Es ist keine leichte Aufgabe, potenziell bewohnbare Planeten außerhalb unseres Sonnensystems zu finden. Während die Zahl der bestätigten außersolaren Planeten in den letzten Jahrzehnten sprunghaft gestiegen ist (3791 und Zählung!), Wurde die überwiegende Mehrheit mit indirekten Methoden nachgewiesen. Dies bedeutet, dass die Charakterisierung der Atmosphären und Oberflächenbedingungen dieser Planeten eine Frage von Schätzungen und fundierten Vermutungen war.
In ähnlicher Weise suchen Wissenschaftler nach Bedingungen, die denen hier auf der Erde ähneln, da die Erde der einzige Planet ist, von dem wir wissen, dass er das Leben unterstützt. Aber wie viele Wissenschaftler angedeutet haben, haben sich die Bedingungen auf der Erde im Laufe der Zeit dramatisch verändert. In einer kürzlich durchgeführten Studie argumentieren zwei Forscher, dass eine einfachere Form der photosynthetischen Lebensformen möglicherweise älter ist als jene, die auf Chlorophyll beruhen - was drastische Auswirkungen auf die Suche nach bewohnbaren Exoplaneten haben könnte.
Wie sie in ihrer Studie angeben, die kürzlich in der Internationale Zeitschrift für AstronomieObwohl die Ursprünge des Lebens noch nicht vollständig verstanden sind, ist man sich im Allgemeinen einig, dass das Leben vor 3,7 bis 4,1 Milliarden Jahren entstanden ist (während des späten Hadean oder frühen Archean Eon). Zu dieser Zeit war die Atmosphäre radikal anders als die, die wir heute kennen und von der wir abhängen.
Die frühe Erdatmosphäre bestand nicht hauptsächlich aus Stickstoff und Sauerstoff (~ 78% bzw. 21%, der Rest besteht aus Spurengasen), sondern war eine Kombination aus Kohlendioxid und Methan. Und dann, vor ungefähr 2,9 bis 3 Milliarden Jahren, erschienen photosynthetisierende Bakterien, die begannen, die Atmosphäre mit Sauerstoffgas anzureichern.
Aufgrund dieses und anderer Faktoren erlebte die Erde vor etwa 2,3 Milliarden Jahren das sogenannte „Große Oxidationsereignis“, das die Atmosphäre unseres Planeten dauerhaft veränderte. Trotz dieses allgemeinen Konsenses bleibt der Prozess und die Zeitachse, in der sich Organismen entwickelt haben, um Sonnenlicht unter Verwendung von Chlorophyll in chemische Energie umzuwandeln, Gegenstand vieler Vermutungen.
Laut der Studie von Shiladitya DasSarma und Dr. Edward Schwieterman - Professor für Molekularbiologie an der University of Maryland und Astrobiologe an der UC Riverside - kann jedoch eine andere Art der Photosynthese vor Chlorophyll liegen. Ihre Theorie, bekannt als "Lila Erde", besagt, dass Organismen, die Photosynthese unter Verwendung von Netzhaut (einem lila Pigment) durchführen, auf der Erde vor jenen entstanden sind, die Chlorophyll verwenden.
Diese Form der Photosynthese ist auf der Erde noch heute weit verbreitet und dominiert tendenziell in hypersalinen Umgebungen - d. H. An Orten, an denen die Salzkonzentrationen besonders hoch sind. Darüber hinaus ist die retinalabhängige Photosynthese ein weitaus einfacherer und weniger effizienter Prozess. Aus diesen Gründen haben DasSarma und Schwieterman die Möglichkeit in Betracht gezogen, dass sich die Photosynthese auf Netzhautbasis früher entwickelt hat.
Wie Professor DasSarma dem Space Magazine per E-Mail mitteilte:
„Netzhaut ist im Vergleich zu Chlorophyll eine relativ einfache Chemikalie. Es hat eine Isoprenoidstruktur und es gibt Hinweise auf das Vorhandensein dieser Verbindungen auf der frühen Erde bereits vor 2,5 bis 3,7 Milliarden Jahren. Die Absorption der Netzhaut erfolgt im gelbgrünen Teil des sichtbaren Spektrums, wo ein Großteil der Sonnenenergie gefunden wird, und sie ergänzt die Absorption von Chlorophyll in den flankierenden blauen und roten Bereichen des Spektrums. Eine auf der Netzhaut basierende Phototrophie ist viel einfacher als die Chlorophyll-abhängige Photosynthese, da nur die Netzhautproteine, ein Membranvesikel und die ATP-Synthase Lichtenergie in chemische Energie (ATP) umwandeln müssen. Es erscheint vernünftig, dass sich die einfachere retinalabhängige Photosynthese früher entwickelt hat als die komplexere chlorophyllabhängige Photosynthese. “
Sie stellten ferner die Hypothese auf, dass die Entstehung dieser Organismen kurz nach der Entwicklung des zellulären Lebens als frühes Mittel zur Erzeugung zellulärer Energie erfolgt wäre. Die Entwicklung der Chlorophyll-Photosynthese könnte daher als eine spätere Entwicklung angesehen werden, die sich neben ihrem Vorgänger entwickelte und beide bestimmte Nischen füllte.
"Die retinalabhängige Phototrophie wird zum lichtgesteuerten Protonenpumpen verwendet, was zu einem Transmembran-Protonenmotivgradienten führt", sagte DasSarma. „Der Protonenmotivgradient kann chemiosmotisch an die ATP-Synthese gekoppelt sein. Es wurde jedoch kein Zusammenhang mit der C-Fixierung oder Sauerstoffproduktion in vorhandenen (modernen) Organismen wie Pflanzen und Cyanobakterien gefunden, die in diesen Phasen der Photosynthese Chlorophyllpigmente für beide Prozesse verwenden. “
"Der andere große Unterschied ist das Lichtspektrum, das von Chlorophyllen und Rhodopsinen auf Netzhautbasis absorbiert wird", fügte Schwieterman hinzu. "Während Chlorophylle im blauen und roten Teil des visuellen Spektrums am stärksten absorbieren, absorbiert Bakteriorhodopsin im grün-gelben am stärksten."
Während chlorophyllgetriebene photosynthetische Organismen rotes und blaues Licht absorbieren und grün reflektieren würden, würden retinalgetriebene Organismen grünes und gelbes Licht absorbieren und lila reflektieren. Während DaSarma in der Vergangenheit die Existenz solcher Organismen vermutet hat, untersuchten sie und Schwietermans Studie die möglichen Auswirkungen, die eine „Lila Erde“ auf die Suche nach bewohnbaren außersolaren Planeten haben könnte.
Dank jahrzehntelanger Erdbeobachtung haben Wissenschaftler verstanden, dass grüne Vegetation aus dem Weltraum mithilfe des sogenannten Vegetation Red Edge (VRE) identifiziert werden kann. Dieses Phänomen bezieht sich darauf, wie grüne Pflanzen rotes und gelbes Licht absorbieren, während sie grünes Licht reflektieren, während sie gleichzeitig bei infraroten Wellenlängen hell leuchten.
Mit Hilfe der Breitbandspektroskopie aus dem Weltraum können daher große Vegetationskonzentrationen anhand ihrer Infrarotsignatur identifiziert werden. Die gleiche Methode wurde von vielen Wissenschaftlern (einschließlich Carl Sagan) für die Untersuchung von Exoplaneten vorgeschlagen. Seine Anwendbarkeit wäre jedoch auf Planeten beschränkt, die ebenfalls Chlorophyll-getriebene photosynthetische Pflanzen entwickelt haben und die über einen signifikanten Teil des Planeten verteilt sind.
Darüber hinaus haben sich photosynthetische Organismen erst in der relativ jungen Geschichte der Erde entwickelt. Während die Erde seit rund 4,6 Milliarden Jahren existiert, tauchten grüne Gefäßpflanzen erst vor 470 Millionen Jahren auf. Infolgedessen könnten Exoplaneten-Erhebungen, die nach grüner Vegetation suchen, nur bewohnbare Planeten finden, die in ihrer Entwicklung weit fortgeschritten sind. Wie Schwieterman erklärte:
„Unsere Arbeit befasst sich mit der Untergruppe von Exoplaneten, die möglicherweise bewohnbar sind und deren spektrale Signaturen eines Tages auf Lebenszeichen analysiert werden könnten. Die VRE als Biosignatur wird nur von einer Art von Organismus bestimmt - sauerstoffproduzierenden Photosynthesizern wie Pflanzen und Algen. Diese Art von Leben ist heute auf unserem Planeten vorherrschend, aber es war nicht immer so und möglicherweise nicht bei allen Exoplaneten der Fall. Wir erwarten zwar, dass das Leben anderswo einige universelle Merkmale aufweist, aber wir maximieren unsere Erfolgschancen bei der Suche nach Leben, indem wir die verschiedenen Merkmale berücksichtigen, die Organismen anderswo möglicherweise haben. “
In dieser Hinsicht ist die Studie von DeSharma und Schwieterman nicht unähnlich der jüngsten Arbeit von Dr. Ramirez (2018) und Ramirez und Lisa Kaltenegger (2017) und anderen Forschern. In diesen und ähnlichen Studien haben Wissenschaftler vorgeschlagen, das Konzept einer „bewohnbaren Zone“ zu erweitern, indem man berücksichtigt, dass die Erdatmosphäre einst ganz anders war als heute.
Anstatt nach Anzeichen von Sauerstoff und Stickstoff, Gas und Wasser zu suchen, könnten Umfragen nach Anzeichen vulkanischer Aktivität (die in der Vergangenheit der Erde weitaus häufiger vorkam) sowie nach Wasserstoff und Methan suchen, die für die frühen Bedingungen auf der Erde wichtig waren. In ähnlicher Weise könnten sie laut Schwieterman mit Methoden, die denen zur Überwachung der Vegetation hier auf der Erde ähneln, nach lila Organismen suchen:
„Die in unserer Arbeit diskutierte Lichtsammlung der Netzhaut würde eine Signatur erzeugen, die sich von der VRE unterscheidet. Während die Vegetation einen charakteristischen „roten Rand“ aufweist, der durch starke Absorption von rotem Licht und Reflexion von Infrarotlicht verursacht wird, absorbieren die Bakteriorhodopsine der violetten Membran grünes Licht am stärksten und erzeugen einen „grünen Rand“. Die Eigenschaften dieser Signatur würden sich zwischen Organismen unterscheiden, die in Wasser oder an Land suspendiert sind, genau wie bei gewöhnlichen Photosynthesizern. Wenn auf einem Exoplaneten Phototrophen auf Netzhautbasis in ausreichender Häufigkeit vorhanden wären, wäre diese Signatur in das reflektierte Lichtspektrum dieses Planeten eingebettet und könnte möglicherweise von zukünftigen fortschrittlichen Weltraumteleskopen gesehen werden (die auch nach VRE, Sauerstoff, Methan und suchen würden auch andere mögliche Biosignaturen). “
In den kommenden Jahren wird sich unsere Fähigkeit zur Charakterisierung von Exoplaneten dank Teleskopen der nächsten Generation wie dem James Webb Space Telescope (JWST), dem Extrem Large Telescope (ELT), dem 30-Meter-Teleskop und dem Giant Magellan Telescope ( MITTLERE GREENWICH-ZEIT). Mit diesen zusätzlichen Funktionen und einer größeren Auswahl an Informationen könnte die Bezeichnung „potenziell bewohnbar“ eine neue Bedeutung erhalten!
