, że owszem, rozmawia Piotr Stankiewicz.
Znaleźć życie poza Ziemią to jedno z wielkich marzeń naukowców. Zeszłoroczne odkrycie dotyczące Wenus zrobiło furorę, ale na ostateczny werdykt trzeba jeszcze poczekać. To dobry moment, żeby zastanowić się, jak może funkcjonować życie na planecie zupełnie innej niż Ziemia. I czy w chemii kryć się może rozwiązanie paradoksu Fermiego.
Piotr Stankiewicz: Z wykształcenia jestem m.in. astronomem, rozumiem więc, że retoryka odkrycia naukowego jest inna niż retoryka tabloidu. Dlatego nie zacznę od pytania o to, czy jest życie na Wenus. Zacznę od faktów. Z obserwacji widma Wenus wiemy, że w jej atmosferze występuje fosfina i że ta fosfina jest potencjalną oznaką życia. Fosfina, czyli po polsku fosforowodór. Szydzę z anglicyzmów, a tu proszę, sam je wprowadzam.
Janusz Pętkowski: Ale fosfina to też polska nazwa! Fosforowodór, fosfina – to są alternatywne określenia jednego i tego samego związku chemicznego, PH3. Atom fosforu plus trzy atomy wodoru. Mówiąc krótko: wygląda na to, że fosforowodór jest obecny w atmosferze Wenus, choć oczywiście, tak jak w przypadku każdego odkrycia naukowego, konieczne będą dalsze obserwacje i potwierdzenie naszej tezy. Jeżeli rzeczywiście fosforowodór występuje w chmurach tej planety, to zupełnie nie wiadomo, skąd się wziął. Albo zachodzi tam jakiś nieznany nauce proces geofizyczny czy fotochemiczny, albo jest to proces biochemiczny. Ta ostatnia możliwość oznaczałaby, że na Wenus istnieje jakaś forma życia.
Rozwińmy to. Dlaczego w ogóle obecność fosforowodoru na Wenus ma być oznaką życia?
Przede wszystkim powinniśmy zadać pytanie, jakie gazy obecne w atmosferze planety mogą świadczyć o istnieniu na niej życia. Chociaż samo pytanie jest proste, trudno na nie odpowiedzieć, bo przecież nie wiemy z góry, jaka będzie biochemia życia pozaziemskiego. Zaczęliśmy więc od przygotowania bazy danych, by zastanowić się, jakie gazy mogą być w ogóle interesujące z tej perspektywy. Oczywiście mówimy o tysiącach związków chemicznych, a fosforowodór to jeden z nich. Ciekawe w tej sytuacji jest to, że fosfina pojawiła się w atmosferze planety skalistej…
Zaznaczmy dla porządku: w Układzie Słonecznym planety skaliste to Merkury, Wenus, Ziemia i Mars, a Jowisz, Saturn, Uran i Neptun to gazowe olbrzymy.
Na gazowych olbrzymach fosforowodór może być wytwarzany naturalnie – w głębokich warstwach atmosfery, gdzie panuje bardzo wysoka temperatura, bardzo wysokie ciśnienie, a wodoru jest pod dostatkiem. Natomiast nie bardzo wiemy, jakie procesy – inne niż biochemiczne – mogłyby odpowiadać za jego powstanie na planetach skalistych.
Przeanalizowaliście po kolei procesy, w których mógłby powstawać?
Tak. Przykładową ścieżką produkcji fosforowodoru są wyładowania atmosferyczne. Żeby zredukować fosfor, czyli w tym wypadku połączyć go z wodorem, trzeba dostarczyć energii. To może się wydarzyć na przykład podczas uderzenia pioruna. One mogą na Wenus faktycznie występować – badały to jeszcze radzieckie sondy Wenera – ale żeby powstało tyle fosforowodoru, ile tam obserwujemy, tych wyładowań atmosferycznych musiałoby być kilka rzędów wielkości więcej niż na Ziemi. A to mało prawdopodobne.
Nie chodzi bowiem tylko o to, aby ten fosforowodór raz wytworzyć, ale trzeba także równoważyć jego stały ubytek. Promieniowanie słoneczne będzie go rozkładać. On sam też wchodzi w różne reakcje. Mówiąc krótko, jeżeli obserwujemy fosforowodór na Wenus, to znaczy, że musi zachodzić tam jakiś proces, w wyniku którego on wciąż powstaje. Wyładowania atmosferyczne tego nie zapewniają. Wykluczyliśmy też reakcje między utlenionym fosforem a innymi związkami, dostarczanie fosforków metali przez meteoryty spadające na Wenus, a także wiele innych procesów. W ich wyniku fosforowodór nie może powstać w wystarczającej ilości, by zrównoważyć jego stały ubytek. Tego jest o wiele za mało. Po prostu liczbowo się to nie zgadza.
Co w takim razie? Za obecność fosforowodoru w atmosferze może odpowiadać proces zupełnie nieznany nauce. Jeśli tak, to typowałbym jakiś dziwny, wieloetapowy proces fotochemiczny. Ale jest też hipoteza – i tylko hipoteza! – że może to być również proces biochemiczny, czyli związany z życiem. I ta hipoteza nie jest, nomen omen, z kosmosu. Ona się bierze z tego, co wiemy o życiu tu, na Ziemi. Wiemy, że życie ma wystarczającą moc chemiczną, aby zrobić fosforowodór z utlenionego fosforu.
Jeżeli jest życie na Wenus, to jak ono może wyglądać? Pytam, bo warunki na tej planecie są dość piekielne. Przypomnijmy: średnia temperatura na powierzchni to 470oC, a ciśnienie wynosi ponad 90 atmosfer (ziemskich).
Powierzchnia jest za gorąca, mówimy więc o życiu w atmosferze, konkretnie w wenusjańskich chmurach. Na wysokości między 50 a 60 km, gdzie temperatura i ciśnienie są znacznie niższe. I oczywiście w grę wchodzą tylko mikroorganizmy, a nie żadne „żywe balony”, które proponował kiedyś Carl Sagan.
Sagan miał chyba na myśli Jowisza, ale mniejsza z tym. Skąd wiemy, że te „żywe balony” czy choćby ptaki są nierealne?
Nie ma żadnych przesłanek, które sugerowałyby, że na Wenus występuje złożone, makroskopowe życie zdolne do samodzielnego ruchu. Trudno sobie zresztą wyobrazić, jak ono miałoby funkcjonować bez kontaktu z powierzchnią. A tylko taką biosferę można rozważać w przypadku Wenus. Jeśli w ogóle jakakolwiek biosfera tam jest.
Popatrz, jak to działa u nas. W atmosferze Ziemi jest mnóstwo życia, owszem, ale to nie jest tak, że mikroorganizmy, które żyją w ziemskim powietrzu, nie potrzebują powierzchni i mają cykl życiowy od niej niezależny. Jeśli chodzi o Wenus, rozważamy życie, które nie ma w ogóle kontaktu z powierzchnią planety. A to jest bardzo trudne.
Zacznijmy od problemów czysto fizycznych: takie życie musiałoby cały czas walczyć z grawitacją. Jak nie opaść za nisko, do zbyt gorących warstw atmosfery? Dalej, można założyć, że zamieszkuje ono kropelki tego czy innego rodzaju. Ale kropelki w atmosferze przechodzą różne fizyczne przemiany – a to odparowują, a to się łączą. Jak się łączą, to stają się cięższe i opadają tam, gdzie jest zbyt gorąco. Patrząc natomiast od strony chemicznej, życie ziemskie używa metali do katalizy w białkach. Jednak związki metali to na ogół substancje nielotne, skąd więc je brać w atmosferze, jak je wychwytywać w odpowiedniej ilości? Czy w takim razie mówimy tutaj o życiu bez metali? Czy to w ogóle możliwe?
Jedno jest pewne: jeśli istnieje życie na Wenus, to jest inne niż ziemskie. Ale jakie dokładnie? Tego oczywiście nie wiemy.
A skąd się mogło tam wziąć?
Powstanie życia a przetrwanie życia to dwie różne rzeczy, z których pierwsza jest znacznie trudniejsza. Jak życie już powstanie, to może świetnie się dostosowywać do nowych warunków. Powstanie życia to wyższa liga. Większość znanych teorii zakłada, że dzieje się to w cieczy, na Ziemi oczywiście w wodzie. W atmosferze, w środowisku gazowym, będzie to trudniejsze. Więc owszem, możliwe, że życie powstało od razu w chmurach wenusjańskich, ale nie jest to bardzo przekonujący scenariusz.
Druga opcja to panspermia, czyli przeniesienie życia z Ziemi na meteorytach. Wtedy mówilibyśmy o życiu, które pochodzi z Ziemi, ale wyewoluowało w coś innego. Trzeci scenariusz jest taki, że życie powstało na powierzchni Wenus i dopiero później „emigrowało” w chmury.
Powstało w tych warunkach na powierzchni? Przecież tam jest temperatura wyższa niż w maszynce do sterylizacji albo w piekarniku.
Dzisiaj taka jest. I tutaj trzeba wspomnieć o modelu zaproponowanym przez prof. Michaela Waya. W tym modelu temperatura powierzchniowa Wenus przez długie miliardy lat wynosiła około 30°C, a na powierzchni planety była ciekła woda. Oceany, jeziora, wszelkie akweny. Według tej teorii tak mogło być jeszcze jakieś 700 mln lat temu.
I co się wtedy stało?
Nie wiadomo dokładnie. Zaszła jakaś radykalna zmiana czy może raczej katastrofa, przypuszczalnie nagły wzrost aktywności wulkanicznej. Można sobie to zwizualizować – wybuchają naraz wszystkie wulkany na planecie. To spowodowało, że większość powierzchni Wenus się stopiła, a do atmosfery uwolniło się mnóstwo dwutlenku węgla, który nie został odpowiednio szybko reabsorbowany, zaczął się efekt cieplarniany i…
…i dzisiaj mamy na Wenus to, co mamy.
Tak. I teraz – wchodząc na kolejny poziom spekulacji – zwróć uwagę, że to się ciekawie wszystko łączy. Możliwy do wyobrażenia jest scenariusz, że kiedyś mieliśmy na Wenus życie na powierzchni, w tych wodach i oceanach. Dopiero później przyszła radykalna zmiana klimatu. Uwaga: radykalna, ale na ile gwałtowna? W dziejach planety to mogła być zmiana nagła, ale w wartościach bezwzględnych mogła trwać miliony lat. I jeśli była wystarczająco powolna, to…
„…życie mogło znaleźć wyjście”, jak mawiał Ian Malcolm w „Parku jurajskim”.
Uciekając z powierzchni planety, która przestała się nadawać do zamieszkania, życie mogło się przenieść w górną część atmosfery, gdzie warunki pozostały znośne. Jeżeli zmiana nie była zbyt skokowa, to mogło się po prostu ewolucyjnie przystosować.
Jesteś naukowcem, więc nie będę Cię wciągał jeszcze trzy piętra spekulacji wyżej, ale trudno mi w tym momencie nie pomyśleć, że być może te 700 mln lat temu było na Wenus życie inteligentne, które własnymi rękami – czy mackami – doprowadziło do katastrofy i „popsuło” całą planetę. Niby zahaczamy o science fiction, ale przecież nie do końca. W czasach Grety Thunberg to skojarzenie nie całkiem bez sensu. Może Wenus to taka starsza siostra Ziemi, a los życia na Wenus nie jest naszą przeszłością, tylko przyszłością?
Ciekawe rozważania, tylko zupełnie poza nauką. To już nie jest wyższe piętro, tylko dziewiąty krąg spekulacji. Na ten moment mamy zero znaków na niebie i Ziemi – i Wenus – które by na coś takiego wskazywały.
Skoro jednak spekulujemy, to warto dodać jeszcze jedno. W chmurach Wenus prawie nie ma wody, za to jest mnóstwo kwasu siarkowego. Teoretycznie możemy wyobrazić sobie życie, które nie korzysta z H2O jako rozpuszczalnika, tylko z H2SO4. Ale jak takie życie miałoby się zacząć? W kwasie dużo trudniej zbudować podstawowe „klocki” chemiczne, na których opiera się życie. Jak już je masz, to możesz myśleć o budowaniu biochemii. Tylko że w kwasie nie masz ich skąd wziąć. I to jest wielka zagadka, jak takie życie miałoby się zacząć.
Pociągnijmy to – może życie na Wenus powstało w środowisku wodnym, ale później przekształciło się i dostosowało do kwasu siarkowego? Rodzi to kolejne ciekawe pytanie. Czy życie, które powstało, opierając się na wodzie, jest w stanie pod wpływem presji ewolucyjnej zmienić swoją własną biochemię i „przerzucić się” z H2O na H2SO4? Czy życie jest w stanie dokonać aż tak radykalnej zmiany w samym sobie? To pytanie trochę do biologa, a trochę już do filozofa.
Właśnie dlatego nam się tak dobrze rozmawia! Analogicznie możemy sobie wyobrazić, że człowiek – świadomie ingerując w samego siebie – radykalnie się zmieni, być może w coś, co już człowiekiem nie będzie. Jeżeli człowiek wgra kiedyś swoją świadomość do Internetu, to ona nie będzie już oparta na tym wątłym węglu i wodzie, tak jak świadomość dzisiaj. To będzie realna zmiana nośnika.
Tylko że między skopiowanym do Internetu postczłowiekiem roku 2220 a nami w roku 2020 nie będzie już stricte biologicznej więzi ewolucyjnej.
Zgadza się. Ten postczłowiek będzie naszym potomkiem, ale raczej na poziomie „ducha” czy „projektu”, a nie na poziomie biologicznym. I na tym skończyłbym te filozoficzne wycieczki. Wróćmy do nauki, jednak już nie na Wenus. Pomówmy o możliwościach życia pozaziemskiego w ogóle.
Możemy to omówić punkt po punkcie. Jest pięć głównych warunków, które muszą zostać spełnione, żebyśmy mogli mówić o życiu. Prawda najbardziej ogólna jest taka, że życie opiera się na przenoszeniu informacji.
To jasne. „Podobne rodzi podobne” – bez informacji nie ma dziedziczenia, nie ma ciągłości.
Życie ziemskie zapisuje te informacje na polimerach węgla. A rozważania o „życiu innym niż ziemskie” zaczynają się na ogół od tego, że analizujemy, czy mogłaby istnieć biochemia oparta na polimerze innego pierwiastka. Mamy kilka opcji poza węglem: krzem, bor, siarka, ewentualnie german.
Dlaczego akurat te?
Bo one są w stanie tworzyć polimery, czyli bardzo długie łańcuchy atomów. German tak naprawdę odpada, bo nie tworzy ich dostatecznie długich. Co więcej, to nie ma być tylko jeden łańcuch. Muszą być możliwe rozgałęzienia. Z tego powodu odpada też siarka, która się słabo rozgałęzia. Z kolei bor rozgałęzia się aż za bardzo – wszystko się łączy ze wszystkim i powstaje jakby „kępa” boru, w której nie ma różnorodności. I tak zostajemy tylko z węglem i krzemem. Węgiel jest oczywisty, bo na nim opiera się całe ziemskie życie. Dlatego większość spekulacji – naukowych i pozanaukowych – o życiu innym niż węglowe dotyczy właśnie krzemu. Ale krzem też ma swoje wady.
Jakie?
Ma bardzo wysokie powinowactwo do tlenu, więc bardzo lubi się z nim łączyć. Łączyć na amen, a nawet – dosłownie – na beton, bo tworzy krzemionkę (SiO2), czyli po prostu piasek. Wiązanie między tlenem a krzemem jest tak silne, że już go nie rozbijesz… I właśnie dlatego skały są tak stabilne.
W tym momencie możemy przejść do drugiego warunku, którego zaistnienie jest konieczne, żeby można było mówić o życiu. Otóż samo „rusztowanie” z węgla czy – hipotetycznie – z krzemu nie bierze generalnie udziału w reakcjach chemicznych. Życie potrzebuje takiej konstrukcji chemicznej, która zapewnia nie tylko stabilność, ale również reaktywność.
Co prowadzi do złotej myśli, że życie jest nie tylko trwaniem, lecz także działaniem.
To stwierdzenie ma jak najbardziej sens na poziomie chemicznym. Życie jest samoregulującym się procesem. Ono potrzebuje stabilnych związków, ale musi też te związki rozrywać. Do tego niezbędne są pierwiastki „funkcyjne” – dla życia ziemskiego choćby tlen, siarka, azot czy fosfor. Węgiel ładnie się z nimi łączy i w tym tkwi jego przewaga nad krzemem.
Na krzemie może opierać się alternatywna biochemia życia, ale już teraz opiera się na nim elektronika. Co jest takiego w krzemie, że mówimy o nim w obu kontekstach? Czy mamy ku temu jakiś głębszy fizykochemiczny powód, czy to raczej przypadek?
Raczej przypadek.
Wróćmy więc do tematu. Jaki jest trzeci warunek dla życia? Czy dobrze się domyślam, że temperatura?
Temperatura nie może być zbyt wysoka, bo wtedy rozpadną się skomplikowane związki chemiczne, na których życie się opiera. Nie może być też zbyt niska, bo wtedy nic się nie będzie chemicznie działo. Jednak nie ma jednego ustalonego przedziału, w jakim szukamy życia. Bo tu nie tyle chodzi o samą temperaturę, ile raczej o dopasowanie temperatury i reaktywności.
Spójrz na to w ten sposób. W temperaturze ciekłego azotu życie ziemskie jest martwe – tam po prostu nie będą zachodzić reakcje, których ono potrzebuje. Ale jeśli weźmiemy pierwiastek, który w temperaturze pokojowej nie tworzy stabilnych związków chemicznych, i bardzo go schłodzimy, to wtedy może się okazać, że jest w sam raz. Za przykład znowu może służyć krzem. On jest bardzo reaktywny, ale możemy tę reaktywność zmniejszyć, jeśli obniżymy temperaturę.
To wszystko mocno łączy się z czwartym warunkiem: życie potrzebuje rozpuszczalnika. Całe życie ziemskie używa w tym celu wody. Czy inna biochemia może wykorzystywać coś innego?
To jest pytanie do Ciebie.
Nic nie wiadomo na pewno. Przypomnę, że życie inne niż ziemskie to ciągle tylko hipoteza. Analizuje się pod tym względem mnóstwo substancji – choćby amoniak czy kwas siarkowy, o którym wspominaliśmy à propos Wenus, ale też ciecze kriogeniczne, takie jak ciekły metan albo ciekły azot, które przesuną zakres temperatury w dół.
A w górę?
Właśnie nie bardzo! Mówi się przewrotnie, że „woda jest gorącym rozpuszczalnikiem”. Ze znanych cieczy, z których życie mogłoby korzystać, woda to jeden z najgorętszych. Dlatego życie ziemskie jest raczej życiem wysokotemperaturowym, tutaj nie ma już za bardzo ruchu w górę. Istnieje teoretycznie możliwość, że ciekła siarka, która…
Czyli jednak piekło! Szach-mat, ateiści!
Nie wiem, ile jest jej w piekle, ale ciekła siarka ma temperaturę 115–445°C (przy ciśnieniu atmosferycznym). Ja uważam, że to już raczej za gorąco. Złożone związki chemiczne ulegają rozkładowi. Spójrzmy więc w drugą stronę. Mamy ciecze superzimne, o których wiemy, że występują na księżycach planet olbrzymów. Na Tytanie na pewno jest ciekły metan, możliwe też, że na Trytonie występuje ciekły azot. To z pewnością warte analizy. Z zastrzeżeniem, że mamy również piąty warunek, czyli rozpuszczalność.
Aby życie zaistniało, w wybranym rozpuszczalniku związki chemiczne muszą się faktycznie rozpuszczać, a nie wytrącać jako osad. Jeden z cudów życia polega na tym, że nawet chemicznie wielkie cząsteczki, takie jak DNA czy białka, cały czas
istnieją w formie roztworu. Jednak rozpuszczalność jest regulowana przez temperaturę. Generalnie im niższa temperatura, tym rozpuszczalność mniejsza. I to – moim zdaniem – stanowi poważny argument przeciwko możliwości pojawienia się życia w tak niskich temperaturach. W temperaturze –200°C rozpuszczalność będzie po prostu koszmarnie niska. I nie bardzo wiadomo, jak można by to przeskoczyć.
Na koniec przenieśmy się więc znów w świat spekulacji. Przypuśćmy, że gdzieś wyewoluowało życie, np. w ciekłym metanie. Wyobraźmy sobie, że to jest życie makroskopowe, jakieś zwierzęta, pozaziemskie ryby czy inne dziwolągi. Czy mamy prawo przypuszczać, że – z uwagi na wolniejszą chemię w niskiej temperaturze – to życie będzie się toczyło wolniej w takim elementarnym sensie tego słowa, czyli będzie się wolniej ruszać, myśleć, ewoluować?
To jest pytanie za milion dolarów. Pamiętaj, że – jak lubię podkreślać – „dostosowujesz swoją chemię do rozpuszczalnika”. Życie w ciekłym metanie będzie opierało się na związkach chemicznych, które w „tamtej” temperaturze będą tak samo reaktywne jak „nasze” związki w „naszych” temperaturach. Science fiction lubi takie obrazki, że życie w kriogenicznym oceanie toczy się wolniej niż ziemskie, ale w rzeczywistości mamy za mało danych, by cokolwiek pod tym względem rozstrzygnąć.
Bo widzisz, ja w międzyczasie połączyłem kropki i rozwiązałem paradoks Fermiego, czyli milczenie kosmosu. Dlaczego ciągle nie nawiązaliśmy kontaktu z cywilizacją pozaziemską? Kombinuję tak: jeżeli woda jest wysokotemperaturowa, a szybkość reakcji zależy od temperatury, wychodzi na to, że życie na Ziemi jest jednym z „najszybszych” w kosmosie. Zatem inne biosfery – i cywilizacje – mogą się z naszego punktu widzenia wydawać tak wolne, że niemal martwe. Dlatego też wszechświat milczy: bo obcy funkcjonują w innych, znacznie wolniejszych skalach czasowych.
To bardzo ciekawe rozumowanie, ale – jak powiedziałem wcześniej – nie ma żadnych podstaw do wyciągania tak daleko idących wniosków. Z naukowego punktu widzenia sprawa wygląda tak, że życie potrzebuje wszystkich pięciu warunków. Musimy mieć odpowiedni polimer, reaktywność, temperaturę, rozpuszczalnik, rozpuszczalność. Możliwe, że ciągle nie mamy twardego dowodu na życie poza Ziemią po prostu dlatego, że zgranie tych czynników wcale nie jest takie łatwe. To rozwiązuje paradoks Fermiego równie dobrze jak twój ekstrawagancki eksperyment myślowy. A sam wiesz, jak działa nauka: jeżeli dwie hipotezy robią tę samą robotę, to zawsze wybieramy prostszą.
Janusz Pętkowski:
Astrobiolog, doktor. Szuka życia poza Ziemią i odpowiedzi na pytanie, czy prawa biologiczne są uniwersalne. Pracuje w Massachusetts Institute of Technology (MIT), jest jednym z założycieli Polskiego Towarzystwa Astrobiologicznego.
Podziel się tym tekstem ze znajomymi z zagranicy lub przeczytaj go po angielsku na naszej anglojęzycznej stronie Przekroj.pl/en!
Czytaj również:
