Is There Life Beyond Earth

Is There Life Beyond Earth? 

By Andrew Chaikin

Editor, Space & Science posted: 07:00 am ET 29 January 2002

It's an amazing, electrifying, even terrifying feeling: Stare into a starry night sky and ask yourself if someone, or something, might be staring back. Just the thought is enough to make the hair on the back of your neck stand up. But even now, after centuries of wondering, and decades of actively looking, humans still dont know the answer. 

But that may be because they havent been asking the right questions. 

We Earthlings know only one type of life, in only one place. The very idea of looking for life elsewhere confronts us with a series of questions that are maddeningly undefined. Where should we look? Can we even be sure what were looking for? Or how to find it? 

These are the kinds of questions Ken Nealson struggles with. A geo-biologist at the University of Southern California, Nealson is heavily involved in devising strategies for searching for extraterrestrial life. And his number one goal is to free himself and his colleagues from the confines of their own preconceptions about life. able --> 

"It seems to me the worst people to look for life are biologists," Nealson, also a senior scientist at the NASA/Caltech Jet Propulsion Laboratory, says. "Because theyre so darned sure of what life is that if it happened to be different, theyd miss it." Nealson admits this point of view isnt very popular with his colleagues. "Oh, they love me," he laughs. "At least I'm a biologist saying it, so they cant just claim I'm some mad physicist whos trying to take their funding away." 

As a cautionary tale, Nealson points to the only previous mission to look for life on another planet. In 1976 two Viking landers arrived on the Red Planet, each outfitted with a miniature biological laboratory. Scoops of Martian soil were fed into a series of experiments, where they were exposed to a puff of humidity, or a drop of water, or a nutrient broth. If any microbes were present, the Viking biologists hoped, the instruments would detect their metabolic processes. 

But the experiments didnt discover microbes, and Nealson says thats because they were based on the characteristics of Earthly life. Thats something he wants to avoid on future missions: "Id like to be one of the chorus of voices saying, Dont do this again." 

But that doesnt mean Nealson wants to avoid Mars far from it. If anything, Mars has become even more alluring since the Mars Global Surveyor probe found signs that liquid water has recently flowed on the planets surface and may still exist underground. 

More than anything, Nealson wants to send a new life-detection mission to the Red Planet. "If I get one thing done before I retire," Nealson says, "it would be to have a mission that went to Mars, because its the one place we probably can go in my lifetime that would do a serious attempt at what I would call non-Earth-centric life detection." 

If you call that living 

Even our understanding of terrestrial life is changing. Recently, scientists discovered a thriving community of microbes deep in a hot spring in Idaho. These microbes, ancient relatives of bacteria called Archea, make energy by combining hydrogen from rocks with carbon dioxide, and exist completely apart from the Sun. And yet, they may be as numerous as living things on Earths surface, an entirely independent biosphere within the crust of our planet. 

And some researchers have speculated that the same kind of life may exist in the crusts of other planets, provided there is enough geologic activity to supply the necessary hydrogen. But designing a space mission with probes to look for such life, many hundreds of feet down, is too ambitious in the near term. Even so, the find reinforces a watchword for life-hunters: Expect the unexpected. 

For Nealson, it boils down to one question: "Are there ways that you could detect life without the requirement that it look or smell or feel like Earthly life?" 

Thats not an easy idea for biologists to embrace, Nealson says. "Theyre so ingrained to using these methods to find life that it wouldnt occur to them that they wouldnt work [absolutely] anywhere." 

And its not only professionals who find the idea difficult to swallow. 

In seminars to students about life-detection, Nealson likes to show a diagram that has "a bunch of circles with lines through them, like no smoking signs." In this case, the signs say "no" to the most basic building blocks of terrestrial life: DNA, RNA, protein, lipids. 

"None of these are fair game," Nealson says. "People in the audience say, Whats left? I say, This is the toughest challenge that anybodys ever given a biologist: Go find life but dont use anything that youve learned in the past." 

Robots rules of order

There's another pitfall for life-hunters: The desire to find what they're after. In 1996 NASA scientists claimed to have found evidence for fossil microbes inside a meteorite from Mars. The claim was extremely controversial, and since then most researchers have come to believe the features in the Martian meteorite can be explained by non-biologic processes. Nealson says the NASA team was seduced by their own data. 

"This wasnt a bunch of amateurs; these were good people. Anybody can be fooled by their data; Ive been fooled by mine in the past." But the seduction, Nealson notes, was understandable. 

"Almost everything they found was consistent with life," he says. "And when you find enough things that are consistent with life, you start feeling that youve found life. But theres a big difference between five or six things being consistent with life and five or six things needing life to explain their existence. That to me is the big difference: Is there anything there that absolutely couldnt be there if there wasnt life?" 

Indeed, Nealson says, it may be that robots are better life-hunters than people. "A really good information package," he says, "run by a very smart but non-opinionated robotic system might actually do much better than a human system." 

At USC, Nealson and his colleagues have been working to develop the kinds of technology that an automated life-hunter might employ. After nosing up to a Mars rock, for example, the robot would use x-rays to scan the rock in three dimensions, then analyze the scan to look for complex structures inside the rock. It would learn to recognize minerals and avoid tagging them as potential living things, Nealson says. 

If that sounds far-fetched, Nealson's group has already made progress: "Our robot is able to see complexity about as well as our best technicians can see it now." 

The power of such a system, as Nealson describes it, is truly remarkable. "We have a CAT-scan device in the lab now that can see a colony of three or four bacteria inside a rock, without ever opening up the rock. Its fantastic." 

"If you can get that kind of information in a few minutes, thats one of the things that youd like to consider taking to Mars or wherever you go," Nealson adds. "Because you can now look inside that rock and if it looks like theres something interesting, then you invest the time of cracking that rock open and looking at it with the next technology," such as a multispectral imager. 

But before any life-detection instruments are sent to Mars, Nealson says, theyll have to be tested extensively in some of the most barren places on Earth, like Antarctica. "We need to prove that we always get the right answer. We have every opportunity in the next decade or so to make this work." 

Europa ocean cruise 

Planetary scientist Chris Chyba of the SETI Institute in Palo Alto, California is also anxious to see the search for life on Mars resume. But he’s also focused on another alluring target -- Jupiter's moon Europa. Images from the Galileo spacecraft, with other data, have shown that there is probably an ocean of liquid water beneath Europa’s icy crust. It’s not an easy place to explore: Europa is some 400 million miles from Earth, and it lies deep within Jupiter’s powerful radiation belts, which pose a hazard to any spacecraft. 

But planners have envisioned a number of possible missions, including orbiters and landers, to explore Europa. Some have proposed an ambitious mission to melt through the ice and deploy a "cryobot" in the ocean to hunt for life. But Chyba says, "That kind of mission is extremely far in the future. Maybe it will be this century; I hope so. I think it's a very distant mission." 

There may be an alternative. 

"You probably don't have to fly a cryobot to, in effect, access the ocean," Chyba says. "What you've got to do is go to a spot where it looks as though liquid water from the subsurface has reached the surface. And we can already identify areas like that on the surface of Europa." Table --> 

For example, the Galileo orbiter has photographed areas on Europa that resemble smooth, ice-covered ponds on Earth. It may be that in these places, water from the subsurface ocean reached the surface and then froze. 

Chyba envisions a Europa lander that would visit one of these places, then melt its way down a couple of feet into the ice, just deep enough to find material that would be shielded from Jupiter's intense radiation. Then, he says, "We'll learn about the composition of the ocean by melting ice and finding out what's in the ice." 

Even if there were no living things in the sample, Chyba says, a chemical analysis of the ice should reveal whether life had ever been present. "I think you would be able to tell pretty quickly whether you were looking at a collection of organic molecules that seemed likely to have been biological in origin." 

It’s the water, of course, that makes Europa such an alluring place to look for life, as Chyba notes. "The question for a long time has been, Where is there liquid water?" He adds, "What's really exciting about Europa is the idea that there is a second ocean in the solar system." 

Life’s rich tapestry 

Chyba knows that the discovery of even the simplest life form on Mars, Europa or anywhere in the solar system would be enormously significant, because it would give scientists another point of reference on the nature of living things. 

"What's life? What is it?" asks Chyba. "I don't think we're going to get an answer to that question until we have more than one example to work with." 

"How many ways is it possible to make something that we would want to call alive? Is there only one way? Is there only the protein/DNA way? Does what we mean by life have to evolve through what we call Darwinian evolution? How diverse might life be? I don't think we're going to be able to answer those questions by looking at life on Earth. We're going to need other examples." 

For that reason, Chyba says, "Finding microscopic life on another world that did not share a common ancestor with Earth life would be among the greatest discoveries in science." 

And if it did turn out to be similar to terrestrial microbes, "I think it would be less profound, but it would be damned interesting," because it would lend support to the idea that life was transported among the worlds of our solar system by meteorites. 

Be like Earth

When it comes to life on other solar systems, the statistics seem promising. 

Four decades ago, Chyba's colleague Frank Drake authored a now-famous equation that judged the likelihood of extraterrestrial civilizations, or any kind of life, based on the number of habitable planets thought to be orbiting other stars. Back then, that number was pure conjecture. But now, after discovering several dozen extrasolar planets, astronomers are on the verge of learning whether other solar systems like ours are scarce or plentiful. 

"My prejudice is that we're going to discover that our solar system is neither rare nor typical," Chyba says. "But it doesn't really matter what I think is going to happen. We're actually going to know. Probably this decade, we're going to know." 

That's because of the upcoming Kepler mission, which will search for Earth-like planets around 100,000 stars beginning in 2006. "We're about to have catalogs of other solar systems, the way we have catalogs of stars [today]," Chyba says. 

Whether any of these other solar systems are home to living things is something scientists hope to answer without leaving home. With powerful telescopes, perhaps including space-based arrays of instruments, it might be possible to detect the presence of atmospheric gases typical of life. 

That’s a shaky bet, though. 

"I think it's going to prove very difficult to do in a way that seems convincing," Chyba said. "That doesn't mean we shouldn't be trying to do it." 

SETI at the ready 

And then there’s the Search for Extraterrestrial Intelligence. SETI has been underway at various telescopes around the globe for more than four decades, listening for signals from extraterrestrial civilizations. Up to now, SETI researchers have heard only the growl of distant pulsars, galaxies, and other celestial objects. 

But that may change when the Allen Telescope Array is constructed in northern California. Planned for completion in 2004, the array will be composed of more than 350 radio telescopes, each more than 18 feet in diameter, electronically hooked together to create the equivalent of a single, giant telescope. 

The Allen array will "revolutionize" the search for extraterrestrial civilizations, Chyba says. Since SETI began in 1960, he notes, "I think people have this misimpression that we've looked and looked and looked and haven't found anything. But in fact, we've looked at almost nothing with any kind of sensitivity, so far." 

During its first ten years of operation the Allen array should allow scientists to look at the 1 million nearest Sun-like stars. With an estimated 100 billion stars in the Milky Way, Chyba notes, "That's still only a small fraction of the galaxy. But it's beginning to knock on the door of the statistics meaning something." 

Will that be enough to find ET? Chyba counters with his own question: "Do you believe that one out of 100 thousand stars has a technical civilization orbiting it? I guess my suspicion is that they're more rare than that. But that's just my suspicion. There's only one way to find out the answer to that question. The only way to do this is to look." 

Wait a lonely lifetime 

Still, the life-hunters are prepared for the possibility that the answers may not come anytime soon. 

"I don’t have any real confidence that we would be lucky enough to find life while I was still alive and working," says Ken Nealson. 

Chyba is only slightly less guarded in his assessment. "I think it's an open question whether we're going to discover extraterrestrial life in my professional lifetime or not," he says. "But in the meantime a lot of science that's very interesting in and of itself, and that is relevant to that question, is moving forward." 

Still, he says, it’s possible that the searches will come to naught, that Earth is alone as an abode of life. Noting that scientists now believe life arose on Earth around 3.8 billion years ago, some 750 million years after the planet formed, Chyba adds "I think given how early life arose on Earth it's likely that there is other life in the galaxy." 

Given what's known today, Chyba said it's possible we are alone, but he adds: "If I were placing a bet over beer, no, I wouldn't bet that we're the only life; that would be extraordinary." But as Chyba and Nealson and the other life-hunters know, the only way to find out is to look.