Dla większości gatunków życia we wszechświecie tlen może być śmiertelną trucizną. Ale, co dziwne, może to znacznie uprościć poszukiwania takiego życia dla astrobiologów. Wyobraź sobie, że wchodzisz do wehikułu czasu, który może nie tylko podróżować przez miliardy lat, ale także pokonać cele świetlne w przestrzeni kosmicznej, wszystko po to, aby znaleźć życie we wszechświecie. Jak rozpocząć wyszukiwanie? Zalecenia naukowców mogą cię zaskoczyć.
Na początku możesz pomyśleć, że życie może przypominać znane życie na ziemi: trawa, drzewa, baraszkujące zwierzęta w wodopoju pod błękitnym niebem i żółte słońce. Ale to jest zły sposób myślenia. Astronomowie cenzurujący planety Drogi Mlecznej mają skłonność wierzyć, że większość życia we Wszechświecie istnieje na światach krążących wokół czerwonych karłów, które są mniejsze, ale liczniejsze niż gwiazdy takie jak nasze Słońce. Po części z powodu tej obfitości astronomowie muszą badać je z wielką starannością. Weźmy na przykład czerwonego karła TRAPPIST-1, który znajduje się zaledwie 40 lat świetlnych od nas. W 2017 roku astronomowie odkryli, że wokół niego krąży co najmniej siedem planet podobnych do Ziemi. Wiele nowych obserwatoriów - prowadzonych przez gwiazdę NASA,z Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba - od 2019 roku będzie można lepiej poznać planety systemu TRAPPIST-1, a także wiele innych planet w pobliżu czerwonych karłów w poszukiwaniu życia.
W międzyczasie nikt nie wie na pewno, co odkryjesz odwiedzając jeden z tych dziwnych światów w swojej maszynie czasoprzestrzennej, ale jeśli planeta wygląda jak Ziemia, istnieje duże prawdopodobieństwo, że znajdziesz mikroby, a nie atrakcyjną megafaunę. Badanie, opublikowane 24 stycznia w Science Advances, pokazuje, co ten ciekawy fakt może oznaczać dla poszukiwań kosmitów. Jeden z autorów pracy, David Cutling, chemik atmosferyczny z University of Washington w Seattle, przygląda się historii naszej planety, aby opracować nową receptę na poszukiwanie życia jednokomórkowego na odległych światach w najbliższej przyszłości.
Większość życia na Ziemi składa się obecnie z drobnoustrojów, a uważna lektura skamielin i danych geochemicznych planety pokazuje, że zawsze tak było. Organizmy takie jak zwierzęta i rośliny - oraz tlen wytwarzany przez te rośliny do oddychania zwierzętami - to stosunkowo nowe zjawisko, które pojawiło się w ciągu ostatnich pół miliarda lat. Wcześniej, z czterech miliardów lat historii Ziemi, nasza planeta spędziła pierwsze dwa miliardy lat w roli „błotnistego świata” kontrolowanego przez mikroby żywiące się metanem, dla którego tlen nie był życiodajnym gazem, ale śmiertelną trucizną. Rozwój fotosyntetycznych cyjanobakterii przesądził o losach następnych dwóch miliardów lat, a „metanogenne” drobnoustroje zostały wypędzone w ciemne miejsca, do których nie docierał tlen - podziemne jaskinie, głębokie bagna i inne ponure tereny, na których nadal żyją. Sinice stopniowo zazieleniły naszą planetę, powoli wypełniały jej atmosferę tlenem i położyły podwaliny pod współczesny świat. Gdybyś przez te wszystkie lata odwiedzał naszą planetę w swoim wehikułu czasu, dziewięć razy na dziesięć znalazłbyś tylko jednokomórkowe glony, a także ryzykowałbyś uduszenie się w ubogim w tlen powietrzu.
Stanowi to wyzwanie dla naukowców, którzy mają nadzieję użyć Teleskopu Jamesa Webba (a nie wehikułu czasu) do poszukiwania innych światów życia. Cząsteczki w atmosferze planety mogą pochłaniać światło przenoszone przez gwiazdy, co skutkuje odbitkami światła, które astronomowie mogą wykryć. Obfitość tlenu w atmosferze planety jest jednym z najbardziej oczywistych wskaźników możliwego życia, ponieważ nie jest łatwo go stworzyć bez biologii. Zdaniem astrobiologów ten wysoce reaktywny gaz może być „biosygnaturą”, ponieważ w wysokich stężeniach „traci równowagę” ze środowiskiem. Tlen z reguły wypada z powietrza w postaci rdzy i innych utlenień na metalach i nie pozostaje w stanie gazowym, więc jeśli jest go dużo, coś - być może życie fotosyntetyzujące - musi go stale uzupełniać. Ale jeśli weźmiemy za przykład naszą planetę, astrobiolodzy przyznają, że tlen może być ostatnią rzeczą, jaką znajdą - genetyka mówi, że złożona fotosynteza jako proces produkcji tlenu została wynaleziona przez cyjanobakterie jako niezwykła innowacja ewolucyjna, którą znaleziono tylko raz w długiej historii Ziemi. biosfera. W konsekwencji każdy łowca życia na innych planetach będzie widział przez soczewkę teleskopu, najprawdopodobniej planetę beztlenową. Jakich innych biosygnatur może szukać taki myśliwy?każdy łowca życia na innych planetach zobaczy przez soczewkę teleskopu, najprawdopodobniej planetę beztlenową. Jakich innych biosygnatur może szukać taki myśliwy?każdy łowca życia na innych planetach zobaczy przez soczewkę teleskopu, najprawdopodobniej planetę beztlenową. Jakich innych biosygnatur może szukać taki myśliwy?
Obecnie najlepszym sposobem na znalezienie odpowiedzi jest powrót do naszego wehikułu czasu. Tylko tym razem będzie to wirtualny model komputerowy, który pogrąża się w niedostępnych głębinach beztlenowej przeszłości Ziemi (lub obecnego obcego świata), badając możliwą chemię gazów w atmosferze i oceanie, która mogłaby mieć miejsce. Korzystając z danych ze starych skał i innych modeli, aby wybrać najlepsze założenia dotyczące składu chemicznego środowiska ziemskiego sprzed trzech miliardów lat, komputer może dostrzec oczywiste nierównowagi - możliwe biosygnatury. W rzeczywistości to właśnie zrobił Cutling, pracując z Joshuą Chrissansen-Tottonem i Stephanie Olson z University of California w Riverside.
Ich „wehikuł czasu” jest liczbowym przybliżeniem ogromnej objętości powietrza uwięzionego w dużym przezroczystym pudełku z otwartym oceanem u podstawy pudełka; komputer po prostu oblicza, jak gazy w pudełku będą reagować i mieszać się w czasie. Ostatecznie oddziałujące gazy zużywają całą „darmową energię” w pudełku i osiągają równowagę - gdy reakcja wymaga dodatkowej energii z zewnątrz, tak jakby soda została wyczerpana. Porównując koktajl spalin ze zrewitalizowaną mieszanką pierwotnie zamkniętą w pudełku, naukowcy mogą dokładnie obliczyć, jak i kiedy atmosfera na świecie była w równowadze. Takie podejście mogłoby odtworzyć najbardziej oczywisty przykład braku równowagi atmosferycznej, jaki ma nasza planeta - obecność tlenu i śladowe ilości metanu. Proste pokazy chemiczneże gazy te nie powinny współistnieć przez długi czas, ale współistnieją na Ziemi, co pokazuje, że coś na naszej planecie oddycha i żyje. Ale dla starożytnej Ziemi bez tlenu model wykazywałby zupełnie inne zachowanie.
„Nasze badania dostarczają odpowiedzi” na pytanie, jak znaleźć beztlenowe życie na planecie podobnej do Ziemi, mówi Cutling. Większość życia jest prosta - jak mikroby - a większość planet nie osiągnęła jeszcze stadium atmosfery bogatej w tlen. Biosygnaturą takiego świata jest połączenie stosunkowo dużej ilości dwutlenku węgla i metanu (bez tlenku węgla).
Film promocyjny:
Chrissansen-Totton wyjaśnia bardziej szczegółowo: „Obecność metanu i dwutlenku węgla w tym samym czasie jest niezwykła, ponieważ dwutlenek węgla jest najbardziej utlenionym stanem węgla, a metan (składający się z atomu węgla związanego z czterema atomami wodoru) jest odwrotnie. Bardzo trudno jest wytworzyć te dwie skrajne formy utleniania w atmosferze w tym samym czasie przy braku życia”. Naukowcy twierdzą, że solidną planetę z oceanem i ponad 0,1% metanu w atmosferze należy uznać za planetę potencjalnie nadającą się do zamieszkania. A jeśli metan atmosferyczny osiągnie poziom 1% lub więcej, wówczas planeta nie będzie „potencjalnie”, ale „najprawdopodobniej” nadająca się do zamieszkania.
Jim Casting, chemik zajmujący się atmosferą na Uniwersytecie Pensylwanii, twierdzi, że wyniki te są „na dobrej drodze”, chociaż „pomysł, że metan może być biosygnaturą w atmosferze beztlenkowej, jest stosunkowo stary”.
Ponadto Cutling i jego współautorzy zorientowali się, jak powinna manifestować się ich sygnatura metanowa i jak odróżnić ją od nieożywionych źródeł. Zgodnie z ich modelem metan w atmosferze beztlenowej planety typu ziemskiego powinien zwykle reagować z dwutlenkiem węgla, który wciąż znajduje się w powietrzu, mieszać się z azotem i parą wodną i opadać jako ciężki związek. Dalsze obliczenia wykazały, że żadne abiotyczne (to znaczy nieożywione) źródła metanu na stałej planecie nie będą w stanie wyprodukować wystarczającej ilości gazu, aby zakłócić ten proces - czy to zanieczyszczenie gazem wulkanicznym, reakcje chemiczne w kominach głębinowych, czy nawet upadki asteroid. Tylko żywa populacja bakterii jedzących metan może wyjaśnić ten gaz. Co ważniejsze, nawet jeśli źródła abiotyczne zapewniają wystarczającą ilość metanu,będą prawie nieuchronnie wytwarzać dużo tlenku węgla, gazu trującego dla zwierząt, ale kochanego przez wiele drobnoustrojów. Metan i dwutlenek węgla łącznie, przy braku tlenku węgla, na stałej planecie z oceanem można z powodzeniem zinterpretować jako oznakę życia niezależnego od tlenu.
To dobra wiadomość dla astronomów. Teleskop Jamesa Webba będzie miał trudności z bezpośrednim wykryciem obecności tlenu na każdej potencjalnie nadającej się do zamieszkania planecie, którą zobaczy podczas swojej misji. Tak jak twoje oczy mogą rozróżniać światło widzialne, ale nie widzą radia ani promieni rentgenowskich, wizja Webba jest dostrojona do widma podczerwieni - części widma, która jest idealna do badania starożytnych gwiazd i galaktyk, ale nie radzi sobie dobrze z liniami absorpcji tlenu, gdzie są one rozproszone i rzadkie … Niektórzy naukowcy obawiają się, że poszukiwania życia będą musiały zostać odłożone do czasu pojawienia się innych, bardziej wydajnych teleskopów. Ale chociaż Webb nie widzi z łatwością tlenu, jego oczy w podczerwieni doskonale widzą oznaki życia bez tlenu. Teleskop może jednocześnie wykrywać metan,dwutlenek węgla i tlenek węgla w atmosferach niektórych planet w pobliżu gwiazd czerwonego karła. Na przykład w systemie TRAPPIST-1.
Jednak Webb raczej nie opanuje najważniejszej części kryteriów Cutlinga - określania względnej ilości każdego gazu - i nie może na przykład zrozumieć, czy wulkany lub pierdzące mikroby wytwarzają metan na danej planecie. Jest mało prawdopodobne, aby Webb znalazł biosferę beztlenkową na jakiejkolwiek planecie pod czerwonym słońcem.
Ważna jest inna sprawa. Życie jest ważniejsze niż tlen.
Ilya Khel