Het vinden van potentieel bewoonbare planeten buiten ons zonnestelsel is geen gemakkelijke taak. Hoewel het aantal bevestigde buitenzonneplaneten de afgelopen decennia met grote sprongen is gegroeid (3791 en tellen!), Is de overgrote meerderheid gedetecteerd met behulp van indirecte methoden. Dit betekent dat het karakteriseren van de atmosferen en oppervlaktecondities van deze planeten een kwestie is van schattingen en onderbouwde gissingen.
Evenzo zoeken wetenschappers naar omstandigheden die vergelijkbaar zijn met wat hier op aarde bestaat, aangezien de aarde de enige planeet is waarvan we weten die het leven ondersteunt. Maar zoals veel wetenschappers hebben aangegeven, zijn de omstandigheden op aarde in de loop van de tijd dramatisch veranderd. En in een recente studie beweren een paar onderzoekers dat een eenvoudigere vorm van fotosynthetische levensvormen ouder kan zijn dan die op chlorofyl berusten, wat drastische gevolgen zou kunnen hebben voor de jacht op bewoonbare exoplaneten.
Zoals ze stellen in hun studie, die onlangs verscheen in de International Journal of AstronomyHoewel de oorsprong van het leven nog steeds niet volledig wordt begrepen, wordt algemeen aangenomen dat het leven is ontstaan tussen 3,7 en 4,1 miljard jaar geleden (tijdens de late Hadean of vroege Archean Eon). Op dit moment was de atmosfeer radicaal anders dan die we kennen en waarvan we tegenwoordig afhankelijk zijn.
In plaats van voornamelijk te bestaan uit stikstof en zuurstof (respectievelijk ~ 78% en 21%, met sporengassen die de rest uitmaken), was de vroege atmosfeer van de aarde een combinatie van kooldioxide en methaan. En toen, ongeveer 2,9 tot 3 miljard jaar geleden, verschenen fotosynthetiserende bacteriën die de atmosfeer begonnen te verrijken met zuurstofgas.
Vanwege deze en andere factoren ervoer de aarde ongeveer 2,3 miljard jaar geleden wat bekend staat als de "grote oxidatie-gebeurtenis", die de atmosfeer van onze planeet permanent veranderde. Ondanks deze algemene consensus blijft er veel giswerk over het proces en de tijdlijn waarin organismen evolueerden om zonlicht om te zetten in chemische energie met behulp van chlorofyl.
Volgens de studie uitgevoerd door Shiladitya DasSarma en Dr. Edward Schwieterman - respectievelijk een professor in de moleculaire biologie aan de Universiteit van Maryland en een astrobioloog aan de UC Riverside - kan een ander type fotosynthese dateren van vóór chlorofyl. Hun theorie, bekend als 'Purple Earth', is dat organismen die fotosynthese uitvoeren met behulp van retina (een paars pigment) op aarde zijn ontstaan vóór degenen die chlorofyl gebruiken.
Deze vorm van fotosynthese komt nog steeds veel voor op aarde en heeft de neiging te domineren in hypersaline-omgevingen - dat wil zeggen op plaatsen waar de zoutconcentraties bijzonder hoog zijn. Bovendien is retinale afhankelijke fotosynthese een veel eenvoudiger en minder efficiënt proces. Om deze redenen overwogen DasSarma en Schwieterman de mogelijkheid dat op retina gebaseerde fotosynthese mogelijk eerder is geëvolueerd.
Professor DasSarma vertelde Space Magazine via e-mail:
'Retinaal is een relatief eenvoudige chemische stof vergeleken met chlorofyl. Het heeft een isoprenoïde structuur en er is bewijs voor de aanwezigheid van deze verbindingen op de vroege aarde, al 2,5-3,7 miljard jaar geleden. De retinale absorptie vindt plaats in het geelgroene deel van het zichtbare spectrum waar veel zonne-energie wordt aangetroffen en is complementair aan de absorptie van chlorofyl in de flankerende blauwe en rode gebieden van het spectrum. Fototrofie op basis van retina is veel eenvoudiger dan chlorofyl-afhankelijke fotosynthese, waarbij alleen de retinale eiwitten, een membraanblaasje en ATP-synthase nodig zijn om lichtenergie om te zetten in chemische energie (ATP). Het lijkt redelijk dat de eenvoudigere netvliesafhankelijke fotosynthese eerder is geëvolueerd dan de complexere chlorofylafhankelijke fotosynthese. ”
Ze stelden verder de hypothese dat de opkomst van deze organismen kort na de ontwikkeling van cellulair leven zou zijn gekomen, als een vroeg middel om cellulaire energie te produceren. De evolutie van de fotosynthese van chlorofyl kan daarom worden gezien als een latere ontwikkeling die samen met zijn voorganger evolueerde, waarbij beide bepaalde niches vulden.
"Retinale afhankelijke fototrofie wordt gebruikt voor lichtgestuurde protonpompen, wat resulteert in een transmembraan proton-motieve gradiënt", zegt DasSarma. “De proton-motieve gradiënt kan chemiosmotisch gekoppeld zijn aan ATP-synthese. Er is echter geen verband gevonden met C-fixatie of zuurstofproductie in bestaande (moderne) organismen, zoals in planten en cyanobacteriën, die chlorofylpigmenten gebruiken voor beide processen tijdens stadia van fotosynthese. ”
"Het andere grote verschil is het lichtspectrum dat wordt geabsorbeerd door chlorofylen en (retinale-gebaseerde) rhodopsins", voegt Schwieterman toe. "Terwijl chlorofylen het sterkst absorberen in het blauwe en rode deel van het visuele spectrum, absorbeert bacteriorhodopsine het sterkst in het groen-gele."
Dus terwijl door chlorofyl aangestuurde fotosynthetische organismen rood en blauw licht zouden absorberen en groen reflecteren, zouden door retina gedreven organismen groen en geel licht absorberen en paars reflecteren. Hoewel DaSarma in het verleden het bestaan van dergelijke organismen heeft gesuggereerd, hebben zij en Schwieterman's studie gekeken naar de mogelijke implicaties die een 'paarse aarde' zou kunnen hebben in de jacht op bewoonbare buitenzonneplaneten.
Dankzij decennia van aardobservatie zijn wetenschappers gaan begrijpen dat groene vegetatie vanuit de ruimte kan worden geïdentificeerd met behulp van wat de Vegetation Red Edge (VRE) wordt genoemd. Dit fenomeen verwijst naar hoe groene planten rood en geel licht absorberen terwijl ze groen licht reflecteren, terwijl ze tegelijkertijd fel gloeien op infraroodgolflengten.
Vanuit de ruimte gezien met behulp van breedband spectroscopie, zijn grote vegetatieconcentraties dus identificeerbaar op basis van hun infrarood handtekening. Dezelfde methode is door veel wetenschappers (waaronder Carl Sagan) voorgesteld voor de studie van exoplaneten. De toepasbaarheid zou echter beperkt zijn tot planeten die ook door chlorofyl gedreven fotosynthetische planten hebben ontwikkeld en die over een aanzienlijk deel van de planeet zijn verspreid.
Bovendien evolueerden fotosynthetische organismen alleen in de relatief recente geschiedenis van de aarde. Terwijl de aarde ongeveer 4,6 miljard jaar bestaat, begonnen groene vaatplanten pas 470 miljoen jaar geleden te verschijnen. Dientengevolge zouden exoplanetenonderzoeken die op zoek zijn naar groene vegetatie alleen bewoonbare planeten kunnen vinden die ver in hun evolutie zijn. Zoals Schwieterman uitlegde:
“Ons werk houdt zich bezig met de subset van exoplaneten die mogelijk bewoonbaar zijn en waarvan de spectrale signaturen ooit kunnen worden geanalyseerd op tekenen van leven. De VRE als biosignatuur wordt geïnformeerd door slechts één type organisme: zuurstofproducerende fotosynthesizers zoals planten en algen. Dit type leven is tegenwoordig dominant op onze planeet, maar het was niet altijd zo en is mogelijk niet het geval op alle exoplaneten. Hoewel we verwachten dat het leven elders een aantal universele kenmerken heeft, maximaliseren we onze kansen op succes bij het zoeken naar leven door te kijken naar de diverse kenmerken die organismen elders kunnen hebben. ”
In dit opzicht lijkt de studie van DeSharma en Schwieterman niet veel op het recente werk van Dr. Ramirez (2018) en Ramirez en Lisa Kaltenegger (2017) en andere onderzoekers. In deze en andere soortgelijke studies hebben wetenschappers voorgesteld dat het concept van een 'bewoonbare zone' zou kunnen worden uitgebreid door te bedenken dat de atmosfeer van de aarde ooit heel anders was dan nu.
Dus in plaats van te zoeken naar tekenen van zuurstof en stikstofgas en water, konden enquêtes zoeken naar tekenen van vulkanische activiteit (die veel vaker voorkwam in het verleden van de aarde), evenals waterstof en methaan - die belangrijk waren voor vroege omstandigheden op aarde. Op dezelfde manier zouden ze volgens Schwieterman naar paarse organismen kunnen zoeken met methoden die vergelijkbaar zijn met wat wordt gebruikt om vegetatie hier op aarde te volgen:
“De retinale lichtoogst die we in ons artikel bespreken, zou een andere signatuur opleveren dan de VRE. Terwijl vegetatie een kenmerkende 'rode rand' heeft, veroorzaakt door sterke absorptie van rood licht en reflectie van infrarood licht, absorberen de paarse membraanbacteriorhodopsins het groenste licht het sterkst en produceren ze een 'groene rand'. De kenmerken van deze signatuur zouden verschillen tussen organismen die in water of op het land zweven, net als bij gewone fotosynthesizers. Als op retina gebaseerde fototrofen op een exoplaneet hoog genoeg aanwezig zouden zijn, zou deze signatuur worden ingebed in het gereflecteerde lichtspectrum van die planeet en mogelijk worden gezien door toekomstige geavanceerde ruimtetelescopen (die ook zouden zoeken naar de VRE, zuurstof, methaan en andere potentiële biosignaturen ook). ”
In de komende jaren zal ons vermogen om exoplaneten te karakteriseren dramatisch verbeteren dankzij de volgende generatie telescopen zoals de James Webb Space Telescope (JWST), de Extremely Large Telescope (ELT), de Thirty Meter Telescope en de Giant Magellan Telescope ( GMT). Met deze extra mogelijkheden en een groter bereik van waar je op moet letten, zou de aanduiding "potentieel bewoonbaar" een nieuwe betekenis kunnen krijgen!
