Tìm kiếm các hành tinh có thể ở được ngoài Hệ mặt trời của chúng ta không phải là nhiệm vụ dễ dàng. Trong khi số lượng các hành tinh ngoài mặt trời được xác nhận đã tăng trưởng vượt bậc trong những thập kỷ gần đây (3791 và đếm!), Đại đa số đã được phát hiện bằng phương pháp gián tiếp. Điều này có nghĩa là việc mô tả đặc điểm khí quyển và điều kiện bề mặt của các hành tinh này là vấn đề ước tính và phỏng đoán có giáo dục.
Tương tự, các nhà khoa học tìm kiếm các điều kiện tương tự như những gì tồn tại ở đây trên Trái đất, vì Trái đất là hành tinh duy nhất chúng ta biết có hỗ trợ sự sống. Nhưng như nhiều nhà khoa học đã chỉ ra, điều kiện Trái đất đã thay đổi đáng kể theo thời gian. Và trong một nghiên cứu gần đây, một cặp nhà nghiên cứu lập luận rằng một dạng đơn giản của các dạng sống quang hợp có thể có trước các dạng phụ thuộc vào chất diệp lục - có thể có ý nghĩa quyết liệt trong việc săn lùng các ngoại hành tinh có thể ở được.
Khi họ nêu trong nghiên cứu của họ, gần đây đã xuất hiện trong Tạp chí thiên văn quốc tế, trong khi nguồn gốc của sự sống vẫn chưa được hiểu đầy đủ, người ta thường đồng ý rằng cuộc sống phát sinh từ 3,7 đến 4,1 tỷ năm trước (trong thời kỳ cuối Hadean hoặc đầu Archean Eon). Vào thời điểm này, bầu không khí hoàn toàn khác với nơi chúng ta biết và phụ thuộc vào ngày hôm nay.
Thay vì được cấu tạo chủ yếu từ nitơ và oxy (lần lượt là ~ 78% và 21%, với các khí vi lượng chiếm phần còn lại), bầu khí quyển đầu Trái đất là sự kết hợp của carbon dioxide và metan. Và sau đó, khoảng 2,9 đến 3 tỷ năm trước, vi khuẩn quang hợp xuất hiện bắt đầu làm phong phú bầu không khí bằng khí oxy.
Vì yếu tố này và các yếu tố khác, Trái đất đã trải nghiệm cái được gọi là Sự kiện oxy hóa vĩ đại của Hồi khoảng 2,3 tỷ năm trước, làm thay đổi vĩnh viễn bầu khí quyển hành tinh của chúng ta. Bất chấp sự đồng thuận chung này, quá trình và dòng thời gian trong đó các sinh vật tiến hóa để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học bằng cách sử dụng chất diệp lục vẫn là chủ đề của rất nhiều phỏng đoán.
Tuy nhiên, theo nghiên cứu được thực hiện bởi Shiladitya DasSarma và Tiến sĩ Edward Schwieterman - giáo sư sinh học phân tử tại Đại học Maryland và một nhà sinh vật học tại UC Riverside, tương ứng - một loại quang hợp khác có thể có trước chất diệp lục. Lý thuyết của họ, được biết đến với tên là Purple Purple Earth, là các sinh vật tiến hành quang hợp sử dụng võng mạc (một sắc tố màu tím) xuất hiện trên Trái đất trước những loài sử dụng chất diệp lục.
Hình thức quang hợp này vẫn còn phổ biến trên Trái đất ngày nay và có xu hướng chiếm ưu thế trong môi trường quá mẫn - tức là những nơi có nồng độ muối đặc biệt cao. Ngoài ra, quang hợp phụ thuộc vào võng mạc là một quá trình đơn giản và kém hiệu quả hơn nhiều. Chính vì những lý do này mà DasSarma và Schwieterman đã cân nhắc khả năng quang hợp dựa trên võng mạc có thể phát triển sớm hơn.
Như giáo sư DasSarma đã nói với Tạp chí Không gian qua email:
Cấm Retinal là một hóa chất tương đối đơn giản so với diệp lục. Nó có cấu trúc isoprenoid và có bằng chứng cho sự hiện diện của các hợp chất này trên Trái đất sơ khai, sớm nhất là 2,5-3,7 tỷ năm trước. Sự hấp thụ võng mạc xảy ra ở phần màu vàng lục của quang phổ nhìn thấy nơi tìm thấy rất nhiều năng lượng mặt trời, và nó bổ sung cho sự hấp thụ diệp lục ở vùng màu xanh lam và đỏ của quang phổ. Phototrophy dựa trên võng mạc đơn giản hơn nhiều so với quang hợp phụ thuộc diệp lục, chỉ cần các protein võng mạc, túi màng và ATP synthase để chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học (ATP). Có vẻ hợp lý rằng sự quang hợp phụ thuộc võng mạc đơn giản phát triển sớm hơn so với quang hợp phụ thuộc diệp lục phức tạp hơn.
Họ còn đưa ra giả thuyết rằng sự xuất hiện của những sinh vật này sẽ xuất hiện ngay sau khi sự phát triển của sự sống tế bào, như một phương tiện sản xuất năng lượng tế bào sớm. Do đó, sự phát triển của quang hợp diệp lục có thể được coi là một sự phát triển tiếp theo phát triển cùng với người tiền nhiệm của nó, với cả hai đều lấp đầy những ngóc ngách nhất định.
DasSarma cho biết, phototrophy phụ thuộc vào võng mạc được sử dụng để bơm proton điều khiển bằng ánh sáng, dẫn đến một gradient động lực proton xuyên màng. Độ dốc của proton-động lực có thể được kết hợp hóa học với tổng hợp ATP. Tuy nhiên, nó đã không được tìm thấy liên quan đến cố định C hoặc sản xuất oxy ở các sinh vật còn tồn tại (hiện đại), như trong thực vật và vi khuẩn lam, sử dụng sắc tố diệp lục cho cả hai quá trình này trong quá trình quang hợp.
Khác biệt lớn khác là quang phổ ánh sáng được hấp thụ bởi diệp lục và rhodopsin (dựa trên võng mạc), Schwieterman nói thêm. Trong khi diệp lục hấp thụ mạnh nhất ở phần màu xanh và màu đỏ của quang phổ thị giác, thì vi khuẩn kháng sinh hấp thụ mạnh nhất ở màu xanh lá cây màu vàng.
Vì vậy, trong khi các sinh vật quang hợp điều khiển diệp lục sẽ hấp thụ ánh sáng đỏ và xanh lam và phản xạ màu xanh lá cây, các sinh vật điều khiển võng mạc sẽ hấp thụ ánh sáng màu xanh lá cây và màu vàng và phản chiếu màu tím. Trong khi DaSarma đã đề xuất sự tồn tại của những sinh vật như vậy trong quá khứ, cô và Schwieterman, nghiên cứu đã xem xét những hàm ý có thể mà một Trái Đất Tím có thể có trong hành trình săn tìm các hành tinh ngoài mặt trời có thể ở được.
Nhờ có nhiều thập kỷ quan sát Trái đất, các nhà khoa học đã hiểu rằng thảm thực vật màu xanh lá cây có thể được xác định từ không gian bằng cách sử dụng thứ gọi là Thảm thực vật (VRE). Hiện tượng này đề cập đến cách cây xanh hấp thụ ánh sáng đỏ và vàng trong khi phản xạ ánh sáng xanh, đồng thời phát sáng rực rỡ ở bước sóng hồng ngoại.
Nhìn từ không gian sử dụng quang phổ băng rộng, do đó nồng độ thực vật lớn có thể được xác định dựa trên chữ ký hồng ngoại của chúng. Phương pháp tương tự đã được đề xuất bởi nhiều nhà khoa học (bao gồm Carl Sagan) cho nghiên cứu ngoại hành tinh. Tuy nhiên, khả năng ứng dụng của nó sẽ chỉ giới hạn ở các hành tinh cũng đã phát triển các nhà máy quang hợp điều khiển diệp lục và được phân phối trên một phần đáng kể của hành tinh.
Ngoài ra, các sinh vật quang hợp chỉ tiến hóa trong lịch sử Trái đất gần đây. Trong khi Trái đất đã tồn tại khoảng 4,6 tỷ năm, thực vật có mạch màu xanh lá cây chỉ bắt đầu xuất hiện cách đây 470 triệu năm. Do đó, các cuộc khảo sát ngoại hành tinh tìm kiếm thảm thực vật xanh sẽ chỉ có thể tìm thấy các hành tinh có thể ở được trong quá trình tiến hóa của chúng. Như Schwieterman đã giải thích:
Công việc của chúng tôi liên quan đến tập hợp các ngoại hành tinh có thể ở được và chữ ký quang phổ của một ngày nào đó có thể được phân tích cho các dấu hiệu của sự sống. VRE dưới dạng sinh học được thông báo chỉ bằng một loại sinh vật quang hợp sản xuất oxy như thực vật và tảo. Kiểu sống này chiếm ưu thế trên hành tinh của chúng ta ngày nay, nhưng không phải lúc nào cũng như vậy và có thể không phải là trường hợp trên tất cả các ngoại hành tinh. Mặc dù chúng tôi hy vọng cuộc sống ở nơi khác có một số đặc điểm phổ quát, chúng tôi tối đa hóa cơ hội thành công trong việc tìm kiếm sự sống bằng cách xem xét các đặc điểm đa dạng mà các sinh vật ở nơi khác có thể có.
Về mặt này, nghiên cứu của DeSharma và Schwieterman, không giống với nghiên cứu gần đây của Tiến sĩ Ramirez (2018) và Ramirez và Lisa Kaltenegger (2017) và các nhà nghiên cứu khác. Trong các nghiên cứu này và các nghiên cứu tương tự khác, các nhà khoa học đã đề xuất rằng khái niệm về một khu vực có thể ở được của người Hồi giáo có thể được mở rộng bằng cách xem xét rằng bầu khí quyển Trái đất đã từng rất khác so với ngày nay.
Vì vậy, thay vì tìm kiếm các dấu hiệu của oxy và khí nitơ và nước, các cuộc khảo sát có thể tìm kiếm các dấu hiệu hoạt động của núi lửa (vốn phổ biến hơn nhiều trong Trái đất trước đây) cũng như hydro và metan - rất quan trọng đối với các điều kiện ban đầu trên Trái đất. Theo cách tương tự, theo Schwieterman, họ có thể tìm kiếm các sinh vật màu tím bằng các phương pháp tương tự như phương pháp được sử dụng để theo dõi thảm thực vật ở đây trên Trái đất:
Một vụ thu hoạch ánh sáng võng mạc mà chúng ta thảo luận trong bài báo của mình sẽ tạo ra một chữ ký khác biệt với VRE. Trong khi thảm thực vật có rìa đỏ đặc biệt, bị gây ra bởi sự hấp thụ mạnh của ánh sáng đỏ và sự phản xạ của ánh sáng hồng ngoại, thì vi khuẩn màng màu tím hấp thụ ánh sáng màu xanh lá cây mạnh nhất, tạo ra cạnh màu xanh lá cây. Các đặc điểm của chữ ký này sẽ khác nhau giữa các sinh vật lơ lửng trong nước hoặc trên đất liền, giống như với các chất quang hợp thông thường. Nếu các phototroph dựa trên võng mạc tồn tại ở mức độ đủ lớn trên một hành tinh ngoại, chữ ký này sẽ được nhúng vào phổ ánh sáng phản xạ của hành tinh đó và có thể được nhìn thấy bằng kính viễn vọng không gian tiên tiến trong tương lai (cũng sẽ tìm kiếm VRE, oxy, metan và sinh học tiềm năng khác cũng vậy).
Trong những năm tới, khả năng mô tả các ngoại hành tinh của chúng ta sẽ được cải thiện đáng kể nhờ các kính viễn vọng thế hệ tiếp theo như Kính thiên văn vũ trụ James Webb (JWST), Kính viễn vọng cực lớn (ELT), Kính viễn vọng ba mươi mét và Kính viễn vọng khổng lồ Magellan ( GMT). Với những khả năng được thêm vào này, và một phạm vi rộng lớn hơn về những gì cần chú ý, việc chỉ định có khả năng có thể sống được có thể mang ý nghĩa mới!
