Znalezienie planet potencjalnie nadających się do zamieszkania poza Układem Słonecznym nie jest łatwym zadaniem. Podczas gdy liczba potwierdzonych planet pozasłonecznych wzrosła skokowo w ostatnich dziesięcioleciach (3791 i wciąż rośnie!), Zdecydowana większość została wykryta metodami pośrednimi. Oznacza to, że scharakteryzowanie atmosfery i warunków powierzchniowych tych planet było kwestią szacunków i domysłów.
Podobnie naukowcy szukają warunków podobnych do istniejących na Ziemi, ponieważ Ziemia jest jedyną znaną planetą, która wspiera życie. Ale jak wskazało wielu naukowców, warunki Ziemi zmieniły się dramatycznie z czasem. W ostatnich badaniach para naukowców twierdzi, że prostsza forma fotosyntetycznych form życia może wyprzedzać te, które opierają się na chlorofilu - co może mieć drastyczne konsekwencje w polowaniu na egzoplanety nadające się do zamieszkania.
Jak twierdzą w swoich badaniach, które niedawno pojawiły się w International Journal of Astronomy, chociaż początki życia wciąż nie są w pełni zrozumiałe, ogólnie uważa się, że życie powstało między 3,7 a 4,1 miliarda lat temu (w późnym Hadeanie lub wczesnym Eche Archeanu). W tym czasie atmosfera była radykalnie różna od tej, którą znamy i od której zależymy dzisiaj.
Zamiast składać się głównie z azotu i tlenu (odpowiednio ~ 78% i 21%, a pozostałe gazy śladowe), wczesna atmosfera ziemska była połączeniem dwutlenku węgla i metanu. A potem, około 2,9 do 3 miliardów lat temu, pojawiły się bakterie fotosyntezy, które zaczęły wzbogacać atmosferę gazowym tlenem.
Z powodu tego i innych czynników Ziemia doświadczyła tak zwanego „Wielkiego Wydarzenia Utleniania” około 2,3 miliarda lat temu, co na stałe zmieniło atmosferę naszej planety. Pomimo tego ogólnego konsensusu, proces i harmonogram ewolucji organizmów w celu przekształcenia światła słonecznego w energię chemiczną za pomocą chlorofilu pozostaje przedmiotem wielu zgadnięć.
Jednak według badań przeprowadzonych przez Shiladitya DasSarma i dr Edwarda Schwietermana - profesora biologii molekularnej na Uniwersytecie Maryland i odpowiednio astrobiologa na UC Riverside - inny rodzaj fotosyntezy może poprzedzać chlorofil. Ich teoria, znana jako „Purpurowa Ziemia”, głosi, że organizmy prowadzące fotosyntezę za pomocą siatkówki (purpurowy pigment) pojawiły się na Ziemi przed tymi, które wykorzystują chlorofil.
Ta forma fotosyntezy jest nadal powszechna na Ziemi i ma tendencję do dominacji w środowiskach hipersalinowych - tj. W miejscach, w których stężenie soli jest szczególnie wysokie. Ponadto fotosynteza zależna od siatkówki jest znacznie prostszym i mniej wydajnym procesem. Z tych powodów DasSarma i Schwieterman rozważali możliwość, że fotosynteza siatkówki mogła ewoluować wcześniej.
Jak profesor DasSarma powiedział Space Magazine za pośrednictwem poczty elektronicznej:
„Siatkówka jest stosunkowo prostą substancją chemiczną w porównaniu do chlorofilu. Ma strukturę izoprenoidową i istnieją dowody na obecność tych związków na wczesnej Ziemi, już 2,5-3,7 miliarda lat temu. Absorpcja siatkówki zachodzi w żółto-zielonej części widma widzialnego, w której znajduje się dużo energii słonecznej, i jest ona komplementarna do absorpcji chlorofilu w bocznych niebieskich i czerwonych obszarach widma. Fototrofia siatkówki jest znacznie prostsza niż fotosynteza zależna od chlorofilu, wymagająca jedynie białek siatkówki, pęcherzyka błony i syntazy ATP do przetworzenia energii światła w energię chemiczną (ATP). Wydaje się uzasadnione, że prostsza fotosynteza zależna od siatkówki rozwinęła się wcześniej niż bardziej złożona fotosynteza zależna od chlorofilu. ”
Następnie postawili hipotezę, że pojawienie się tych organizmów nastąpiłoby wkrótce po rozwoju życia komórkowego, jako wczesny sposób wytwarzania energii komórkowej. Ewolucję fotosyntezy chlorofilu można zatem postrzegać jako dalszy rozwój, który ewoluował wraz z jej poprzednikiem, przy czym oba wypełniły pewne nisze.
„Fototrofia zależna od siatkówki jest używana do napędzania światłem pompowania protonów, co powoduje transmembranowy gradient proton-motyw”, powiedział DasSarma. „Gradient protonowo-motywacyjny może być chemiczno-sprzężony z syntezą ATP. Jednak nie znaleziono związku związanego z utrwalaniem C lub produkcją tlenu w istniejących (nowoczesnych) organizmach, takich jak rośliny i cyjanobakterie, które wykorzystują pigmenty chlorofilowe do obu tych procesów podczas etapów fotosyntezy. ”
„Inną dużą różnicą jest widmo światła pochłaniane przez chlorofil i rodopsyny (na bazie siatkówki)”, dodał Schwieterman. „Podczas gdy chlorofile najsilniej absorbują w niebieskiej i czerwonej części spektrum widzenia, bakteriorodopsyna najsilniej absorbuje w zielono-żółtym.”
Tak więc, podczas gdy organizmy fotosyntetyczne napędzane chlorofilem absorbują światło czerwone i niebieskie i odbijają zieleń, organizmy napędzane siatkówką absorbują światło zielone i żółte i odbijają fiolet. Podczas gdy DaSarma sugerowała istnienie takich organizmów w przeszłości, ona i Schwieterman w badaniu przyjrzeli się możliwym implikacjom, jakie „fioletowa ziemia” mogłaby mieć w polowaniu na planety pozasłoneczne nadające się do zamieszkania.
Dzięki dziesięcioleciom obserwacji Ziemi naukowcy zrozumieli, że zieloną roślinność można zidentyfikować z kosmosu za pomocą tak zwanej wegetacyjnej czerwonej krawędzi (VRE). Zjawisko to odnosi się do tego, w jaki sposób rośliny zielone absorbują światło czerwone i żółte, odbijając światło zielone, a jednocześnie świecąc jasno przy długościach fal podczerwonych.
Widziane z kosmosu za pomocą spektroskopii szerokopasmowej, duże koncentracje roślinności można zatem zidentyfikować na podstawie ich sygnatury w podczerwieni. Ta sama metoda została zaproponowana przez wielu naukowców (w tym Carla Sagana) do badania egzoplanet. Jednak jego zastosowanie byłoby ograniczone do planet, które również ewoluowały z roślin fotosyntetycznych napędzanych chlorofilem i które są rozmieszczone na znacznej części planety.
Ponadto organizmy fotosyntetyczne ewoluowały jedynie w stosunkowo niedawnej historii Ziemi. Podczas gdy Ziemia istnieje od około 4,6 miliarda lat, zielone rośliny naczyniowe zaczęły pojawiać się zaledwie 470 milionów lat temu. W rezultacie badania egzoplanet, które szukają zielonej roślinności, byłyby w stanie znaleźć planety nadające się do zamieszkania, które są daleko w swojej ewolucji. Jak wyjaśnił Schwieterman:
„Nasza praca dotyczy podzbioru egzoplanet, które mogą nadawać się do zamieszkania i których sygnatury spektralne można pewnego dnia przeanalizować pod kątem oznak życia. VRE jako biosignatura jest informowany tylko przez jeden rodzaj organizmu - fotosyntezatory wytwarzające tlen, takie jak rośliny i glony. Ten rodzaj życia dominuje dziś na naszej planecie, ale nie zawsze tak było i może nie być tak na wszystkich egzoplanetach. Chociaż spodziewamy się, że życie gdzie indziej będzie miało pewne uniwersalne cechy, maksymalizujemy nasze szanse powodzenia w poszukiwaniu życia, biorąc pod uwagę różnorodne cechy, jakie mogą mieć organizmy gdzie indziej. ”
Pod tym względem badanie DeSharma i Schwietermana nie różni się od niedawnej pracy dr Ramireza (2018) i Ramireza i Lisy Kaltenegger (2017) i innych badaczy. W tych i innych podobnych badaniach naukowcy zaproponowali, że pojęcie „strefy zamieszkałej” można rozszerzyć, biorąc pod uwagę, że atmosfera Ziemi była kiedyś bardzo inna niż obecnie.
Zamiast poszukiwać znaków tlenu i azotu oraz gazu i wody, w ankietach można było znaleźć oznaki aktywności wulkanicznej (która była znacznie bardziej powszechna w przeszłości Ziemi), a także wodoru i metanu - które były ważne dla wczesnych warunków na Ziemi. W podobny sposób, według Schwietermana, mogli szukać fioletowych organizmów przy użyciu metod podobnych do tego, co służy do monitorowania roślinności na Ziemi:
„Zbieranie światła przez siatkówkę, o którym rozmawiamy w naszym artykule, wytworzyłoby sygnaturę odmienną od VRE. Podczas gdy roślinność ma charakterystyczną „czerwoną krawędź”, spowodowaną silną absorpcją czerwonego światła i odbiciem światła podczerwonego, fioletowe bakteriorodopsyny błony najsilniej absorbują zielone światło, wytwarzając „zieloną krawędź”. Charakterystyka tego podpisu różni się między organizmami zawieszonymi w wodzie lub na lądzie, tak jak w przypadku zwykłych fotosyntezatorów. Gdyby fototrofy oparte na siatkówce istniały w wystarczająco dużej ilości na egzoplanecie, sygnatura ta byłaby osadzona w spektrum światła odbitego tej planety i mogłaby być potencjalnie widoczna w przyszłych zaawansowanych teleskopach kosmicznych (które również szukałyby VRE, tlenu, metanu i inne potencjalne biosignatury). ”
W nadchodzących latach nasza zdolność do charakteryzowania egzoplanet ulegnie znacznej poprawie dzięki teleskopom nowej generacji, takim jak James Webb Space Telescope (JWST), Extremely Large Telescope (ELT), Teleskop Trzydziestometrowy oraz Giant Magellan Telescope ( GMT). Dzięki tym dodatkowym możliwościom i większemu zakresowi poszukiwań określenie „potencjalnie nadające się do zamieszkania” może nabrać nowego znaczenia!
