Najít potenciálně obyvatelné planety mimo naši sluneční soustavu není snadný úkol. Zatímco počet potvrzených extra-solárních planet v posledních desetiletích vzrostl o skoky a meze (3791 a počítání!), Drtivá většina byla detekována pomocí nepřímých metod. To znamená, že charakterizace atmosfér a povrchových podmínek těchto planet je věcí odhadů a vzdělaných odhadů.
Podobně vědci hledají podmínky podobné těm, které existují na Zemi, protože Země je jedinou planetou, o které víme, že podporuje život. Jak ale uvedlo mnoho vědců, podmínky Země se postupem času dramaticky změnily. A v nedávné studii pár vědců tvrdí, že jednodušší forma fotosyntetických forem života může předcházet těm, které se spoléhají na chlorofyl - což by mohlo mít drastické důsledky v honbě za obyvatelnými exoplanety.
Jak uvádějí ve své studii, která se nedávno objevila v EU Mezinárodní žurnál astronomie, i když původy života nejsou stále zcela pochopeny, obecně se dohodlo, že život vznikl před 3,7 až 4,1 miliardami let (během pozdního Hadean nebo brzy Archean Eon). V této době byla atmosféra radikálně odlišná od atmosféry, kterou známe, a dnes na ní závisí.
Spíše než být složen primárně z dusíku a kyslíku (~ 78%, respektive 21%, se stopovými plyny, které tvoří zbytek), byla ranou atmosférou Země kombinace oxidu uhličitého a metanu. A přibližně před 2,9 až 3 miliardami let se objevily fotosyntetizující bakterie, které začaly obohacovat atmosféru kyslíkem.
Kvůli tomuto a dalším faktorům zažila Země asi před 2,3 miliardami let tzv. „Velkou oxidační událost“, která trvale změnila atmosféru naší planety. Navzdory tomuto obecnému konsensu zůstává proces a časový plán, ve kterém se organismy vyvinuly pro přeměnu slunečního světla na chemickou energii pomocí chlorofylu, předmětem mnoha dohadů.
Podle studie provedené Shiladityou DasSarmou a dr. Edwardem Schwietermanem, profesorem molekulární biologie na University of Maryland a astrobiologem na UC Riverside, však může před chlorofylem předcházet jiný typ fotosyntézy. Jejich teorie, známá jako „Fialová země“, je taková, že organismy provádějící fotosyntézu pomocí sítnice (fialový pigment) se objevily na Zemi před těmi, které používají chlorofyl.
Tato forma fotosyntézy dnes na Zemi stále převládá a má tendenci dominovat v hypersalinových prostředích - tj. Místech, kde jsou koncentrace solí zvláště vysoké. Fotosyntéza závislá na sítnici je navíc mnohem jednodušší a méně efektivní proces. Z těchto důvodů zvažovali DasSarma a Schwieterman možnost, že se fotosyntéza sítnice mohla vyvinout dříve.
Jak profesor DasSarma řekl časopisu Space Magazine e-mailem:
"Sítnice je relativně jednoduchá chemická látka ve srovnání s chlorofylem." Má isoprenoidní strukturu a existují důkazy o přítomnosti těchto sloučenin na počátku Země, již před 2,5–3,7 miliardami let. Absorpce sítnice se vyskytuje v žluto-zelené části viditelného spektra, kde se nachází velké množství sluneční energie, a doplňuje absorpci chlorofylu v lemujících modrých a červených oblastech spektra. Fototropie na sítnici je mnohem jednodušší než fotosyntéza závislá na chlorofylu, což vyžaduje pouze retinální proteiny, membránový váček a syntézu ATP, aby se světelná energie přeměnila na chemickou energii (ATP). Zdá se rozumné, že jednodušší fotosyntéza závislá na sítnici se vyvinula dříve než složitější fotosyntéza závislá na chlorofylu. “
Dále předpokládali, že vznik těchto organismů by nastal brzy po vývoji buněčného života, jako raného prostředku produkce buněčné energie. Vývoj fotosyntézy chlorofylu lze proto považovat za následný vývoj, který se vyvinul spolu s jeho předchůdcem a oba vyplňovali určité výklenky.
"Retinálně závislá fototropie se používá pro protonové pumpování řízené světlem, což má za následek transmembránový gradient protonů," řekl DasSarma. „Protonový motivový gradient může být chemiosmoticky spojen s ATP syntézou. Nebylo však spojeno s fixací C nebo produkcí kyslíku u existujících (moderních) organismů, jako u rostlin a sinic, které používají chlorofylové pigmenty pro oba tyto procesy během fází fotosyntézy. “
"Dalším velkým rozdílem je světelné spektrum absorbované chlorofyly a rhodopsiny na bázi sítnice," dodal Schwieterman. "Zatímco chlorofyly absorbují nejsilněji v modré a červené části vizuálního spektra, bakteriorhodopsin absorbuje nejsilněji v zelenožluté."
Takže zatímco fotosyntetické organismy poháněné chlorofylem by absorbovaly červené a modré světlo a odrážely zelené, organismy poháněné sítnicí by absorbovaly zelené a žluté světlo a odrážely fialové. Zatímco DaSarma v minulosti navrhovala existenci takových organismů, ona a Schwietermanova studie zkoumaly možné důsledky, které by „Purpurová Země“ mohla mít při honbě za obyvatelnými extra solárními planetami.
Díky desetiletím pozorování Země vědci pochopili, že zelenou vegetaci lze identifikovat z vesmíru pomocí tzv. Vegetace Red Edge (VRE). Tento jev se týká toho, jak zelené rostliny absorbují červené a žluté světlo a odrážejí zelené světlo, zatímco zářivě září na infračervených vlnových délkách.
Při pohledu z vesmíru pomocí širokopásmové spektroskopie lze proto identifikovat velké koncentrace vegetace na základě jejich infračerveného podpisu. Stejná metoda byla navržena mnoha vědci (včetně Carla Sagana) pro studium exoplanet. Jeho použitelnost by však byla omezena na planety, které také vyvinuly fotosyntetické rostliny poháněné chlorofylem a které jsou distribuovány na významném zlomku planety.
Fotosyntetické organismy se navíc vyvinuly pouze v relativně nedávné historii Země. Zatímco Země existuje zhruba 4,6 miliardy let, zelené vaskulární rostliny se začaly objevovat teprve před 470 miliony roků. V důsledku toho by průzkumy exoplanet, které hledají zelenou vegetaci, dokázaly najít pouze obyvatelné planety, které jsou daleko v jejich vývoji. Jak vysvětlil Schwieterman:
"Naše práce se zabývá podmnožinou exoplanet, která může být obyvatelná a jejíž spektrální podpisy lze jednoho dne analyzovat na známky života." VRE jako biosignature je informován pouze jedním typem organismu - fotosyntetizátory produkující kyslík, jako jsou rostliny a řasy. Tento typ života dnes na naší planetě dominuje, ale nebylo tomu tak vždy a nemusí tomu tak být na všech exoplanetách. I když očekáváme, že život kdekoli bude mít nějaké univerzální vlastnosti, maximalizujeme naše šance na úspěch při hledání života tím, že vezmeme v úvahu rozmanité charakteristiky organismů jinde. “
V tomto ohledu není studie DeSharma a Schwietermana na rozdíl od nedávné práce Dr. Ramireze (2018) a Ramireze a Lisy Kalteneggerové (2017) a dalších vědců. V těchto a dalších podobných studiích vědci navrhli, že koncept „obyvatelné zóny“ by mohl být rozšířen zvážením, že zemská atmosféra byla kdysi velmi odlišná od dnešní doby.
Namísto hledání příznaků kyslíku a dusíku, plynu a vody, průzkumy mohly hledat příznaky sopečné činnosti (která byla v minulosti Země mnohem častější), jakož i vodík a metan - které byly důležité pro rané podmínky na Zemi. Stejně tak podle Schwietermana mohli hledat purpurové organismy pomocí metod, které jsou podobné tomu, co se používá ke sledování vegetace zde na Zemi:
"Sběr světel sítnice, o kterém diskutujeme v našem článku, by znamenal podpis odlišný od VRE." Zatímco vegetace má výrazný „červený okraj“, způsobený silnou absorpcí červeného světla a odrazem infračerveného světla, bakteriofodopiny na fialové membráně absorbují zelené světlo nejsilněji a vytvářejí „zelený okraj“. Charakteristiky tohoto podpisu by se lišily mezi organismy suspendovanými ve vodě nebo na souši, stejně jako u běžných fotosyntetizátorů. Pokud by na exoplanetě existovaly fototrofy na bázi sítnice v dostatečně velkém množství, tento podpis by byl zabudován do odraženého světelného spektra této planety a mohl by být viděn budoucími pokročilými kosmickými dalekohledy (které by také hledaly VRE, kyslík, metan a další potenciální biosignatury). “
V následujících letech se naše schopnost charakterizovat exoplanety dramaticky zlepší díky dalekohledům nové generace, jako je James Webb Space Telescope (JWST), Extremely Large Telescope (ELT), Thirty Meter Telescope a Giant Magellan Telescope ( GMT). Díky těmto přidaným schopnostem a většímu rozsahu toho, co je třeba hledat, by označení „potenciálně obyvatelný“ mohlo nabýt nového významu!
