Значення фотосинтезу
На землі кисень виробляється рослинами і деякими бактеріями в ході реакції фотосинтезу. Він зазвичай вважається потенційним біосигналом в інших світах. Хоча отримання кисню також можливе і з абіотичних джерел, аналогічним чином метан утворюється в результаті діяльності життя. І теж є потенційним біосигналом. І також може проводитися іншими способами.
У двох нових статтях, присвячених цим проблемам, обговорюються нові способи пошуку біосигналів. Проводиться аналіз того, як саме життя може впливати на атмосферу екзопланети.
Документ, підготовлений Стефані Олсон з Каліфорнійського університету спільно з її колегами містить аналіз того, як саме сезонні зміни в атмосфері, викликаній життям, можуть бути використані як біосигнал. Другий документ, автором його є Джошуа Кріссансен - Тоттон з Університету штату Вашингтон, а також Олсон і Девід Кетлінг, містить результати дослідження в якості потенційних біосигналів атмосферних газів. Які можуть проводитися тільки в присутності життя.
Зміна сезонів в атмосферах екзопланет
Дані, отримані при аналізі атмосфер екзопланет, змінюються з часом. Наприклад, зі зміною сезонів року. Це може допомогти виключити помилкові спрацьовування або негативи, які відбуваються при окремих спостереженнях моментального знімка. Розуміючи, як склад атмосферних газів змінюється протягом року на Землі, вчені зможуть з'ясувати, які саме біосигнали слід шукати на інших планетах.
«Ми зможемо зрозуміти, що планета має життя, якщо побачимо, що діяльність її біосфери змінює її атмосферу в просторі і часі», - заявляє Олсон.
Сезонність, що спостерігається в атмосфері Землі, виникає через взаємодію між біосферою і змінюється рівня сонячної енергії, що досягає нашої планети в різних точках її орбіти. Сезонні зміни змінюють баланс між двома різними хімічними реакціями: Фотосинтезом і аеробним диханням, фотосинтез відбувається, коли вуглекислий газ і вода реагують, щоб стати органічною речовиною і киснем. А аеробне дихання викликає зворотну реакцію, виробляючи вуглекислий газ і воду. Максимальне виробництво кисню відбувається в літні місяці, коли температура вище.
Земний біосигнал
Дослідники вивчили сезонні коливання рівня вуглекислого газу на Землі. Це біосигнал, який потенційно можна виявити на інших планетах. Якщо припустити, що життя в інших місцях, як і наше, ґрунтується на вуглеці. Вуглекислий газ є важливим компонентом атмосфери на придатних для життя світах. Завдяки ролі, яку він відіграє в регулюванні клімату за допомогою вивітрювання.
Вчені виявили, що за сезонні рівні діоксиду вуглецю (CO2) відповідають в основному наземні екосистеми. Вони знаходяться в безпосередньому контакті з атмосферою. Це вказує на те, що мінливість CO2 не може бути виявлена в океанських мірах. Це видно на прикладі Землі, де Південна півкуля, в якій переважають океани, має більш слабкі рівні варіації кількості СО2, ніж Північна півкуля.
Сезонність рівня двоокису вуглецю буде важко виявити на інших планетах. Але вона є потужним індикатором наявності життя. Оскільки вона навряд буде зустрічатися на планетах, які не мають твердої поверхні.
Дослідники також розглянули модель екзопланети, яка є аналогом ранньої Землі. Світу, де існує життя. Але в атмосфері все ще було дуже мало кисню. Слабкі сигнали наявності кисню важко виявити. Але відмінна від кисневої сигнатура озону (озон являє собою молекулу, побудовану з трьох атомів кисню) може бути більш помітною в спектрі екзопланети. Такий сигнал, швидше за все, буде виявлений у планети з меншою кількістю кисню, ніж сьогоднішня Земля. Тому що озон може створити більш сильний сигнал, ніж кисень.
"Сезонність буде важко виявити для планети, що нагадує сучасну Землю. Принаймні, у випадку з киснем ", - пояснює Олсон. "Причина в тому, що базові рівні кисню сьогодні дуже високі. І тому невеликі сезонні коливання дуже складні для вимірювання на поверхні навіть місцевих планет. А вже тим більше на далекій планеті ".
Нестабільні атмосфери
Кріссансен-Тоттон, Олсон і Кетлінг також провели моделювання ранніх земнопобних атмосфер. Але цього разу вони шукали ознаки їх нестабільності. Що означають наявність у них газів, які зазвичай не існували б в атмосфері без будь-якого активного процесу. Такого як життя, що створює їх.
Сьогоднішня Землі має велику атмосферну нестабільність свого складу. Дослідники вирахували, що такий стан існує з моменту появи життя на Землі. І еволюція існуючої нерівноваги прямо пов'язана зі зростанням біогенного кисню в атмосфері.
Стародавня атмосфера
В архейському еоні (від 4 до 2,5 мільярда років тому) нестабільність складу атмосфери була характерна співіснуванням у ній двоокису вуглецю, азоту, метану та рідкої води. Які зазвичай реагують між собою з появою амонію і бікарбонату. Що призводить до швидкого видалення метану з атмосфери без наявності життя для його поповнення.
Двоокис вуглецю і метан виявлятимуться у спектрах екзопланет майбутнім телескопом JWST. Особливо на планетах, що обертаються навколо червоних карликів. Якщо їх виявлять, але при цьому не буде виявлено чадний газ - це може бути сильним біосигналом. Це пов'язано з тим, що багато з небіологічних реакцій, які можуть відповідати за поповнення атмосфери метаном, також повинні будуть виробляти окис вуглецю (CO).
Найбільшим джерелом нерівноваги атмосфери в протерозойському еоні (2,5-0,54 мільярда років тому) було співіснування азоту, води і кисню, і кисень, і азот виробляються життям. І без життя, що поповнює кількість кисню, вони перетворюються на азотну кислоту, розчинену в океані.
Виявлення існування життя, яке використовує інші метаболічні реакції, також можливе. Якщо атмосферні гази знаходяться в незвичайній нерівновазі. Але це було б складно виявити.
"Виявлення мікробів, які окисляють залізо в океані, може бути складним. Оскільки цей конкретний обмін речовин не призводить до утворення газоподібних відходів ", - говорить Крісансен-Тоттон. "Але серед можливих способів метаболізму, в ході якого виробляються відпрацьовані гази, є деякі перспективні. Наприклад, веселячий газ (N 2 O). Він є біогенною хімічною сполукою, яку ми не очікуємо виявити в рівновазі в атмосферах безжиттєвих планет. Аналогічно, різні метаболіти сірки можуть виявлятися, оскільки вони змінюють кількість органічних молекул в атмосфері планети, що виведе її з рівноваги ".
Виявлення аналогів стародавньої земної атмосфери з ознаками сезонності або нерівності може свідчити про те, що життя не тільки присутнє, але й еволюціонувало аналогічно життю на нашій власній планеті.
