إن العثور على كواكب يحتمل أن تكون صالحة للسكن خارج نظامنا الشمسي ليست مهمة سهلة. في حين أن عدد الكواكب المؤكدة خارج النظام الشمسي قد نما بسرعة فائقة في العقود الأخيرة (3791 ومازالت!) ، تم اكتشاف الغالبية العظمى باستخدام طرق غير مباشرة. وهذا يعني أن وصف الأجواء والظروف السطحية لهذه الكواكب كان مسألة تقديرات وتخمينات متعلمة.
وبالمثل ، يبحث العلماء عن ظروف مشابهة لما هو موجود هنا على الأرض ، لأن الأرض هي الكوكب الوحيد الذي نعرفه والذي يدعم الحياة. لكن كما أشار العديد من العلماء ، تغيرت ظروف الأرض بشكل كبير بمرور الوقت. وفي دراسة حديثة ، يجادل زوج من الباحثين بأن شكلًا أبسطًا من أشكال الحياة التركيبية الضوئية قد يسبق تلك التي تعتمد على الكلوروفيل - والتي يمكن أن يكون لها آثار شديدة في البحث عن الكواكب الخارجية الصالحة للسكن.
كما ذكروا في دراستهم التي ظهرت مؤخرًا في المجلة الدولية لعلم الفلك، في حين أن أصول الحياة لا تزال غير مفهومة تمامًا ، فمن المتفق عليه بشكل عام أن الحياة نشأت منذ ما بين 3.7 و 4.1 مليار سنة (خلال أواخر هاديان أو أوائل أرشون إيون). في هذا الوقت ، كان الجو مختلفًا جذريًا عن الجو الذي نعرفه ونعتمد عليه اليوم.
وبدلاً من كونه يتألف بشكل أساسي من النيتروجين والأكسجين (~ 78٪ و 21٪ على التوالي ، مع الغازات النزرة التي تشكل الباقي) ، كان الغلاف الجوي المبكر للأرض عبارة عن مزيج من ثاني أكسيد الكربون والميثان. وبعد ذلك ، قبل ما يقرب من 2.9 إلى 3 مليار سنة ، ظهرت بكتيريا البناء الضوئي التي بدأت في إثراء الغلاف الجوي بغاز الأكسجين.
وبسبب هذا وعوامل أخرى ، شهدت الأرض ما يعرف باسم "حدث الأكسدة العظيم" منذ حوالي 2.3 مليار سنة ، والذي غيّر الغلاف الجوي لكوكبنا بشكل دائم. على الرغم من هذا الإجماع العام ، فإن العملية والجدول الزمني الذي تطورت فيه الكائنات الحية لتحويل ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية باستخدام الكلوروفيل لا تزال تخضع للكثير من التخمين.
ومع ذلك ، وفقًا للدراسة التي أجرتها Shiladitya DasSarma ، والدكتور إدوارد شويترمان - أستاذ علم الأحياء الجزيئي في جامعة ماريلاند وأخصائي علم الأحياء الفلكي في جامعة كاليفورنيا ريفرسايد ، على التوالي - قد يسبق نوع مختلف من التمثيل الضوئي الكلوروفيل. نظريتهم ، المعروفة باسم "الأرض الأرجواني" ، هي أن الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي باستخدام شبكية العين (صبغة أرجوانية) ظهرت على الأرض قبل تلك التي تستخدم الكلوروفيل.
لا يزال هذا الشكل من التمثيل الضوئي منتشرًا على الأرض اليوم ويميل إلى الهيمنة في البيئات شديدة الملوحة - أي الأماكن التي تكون فيها تركيزات الملح عالية بشكل خاص. بالإضافة إلى ذلك ، يعد التمثيل الضوئي المعتمد على الشبكية عملية أبسط وأقل كفاءة. ولهذه الأسباب ، نظر داسارما وشفيترمان في إمكانية تطور عملية التمثيل الضوئي المستندة إلى شبكية العين في وقت أقرب.
كما أخبر البروفيسور داسارما مجلة الفضاء عبر البريد الإلكتروني:
"إن شبكية العين مادة كيميائية بسيطة نسبيًا مقارنة بالكلوروفيل. لديها بنية isoprenoid وهناك أدلة على وجود هذه المركبات على الأرض المبكرة ، منذ 2.5-3.7 مليار سنة مضت. يحدث امتصاص الشبكية في الجزء الأصفر والأخضر من الطيف المرئي حيث يوجد الكثير من الطاقة الشمسية ، وهو مكمل لامتصاص الكلوروفيل في المناطق الزرقاء والحمراء من الطيف. إن التضيق الضوئي القائم على شبكية العين أبسط بكثير من عملية التمثيل الضوئي التي تعتمد على الكلوروفيل ، حيث تتطلب فقط بروتينات الشبكية ، حويصلة غشاء و سينسيز ATP لتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية (ATP). يبدو من المعقول أن عملية التمثيل الضوئي الأبسط التي تعتمد على الشبكية تطورت في وقت أبكر من عملية التمثيل الضوئي الأكثر تعقيدًا التي تعتمد على الكلوروفيل ".
وافترضوا كذلك أن ظهور هذه الكائنات الحية سيأتي بعد وقت قصير من تطور الحياة الخلوية ، كوسيلة مبكرة لإنتاج الطاقة الخلوية. وبالتالي يمكن النظر إلى تطور التمثيل الضوئي للكلوروفيل على أنه تطور لاحق تطور إلى جانب سلفه ، مع ملء كل من المنافذ.
قال داسارما: "تُستخدم التغذية الضوئية المعتمدة على الشبكية في ضخ البروتونات المدفوعة بالضوء ، مما ينتج عنه تدرج دافع للبروتونات عبر الغشاء". "قد يقترن التدرج الدافع البروتوني كيميائيًا إلى توليف ATP. ومع ذلك ، لم يتم العثور عليه مرتبطًا بتثبيت C أو إنتاج الأكسجين في الكائنات الموجودة (الحديثة) ، كما هو الحال في النباتات والبكتيريا الزرقاء ، التي تستخدم أصباغ الكلوروفيل لكل من هذه العمليات خلال مراحل عملية التمثيل الضوئي. "
وأضاف شفيترمان: "الاختلاف الكبير الآخر هو طيف الضوء الذي يمتصه الكلوروفيل و rhodopsins (القائم على الشبكية)". "بينما تمتص الكلوروفيل بقوة في الجزء الأزرق والأحمر من الطيف البصري ، فإن البكتريا هودوبسين تمتص بقوة في اللون الأصفر والأخضر."
لذا ، بينما تمتص الكائنات الضوئية التي تعمل بالكلوروفيل الضوء الأحمر والأزرق وتعكس اللون الأخضر ، فإن الكائنات التي تحركها الشبكية تمتص الضوء الأخضر والأصفر وتعكس اللون الأرجواني. في حين اقترحت DaSarma وجود مثل هذه الكائنات الحية في الماضي ، فقد بحثت هي ودراسة Schwieterman في الآثار المحتملة التي يمكن أن تكون لـ "الأرض الأرجواني" في البحث عن الكواكب التي تعمل خارج الطاقة الشمسية.
بفضل عقود من رصد الأرض ، توصل العلماء إلى فهم أنه يمكن تحديد النباتات الخضراء من الفضاء باستخدام ما يسمى بالحافة الحمراء للنباتات (VRE). تشير هذه الظاهرة إلى كيفية امتصاص النباتات الخضراء للضوء الأحمر والأصفر مع عكس الضوء الأخضر ، بينما تتوهج في نفس الوقت بشكل مشرق عند أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء.
عند رؤيته من الفضاء باستخدام التحليل الطيفي عريض النطاق ، يمكن تحديد تركيزات نباتية كبيرة بناءً على توقيعها بالأشعة تحت الحمراء. وقد اقترح العديد من العلماء نفس الطريقة (بما في ذلك Carl Sagan) لدراسة الكواكب الخارجية. ومع ذلك ، سيقتصر تطبيقه على الكواكب التي طورت أيضًا نباتات التمثيل الضوئي التي تعمل بالكلوروفيل ، والتي يتم توزيعها على جزء كبير من الكوكب.
بالإضافة إلى ذلك ، تطورت كائنات التمثيل الضوئي فقط في تاريخ الأرض الحديث نسبيًا. في حين أن الأرض موجودة منذ حوالي 4.6 مليار سنة ، فإن نباتات الأوعية الدموية الخضراء بدأت في الظهور قبل 470 مليون عام فقط. ونتيجة لذلك ، فإن استطلاعات الكواكب الخارجية التي تبحث عن النباتات الخضراء لن تكون قادرة إلا على العثور على كواكب صالحة للسكن بعيدة جدًا في تطورها. كما أوضح شفيترمان:
“إن عملنا معني بالمجموعة الفرعية من الكواكب الخارجية التي قد تكون صالحة للسكن والتي يمكن تحليل توقيعاتها الطيفية يومًا ما بحثًا عن علامات الحياة. يتم إخطار VRE كتوقيع حيوي من خلال نوع واحد فقط من الكائنات الحية - أجهزة التمثيل الضوئي المنتجة للأكسجين مثل النباتات والطحالب. هذا النوع من الحياة مهيمن على كوكبنا اليوم ، لكنه لم يكن دائمًا كذلك وقد لا يكون كذلك على جميع الكواكب الخارجية. بينما نتوقع أن يكون للحياة في مكان آخر بعض الخصائص العالمية ، فإننا نزيد فرص نجاحنا في البحث عن الحياة إلى أقصى حد من خلال النظر في الخصائص المتنوعة التي قد تمتلكها الكائنات الحية في أماكن أخرى.
في هذا الصدد ، لا تختلف دراسة DeSharma و Schwieterman عن العمل الأخير للدكتور راميريز (2018) وراميريز وليزا كالتنجر (2017) والباحثين الآخرين. في هذه الدراسات وغيرها من الدراسات المشابهة ، اقترح العلماء إمكانية توسيع مفهوم "المنطقة الصالحة للسكن" من خلال اعتبار أن الغلاف الجوي للأرض كان مختلفًا تمامًا عما هو عليه اليوم.
لذا بدلاً من البحث عن علامات الأكسجين وغاز النيتروجين والماء ، يمكن للمسح أن يبحث عن علامات النشاط البركاني (الذي كان أكثر انتشارًا في الماضي على الأرض) وكذلك الهيدروجين والميثان - والتي كانت مهمة للظروف المبكرة على الأرض. بنفس الطريقة تقريبًا ، وفقًا لشفيترمان ، يمكنهم البحث عن كائنات أرجوانية باستخدام طرق تشبه ما يتم استخدامه لرصد النباتات هنا على الأرض:
“إن حصاد ضوء شبكية العين الذي نناقشه في ورقتنا سوف ينتج توقيعًا مميزًا عن VRE. في حين أن للنباتات "حافة حمراء" مميزة ، ناتجة عن الامتصاص القوي للضوء الأحمر وانعكاس ضوء الأشعة تحت الحمراء ، فإن البكتيريا الغشاءية الأرجوانيّة تمتص الضوء الأخضر بقوة ، وتنتج "الحافة الخضراء". ستختلف خصائص هذا التوقيع بين الكائنات الحية المعلقة في الماء أو على الأرض ، تمامًا كما هو الحال مع أجهزة التمثيل الضوئي العادية. إذا كانت الفوتونات الضوئية المستندة إلى شبكية العين موجودة بكثرة عالية بما يكفي على كوكب خارجي ، فسيتم تضمين هذا التوقيع في طيف الضوء المنعكس على هذا الكوكب ويمكن رؤيته من خلال المقاريب الفضائية المتقدمة المستقبلية (التي ستبحث أيضًا عن VRE والأكسجين والميثان و التوقيعات الحيوية الأخرى المحتملة أيضًا). "
في السنوات القادمة ، ستتحسن قدرتنا على تمييز الكواكب الخارجية بشكل كبير بفضل التلسكوبات من الجيل التالي مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) ، التلسكوب الكبير للغاية (ELT) ، التلسكوب الثلاثين متر ، وتلسكوب ماجلان العملاق ( بتوقيت غرينيتش). مع هذه القدرات الإضافية ، ومجموعة أكبر مما يجب البحث عنه ، يمكن أن يكون للتسمية "التي يمكن أن تكون صالحة للسكن" معنى جديدًا!
