At finde potentielt beboelige planeter ud over vores solsystem er ingen let opgave. Mens antallet af bekræftede ekstrasolplaneter er steget med spring og grænser i de seneste årtier (3791 og tæller!), Er det store flertal blevet opdaget ved hjælp af indirekte metoder. Dette betyder, at det at karakterisere atmosfære og overfladeforhold på disse planeter har været et spørgsmål om estimater og uddannede gæt.
Tilsvarende ser forskere efter forhold, der ligner det, der findes her på Jorden, da Jorden er den eneste planet, vi kender, der understøtter liv. Men som mange videnskabsmænd har indikeret, har Jordens forhold ændret sig dramatisk over tid. Og i en nylig undersøgelse hævder et par forskere, at en enklere form for fotosyntetiske livsformer kan foregå før dem, der er afhængige af klorofyl - hvilket kan have drastiske følger i jakten på beboelige eksoplaneter.
Som det fremgår af deres undersøgelse, der for nylig dukkede op i International Journal of Astronomymens livets oprindelse stadig ikke er fuldt ud forstået, er det generelt enigt om, at livet opstod for mellem 3,7 og 4,1 milliarder år siden (under den sene Hadean eller den tidlige arkæiske Eon). På dette tidspunkt var atmosfæren radikalt forskellig fra den, vi kender og er afhængig af i dag.
I stedet for først og fremmest at være sammensat af nitrogen og ilt (~ 78% og 21% med sporgasser, der udgør resten), var Jordens tidlige atmosfære en kombination af kuldioxid og methan. Og så for ca. 2,9 til 3 milliarder år siden dukkede det op fotosyntetiserende bakterier, der begyndte at berige atmosfæren med iltgas.
På grund af denne og andre faktorer oplevede Jorden, hvad der er kendt som den ”store oxidationsbegivenhed” for ca. 2,3 milliarder år siden, hvilket permanent ændrede vores planetes atmosfære. På trods af denne generelle konsensus forbliver processen og tidslinjen, hvor organismer udviklede sig til at omdanne sollys til kemisk energi ved hjælp af klorofyl, genstand for en masse gætterier.
I henhold til undersøgelsen udført af Shiladitya DasSarma og Dr. Edward Schwieterman - professor i molekylærbiologi ved University of Maryland og en astrobiolog ved UC Riverside henholdsvis - kan en anden type fotosyntesen foregive klorofyl. Deres teori, kendt som ”Purple Earth”, er, at organismer, der udfører fotosyntesen ved hjælp af nethinde (et lilla pigment), opstod på Jorden før dem, der bruger klorofyl.
Denne form for fotosyntese er stadig udbredt på Jorden i dag og har en tendens til at dominere i hypersaline miljøer - dvs. steder, hvor saltkoncentrationerne er særlig høje. Derudover er nethindeafhængig fotosyntese en langt enklere og mindre effektiv proces. Det var af disse grunde, at DasSarma og Schwieterman overvejede muligheden for, at nethindebaseret fotosyntesen kan have udviklet sig før.
Som professor DasSarma fortalte Space Magazine via e-mail:
”Nethinden er et relativt simpelt kemikalie sammenlignet med klorofyl. Det har en isoprenoid struktur, og der er bevis for tilstedeværelsen af disse forbindelser på den tidlige jord, så tidligt som for 2,5-3,7 milliarder år siden. Netthindens absorption forekommer i den gulgrønne del af det synlige spektrum, hvor en masse af solenergien findes, og den er komplementær til klorofyllens absorption i de flankerende blå og røde områder af spektret. Nethindebaseret fototrofi er meget enklere end klorofyllafhængig fotosyntesen, hvilket kun kræver nethindeproteiner, en membranvesikel og ATP-syntase for at omdanne lysenergi til kemisk energi (ATP). Det forekommer rimeligt, at den enklere nethindeafhængige fotosyntesen udviklede sig tidligere end den mere komplekse klorofylafhængige fotosyntesen. ”
De antog yderligere, at fremkomsten af disse organismer ville være kommet kort efter udviklingen af cellulært liv, som et tidligt middel til at producere cellulær energi. Udviklingen af klorofyllfotosyntese kunne derfor ses som en efterfølgende udvikling, der udviklede sig sammen med dens forgænger, hvor begge fyldte visse nicher.
"Nethindeafhængig fototrofi bruges til lysdrevet protonpumping, hvilket resulterer i en transmembran protonmotiv gradient," sagde DasSarma. ”Den protonmotive gradient kan være kemiosmotisk koblet til ATP-syntese. Imidlertid er det ikke fundet, at det er knyttet til C-fiksering eller iltproduktion i eksisterende (moderne) organismer, ligesom i planter og cyanobakterier, der bruger klorofyllpigmenter til begge disse processer i fotosyntesestadier. ”
"Den anden store forskel er det lette spektrum, der absorberes af klorofyler og (nethindebaserede) rhodopsiner," tilføjede Schwieterman. "Mens klorofyler absorberes stærkest i den blå og røde del af det visuelle spektrum, absorberer bakteriorhodopsin stærkest i den grøn-gule."
Så hvor klorofylldrevne fotosyntetiske organismer ville absorbere rødt og blåt lys og reflektere grønt, ville nethindedrevne organismer absorbere grønt og gult lys og reflektere lilla. Mens DaSarma har antydet eksistensen af sådanne organismer i fortiden, så hun og Schwietermans undersøgelse på de mulige implikationer, som en "Purple Earth" kunne have i jakten på beboelige ekstrasolplaneter.
Takket være årtier med jordobservation, har videnskabsmænd forstået, at grøn vegetation kan identificeres fra rummet ved hjælp af det, der kaldes Vegetation Red Edge (VRE). Dette fænomen henviser til, hvordan grønne planter optager rødt og gult lys, mens de reflekterer grønt lys, og samtidig glødende lyst på infrarøde bølgelængder.
Set fra rummet ved hjælp af bredbåndspektroskopi kan store koncentrationer af vegetation derfor identificeres baseret på deres infrarøde signatur. Den samme metode er blevet foreslået af mange forskere (inklusive Carl Sagan) til undersøgelse af eksoplaneter. Imidlertid vil dens anvendelighed være begrænset til planeter, der også har udviklet klorofylldrevne fotosyntetiske planter, og som er fordelt over en betydelig del af planeten.
Derudover har fotosyntetiske organismer kun udviklet sig i Jordens relativt nyere historie. Mens Jorden har eksisteret i ca. 4,6 milliarder år, begyndte grønne karplanter først at vises for 470 millioner år siden. Som et resultat kunne eksoplanetundersøgelser, der søger efter grøn vegetation, kun være i stand til at finde beboelige planeter, der er langt fremme i deres udvikling. Som Schwieterman forklarede:
”Vores arbejde drejer sig om undergruppen af eksoplaneter, der kan være beboelige, og hvis spektrale underskrifter en dag kunne analyseres for tegn på liv. VRE som biosignatur informeres af kun en type organisme - iltproducerende fotosynthesizere som planter og alger. Denne type liv er dominerende på vores planet i dag, men det var ikke altid det og er måske ikke tilfældet på alle exoplaneter. Mens vi forventer, at livet andre steder har nogle universelle karakteristika, maksimerer vi vores chancer for succes i søgen efter liv ved at overveje de forskellige egenskaber, som organismer andre steder kan have. ”
I denne henseende er DeSharma og Schwietermans undersøgelse ikke i modsætning til det nylige arbejde fra Dr. Ramirez (2018) og Ramirez og Lisa Kaltenegger (2017) og andre forskere. I disse og andre lignende undersøgelser har forskere foreslået, at konceptet om en ”beboelig zone” kunne udvides ved at overveje, at Jordens atmosfære engang var meget anderledes end den er i dag.
Så snarere end at søge efter tegn på ilt og kvælstofgas og vand, kunne undersøgelser se efter tegn på vulkansk aktivitet (som var langt mere udbredt i Jordens fortid) samt brint og metan - som var vigtige for tidlige forhold på Jorden. På meget samme måde kunne de ifølge Schwieterman søge efter lilla organismer ved hjælp af metoder, der ligner det, der bruges til at overvåge vegetation her på Jorden:
”Nethøstens lyshøst, som vi diskuterer i vores papir, ville producere en signatur, der er forskellig fra VRE. Mens vegetation har en karakteristisk "rødkant", forårsaget af stærk absorption af rødt lys og reflektion af infrarødt lys, absorberer de lilla membranbakteriorhodopsiner stærkt grønt lys og producerer en "grønkant". Egenskaberne ved denne signatur vil variere mellem organismer, der er suspenderet i vand eller på land, ligesom med almindelige fotosynteser. Hvis nethindebaserede fototrofer eksisterede i høj nok overflod på en exoplanet, ville denne signatur være indlejret i planetens reflekterede lysspektrum og kunne potentielt ses af fremtidige avancerede rumteleskoper (som også ville søge efter VRE, ilt, metan og andre potentielle biosignaturer også). ”
I de kommende år forbedrer vores evne til at karakterisere exoplaneter dramatisk takket være næste generations teleskoper som James Webb Space Telescope (JWST), det ekstremt store teleskop (ELT), det tretti meter teleskop og det gigantiske magellan teleskop ( GMT). Med disse ekstra muligheder og et større udvalg af hvad man skal være på udkig efter, kunne betegnelsen ”potentielt beboelig” få en ny betydning!
