ASTROBIOLOGIE – VĚDA Z (ASTRO)BOTANIKY ZROZENÁ

Odkud přicházíme? Jsme ve vesmíru sami? Jaká je naše budoucnost?


Obr. 1: Mikrobiální nárost v silně kyselém prostředí, Río Tinto, Španělsko.

Tyto otázky jsou staré jako lidská civilizace sama. Pravidelné denní a roční cykly a s nimi spojené pravidelně se opakující astronomické jevy na obloze, např. heliakický východ1 (viz poznámky na konci článku) Siria nebo slunovrat, se staly základem kalendářů prvních zemědělců, protože znalost těchto úkazů a jejich předpovídání byly nezbytné pro správné načasování polních prací. Pro mýty starých civilizací o stvoření a uspořádání světa bylo nebe místem, kde sídlili bohové (obr. 2).

První pojednání o životě mimo Zemi, která je možné považovat ze současného pohledu za vědecká, vznikla na základě filozofických úvah ve starověkém Řecku již v 6. století př. n. l.

Některá z nich jsou překvapivě moderní, např. výrok „Pokládat Zemi za jediný obydlený svět v nekonečném prostoru by byla stejně svrchovaná hloupost jako tvrdit, že na velkém osetém poli vzejde jediný klas“ (Metrodóros, 5. stol. př. n. l.) nebo heliocentrický model Sluneční soustavy Aristrarcha ze Samu (3. stol. př. n. l.).

Rozvoj astronomie v 19. a v první polovině 20. století umožnil detailní pozorování planet Sluneční soustavy. Zejména Mars poutal pozornost jako planeta nejvíce podobná Zemi, protože podle tehdejších odhadů by se teplota na povrchu pohybovala v rozmezí −100 až +30 °C a atmosférický tlak na povrchu mohl dosahovat až 12 kPa (pro srovnání: Země 101,3 kPa, skutečný Mars 0,65–1 kPa). Tedy podmínky, za kterých by mohla být na povrchu Marsu kapalná voda. Zároveň byly pozorovány sezónní změny velikosti a barev tmavých skvrn, tehdy označovaných jako moře, zálivy, jezera a kanály.

Nyní vstupuje na scénu botanika. Jednou z hypotéz, proč dochází k těmto změnám tmavých oblastí, byla Liais-Trouvelotova vegetační hypotéza – tmavá místa jsou oblasti osídlené rostlinami a v důsledku sezónních změn počasí se mění i rostlinná pokrývka. V první polovině 20. století již bylo možné získat snímky Marsu při různých vlnových délkách a pro další rozvoj studia možné rostlinné vegetace na Marsu bylo nutné získat co nejvíce dat o optických vlastnostech polárních a vysokohorských pozemských rostlin. A tak bylo 11. listopadu 1947 na základě návrhu dopisujícího člena Akademie věd SSSR G. A. Tichova založeno Oddělení astrobotaniky při Akademii věd Kazašské SSR, první vyloženě astrobiologické pracoviště na světě.


Obr. 3: Schéma detekce absorpčního pásu chlorofylu.

Tichov navrhl hypotézu, že rostliny v důsledku adaptace na extrémní podmínky mohou měnit své optické vlastnosti a zvýšit nebo redukovat absorpci světla při určitých vlnových délkách. Pracovníci Oddělení astrobotaniky studovali optické vlastnosti rostlin Pamíru a subarktické tundry s cílem zjistit optické odlišnosti odrážející jejich adaptaci na extrémní klimatické podmínky. V nízkých teplotách skutečně docházelo k rozšíření až zmizení absorpčního pásu chlorofylu (660 až 690 nm, obr. 3), čímž by se vysvětlovala absence absorpčního pásu chlorofylu v marsovských mořích. Bohužel Oddělení astrobotaniky bylo zrušeno krátce po Tichovově smrti v roce 1960, pět let před prvním průletem Marineru 4 kolem rudé planety a 16 let před přistáním Vikingů 1 a 2 na povrchu Marsu, které nesly přístroje pro detekci života.

Od přistání Vikingů uplyne letos 40 let. Astrobiologie, dříve exobiologie a ještě před ní astrobotanika, se rozvinula v multidisciplinární vědu o mimozemském životě. Zahrnuje studium povahy a rozšíření obyvatelných prostředí ve vesmíru, průzkum planet Sluneční soustavy, výzkum zaměřený na vznik života, historii jeho evoluce na Zemi, jeho diverzity, adaptací a limitací spolu s odhadem jeho dalšího možného vývoje a přežívání mimo Zemi. A – samozřejmě – výzkum vedoucí k rozpoznání známek života na jiných planetách či měsících.

Dnes je již jisté, že vyšší rostliny na Marsu nenajdeme. I tak má botanika – ve smyslu vědy studující fototrofní organismy – astrobiologii stále co nabídnout. Záření je po redoxních reakcích druhým nejdostupnějším a energeticky velmi účinným zdrojem energie pro život, pro pozemskou povrchovou biosféru je jediným vhodným zdrojem energie. Lze tedy předpokládat, že by se fototrofní (mikro)organismy mohly vyvinout i na jiných tělesech Sluneční soustavy či na extrasolárních planetách, protože anoxygenní fototrofní mikroorganismy žily na Zemi již před 3,2–3,6 miliardami let. Na extrasolárních planetách a měsících by byly fotosyntetické pigmenty přizpůsobeny spektru mateřské hvězdy. U hvězd spektrální třídy2 F, kde ve spektru převažuje modré a ultrafialové záření a intenzita záření je vyšší, by hrály důležitou roli ochranné pigmenty. Naopak u hvězd spektrální třídy K, v jejichž spektru převažuje červené a infračervené záření a jejichž intenzita záření je nižší, by byly klíčové pigmenty zachycující červené a blízké infračervené záření.

Možné hlavní příspěvky botaniky k astrobiologickému výzkumu by mohly zahrnovat témata týkající se:

1) Evoluce života

Detailní znalost vzniku a vývoje systémů pro zachycení a využití světelné energie je důležitá nejen pro odhadnutí možnosti vzniku fotoautotrofních forem života a jejich další evoluce, ale i dalšího vývoje klimatických podmínek na planetě. Na Zemi vznikly anoxygenní fotosyntetizující mikroorganismy krátce po ukončení éry velkého bombardování před 3,8 miliardami let. Z jejich fotosyntetických aparátů se později vyvinul mechanismus pro oxygenní fotosyntézu sinic, jejichž přítomnost je biochemicky doložena z doby před 2,5 miliardami let. Oxygenní fotosyntéza pak způsobila první globální změnu klimatu na Zemi – přechod od původní bezkyslíkaté atmosféry k atmosféře bohaté na kyslík. Přítomnost kyslíku v atmosféře umožnila vznik aerobního dýchání, a tím otevřela cestu k inteligentním formám života.

2) Adaptace a limity přežívání

Znalosti adaptačních/aklimatizačních mechanismů a limitací pozemských organismů umožňují odhadnout schopnost přežívání života v nejrůznějších podmínkách. Výzkum se provádí jednak v pozemských analozích mimozemských podmínek, jednak pomocí expozičních pokusů. Pozemské analogy jsou pozemské ekosystémy, jejichž klimatické podmínky nebo geochemické složení se podobají mimozemskému prostředí. Výzkum je zaměřen na testování metodik a přístrojů pro detekci života mimo Zemi.


Obr. 4: Extremofilní endolitické společenstvo, Svalbard.

Nejlepším klimatickým analogem Marsu je polární poušť Dry Valleys v Antarktidě, geochemickým analogem pak oblasti Planum Meridiani Río Tinto ve Španělsku. I v těchto podmínkách přežívají mikrobiální společenstva, např. kryptoendolitická společenstva v polárních pouštích (obr. 4) nebo mikrobiální nárosty rostoucí v silně kyselém prostředí Río Tinto (obr. 1).
Expoziční experimenty probíhají v simulačních komorách a expozičních zařízeních na nízké oběžné dráze. Řada polárních sinic, řas a lišejníků může dlouhodobě přežívat a dokonce být metabolicky aktivní v podmínkách současného Marsu nebo přežít 1,5 roku v kosmickém prostoru.

3) Biomarkery

Jako biomarkery se označují chemické, morfologické, sedimentární nebo izotopické procesy nebo struktury, které jsou biogenního původu a mohou být detekovány jako známky současného nebo vyhynulého života. Příkladem takových rostlinných biomarkerů by mohly být fotosyntetické pigmenty, 2-methylhopanoidy sinic nebo nerovnováha koncentrací plynů v atmosféře exoplanety, např. současný výskyt methanu a kyslíku. Zkoumání možných pozemských rostlinných biomarkerů, sestavení jejich knihoven pro detekční přístroje a testování detekčních technik je proto nezbytné pro budoucí automatické a pilotované mise k jiným tělesům Sluneční soustavy i pro zkoumání spekter exoplanet.

Ale zpátky na Mars, planetu nejvíce podobnou Zemi a jedno z nejpravděpodobnějších míst ve Sluneční soustavě, kde by mohl existovat život. Vzhledem ke snadné dostupnosti záření jako zdroje energie a k evolučnímu stáří fotosyntetických procesů lze předpokládat, že se marsovské fototrofní mikroorganismy mohly vyvinout nezávisle na Zemi, nebo mohly být přeneseny na Mars ze Země v posledních fázích velkého bombardování. Současný Mars nemá ozonovou vrstvu chránící před UV zářením ani silné magnetické pole poskytující ochranu před kosmickým zářením. Hypotetické mikroorganismy by byly pravděpodobně chráněny vrstvou regolitu, vyskytovaly by se v malých prostorově a časově vymezených nikách, kde by se i v dnešních podmínkách mohla vyskytovat kapalná voda, a většinu jejich životního cyklu by tvořila klidová stádia.

Jejich nalezení bude vyžadovat:

  • detailní plánování místa přistání s ohledem na technické možnosti přistávacího modulu
  • znalosti geochemických a mikroklimatických podmínek v místě přistání, dostupnosti zdrojů energie a vody
  • možnosti a limity dostupných detekčních technik
  • precizní nastavení systému interních pozitivních a negativních kontrol, definici protokolů a systém hodnocení výsledků pro nezávisle prováděné analýzy s ohledem na možné odlišnosti v detekčních limitech
  • metodiky pro omezení kontaminace pozemskými mikroorganismy během předletové přípravy a interní kontroly možné pozemské kontaminace před měřením na Marsu
  • pečlivý výběr místa odběru vzorků a jejich in situ analýzy (obr. 5)
  • protokoly pro přepravu vzorků na Zemi a opatření proti kontaminaci

Poznámky:

1Heliakický východ = den, kdy se během roku poprvé objeví hvězda před východem Slunce.

2Spektrální třídy hvězd se rozlišují podle rozložení energie ve spektru do vlnových délek a podle přítomnosti spektrálních čar.

Autorka:
RNDr. Jana Kvíderová, Ph.D. (Centrum polární ekologie PřF JU, jana.kviderova@objektivem.net)

Více v:
Des Marais D.J. et al. Astrobiology 8:715-730, 2008;
Horneck G a Rettberg P. Complete course in astrobiology.Willey-VCH, 2007;
Sadil J. Planeta Mars. Orbis, Praha, 1956.