Astrobiologi

Astrobiologi kadang disebut juga eksobiologi, eksopaleontologi, bioastronomi, xenobiologi dan biologi antariksa adalah kajian tentang asal, evolusi, penyebaran, dan masa depan kehidupan di alam semesta. Bidang ilmu antardisiplin ini meliputi pencarian lingkungan laik huni baik di dalam maupun di luar Tata Surya, pencarian bukti kimia prebiotik, kehidupan di Mars dan benda lain di Tata Surya, penelitian laboratorium dan lapangan perihal asal dan evolusi awal kehidupan di Bumi, serta kajian potensi makhluk hidup untuk beradaptasi di Bumi dan di luar angkasa.
Astrobiologi memanfaatkan biologi molekuler, biofisika, biokimia, kimia, astronomi, kosmologi fisik, eksoplanetologi dan geologi untuk menyelidiki kemungkinan kehidupan di dunia lain dan membantu mengenali biosfer yang mungkin berbeda dari yang ada di Bumi. Asal usul dan evolusi awal kehidupan adalah bagian yang tidak terpisahkan dari disiplin ilmu astrobiologi. Astrobiologi berkaitan dengan interpretasi data ilmiah yang ada. Astrobiologi menyangkut dirinya sendiri terutama dengan hipotesis yang sesuai dengan teori-teori ilmiah yang ada.
Bidang antardisiplin ini mencakup penelitian tentang asal-usul sistem planet, asal-usul senyawa organik di luar angkasa, interaksi batuan-air-karbon, abiogenesis di Bumi, kelaikhunian planet, penelitian tentang biosignatures untuk deteksi kehidupan, dan studi tentang potensi kehidupan untuk beradaptasi dengan tantangan di Bumi dan di luar angkasa.
Biokimia mungkin telah dimulai tak lama setelah Big Bang, 13,8 miliar tahun yang lalu, selama zaman yang laik huni ketika semesta baru berusia 10-17 juta tahun. Menurut hipotesis panspermia, kehidupan mikroskopis — didistribusikan oleh meteoroid, asteroid, dan benda kecil Tata Surya lainnya — mungkin ada di seluruh alam semesta. Menurut penelitian yang diterbitkan pada Agustus 2015, galaksi yang sangat besar mungkin lebih menguntungkan bagi penciptaan dan pengembangan planet yang dapat dihuni daripada galaksi yang lebih kecil seperti Bima Sakti. Meskipun demikian, Bumi adalah satu-satunya tempat di alam semesta yang diketahui manusia sebagai tempat kehidupan. Perkiraan zona laik huni di sekitar bintang lain, kadang-kadang disebut sebagai "zona Goldilocks" bersamaan dengan penemuan ratusan planet ekstrasurya dan wawasan baru mengenai habitat ekstrem. di sini di Bumi, sarankan bahwa mungkin ada lebih banyak tempat yang bisa dihuni di alam semesta daripada yang diperkirakan hingga saat ini.
Studi saat ini di planet Mars oleh wahana penjelajah Curiosity dan Opportunity sedang dilakukan untuk mencari bukti kehidupan kuno serta dataran yang terkait dengan sungai atau danau purba yang mungkin telah dihuni. Pencarian untuk bukti kelaikhunian, tafonomi (terkait dengan fosil), dan molekul organik di planet Mars sekarang menjadi tujuan utama NASA dan ESA.
Bahkan jika kehidupan di luar bumi tidak pernah ditemukan, sifat astrobiologi antardisiplin, dan perspektif kosmik dan evolusi yang ditimbulkan olehnya, masih dapat menghasilkan berbagai manfaat di Bumi.
Istilah ini pertama kali diusulkan oleh astronom Rusia (Soviet) Gavriil Tikhov pada tahun 1953. Astrobiologi secara etimologis berasal dari bahasa Yunani ἄστρον , astron, "rasi bintang, bintang"; βίος , bios, "kehidupan"; dan -λογία, -logia, belajar. Sinonim dari astrobiologi beragam; Namun, sinonim terstruktur dalam kaitannya dengan ilmu paling penting yang tersirat dalam perkembangannya: astronomi dan biologi. Sinonim yang dekat adalah exobiologi dari bahasa Yunani Έξω, "eksternal"; Βίος, bios, "hidup"; dan λογία, -logia, belajar. Istilah eksobiologi diciptakan oleh ahli biologi molekuler dan pemenang Hadiah Nobel Joshua Lederberg. Eksobiologi dianggap memiliki ruang lingkup yang terbatas terbatas pada pencarian kehidupan di luar Bumi, sedangkan bidang subjek astrobiologi lebih luas dan menyelidiki hubungan antara kehidupan dan alam semesta, yang mencakup pencarian kehidupan di luar bumi, tetapi juga mencakup penelitian kehidupan di Bumi, asal-usulnya, evolusi dan batasnya.
Istilah lain yang digunakan di masa lalu adalah xenobiologi, ("biologi orang asing") kata yang digunakan pada tahun 1954 oleh penulis fiksi ilmiah Robert Heinlein dalam karyanya The Star Beast. Istilah xenobiologi sekarang digunakan dalam pengertian yang lebih terspesialisasi, yang berarti "biologi berdasarkan kimia asing", baik yang berasal dari luar bumi atau terestrial (mungkin sintetis). Karena analog kimia alternatif dengan beberapa proses kehidupan telah dibuat di laboratorium, xenobiologi sekarang dianggap sebagai subjek yang masih ada.
Sementara astrobiologi adalah bidang yang muncul dan berkembang, pertanyaan apakah kehidupan ada di tempat lain di alam semesta adalah hipotesis yang dapat diverifikasi dan dengan demikian merupakan jalur penyelidikan ilmiah yang valid. Meskipun pernah dianggap di luar arus utama penyelidikan ilmiah, astrobiologi telah menjadi bidang studi formal. Ilmuwan planet David Grinspoon menyebut astrobiologi sebagai bidang filsafat alam, yang mendasari spekulasi yang tidak diketahui, dalam teori ilmiah yang dikenal. Ketertarikan NASA pada eksobiologi pertama kali dimulai dengan pengembangan Program Luar Angkasa AS. Pada tahun 1959, NASA mendanai proyek eksobiologi pertamanya, dan pada tahun 1960, NASA mendirikan Program Eksobiologi, yang sekarang merupakan salah satu dari empat elemen utama Program Astrobiology NASA saat ini. Pada tahun 1971, NASA mendanai pencarian intelijen ekstraterestrial (SETI) untuk mencari frekuensi radio dari spektrum elektromagnetik untuk komunikasi antarbintang yang ditransmisikan oleh kehidupan luar angkasa di luar Tata Surya. Misi Viking NASA ke Mars, diluncurkan pada tahun 1976, termasuk tiga percobaan biologi yang dirancang untuk mencari metabolisme kehidupan sekarang di Mars.
Kemajuan di bidang astrobiologi, astronomi pengamatan, dan penemuan varietas besar ekstrofil dengan kemampuan luar biasa untuk berkembang di lingkungan paling keras di Bumi telah menimbulkan spekulasi bahwa kehidupan mungkin berkembang di banyak benda luar angkasa di alam semesta. Fokus khusus penelitian astrobiologi saat ini adalah pencarian kehidupan di Mars karena kedekatan planet ini dengan Bumi dan sejarah geologis. Ada semakin banyak bukti yang menunjukkan bahwa Mars sebelumnya memiliki sejumlah besar air di permukaannya, air dianggap sebagai pendahulu penting bagi pengembangan kehidupan berbasis karbon.
Misi yang dirancang khusus untuk mencari kehidupan saat ini di Mars adalah program Viking dan penyelidikan Beagle 2. Hasil Viking tidak meyakinkan dan Beagle 2 gagal beberapa menit setelah mendarat. Misi masa depan dengan peran astrobiologi yang kuat adalah Jupiter Icy Moons Orbiter yang dirancang untuk mempelajari bulan-bulan beku Jupiter — beberapa di antaranya mungkin memiliki air cair — seandainya misi itu tidak dibatalkan. Pada akhir 2008, pendarat Phoenix menyelidiki lingkungan untuk habitat mikrob masa lalu dan masa kini di Mars, dan meneliti sejarah air di sana.
Peta jalan astrobiologi Badan Antariksa Eropa dari 2016, mengidentifikasi lima topik penelitian utama dan menetapkan beberapa tujuan ilmiah utama untuk setiap topik. Lima topik penelitian tersebut adalah: 1) Asal dan evolusi sistem planet 2) Asal-usul senyawa organik di luar angkasa 3) Interaksi batuan-air-karbon, sintesis organik di Bumi, dan langkah-langkah menuju kehidupan 4) Kehidupan dan kelaikhunian 5) Tanda biologis untuk memfasilitasi pendeteksian kehidupan.
Pada November 2011, NASA meluncurkan misi Laboratorium Sains Mars yang membawa penjelajah Curiosity, yang mendarat di Mars di Kawah Gale pada Agustus 2012. Penjelajah Curiosity saat ini sedang menyelidiki lingkungan untuk kehidupan mikrob masa lalu dan masa kini di planet Mars. Pada tanggal 9 Desember 2013, NASA melaporkan bahwa, berdasarkan bukti dari Curiosity yang mempelajari Aeolis Palus, Kawah Gale berisi sebuah danau air tawar kuno yang bisa menjadi lingkungan yang ramah untuk kehidupan mikrob.
Badan Antariksa Eropa saat ini bekerja sama dengan Badan Antariksa Federal Rusia (Roscosmos) dan mengembangkan penjelajah astrobiologi ExoMars, yang akan diluncurkan pada Juli 2020. Sementara itu, NASA sedang mengembangkan penjelajah astrobiologi Mars 2020 dan penyimpan sampel untuk dikirim kembali ke Bumi nanti.
Ketika mencari kehidupan di planet lain seperti Bumi, beberapa asumsi penyederhanaan berguna untuk mengurangi ukuran tugas astrobiologis. Salah satunya adalah asumsi bahwa sebagian besar bentuk kehidupan di galaksi kita didasarkan pada kimia karbon, seperti halnya semua bentuk kehidupan di Bumi. Karbon terkenal dengan variasi molekul yang luar biasa luas yang dapat dibentuk di sekitarnya. Karbon adalah unsur paling berlimpah keempat di alam semesta dan energi yang dibutuhkan untuk membuat atau memutus ikatan berada tepat pada tingkat yang sesuai untuk membangun molekul yang tidak hanya stabil, tetapi juga reaktif. Fakta bahwa atom karbon mudah terikat dengan atom karbon lain memungkinkan untuk membentuk molekul yang sangat panjang dan kompleks.
Kehadiran air cair adalah persyaratan yang diasumsikan, karena zat itu merupakan molekul umum dan menyediakan lingkungan yang sangat baik untuk pembentukan molekul berbasis karbon yang rumit yang pada akhirnya dapat mengarah pada munculnya kehidupan. Beberapa peneliti menempatkan lingkungan campuran amonia-air sebagai pelarut yang mungkin untuk berbagai jenis biokimia hipotetis lainnya.
Asumsi ketiga adalah fokus pada planet yang mengorbit bintang seperti Matahari untuk meningkatkan kemungkinan kelaikhunaan planet. Bintang yang sangat besar memiliki masa hidup yang relatif singkat, yang berarti bahwa kehidupan mungkin tidak memiliki waktu untuk muncul di planet yang mengorbitnya. Bintang yang sangat kecil memberikan panas dan kehangatan yang sangat kecil sehingga hanya planet dengan orbit yang sangat dekat di sekitar mereka yang tidak akan membeku dan dalam orbit yang begitu dekat dan planet-planet ini akan "terkunci" pada bintang tersebut. Masa hidup katai merah yang sangat panjang dapat memungkinkan pengembangan lingkungan yang laik huni di planet dengan atmosfer tebal. Ini penting, karena katai merah adalah bintang dengan jumlah terbanyak di alam semesta. (Lihat Kelaikhunian sistem katai merah).
Karena Bumi adalah satu-satunya planet yang diketahui memiliki kehidupan, tidak ada cara yang jelas untuk mengetahui apakah asumsi penyederhanaan ini benar atau salah.
Penelitian tentang komunikasi dengan kecerdasan ekstraterestrial (CETI) berfokus pada menyusun dan menguraikan pesan yang secara teoritis dapat dipahami oleh peradaban teknologi lain. Upaya komunikasi oleh manusia termasuk menyiarkan bahasa matematika, sistem bergambar seperti pesan Arecibo dan pendekatan komputasi untuk mendeteksi dan menguraikan komunikasi bahasa 'alami'. Program SETI, misalnya, menggunakan teleskop radio dan teleskop optik untuk mencari sinyal yang disengaja dari kecerdasan ekstraterestrial.
Sementara beberapa ilmuwan terkenal seperti Carl Sagan telah menganjurkan pengiriman pesan ke luar angkasa, ilmuwan Stephen Hawking memperingatkannya, berpendapat bahwa alien mungkin akan menyerang Bumi hanya untuk sumber dayanya dan kemudian pergi.
Sebagian besar penelitian astrobiologi yang berhubungan dengan astronomi termasuk dalam kategori deteksi planet luar Tata Surya (eksoplanet), hipotesisnya adalah bahwa jika kehidupan muncul di Bumi, maka ia juga dapat muncul di planet lain dengan karakteristik serupa. Untuk itu, sejumlah instrumen yang dirancang untuk mendeteksi eksoplanet seukuran Bumi telah dipertimbangkan, terutama NASA Terrestrial Planet Finder (TPF) dan program Darwin ESA, yang keduanya telah dibatalkan. NASA meluncurkan misi Kepler pada Maret 2009, dan Badan Antariksa Prancis meluncurkan misi luar angkasa COROT pada tahun 2006. Ada juga beberapa upaya berbasis darat yang tidak begitu ambisius sedang berlangsung.
Tujuan dari misi ini bukan hanya untuk mendeteksi planet seukuran Bumi, tetapi juga untuk secara langsung mendeteksi cahaya dari planet ini sehingga dapat dipelajari secara spektroskopi. Dengan memeriksa spektrum planet, akan mungkin untuk menentukan komposisi dasar atmosfer dan/atau permukaan eksoplanet. Dengan pengetahuan ini, dimungkinkan untuk menilai kemungkinan kehidupan yang ditemukan di planet itu. Kelompok riset NASA, Virtual Planet Laboratory, menggunakan pemodelan komputer untuk menghasilkan berbagai planet virtual untuk melihat seperti apa bentuknya jika dilihat oleh TPF atau Darwin. Diharapkan bahwa begitu misi-misi ini online, spektra mereka dapat diperiksa silang dengan spektrum planet virtual ini untuk fitur-fitur yang mungkin mengindikasikan keberadaan kehidupan.
Perkiraan untuk jumlah planet dengan kehidupan ekstraterestrial komunikatif yang cerdas dapat diperoleh dari persamaan Drake, pada dasarnya sebuah persamaan yang mengungkapkan kemungkinan kehidupan cerdas sebagai produk dari faktor-faktor seperti pecahan planet yang mungkin dapat dihuni dan sebagian kecil planet di mana kehidupan mungkin muncul:
N = R ∗ × f p × n e × f l × f i × f c × L {\displaystyle N=R^{*}~\times ~f_{p}~\times ~n_{e}~\times ~f_{l}~\times ~f_{i}~\times ~f_{c}~\times ~L}
Dengan:
Namun, sementara alasan di balik persamaan tersebut cukup meyakinkan, tidak mungkin bahwa persamaan itu akan memiliki batas kesalahan yang wajar dalam waktu dekat. Masalah dengan rumus itu adalah bahwa rumus itu tidak dapat digunakan untuk menghasilkan atau mendukung hipotesis karena mengandung faktor-faktor yang tidak pernah dapat diverifikasi. Variabel pertama, R*, jumlah bintang, umumnya dibatasi dalam skala beberapa tingkat besaran (10). Variable kedua dan ketiga, fp, bintang dengan planet-planet dan fe, planet dengan kondisi laik huni, sedang dievaluasi untuk sistem di sekitar sistem bintang-bintang tersebut. Drake awalnya merumuskan persamaan hanya sebagai agenda diskusi di konferensi Bank Hijau, tetapi beberapa penerapan dari formula itu telah diambil secara harfiah dan terkait dengan argumen ilmiah sederhana atau pseudosains. Topik terkait lainnya adalah paradoks Fermi, yang mengusulkan argumen bahwa jika kehidupan cerdas adalah sebuah kondisi umum di alam semesta, seharusnya ada tanda-tanda yang jelas dari kehidupan-kehidupan cerdas tersebut.
Bidang penelitian aktif lain dalam astrobiologi adalah pembentukan sistem planet. Telah dikemukakan bahwa kekhasan Tata Surya (misalnya, keberadaan Jupiter sebagai perisai pelindung) mungkin telah sangat meningkatkan kemungkinan kehidupan cerdas yang muncul di planet kita.
Biologi tidak dapat menyatakan bahwa suatu proses atau fenomena, dengan menjadi mungkin secara matematis, harus ada secara paksa pada objek luar angkasa. Ahli biologi menentukan apa yang spekulatif dan apa yang tidak. Penemuan ekstrofil, organisme yang mampu bertahan hidup di lingkungan ekstrem, menjadi elemen penelitian inti bagi para ahli astrobiologi, karena organisme seperti itu penting untuk memahami empat batas kehidupan dalam cakupan planet: potensi panspermia, kontaminasi ke depan karena usaha eksplorasi manusia, kolonisasi planet oleh manusia, dan eksplorasi kehidupan ekstraterestrial yang punah dan masih ada.
Sampai tahun 1970-an, kehidupan dianggap sepenuhnya bergantung pada energi dari Matahari. Tumbuhan di permukaan bumi menangkap energi dari sinar matahari untuk memfotosintesis gula dari karbon dioksida dan air, melepaskan oksigen dalam proses yang kemudian dikonsumsi oleh organisme yang merespons oksigen, meneruskan energi mereka ke rantai makanan. Bahkan kehidupan di kedalaman lautan, di mana sinar matahari tidak dapat mencapai, dianggap memperoleh makanannya baik dari mengkonsumsi detritus organik yang dihujani dari permukaan air atau dari memakan hewan yang melakukannya. Kemampuan sebuah planet untuk mendukung kehidupan dianggap bergantung pada aksesnya terhadap sinar matahari. Namun, pada tahun 1977, selama penyelaman penjelajahan ke Galapagos Rift di penjelajahan bawah laut Alvin, para ilmuwan menemukan koloni cacing tabung raksasa, kerang, krustasea, kerang, dan berbagai makhluk lain yang berkerumun di sekitar fitur vulkanik bawah laut yang dikenal sebagai ventilasi hidrotermal. Makhluk-makhluk ini berkembang meskipun tidak memiliki akses ke sinar matahari, dan segera ditemukan bahwa mereka terdiri dari ekosistem yang sepenuhnya independen. Meskipun sebagian besar bentuk kehidupan multiseluler ini membutuhkan oksigen terlarut (diproduksi oleh fotosintesis oksigen) untuk respirasi seluler aerobik mereka dan dengan demikian tidak sepenuhnya terlepas dari sinar matahari sendiri, dasar dari rantai makanan mereka adalah bentuk bakteri yang memperoleh energinya dari oksidasi reaktif bahan kimia, seperti hidrogen atau hidrogen sulfida, yang keluar dari bagian dalam bumi. Bentuk kehidupan lain yang sepenuhnya dipisahkan dari energi dari sinar matahari adalah bakteri sulfur hijau yang menangkap cahaya panas bumi untuk fotosintesis anoksiogenik atau bakteri yang menjalankan kemolitoautotrofi berdasarkan peluruhan radioaktif uranium. Kemosintesis ini merevolusi studi biologi dan astrobiologi dengan mengungkapkan bahwa kehidupan tidak harus bergantung pada matahari, hanya membutuhkan air dan gradien energi untuk tetap ada.
Ahli biologi telah menemukan ekstrofil yang tumbuh subur di es, air mendidih, asam, alkali, inti air reaktor nuklir, kristal garam, limbah beracun dan dalam berbagai habitat ekstrem lainnya yang sebelumnya dianggap tidak ramah untuk kehidupan. Ini membuka jalan baru dalam astrobiologi dengan memperluas secara besar-besaran jumlah kemungkinan habitat luar angkasa. Pencirian organisme ini, lingkungannya dan jalur evolusinya, dianggap sebagai komponen penting untuk memahami bagaimana kehidupan dapat berevolusi di tempat lain di alam semesta. Sebagai contoh, beberapa organisme yang mampu menahan paparan pada ruang hampa dan radiasi ruang luar termasuk jamur liken Rhizocarpon geographicum dan Xanthoria elegans, bakteri Bacillus safensis, Deinococcus radiodurans, Bacillus subtilis, ragi Saccharomyces cerevisiae, biji dari Arabidopsis thaliana (selada air kuping tikus), serta hewan invertebrata Tardigrada. Sementara tardigrada tidak dianggap sebagai benar-benar ekstrofil, mereka dianggap sebagai mikroorganisme ekstrotoleran yang telah berkontribusi pada bidang astrobiologi. Toleransi radiasi ekstrem dan keberadaan protein perlindungan DNA dapat memberikan jawaban apakah kehidupan dapat bertahan ketika berada jauh dari perlindungan atmosfer bumi.
Bulan Jupiter, Europa, dan bulan Saturnus, Enseladus, sekarang dianggap sebagai lokasi yang paling mungkin untuk kehidupan ekstraterestrial yang masih ada di Tata Surya karena samudera air bawah permukaan yang dimiliki keduanya, di mana pemanasan radiogenik dan pasang surut memungkinkan air dalam wujud cair untuk ada.
Asal usul kehidupan, yang dikenal sebagai abiogenesis, berbeda dari evolusi kehidupan, adalah bidang penelitian lain yang sedang berlangsung. Oparin dan Haldane mendalilkan bahwa kondisi di Bumi awal kondusif untuk pembentukan senyawa organik dari unsur anorganik dan dengan demikian untuk pembentukan banyak bahan kimia yang umum untuk semua bentuk kehidupan yang kita lihat sekarang. Studi tentang proses ini, yang dikenal sebagai kimia prebiotik, telah membuat beberapa kemajuan, tetapi masih belum jelas apakah kehidupan dapat terbentuk dengan cara seperti itu di Bumi. Hipotesis alternatif panspermia adalah bahwa unsur-unsur kehidupan pertama mungkin telah terbentuk di planet lain dengan kondisi yang lebih menguntungkan (atau bahkan di ruang antarbintang, asteroid, dll.) Dan kemudian telah dibawa ke Bumi - hipotesis panspermia.
Debu kosmik yang menyebar di alam semesta mengandung senyawa organik kompleks ("padatan organik amorf dengan struktur aromatik-alifatik campuran") yang dapat dibuat secara alami, dan dengan cepat oleh bintang. Lebih lanjut, seorang ilmuwan menyarankan bahwa senyawa-senyawa ini mungkin berhubungan dengan perkembangan kehidupan di Bumi dan mengatakan bahwa, "Jika ini masalahnya, kehidupan di Bumi mungkin lebih mudah untuk dimulai karena bahan organik ini dapat berfungsi sebagai bahan dasar untuk kehidupan."
Lebih dari 20% karbon di alam semesta dapat dikaitkan dengan hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH), kemungkinan bahan awal untuk pembentukan kehidupan. PAH tampaknya telah terbentuk tak lama setelah Big Bang, tersebar luas di seluruh alam semesta, dan dikaitkan dengan bintang-bintang dan planet-planet baru. PAH terpapar kondisi medium antarbintang dan ditransformasikan melalui hidrogenasi, oksigenasi, dan hidroksilasi, menjadi organik yang lebih kompleks - "sebuah langkah di sepanjang jalan menuju asam amino dan nukleotida, masing-masing adalah bahan baku protein dan DNA".
Astroekologi menyangkut interaksi kehidupan dengan lingkungan dan sumber daya luar angkasa, di planet, asteroid, dan komet. Pada skala yang lebih besar, astroekologi menyangkut sumber daya untuk kehidupan tentang bintang di galaksi melalui masa depan kosmologis. Astroekologi berupaya mengukur kehidupan masa depan di luar angkasa, menangani bidang astrobiologi ini.
Astroekologi eksperimental menyelidiki sumber daya tanah pada suatu planet, berdasarkan bahan luar angkasa yang terdapat di meteorit. Hasil penelitian menunjukkan bahwa bahan kondrit Mars dan karbon dapat mendukung budidaya bakteri, ganggang dan tanaman (asparagus, kentang), dengan kesuburan tanah yang tinggi. Hasil tersebut mendukung argumen yang menyatakan bahwa kehidupan dapat bertahan hidup di asteroid berair dan pada bahan serupa yang diimpor ke Bumi melalui debu, komet dan meteorit, dan bahwa materi asteroid tersebut dapat digunakan sebagai tanah untuk koloni luar angkasa di masa depan.
Pada skala terbesar, kosmoekologi menyangkut kehidupan di alam semesta selama masa kosmologis. Sumber energi utama mungkin adalah bintang raksasa merah dan bintang katai putih dan merah, yang menopang kehidupan hingga 10 tahun. Astroekologis menyarankan bahwa model matematika yang mereka buat dapat mengukur jumlah kehidupan masa depan potensial di luar angkasa, memungkinkan ekspansi keanekaragaman hayati yang berpotensi mengarah pada beragam bentuk kehidupan cerdas.
Astrogeologi adalah disiplin ilmu planet yang berkaitan dengan geologi benda-benda langit seperti planet-planet dan bulan-bulan mereka, asteroid, komet, serta meteorit. Informasi yang dikumpulkan oleh disiplin ilmu ini memungkinkan ukuran potensi planet atau satelit alami untuk mengembangkan dan mempertahankan kehidupan, atau kelaikhunaan planet.
Disiplin astrogeologi tambahan adalah geokimia, yang melibatkan studi tentang komposisi kimia Bumi dan planet-planet lain, proses dan reaksi kimia yang mengatur komposisi batuan dan tanah, siklus materi dan energi serta interaksinya dengan hidrosfer dan atmosfer suatu planet. Spesialisasi meliputi kosmokimia, biokimia, dan geokimia organik.
Catatan fosil memberikan bukti tertua yang diketahui mengenai kehidupan di Bumi. Dengan memeriksa bukti fosil, ahli paleontologi dapat lebih memahami jenis-jenis organisme yang muncul di Bumi purba. Beberapa wilayah di Bumi, seperti Pilbara di Australia Barat dan Lembah Kering McMurdo Antartika, juga dianggap analog dengan wilayah geologi di Mars, dan dengan demikian, mungkin dapat memberikan petunjuk tentang cara mencari kehidupan masa lalu di Mars.
Berbagai gugus fungsi organik, yang terdiri dari hidrogen, oksigen, nitrogen, fosfor, belerang, dan sejumlah logam, seperti besi, magnesium, dan seng, memberikan keragaman besar reaksi kimia yang dikatalisasi oleh organisme hidup. Sebaliknya, silikon berinteraksi dengan hanya beberapa atom lain, dan molekul silikon besar bersifat monoton dibandingkan dengan semesta kombinatorial dari makromolekul organik. Memang, tampaknya secara umum dasar kehidupan di mana pun akan serupa dengan yang ada di Bumi, jika bukan secara terperinci. Meskipun kehidupan terestrial dan kehidupan yang mungkin muncul secara independen dari Bumi diharapkan untuk menggunakan banyak dasar kehidupan yang serupa—jika tidak identik— mereka juga diharapkan memiliki beberapa kualitas biokimia yang unik. Apa pun bentuk kehidupan ekstraterestrial yang mungkin muncul, kecenderungannya untuk mengubah lingkungannya secara kimia layaknya kehidupan di Bumi mungkin dapat mengungkapkan keberadaannya.
Orang-orang telah lama berspekulasi tentang kemungkinan kehidupan dalam kondisi selain Bumi, tetapi spekulasi tentang sifat kehidupan di tempat lain sering sedikit memperhatikan kendala yang ditimbulkan oleh sifat biokimia. Kemungkinan bahwa kehidupan di seluruh alam semesta mungkin berbasis karbon didukung oleh fakta bahwa karbon adalah salah satu unsur yang paling melimpah dari unsur-unsur yang lebih berat dari hidrogen dan helium. Hanya dua atom alami, karbon dan silikon, yang diketahui berfungsi sebagai fondasi molekul yang cukup besar untuk membawa informasi biologis. Sebagai dasar struktural untuk kehidupan, salah satu fitur penting karbon adalah bahwa ia tidak seperti silikon, karbon dapat dengan mudah terlibat dalam pembentukan ikatan kimia dengan banyak atom lain, sehingga memungkinkan fleksibilitas kimia yang diperlukan untuk melakukan reaksi metabolisme dan perambatan biologis.
Pemikiran tentang di mana kehidupan mungkin terjadi di Tata Surya secara historis dibatasi oleh pemahaman bahwa kehidupan pada akhirnya bergantung pada cahaya dan kehangatan dari Matahari dan karena itu, terbatas pada permukaan planet. Empat kandidat yang paling mungkin untuk hidup di Tata Surya adalah planet Mars, bulan Jovian Europa, dan satelit Saturnus, Titan dan Enseladus.
Mars, Enseladus, dan Europa dianggap sebagai kandidat yang potensial dalam pencarian kehidupan terutama karena mereka mungkin memiliki air cair bawah tanah, molekul yang penting bagi kehidupan seperti yang kita kenal untuk penggunaannya sebagai pelarut dalam sel. Air di Mars ditemukan beku di lapisan es kutubnya, dan parit-parit yang baru diukir baru-baru ini diamati di Mars menunjukkan bahwa air cair mungkin ada, setidaknya secara sementara, di permukaan planet. Pada suhu rendah dan tekanan rendah di Mars, air cair cenderung sangat asin. Sedangkan untuk Europa dan Enseladus, lautan global yang besar dari air cair ada di bawah lapisan luar es yang dingin dari bulan-bulan ini. Air ini mungkin dihangatkan sampai ke wujud cair oleh ventilasi vulkanik di dasar lautan, tetapi sumber panas utama mungkin adalah pemanasan pasang surut. Pada 11 Desember 2013, NASA melaporkan deteksi "mineral seperti tanah liat" (khususnya, filosilikat) yang sering dikaitkan dengan bahan organik, di kerak es Europa. Kehadiran mineral mungkin merupakan hasil dari tabrakan dengan asteroid atau komet, menurut para ilmuwan. Selain itu, pada tanggal 27 Juni 2018, para astronom melaporkan deteksi organik makromolekul kompleks di Enseladus dan menurut para ilmuwan NASA pada Mei 2011, "muncul sebagai tempat paling laik huni di luar Bumi dalam Tata Surya untuk kehidupan seperti yang kita ketahui".
Benda luar angkasa yang berpotensi mendukung kehidupan di luar bumi adalah bulan terbesar Saturnus, Titan. Titan telah digambarkan memiliki kondisi yang mirip dengan kondisi Bumi pada awal pembentukannya. Di permukaannya, para ilmuwan telah menemukan danau cair pertama di luar Bumi, tetapi danau ini tampaknya terdiri dari etana dan/atau metana, bukannya air. Beberapa ilmuwan berpendapat bahwa hidrokarbon cair ini mungkin menggantikan air dalam sel-sel hidup yang berbeda dengan yang ada di Bumi. Setelah data Cassini dipelajari, dilaporkan pada Maret 2008 bahwa Titan mungkin juga memiliki lautan bawah tanah yang terdiri dari air cair dan amonia.
Mengukur rasio tingkat hidrogen dan metana di Mars dapat membantu menentukan kemungkinan kehidupan di Mars. Menurut para ilmuwan, "... rasio H2/CH4 yang rendah (kurang dari sekitar 40) menunjukkan bahwa kehidupan mungkin ada dan aktif." Ilmuwan lain baru-baru ini melaporkan metode untuk mendeteksi hidrogen dan metana di atmosfer benda luar angkasa.
Senyawa organik kehidupan yang kompleks, termasuk urasil, sitosin, dan timin, telah dibentuk di laboratorium dalam kondisi luar angkasa, menggunakan bahan kimia awal seperti pirimidin, yang ditemukan di meteorit. Pirimidin, seperti hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH), adalah bahan kimia kaya karbon yang paling banyak ditemukan di alam semesta.
Hipotesis Bumi Langka mempostulatkan bahwa bentuk kehidupan multisel yang ditemukan di Bumi mungkin sebenarnya lebih langka daripada yang diperkirakan para ilmuwan. Ini memberikan jawaban yang mungkin untuk paradoks Fermi yang mempertanyakan, "Jika alien dari luar Bumi itu umum, mengapa mereka tidak jelas (keberadaannya)?" Tampaknya ini bertentangan dengan prinsip mediokritas yang diasumsikan oleh astronom terkenal Frank Drake, Carl Sagan, dan lainnya. Prinsip Mediokritas menunjukkan bahwa kehidupan di Bumi tidak luar biasa, dan lebih mungkin ditemukan di dunia lain yang tak terhitung banyaknya.
Penelitian terhadap batas-batas kehidupan lingkungan dan cara kerja ekosistem ekstrem sedang berlangsung, memungkinkan para peneliti untuk memprediksi dengan lebih baik lingkungan planet apa yang paling mungkin menopang kehidupan. Misi seperti pendarat Phoenix, Mars Science Laboratory, ExoMars, penjelajah Mars 2020 ke Mars, dan wahana Cassini ke satelit Saturnus bertujuan untuk mengeksplorasi lebih lanjut kemungkinan kehidupan di planet lain di Tata Surya.
Kedua pendarat Viking masing-masing membawa empat jenis percobaan biologis ke permukaan Mars pada akhir 1970-an. Ini adalah satu-satunya pendarat Mars yang melakukan eksperimen yang mencari metabolisme khusus oleh kehidupan mikrob saat ini di Mars. Pendarat menggunakan lengan robot untuk mengumpulkan sampel tanah ke dalam wadah uji tertutup di pesawat. Kedua pendarat itu identik, jadi pengujian yang sama dilakukan di dua tempat di permukaan Mars, Viking 1 dekat khatulistiwa dan Viking 2 lebih jauh ke utara. Hasilnya tidak meyakinkan dan masih diperdebatkan oleh beberapa ilmuwan.
Beagle 2 adalah misi pendarat Mars Inggris yang gagal dan termasuk bagian dari misi Mars Express 2003 Badan Antariksa Eropa. Tujuan utamanya adalah untuk mencari tanda-tanda kehidupan di Mars, dulu atau sekarang. Meskipun mendarat dengan aman, ia tidak dapat menggunakan panel surya dan antena telekomunikasinya dengan benar.
EXPOSE adalah fasilitas multi pengguna yang dipasang pada 2008 di luar Stasiun Luar Angkasa Internasional yang didedikasikan untuk astrobiologi. EXPOSE dikembangkan oleh Badan Antariksa Eropa (ESA) untuk penerbangan luar angkasa jangka panjang yang memungkinkan pemaparan bahan kimia organik dan sampel biologis ke luar angkasa pada orbit Bumi rendah.
Misi Mars Science Laboratory (MSL) mendaratkan penjelajah Curiosity yang saat ini beroperasi di Mars. Misi ini diluncurkan pada 26 November 2011 dan mendarat di Gale Crater pada 6 Agustus 2012. Tujuan misi ini adalah untuk membantu menilai kelaikhunian Mars dan dalam melakukannya, menentukan apakah Mars mampu atau pernah mampu mendukung kehidupan, mengumpulkan data untuk misi manusia di masa depan, mempelajari geologi Mars, iklimnya, dan lebih jauh menilai peran air, bahan penting untuk kehidupan seperti yang kita kenal, berperan dalam membentuk mineral di Mars.
Misi Tanpopo adalah eksperimen astrobiologi orbital yang menyelidiki potensi perpindahan antar planet, kehidupan, senyawa organik, dan kemungkinan partikel terestrial di orbit Bumi yang rendah. Tujuannya adalah untuk menilai hipotesis panspermia dan kemungkinan transportasi antarplanet alami kehidupan mikrob serta senyawa organik prebiotik. Hasil misi awal menunjukkan bukti bahwa beberapa rumpun mikroorganisme dapat bertahan selama setidaknya satu tahun di luar angkasa. Ini mungkin mendukung gagasan bahwa rumpun mikroorganisme yang lebih besar dari 0,5 milimeter bisa menjadi salah satu cara bagi kehidupan untuk menyebar dari satu planet ke planet lain.
Penjelajah ExoMars adalah misi robot ke Mars untuk mencari kemungkinan biosignature kehidupan Mars, dulu atau sekarang. Misi astrobiologis ini saat ini sedang dikembangkan oleh Badan Antariksa Eropa (ESA) dalam kemitraan dengan Badan Antariksa Federal Rusia (Roscosmos), direncanakan untuk diluncurkan pada 2020.
Misi penjelajah Mars 2020 sedang dikembangkan oleh NASA untuk diluncurkan pada 2020. Ini akan menyelidiki lingkungan di Mars yang relevan dengan astrobiologi, menyelidiki proses geologi permukaan dan sejarahnya, termasuk penilaian kelaikhunian masa lalu dan potensi untuk pelestarian biosignature dan biomolekul di dalam bahan geologis yang dapat diakses oleh wahana. Tim Definisi Sains misi ini mengusulkan agar wahana penjelajah mengumpulkan dan mengemas setidaknya 31 sampel batuan inti dan tanah untuk misi selanjutnya untuk dibawa kembali untuk analisis yang lebih definitif di laboratorium di Bumi. Penjelajah dapat melakukan pengukuran dan demonstrasi teknologi untuk membantu para perancang ekspedisi manusia memahami bahaya yang ditimbulkan oleh debu Mars dan mendemonstrasikan cara mengumpulkan karbon dioksida (CO2) yang bisa diubah menjadi sumber daya untuk membuat oksigen molekuler (O2) dan bahan bakar roket.
Europa Clipper adalah misi yang direncanakan oleh NASA untuk diluncurkan pada 2025 yang akan melakukan pengintaian terperinci dari bulan Jupiter, Europa, dan akan menyelidiki apakah laut dalamnya dapat menampung kondisi yang cocok untuk kehidupan. Misi ini juga akan membantu dalam pemilihan lokasi pendaratan di masa depan.
Icebreaker Life adalah misi pendarat yang semula diusulkan untuk Program Discovery NASA untuk kesempatan peluncuran tahun 2021, tetapi tidak dipilih untuk pengembangan. Misi tersebut akan memiliki pendarat stasioner yang akan menjadi salinan dekat dari Phoenix 2008 yang sukses dan akan membawa muatan ilmiah astrobiologi yang ditingkatkan, termasuk bor inti sepanjang 1 meter untuk sampel tanah yang disemen es di dataran utara untuk melakukan pencarian molekul organik dan bukti kehidupan saat ini atau masa lalu di Mars. Salah satu tujuan utama misi Icebreaker Life adalah untuk menguji hipotesis bahwa tanah yang kaya es di daerah kutub memiliki konsentrasi organik yang signifikan karena dilindungi oleh es dari oksidan dan radiasi.
Journey to Enceladus dan Titan (JET) adalah konsep misi astrobiologi untuk menilai potensi kelaikhunian satelit Saturnus, Enseladus dan Titan melalui pengamatan wahana pengorbit.
Enceladus Life Finder (ELF) adalah sebuah konsep misi astrobiologi diusulkan untuk prob antariksa yang dimaksudkan untuk menilai kelaikhunian dari laut cair internal Enseladus, bulan keenam terbesar Saturnus.
Life Investigation For Enceladus (LIFE) adalah konsep misi pengembalian sampel astrobiologi yang diusulkan. Wahana antariksa itu akan masuk ke orbit Saturnus dan memungkinkan beberapa terbang lintas melalui semburan es Enseladus untuk mengumpulkan partikel-partikel semburan es dan volatil dan mengembalikannya ke Bumi dengan kapsul. Wahana antariksa itu dapat mengumpulkan semburan Enseladus, cincin E Saturnus, dan atmosfer atas Titan.
Oceanus adalah pengorbit yang diusulkan pada 2017 untuk misi New Frontiers No. 4. Pengorbit itu rencananya akan melakukan perjalanan ke bulan Saturnus, Titan, untuk menilai kelaikhuniannya. Tujuan Oceanus adalah untuk mengungkapkan kimia organik, geologi, gravitasi, topografi Titan, mengumpulkan data pengintaian 3D, katalog organik dan menentukan di mana mereka dapat berinteraksi dengan air cair.
Explorer of Enceladus and Titan (ET) adalah konsep misi pengorbit yang akan menyelidiki evolusi dan kelaikhunian satelit Saturnus, yaitu Enseladus dan Titan. Konsep misi ini diusulkan pada 2017 oleh Badan Antariksa Eropa.