Найти потенциально обитаемые планеты за пределами нашей Солнечной системы - непростая задача. В то время как количество подтвержденных внезолненных планет выросло на дрожжах в последние десятилетия (3791 и считая!), Подавляющее большинство было обнаружено косвенными методами. Это означает, что характеристика атмосферы и состояния поверхности этих планет была предметом оценок и обоснованных предположений.
Точно так же ученые ищут условия, подобные тем, которые существуют здесь на Земле, поскольку Земля - единственная известная нам планета, которая поддерживает жизнь. Но, как отмечают многие ученые, условия Земли резко изменились с течением времени. И в недавнем исследовании, пара исследователей утверждают, что более простая форма фотосинтетических форм жизни может предшествовать тем, что зависит от хлорофилла - что может иметь решающие последствия в охоте на обитаемых экзопланет.
Как они заявляют в своем исследовании, которое недавно появилось в Международный журнал астрономиив то время как происхождение жизни все еще не полностью понято, общепринято, что жизнь возникла между 3,7 и 4,1 миллиарда лет назад (во время позднего хадейского или раннего архейского эона). В это время атмосфера радикально отличалась от той, что мы знаем и зависим от сегодняшнего дня.
Вместо того, чтобы состоять в основном из азота и кислорода (~ 78% и 21% соответственно с остаточными газами, составляющими остальное), ранняя атмосфера Земли была комбинацией углекислого газа и метана. А затем, примерно от 2,9 до 3 миллиардов лет назад, появились фотосинтезирующие бактерии, которые начали обогащать атмосферу кислородом.
Из-за этого и других факторов Земля пережила так называемое «великое окислительное событие» около 2,3 миллиарда лет назад, которое навсегда изменило атмосферу нашей планеты. Несмотря на это общее согласие, процесс и временные рамки, в которых организмы эволюционировали для преобразования солнечного света в химическую энергию с использованием хлорофилла, остаются предметом многих догадок.
Однако, согласно исследованию, проведенному Shiladitya DasSarma и доктором Edward Schwieterman - профессором молекулярной биологии в Университете Мэриленда и астробиологом в UC Riverside, соответственно - другой тип фотосинтеза может предшествовать хлорофиллу. Их теория, известная как «Фиолетовая Земля», заключается в том, что организмы, проводящие фотосинтез с использованием сетчатки (фиолетовый пигмент), появились на Земле раньше, чем те, которые используют хлорофилл.
Эта форма фотосинтеза все еще широко распространена на Земле сегодня и имеет тенденцию доминировать в гиперсоленых средах, то есть в местах, где концентрации соли особенно высоки. Кроме того, ретинально-зависимый фотосинтез является гораздо более простым и менее эффективным процессом. Именно по этим причинам DasSarma и Schwieterman рассматривали возможность того, что фотосинтез на сетчатке может развиться раньше.
Как профессор DasSarma сообщил Space Magazine по электронной почте:
«Ретинал является относительно простым химическим веществом по сравнению с хлорофиллом. Он имеет изопреноидную структуру, и есть свидетельства присутствия этих соединений на ранней Земле, еще 2,5-3,7 миллиарда лет назад. Поглощение сетчатки происходит в желто-зеленой части видимого спектра, где находится много солнечной энергии, и оно дополняет поглощение хлорофилла во фланкирующих синих и красных областях спектра. Фототрофия на основе сетчатки намного проще, чем хлорофилл-зависимый фотосинтез, требующий только белков сетчатки, мембранного пузырька и АТФ-синтазы для преобразования энергии света в химическую энергию (АТФ). Представляется разумным, что более простой зависимый от сетчатки фотосинтез развился раньше, чем более сложный зависящий от хлорофилла фотосинтез ».
Они также предположили, что появление этих организмов появилось бы вскоре после развития клеточной жизни как раннего средства производства клеточной энергии. Поэтому эволюцию фотосинтеза хлорофилла можно рассматривать как последующее развитие, которое развивалось вместе с его предшественником, причем обе они заполняли определенные ниши.
«Ретинально-зависимая фототрофия используется для протонной накачки света, что приводит к трансмембранному градиенту протонного мотива», - сказал DasSarma. «Протонный мотивный градиент может быть хемиосмотически связан с синтезом АТФ. Однако не было обнаружено, что это связано с С-фиксацией или продукцией кислорода у существующих (современных) организмов, таких как растения и цианобактерии, которые используют хлорофильные пигменты для обоих этих процессов на стадиях фотосинтеза ».
«Другим большим отличием является спектр света, поглощаемый хлорофиллами и родопсинами (на основе сетчатки)», - добавил Швитерман. «В то время как хлорофиллы поглощают наиболее сильно в синей и красной части визуального спектра, бактериородопсин поглощает наиболее сильно в зелено-желтых».
Таким образом, в то время как фотосинтетические организмы, управляемые хлорофиллом, поглощают красный и синий свет и отражают зеленый цвет, организмы, управляемые сетчаткой, поглощают зеленый и желтый свет и отражают фиолетовый цвет. Хотя DaSarma предположила существование таких организмов в прошлом, она и Швитерман исследовали возможные последствия, которые «пурпурная земля» могла бы иметь в охоте на пригодные для обитания солнечные планеты.
Благодаря десятилетиям наблюдения Земли, ученые пришли к пониманию того, что зеленую растительность можно определить из космоса с помощью так называемой «растительности красного края» (VRE). Это явление относится к тому, как зеленые растения поглощают красный и желтый свет, отражая зеленый свет, и в то же время ярко светятся на инфракрасных длинах волн.
При наблюдении из космоса с использованием широкополосной спектроскопии большие концентрации растительности, следовательно, можно идентифицировать на основании их инфракрасной сигнатуры. Этот же метод был предложен многими учеными (включая Карла Сагана) для изучения экзопланет. Однако его применимость будет ограничена планетами, которые также развили фотосинтетические растения, управляемые хлорофиллом, и которые распределены по значительной части планеты.
Кроме того, фотосинтезирующие организмы эволюционировали только в относительно недавней истории Земли. В то время как Земля существует примерно 4,6 миллиарда лет, зеленые сосудистые растения только начали появляться 470 миллионов лет назад. В результате исследования экзопланет, которые ищут зеленую растительность, смогут найти только пригодные для жизни планеты, которые находятся далеко в своем развитии. Как объяснил Швитерман:
«Наша работа касается подмножества экзопланет, которые могут быть пригодными для обитания и спектральные сигнатуры которых однажды могут быть проанализированы на наличие признаков жизни. VRE как биосигнатура определяется только одним типом организма - продуцирующими кислород фотосинтезаторами, такими как растения и водоросли. Этот тип жизни доминирует на нашей планете сегодня, но это было не всегда так и может быть не на всех экзопланетах. Хотя мы ожидаем, что жизнь в других местах будет иметь некоторые универсальные характеристики, мы максимально увеличиваем наши шансы на успех в поисках жизни, учитывая разнообразные характеристики, которые могут иметь организмы в других местах ».
В этом отношении исследование ДеШармы и Швитермана мало чем отличается от недавней работы доктора Рамиреса (2018) и Рамиреса и Лизы Кальтенеггер (2017) и других исследователей. В этих и других подобных исследованиях ученые предположили, что понятие «обитаемой зоны» может быть расширено, если учесть, что атмосфера Земли когда-то сильно отличалась от сегодняшней.
Таким образом, вместо поиска признаков кислорода и азота, газа и воды, исследования могут искать признаки вулканической активности (которая была гораздо более распространенной в прошлом Земли), а также водорода и метана - которые были важны для ранних условий на Земле. Похожим образом, согласно Швитерману, они могли бы искать пурпурные организмы, используя методы, которые аналогичны тем, которые используются для мониторинга растительности здесь, на Земле:
«Сбор света с сетчатки, который мы обсуждаем в нашей статье, даст отличную от VRE подпись. В то время как растительность имеет характерный «красный край», вызванный сильным поглощением красного света и отражением инфракрасного света, бактериородопсины с фиолетовой мембраной поглощают зеленый свет наиболее сильно, создавая «зеленый край». Характеристики этой подписи будут отличаться между организмами, взвешенными в воде или на суше, так же, как с обычными фотосинтезаторами. Если бы на экзопланете существовали фототрофы на сетчатке с достаточно большим изобилием, эта сигнатура была бы встроена в спектр отраженного света этой планеты и могла бы быть видна будущими усовершенствованными космическими телескопами (которые также будут искать VRE, кислород, метан и другие потенциальные биосигнатуры тоже) ».
В ближайшие годы наша способность характеризовать экзопланеты значительно улучшится благодаря телескопам следующего поколения, таким как космический телескоп Джеймса Вебба (JWST), чрезвычайно большой телескоп (ELT), тридцатиметровый телескоп и гигантский телескоп Магеллана ( ВРЕМЯ ПО ГРИНВИЧУ). Благодаря этим дополнительным возможностям и большему диапазону того, что нужно искать, обозначение «потенциально обитаемое» может обрести новое значение!
