Å finne potensielt beboelige planeter utover vårt solsystem er ingen enkel oppgave. Mens antallet bekreftede ekstrasolplaneter har økt med store sprang de siste tiårene (3791 og teller!), Er de aller fleste blitt oppdaget ved hjelp av indirekte metoder. Dette betyr at det å karakterisere atmosfærene og overflateforholdene til disse planetene har vært et spørsmål om anslag og utdannede gjetninger.
Tilsvarende ser forskere etter forhold som ligner det som finnes her på Jorden, siden Jorden er den eneste planeten vi vet om som støtter liv. Men som mange forskere har indikert, har jordens forhold endret seg dramatisk over tid. Og i en fersk undersøkelse argumenterer et par forskere for at en enklere form for fotosyntetiske livsformer kan være før de som er avhengige av klorofyll - noe som kan ha drastiske implikasjoner i jakten på beboelige eksoplaneter.
Som de oppgir i sin studie, som nylig dukket opp i International Journal of AstronomySelv om livets opprinnelse fremdeles ikke er fullstendig forstått, er det generelt enighet om at livet oppstod for mellom 3,7 og 4,1 milliarder år siden (under den sene Hadean eller den tidlige arkeiske Eon). På dette tidspunktet var atmosfæren radikalt forskjellig fra den vi kjenner og er avhengig av i dag.
I stedet for først og fremst å være sammensatt av nitrogen og oksygen (~ 78% og 21%, med sporegasser som utgjør resten), var jordens tidlige atmosfære en kombinasjon av karbondioksid og metan. Og så, for omtrent 2,9 til 3 milliarder år siden, dukket det opp fotosyntetiserende bakterier som begynte å berike atmosfæren med oksygengass.
På grunn av dette og andre faktorer opplevde Jorden det som er kjent som "den store oksidasjonshendelsen" for rundt 2,3 milliarder år siden, noe som endret planeten vår permanent. Til tross for denne generelle enigheten, forblir prosessen og tidslinjen der organismer utviklet seg for å omdanne sollys til kjemisk energi ved bruk av klorofyll, gjenstand for mange gjetninger.
I følge studien utført av Shiladitya DasSarma og Dr. Edward Schwieterman - professor i molekylærbiologi ved University of Maryland og en astrobiolog ved UC Riverside, kan en annen type fotosyntese predate klorofyll. Deres teori, kjent som "Purple Earth", er at organismer som utfører fotosyntese ved bruk av netthinn (et lilla pigment) dukket opp på jorden før de som bruker klorofyll.
Denne formen for fotosyntese er fremdeles utbredt på Jorden i dag og har en tendens til å dominere i hypersaline miljøer - dvs. steder der saltkonsentrasjonen er spesielt høy. I tillegg er netthinneavhengig fotosyntese en langt enklere og mindre effektiv prosess. Det var av disse grunnene at DasSarma og Schwieterman vurderte muligheten for at netthinnebasert fotosyntese kan ha utviklet seg tidligere.
Som professor DasSarma fortalte Space Magazine via e-post:
Retinal er et relativt enkelt kjemikalie sammenlignet med klorofyll. Den har en isoprenoid struktur, og det er bevis for tilstedeværelsen av disse forbindelsene på den tidlige jorden, så tidlig som for 2,5-3,7 milliarder år siden. Netthinnens absorpsjon skjer i den gulgrønne delen av det synlige spekteret hvor mye solenergi er funnet, og det er et komplement til klorofyllens absorpsjon i de flankerende blå og røde områdene av spekteret. Netthinnebasert fototrofi er mye enklere enn klorofyllavhengig fotosyntese, og krever bare netthinneproteiner, en membranvesikkel og ATP-syntase for å konvertere lysenergi til kjemisk energi (ATP). Det virker rimelig at den enklere netthinneavhengige fotosyntesen utviklet seg tidligere enn den mer komplekse klorofyllavhengige fotosyntesen. ”
De antok videre at fremveksten av disse organismer ville ha kommet rett etter utviklingen av cellulært liv, som et tidlig middel til å produsere cellulær energi. Utviklingen av klorofyllfotosyntese kunne derfor sees på som en etterfølgende utvikling som utviklet seg sammen med forgjengeren, hvor begge fylte visse nisjer.
"Netthinneavhengig fototrofi brukes til lysdrevet protonpumping, noe som resulterer i en transmembran protonmotiv gradient," sa DasSarma. “Den protonmotive gradienten kan være kjemiosmotisk koblet til ATP-syntese. Det er imidlertid ikke funnet å være knyttet til C-fiksering eller oksygenproduksjon i eksisterende (moderne) organismer, som i planter og cyanobakterier, som bruker klorofyllpigmenter for begge disse prosessene i stadier av fotosyntese. "
"Den andre store forskjellen er lysspekteret som absorberes av klorofyller og (retinalbaserte) rodopsiner," la Schwieterman til. "Mens klorofyll absorberer seg sterkest i den blå og røde delen av det visuelle spekteret, absorberer bakteriorhodopsin sterkest i den grønngule."
Så mens klorofylldrevne fotosyntetiske organismer ville absorbere rødt og blått lys og reflektere grønt, ville netthinnedrevne organismer absorbere grønt og gult lys og reflektere lilla. Mens DaSarma har antydet eksistensen av slike organismer i fortiden, så hun og Schwietermans studie på de mulige implikasjonene en "Purple Earth" kan ha i jakten på beboelige ekstrasolplaneter.
Takket være flere tiår med jordobservasjon, har forskere forstått at grønn vegetasjon kan identifiseres fra verdensrommet ved å bruke det som kalles Vegetation Red Edge (VRE). Dette fenomenet refererer til hvordan grønne planter tar opp rødt og gult lys mens de reflekterer grønt lys, samtidig som de lyser sterkt på infrarøde bølgelengder.
Sett fra verdensrommet ved bruk av bredbåndspektroskopi kan store konsentrasjoner av vegetasjon derfor identifiseres basert på deres infrarøde signatur. Den samme metoden har blitt foreslått av mange forskere (inkludert Carl Sagan) for studiet av eksoplaneter. Imidlertid vil anvendbarheten være begrenset til planeter som også har utviklet klorofylldrevne fotosyntetiske planter, og som er fordelt over en betydelig brøkdel av planeten.
I tillegg utviklet fotosyntetiske organismer seg bare i jordens relativt nyere historie. Mens jorden har eksistert i omtrent 4,6 milliarder år, begynte grønne karplanter bare å vises for 470 millioner år siden. Som et resultat ville eksoplanettundersøkelser som søker etter grønn vegetasjon bare kunne finne beboelige planeter som ligger langt inne i deres utvikling. Som Schwieterman forklarte:
Arbeidet vårt handler om undergruppen av eksoplaneter som kan være beboelige og hvis spektrale signaturer en dag kan analyseres for tegn på liv. VRE som biosignatur informeres av bare en type organisme - oksygenproduserende fotosyntesen som planter og alger. Denne typen liv er dominerende på planeten vår i dag, men det var ikke alltid slik og er kanskje ikke tilfelle på alle eksoplaneter. Selv om vi forventer at livet andre steder har noen universelle egenskaper, maksimerer vi sjansene for suksess i jakten på liv ved å vurdere de forskjellige egenskapene organismer andre steder kan ha. ”
I denne forbindelse er DeSharma og Schwietermans studie ikke ulik det nylige arbeidet til Dr. Ramirez (2018) og Ramirez og Lisa Kaltenegger (2017) og andre forskere. I disse og andre lignende studier har forskere foreslått at begrepet ”beboelig sone” kunne utvides ved å anse at jordens atmosfære en gang var veldig annerledes enn det er i dag.
Så i stedet for å søke etter tegn på oksygen og nitrogengass og vann, kunne undersøkelser se etter tegn på vulkansk aktivitet (som var langt mer utbredt i jordens fortid) samt hydrogen og metan - som var viktige for tidlige forhold på jorden. På samme måte kunne de ifølge Schwieterman søke etter lilla organismer ved å bruke metoder som ligner på det som brukes til å overvåke vegetasjon her på jorden:
"Lyshøsting av netthinnen vi diskuterer i papiret vårt ville gi en signatur som er forskjellig fra VRE. Mens vegetasjon har en særegen "rødkant", forårsaket av sterk absorpsjon av rødt lys og refleksjon av infrarødt lys, absorberer de lilla membranen bakteriorhodopsins grønt lys sterkest og produserer en "grønnkant." Egenskapene til denne signaturen vil variere mellom organismer som er suspendert i vann eller på land, akkurat som med vanlige fotosynteser. Hvis netthinnebaserte fototrofer eksisterte i stor nok overflod på en eksoplanett, ville denne signaturen være innebygd i planetens reflekterte lysspekter og potensielt kunne sees av fremtidige avanserte romteleskoper (som også ville søke etter VRE, oksygen, metan og andre potensielle biosignaturer også.)
I de kommende årene vil vår evne til å karakterisere eksoplaneter forbedre seg dramatisk takket være neste generasjons teleskoper som James Webb romteleskop (JWST), det ekstremt store teleskopet (ELT), det tretti meter teleskopet og det gigantiske magellan teleskopet ( GMT). Med disse ekstra mulighetene, og et større spekter av hva du skal være på utkikk etter, kan betegnelsen "potensielt beboelig" få ny betydning!
