Пошук потенційно мешканців планети поза нашою Сонячною системою - непросте завдання. Незважаючи на те, що кількість підтверджених позасонячних планет за останні десятиліття зросла не по днях (3791 і підрахунок!), Переважна більшість виявлено за допомогою непрямих методів. Це означає, що характеризувати атмосфери та поверхневі умови цих планет було предметом оцінок та освічених здогадок.
Так само вчені шукають умови, схожі на те, що існує тут на Землі, оскільки Земля - єдина планета, про яку ми знаємо, що підтримує життя. Але як зазначають багато вчених, умови Землі з часом різко змінилися. І в недавньому дослідженні пара дослідників стверджує, що більш прості форми фотосинтетичних форм життя можуть передувати тим, що покладаються на хлорофіл - що може мати кардинальні наслідки в полюванні на мешкаючі екзопланети.
Як вони стверджують у своєму дослідженні, яке нещодавно з'явилося у Міжнародний журнал з астрономії, хоча джерела життя досі не до кінця зрозуміли, загалом погоджується, що життя виникло між 3,7 та 4,1 мільярдами років тому (в період пізнього Хадея чи раннього архейського еона). В цей час атмосфера кардинально відрізнялася від тієї, яку ми знаємо і від якої сьогодні залежить.
Замість того, щоб він складався в основному з азоту та кисню (~ 78% та 21% відповідно з мікроелементами, що складають решту), рання атмосфера Землі була комбінацією вуглекислого газу та метану. А потім, приблизно 2,9 - 3 мільярди років тому, з’явилися фотосинтезуючі бактерії, які почали збагачувати атмосферу газом киснем.
Через це та інші фактори Земля пережила те, що було відоме як "Велика подія окислення" приблизно 2,3 мільярда років тому, що назавжди змінило атмосферу нашої планети. Незважаючи на цей загальний консенсус, процес і часовий графік, в який організми еволюціонували для перетворення сонячного світла в хімічну енергію за допомогою хлорофілу, залишаються предметом багатьох здогадок.
Однак, згідно з дослідженням, проведеним Shiladitya DasSarma, та доктором Едвардом Швітерманом - професором молекулярної біології в Університеті Меріленда та астробіологом в Ріверсайді УК, відповідно - різний тип фотосинтезу може передувати хлорофілу. Їх теорія, відома як "Фіолетова Земля", полягає в тому, що організми, що проводять фотосинтез за допомогою сітківки (фіолетовий пігмент), з'явилися на Землі до тих, що використовують хлорофіл.
Ця форма фотосинтезу досі поширена на Землі і має тенденцію домінувати в гіперсалінових середовищах - тобто місцях, де концентрація солі особливо висока. Крім того, залежний від сітківки фотосинтез - це набагато простіший і менш ефективний процес. Саме з цих причин Дассарма та Швітерман розглядали можливість того, що фотосинтез на основі сітківки може розвинутися швидше.
Як розповів професор Дассарма "Space Magazine" електронною поштою:
«Сітківка - порівняно простий хімічний продукт у порівнянні з хлорофілом. Він має ізопреноїдну структуру, і є дані про наявність цих сполук на ранній Землі, ще 2,5-3,7 мільярда років тому. Поглинання сітківки відбувається в жовто-зеленій частині видимого спектру, де виявляється багато сонячної енергії, і вона доповнює поглинання хлорофілу в бічних синіх та червоних областях спектру. Фототрофія на основі сітківки набагато простіша, ніж залежний від хлорофілу фотосинтез, для перетворення світлової енергії в хімічну енергію (АТФ) потрібні лише білки сітківки, мембранний міхур та синаза АТФ. Здається розумним, що простіший фотосинтез залежав від сітківки розвинувся раніше, ніж складніший фотосинтез, залежний від хлорофілу. "
Далі вони висунули гіпотезу, що поява цих організмів настане незабаром після розвитку клітинного життя, як раннього засобу виробництва клітинної енергії. Отже, еволюція фотосинтезу хлорофілу може розглядатися як подальший розвиток, який розвивався поряд з попередником, обидва заповнюючи певні ніші.
"Фототрофія, залежна від сітківки, використовується для протонної прокачки на легкій основі, що призводить до трансмембранного протонно-рухового градієнта", - сказав DasSarma. "Протонно-руховий градієнт може бути хіміосмотично пов'язаний з синтезом АТФ. Однак не було виявлено зв'язку з фіксацією С або виробленням кисню в існуючих (сучасних) організмах, як у рослин та ціанобактерій, які використовують хлорофільні пігменти для обох цих процесів на етапах фотосинтезу. "
"Інша велика відмінність - це спектр світла, поглинений хлорофілами та родопсинами на основі сітківки", - додав Швітерман. «Хоча хлорофіли найсильніше поглинають у синій та червоній частині зорового спектру, бактеріододопсин найсильніше поглинає зелено-жовтий колір».
Отже, тоді як фотосинтетичні організми, керовані хлорофілом, поглинали б червоне та синє світло та відбивали зелене, організми, керовані сітківкою, поглинали б зелене та жовте світло та відбивали фіолетове. У той час, як DaSarma висловлював припущення про існування таких організмів у минулому, вона та дослідження Швітермана розглядали можливі наслідки, які „Фіолетова Земля” могла мати при полюванні на заселені позасонячні планети.
Завдяки десятиліттям спостережень за Землею вчені зрозуміли, що зелену рослинність можна ідентифікувати з космосу, використовуючи те, що називається Червоний край рослинного походження (VRE). Це явище стосується того, як зелені рослини поглинають червоне і жовте світло, одночасно відбиваючи зелене світло, і в той же час яскраво світяться на інфрачервоній довжині хвилі.
Отже, з космосу за допомогою широкосмугової спектроскопії великі концентрації рослинності визначаються на основі їх інфрачервоного сигнату. Цей же метод був запропонований багатьма вченими (включаючи Карла Сагана) для вивчення екзопланет. Однак його застосовність обмежуватиметься планетами, які також розвивали фотосинтетичні рослини, керовані хлорофілом, і які поширюються на значну частину планети.
Крім того, фотосинтетичні організми розвивалися лише у відносно недавній історії Землі. Тоді як Земля існувала приблизно 4,6 мільярда років, зелені судинні рослини почали з'являтися лише 470 мільйонів рік тому. Як результат, дослідження екзопланет, які шукають зелену рослинність, зможуть знайти лише мешкаючі планети, що знаходяться далеко за своєю еволюцією. Як пояснив Швітерман:
«Наша робота стосується підмножини екзопланет, які можуть бути заселені і спектральні підписи яких можна було б проаналізувати в один день на предмет ознак життя. ВРЕ як біосигнатура інформується лише одним типом організму - фотосинтезаторами, що виробляють кисень, такими як рослини та водорості. Цей тип життя є домінуючим на нашій планеті сьогодні, але це було не завжди так і може бути не на всіх екзопланет. Хоча ми очікуємо, що життя в іншому місці має деякі універсальні характеристики, ми максимізуємо наші шанси на успіх у пошуку життя, враховуючи різноманітні характеристики організмів в інших місцях ».
У цьому відношенні дослідження DeSharma та Schwieterman не є відмінним від недавньої роботи доктора Раміреса (2018) та Раміреса та Лізи Калтенеггер (2017) та інших дослідників. У цих та інших подібних дослідженнях вчені запропонували розширити поняття "житлової зони", враховуючи, що атмосфера Землі колись була зовсім іншою, ніж сьогодні.
Тож замість пошуку ознак кисневого та азотного газу та води, дослідження можуть шукати ознаки вулканічної активності (що було набагато більш поширеним у минулому Землі), а також водню та метану, які були важливими для ранніх умов Землі. Настільки ж, на думку Швітермана, вони могли шукати фіолетові організми, використовуючи методи, подібні до того, що використовується для моніторингу рослинності тут, на Землі:
"Світловідбір світлового збирання, про який ми говоримо в нашій роботі, створив би підпис, відмінний від VRE. У той час як рослинність має виразний «червоний край», викликаний сильним поглинанням червоного світла та відбиттям інфрачервоного світла, фіолетові мембранні бактеріодольпіни поглинають зелене світло найсильніше, утворюючи «зелений край». Характеристики цього сигнату відрізняються між організмами, суспендованими у воді або на суші, як і у звичайних фотосинтезаторів. Якби фототрофи на основі сітківки існували на достатній великій кількості на екзопланеті, цей підпис був би вбудований у відбитий світловий спектр цієї планети і потенційно міг би бути видно майбутніми вдосконаленими космічними телескопами (які також шукатимуть VRE, кисень, метан та ін. інші потенційні біосигнатури теж) ».
У найближчі роки наша здатність характеризувати екзопланети значно покращиться завдяки телескопам наступного покоління, таких як космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST), надзвичайно великий телескоп (ELT), телескоп тридцятиметровий і телескоп «Гігантський Магеллан» ( GMT). Завдяки цим додатковим можливостям та більшому спектру того, на що слід звернути увагу, позначення «потенційно придатний для проживання» може набути нового значення!
