Att hitta potentiellt bebodda planeter bortom vårt solsystem är ingen enkel uppgift. Medan antalet bekräftade extra-solplaneter har ökat med snabba språng under de senaste decennierna (3791 och räknar!), Har de allra flesta upptäckts med indirekta metoder. Detta innebär att karaktärisera atmosfärerna och ytförhållandena för dessa planeter har varit en fråga om uppskattningar och utbildade gissningar.
På liknande sätt letar forskare efter förhållanden som liknar det som finns här på jorden, eftersom jorden är den enda planeten vi känner till som stöder liv. Men som många forskare har angett, har jordens förhållanden förändrats dramatiskt över tid. Och i en ny studie hävdar ett par forskare att en enklare form av fotosyntetiska livsformer kan föregå de som förlitar sig på klorofyll - vilket kan ha drastiska konsekvenser i jakten på bebodda exoplaneter.
Som de säger i sin studie, som nyligen dök upp i International Journal of Astronomyäven om livets ursprung fortfarande inte är helt förstått, är det allmänt överens om att livet uppstod mellan 3,7 och 4,1 miljarder år sedan (under den sena Hadean eller tidiga Archean Eon). Vid denna tidpunkt var atmosfären radikalt annorlunda än den vi känner och beror på idag.
I stället för att huvudsakligen bestå av kväve och syre (~ 78% respektive 21%, med spårgaser som utgör resten), var jordens tidiga atmosfär en kombination av koldioxid och metan. Och sedan, för ungefär 2,9 till 3 miljarder år sedan, dök upp fotosyntetiserande bakterier som började berika atmosfären med syrgas.
På grund av detta och andra faktorer upplevde Jorden det som kallas ”den stora oxidationshändelsen” för cirka 2,3 miljarder år sedan, vilket permanent förändrade vår planetens atmosfär. Trots detta generella samförstånd förblir processen och tidslinjen där organismer utvecklades för att omvandla solljus till kemisk energi med användning av klorofyll en hel del gissningar.
Enligt studien utförd av Shiladitya DasSarma och Dr Edward Schwieterman - professor i molekylärbiologi vid University of Maryland och en astrobiolog vid UC Riverside respektive - kan en annan typ av fotosyntes föregå klorofyll. Deras teori, känd som "Purple Earth", är att organismer som utför fotosyntes med retinal (ett lila pigment) uppstod på jorden före de som använder klorofyll.
Denna form av fotosyntes är fortfarande utbredd på jorden idag och tenderar att dominera i hypersalina miljöer - dvs platser där saltkoncentrationer är särskilt höga. Dessutom är retinalberoende fotosyntes en mycket enklare och mindre effektiv process. Det var av dessa skäl som DasSarma och Schwieterman ansåg möjligheten att retinalbaserad fotosyntes kan ha utvecklats förr.
Som professor DasSarma berättade för Space Magazine via e-post:
”Retinal är en relativt enkel kemikalie jämfört med klorofyll. Den har en isoprenoidstruktur och det finns bevis för förekomsten av dessa föreningar på den tidiga jorden, så tidigt som för 2,5-3,7 miljarder år sedan. Retinalens absorption sker i den gulgröna delen av det synliga spektrumet där mycket solenergi finns, och det är ett komplement till klorofyllens absorption i spektrumets blåa och röda områden. Retinalbaserad fototrofi är mycket enklare än klorofyllberoende fotosyntes, vilket endast kräver retinalproteiner, en membranvesikel och ATP-syntas för att omvandla ljusenergi till kemisk energi (ATP). Det verkar rimligt att den enklare retinalberoende fotosyntesen utvecklades tidigare än den mer komplexa klorofyllberoende fotosyntesen. ”
De antog vidare att uppkomsten av dessa organismer skulle ha kommit strax efter utvecklingen av cellulärt liv, som ett tidigt sätt att producera cellulär energi. Utvecklingen av klorofyllfotosyntes kunde därför ses som en efterföljande utveckling som utvecklades tillsammans med sin föregångare, där båda fyller vissa nischer.
"Retinalberoende fototrofi används för ljusdriven protonpumpning, vilket resulterar i en transmembran protonmotivgradient," sade DasSarma. ”Protonmotivgradienten kan vara kemiosmotiskt kopplad till ATP-syntes. Det har emellertid inte funnits kopplat till C-fixering eller syreproduktion i befintliga (moderna) organismer, som i växter och cyanobakterier, som använder klorofyllpigment för båda dessa processer under stadier av fotosyntes. "
"Den andra stora skillnaden är det ljusspektrum som absorberas av klorofyller och (näthinnebaserade) rodopsiner", tilllade Schwieterman. "Medan klorofyll absorberas mest kraftfullt i den blå och röda delen av det visuella spektrumet, absorberar bakteriorhodopsin mest kraftigt i den gröngula."
Så medan klorofylldrivna fotosyntetiska organismer skulle absorbera rött och blått ljus och reflektera grönt, skulle näthinnedrivna organismer ta upp grönt och gult ljus och reflektera lila. Medan DaSarma har föreslagit förekomsten av sådana organismer i det förflutna, tittade hon och Schwietermans studie på de möjliga konsekvenserna som en "Purple Earth" kan ha i jakten på bebyggliga extra-solplaneter.
Tack vare decennier av jordobservation har forskare förstått att grön vegetation kan identifieras från rymden med det som kallas Vegetation Red Edge (VRE). Detta fenomen hänvisar till hur gröna växter absorberar rött och gult ljus medan de reflekterar grönt ljus, samtidigt som de lyser ljust vid infraröda våglängder.
Sett från rymden med hjälp av bredbandsspektroskopi kan därför stora koncentrationer av vegetation identifieras baserat på deras infraröda signatur. Samma metod har föreslagits av många forskare (inkluderar Carl Sagan) för studier av exoplaneter. Emellertid skulle dess tillämpbarhet begränsas till planeter som också har utvecklat klorofylldrivna fotosyntetiska växter, och som är fördelade över en betydande del av planeten.
Dessutom har fotosyntetiska organismer bara utvecklats i jordens relativt nyare historia. Även om jorden har funnits i ungefär 4,6 miljarder år började gröna kärlväxter endast dyka upp för 470 miljoner år sedan. Som ett resultat skulle exoplanetundersökningar som söker efter grön vegetation bara kunna hitta bebodda planeter som ligger långt i sin utveckling. Som Schwieterman förklarade:
”Vårt arbete handlar om delmängden exoplaneter som kan vara bebodda och vars spektrala signaturer en dag skulle kunna analyseras för livstecken. VRE som biosignatur informeras av bara en typ av organismer - syreproducerande fotosyntesmedel som växter och alger. Denna typ av liv är dominerande på vår planet idag, men det var inte alltid så och kanske inte fallet på alla exoplaneter. Medan vi förväntar oss att livet någon annanstans har några universella egenskaper, maximerar vi våra chanser att lyckas i sökandet efter liv genom att beakta de olika egenskaper organismer någon annanstans kan ha. ”
I detta avseende är DeSharma och Schwietermans studie inte till skillnad från det senaste arbetet av Dr. Ramirez (2018) och Ramirez och Lisa Kaltenegger (2017) och andra forskare. I dessa och andra liknande studier har forskare föreslagit att konceptet ”bebörlig zon” skulle kunna utvidgas genom att betrakta att jordens atmosfär en gång var mycket annorlunda än det är idag.
Så snarare än att söka efter tecken på syre och kvävgas och vatten, kunde undersökningar leta efter tecken på vulkanisk aktivitet (som var mycket vanligare i jordens förflutna) samt väte och metan - vilket var viktigt för tidiga förhållanden på jorden. På samma sätt kan de enligt Schwieterman söka efter lila organismer med metoder som liknar det som används för att övervaka vegetation här på jorden:
”Ljusskörden för näthinnan som vi diskuterar i vårt papper skulle ge en signatur som skiljer sig från VRE. Medan vegetation har en distinkt "röd kant", orsakad av starkt absorption av rött ljus och reflektion av infrarött ljus, absorberar de lila membranbakteriorhodopsinerna grönt ljus starkt, vilket ger en "grön kant." Egenskaperna hos denna signatur skulle skilja sig mellan organismer suspenderade i vatten eller på land, precis som med vanliga fotosyntesmedel. Om näthinnebaserade fototrofer existerade med tillräckligt högt överflöd på en exoplanet, skulle denna signatur vara inbäddad i planetens reflekterade ljusspektrum och kan potentiellt ses av framtida avancerade rymdteleskop (som också skulle söka efter VRE, syre, metan och andra potentiella biosignaturer också). ”
Under de kommande åren kommer vår förmåga att karakterisera exoplaneter att förbättras dramatiskt tack vare nästa generations teleskop som James Webb Space Telescope (JWST), Extremely Large Telescope (ELT), Thirty Meter Telescope och Giant Magellan Telescope ( GMT). Med dessa extra kapaciteter, och ett större utbud av vad man ska vara på jakt efter, kan beteckningen "potentiellt bebörlig" få ny mening!
