Suurimmalle osalle maailmankaikkeuden eläinlajeista happi voi olla tappava myrkky. Mutta kyllä kyllä, tämä voi merkittävästi yksinkertaistaa tällaisen elämän etsimistä astrobiologeille. Kuvittele, että olet joutumassa aikakoneeseen, joka ei voi vain matkustaa miljardeja vuosia, vaan myös ylittää kevyet tavoitteet avaruudessa, kaikki löytääksesi elämän maailmankaikkeudesta. Kuinka aloitat haun? Tutkijoiden suositukset saattavat yllättää sinut.
Aluksi saatat ajatella, että elämä voi olla kuin tuttu elämä maan päällä: ruoho, puut, eläinten turmeltuminen sinisen taivaan alla olevassa juomareiässä ja keltainen aurinko. Mutta tämä on väärä ajattelutapa. Tähtitieteilijät, jotka sensuroivat planeettoja Linnunradalla, uskovat yleensä, että suurin osa maailmankaikkeuden elämästä esiintyy maailmoissa, jotka kiertävät punaisia kääpiötähteitä, jotka ovat pienempiä, mutta enemmän kuin aurinkoisen tähtemme tähdet. Osittain tämän runsauden vuoksi tähtitieteilijöiden on tutkittava niitä erittäin huolellisesti. Otetaan esimerkiksi punainen kääpiö TRAPPIST-1, joka on vain 40 valovuoden päässä. Vuonna 2017 tähtitieteilijät havaitsivat, että ainakin seitsemän maapallon planeetta pyörii sen ympärillä. Monia uusia observatorioita - jota johtaa NASA-tähti,James Webbin avaruusteleskoopilla - vuodesta 2019 alkaen - ja se pystyy tuntemaan paremmin TRAPPIST-1-järjestelmän planeettoja sekä monia muita planeettoja lähellä punaisia kääpiöitä etsimään elämää.
Sillä välin, kukaan ei tiedä varmasti, mitä löydät käymällä jollain näistä outoista maailmoista avaruus-aika-koneessasi, mutta jos planeetta näyttää maapallolta, on todennäköistä, että löydät mikrobeja eikä houkuttelevaa megafaunaa. Tutkimus, joka julkaistiin tammikuun 24. päivä lehdessä Science Advances, osoittaa, mitä tämä utelias tosiasia voi tarkoittaa ulkomaalaisten etsinnälle. Yksi työn kirjoittajista, Seattlessa sijaitsevan Washingtonin yliopiston ilmakeemikko David Cutling pohtii planeettamme historiaa kehittääkseen uuden reseptin etsimään yksisoluista elämää kaukaisissa maailmoissa lähitulevaisuudessa.
Suurin osa maapallon elämästä on nykyisin mikrobia, ja maapallon fossiilisten ja geokemiallisten tietojen huolellinen lukeminen osoittaa, että näin on aina ollut. Organismit, kuten eläimet ja kasvit - ja happi, jonka nämä kasvit tuottavat hengittääkseen eläimiä - ovat suhteellisen uusia ilmiöitä, jotka ovat syntyneet viimeisen puolen miljardin vuoden aikana. Ennen sitä neljän miljardin vuoden maapallon historiasta planeettamme vietti kaksi ensimmäistä miljardia vuotta "mutaisen maailman" roolissa metaania syövien mikrobien hallinnassa, jolle happi ei ollut henkeä antava kaasu, vaan tappava myrkky. Fotosynteettisten syanobakteerien kehitys määräsi seuraavan kahden miljardin vuoden kohtalon, ja "metanogeeniset" mikrobit ajettiin pimeisiin paikkoihin, joihin happea ei päässyt - maanalaisiin luoliin, syviin soihin ja muihin synkkäihin alueisiin, joilla he edelleen elävät. Sinilevät kasvattivat planeettamme vähitellen, täyttivät hitaasti ilmakehän happea ja loivat perustan nykymaailmalle. Jos vierailet planeetallamme aikakoneellasi kaikki nämä vuodet, niin yhdeksän kertaa kymmenestä löydät vain yksisoluisten levien elämän, ja vaarana on myös tukeutua happea sisältävässä ilmassa.
Tämä asettaa haasteen tutkijoille, jotka toivovat käyttää James Webbin teleskooppia (aikakoneen sijasta) etsimään muita elämän maailmoja. Maapallon ilmakehän molekyylit voivat absorboida tähtien välittämää valoa, jolloin saadaan valotulosteita, jotka tähtitieteilijät voivat havaita. Hapen runsaus planeetan ilmakehässä on yksi ilmeisimmistä mahdollisen elämän indikaattoreista, koska sen luominen ilman biologiaa ei ole kovin helppoa. Astrobiologien mukaan tämä erittäin reaktiivinen kaasu voi olla”biosignaatti”, koska korkeissa pitoisuuksissa se “poistuu tasapainosta” ympäristön kanssa. Happi putoaa pääsääntöisesti ilmasta ruosteen ja muiden metallien hapettumien muodossa, eikä se pysy kaasumaisessa tilassa, joten jos sitä on paljon, jotain - ehkä elämää fotosyntetisoiva - täytyy jatkuvasti täydentää sitä. Mutta jos otat esimerkiksi planeettamme, astrobiologit myöntävät, että happi voi olla viimeinen asia, jonka he löytävät - genetiikan mukaan syanobakteerit keksivät monimutkaisen fotosynteesin hapen tuotantomenetelmänä epätavallisena evoluutioinnovaaationa, jota löydettiin vain kerran maan pitkän historian aikana biosfääri. Jokainen muiden planeettojen elämänmetsästäjä näkee teleskoopin linssin läpi, todennäköisesti hapottoman planeetan. Mitä muita biosignaaleja tällainen metsästäjä voi etsiä?kuka tahansa muiden planeettojen elämän metsästäjä näkee kaukoputken linssin läpi, todennäköisesti hapottoman planeetan. Mitä muita biosignaaleja tällainen metsästäjä voi etsiä?kuka tahansa muiden planeettojen elämän metsästäjä näkee kaukoputken linssin läpi, todennäköisesti hapottoman planeetan. Mitä muita biosignaaleja tällainen metsästäjä voi etsiä?
Tällä hetkellä paras tapa löytää vastaus on palata aikakoneeseemme. Vasta tällä kertaa se on virtuaalinen, tietokonemalli, joka uppoutuu maapallon (tai nykyisen vieraan maailman) hapettumattoman menneisyyden saavuttamattomiin syvyyksiin ja tutkii ilmakehän ja valtameren kaasujen mahdollista kemiaa, jota voisi tapahtua. Käyttämällä vanhojen kivien ja muiden mallien tietoja parhaiden oletusten valitsemiseksi maapallon ympäristön kemiasta kolme miljardia vuotta sitten, tietokone pystyy näkemään ilmeisen epätasapainon - mahdolliset biosignaalit. Itse asiassa tämä on mitä Cutling teki yhteistyössä Joshua Chrissansen-Tottonin ja Stephanie Olsonin kanssa Kalifornian yliopistosta, Riverside.
Heidän "aikakone" on numeerinen arvio likimääräisestä ilmamäärästä, joka on loukussa suuressa läpinäkyvässä laatikossa ja avoin valtameri laatikon pohjassa; tietokone yksinkertaisesti laskee, kuinka laatikossa olevat kaasut reagoivat ja sekoittuvat ajan myötä. Viime kädessä vuorovaikutuksessa olevat kaasut kuluttavat kaiken laatikossa olevan "vapaan energian" ja saavuttavat tasapainon - kun reaktio vaatii lisäenergiaa ulkopuolelta, ikään kuin sooda olisi käytetty loppuun. Vertaamalla loppuun kuluneiden kaasujen cocktailia elvytettyyn seokseen, joka alun perin oli lukittu laatikkoon, tutkijat voivat laskea tarkalleen kuinka ja milloin maailman ilmapiiri oli tasapainossa. Tämä lähestymistapa voisi toistaa ilmeisimmän esimerkin ilmakehän epätasapainosta, joka planeetallamme on - hapen läsnäolo ja metaanin jäämät. Yksinkertainen kemia osoittaaettä näiden kaasujen ei pitäisi toimia samanaikaisesti pitkään, mutta niiden on oltava samanaikaisesti maapallolla, mikä tekee selväksi, että jokin planeetallamme hengittää ja elää. Mutta muinaisessa maassa, jossa ei ole happea, mallilla olisi täysin erilainen käyttäytyminen.
"Tutkimuksemme tarjoaa vastauksen" kysymykseen, kuinka löytää hapettumaton elämä maapallomaisella planeetalla, Cutling sanoo. Suurin osa elämästä on yksinkertaista - kuten mikrobit - eikä useimmat planeetat ole vielä saavuttaneet happea sisältävien ilmakehien vaiheita. Suhteellisen runsas hiilidioksidin ja metaanin yhdistelmä (hiilimonoksidin puuttuessa) on tällaisen maailman biosignaatti.
Mainosvideo:
Chrissansen-Totton selittää yksityiskohtaisemmin:”Metaanin ja hiilidioksidin samanaikainen käyttäminen on epätavallista, koska hiilidioksidi on hapettunein hiilen tila ja metaani (koostuu hiiliatomista, joka on sitoutunut neljään vetyatomiin) on päinvastainen. On erittäin vaikea tuottaa näitä kahta äärimmäistä hapettumismuotoa ilmakehässä samanaikaisesti ilman elämää. " Kiinteää planeettaa, jolla on valtameri ja ilmakehässä on yli 0,1% metaania, tulisi pitää potentiaalisesti asuttavana planeetana, tutkijat sanovat. Ja jos ilmakehän metaani saavuttaa vähintään 1%: n tason, niin tällöin planeetta ei ole "potentiaalisesti", vaan "todennäköisimmin" asuttava.
Pennsylvanian yliopiston ilmakeemikko Jim Casting sanoo, että nämä tulokset ovat "oikealla tiellä", vaikkakin ajatus siitä, että metaani voisi olla biosignaali anoksidi-ilmakehässä, on suhteellisen vanha.
Lisäksi Cutling ja hänen avustajansa päättelivät, kuinka heidän metaanin allekirjoituksen tulisi ilmetä ja miten erottaa se muista kuin elollisista lähteistä. Heidän mallinsa mukaan metaanin tulisi maanpäällisen hapettumattoman planeetan ilmakehässä reagoida edelleen ilmassa olevan hiilidioksidin kanssa, sekoittua typen ja vesihöyryn kanssa ja sataa raskaana yhdisteenä. Lisälaskelmat osoittivat, että mikään abioottinen (eli eloton) metaanilähde kiinteällä planeetalla ei kykene tuottamaan tarpeeksi kaasua häiritsemään tätä prosessia - olipa kyse vulkaanisen kaasun pilaantumisesta, kemiallisista reaktioista syvänmeren tuuletusaukoissa ja jopa asteroidin putouksista. Vain metaania syövien bakteerien elävä väestö voi selittää kaasun. Vielä tärkeämpää on, että vaikka abioottiset lähteet tarjoavat riittävästi metaania,ne tuottavat melkein väistämättä paljon hiilimonoksidia, kaasua, joka on myrkyllinen eläimille, mutta jota rakastavat monet mikrobit. Yhdessä metaania ja hiilidioksidia, hiilimonoksidin puuttuessa, kiinteällä planeetalla, jolla on valtameri, voitaisiin hyvin tulkita merkkinä happea riippumattomasta elämästä.
Tämä on hyvä uutinen tähtitieteilijöille. James Webbin teleskooppi pyrkii suoraan havaitsemaan hapen läsnäolon kaikilla potentiaalisesti asuttavilla planeettoilla, joita se näkee tehtävässään. Aivan kuten silmäsi pystyvät erottamaan näkyvän valon, mutta eivät pysty näkemään radiota tai röntgensäteitä, Webbin visio on viritetty infrapunaspektriin - osaan spektriä, joka on ihanteellinen muinaisten tähtien ja galaksien tutkimiseen, mutta ei selviä hyvin hapen imeytymislinjoista, joissa ne ovat hajallaan ja harvinaisia. … Jotkut tutkijat pelkäävät, että elämän etsimistä on lykättävä, kunnes muita, paremmin kykeneviä kaukoputkia on saatavana. Mutta vaikka Webb ei näe happea helposti, infrapunasilmänsä näkevät täydellisesti merkkejä hapettomasta elämästä. Teleskooppi pystyy havaitsemaan samanaikaisesti metaanin,hiilidioksidi ja hiilimonoksidi joidenkin planeettojen ilmakehässä lähellä punaisia kääpiötähteitä. Esimerkiksi TRAPPIST-1-järjestelmässä.
Silti Webb todennäköisesti hallitsee tärkeimmän osan Cutlingin kriteereistä - kunkin kaasun suhteellisen määrän määrittämisestä - eikä voi esimerkiksi ymmärtää, tuottavatko tulivuoret vai pieru-mikrobit metaania tietyllä planeetalla. On epätodennäköistä, että Webb löytää anoksidibiosfäärin miltä tahansa planeetalta punaisen auringon alla.
Toinen asia on tärkeä. Elämä on tärkeämpää kuin happi.
Ilja Khel