Mencari planet yang berpotensi dapat didiami di luar Sistem Suria kita bukanlah sesuatu yang mudah. Walaupun jumlah planet luar suria yang telah disahkan telah meningkat pesat dalam beberapa dekad kebelakangan ini (3791 dan menghitung!), Sebahagian besarnya telah dikesan menggunakan kaedah tidak langsung. Ini bermakna bahawa mencirikan atmosfera dan keadaan permukaan planet-planet ini adalah masalah anggaran dan tekaan yang berpendidikan.
Begitu juga, saintis mencari keadaan yang serupa dengan yang ada di Bumi, kerana Bumi adalah satu-satunya planet yang kita tahu yang menyokong kehidupan. Tetapi seperti yang ditunjukkan oleh banyak saintis, keadaan Bumi telah berubah secara dramatik dari masa ke masa. Dan dalam satu kajian baru-baru ini, sepasang penyelidik berpendapat bahawa bentuk hidup fotosintetik yang lebih sederhana mungkin mendahului yang bergantung pada klorofil - yang boleh memberi implikasi drastik dalam memburu eksoplanet yang dapat dihuni.
Seperti yang mereka nyatakan dalam kajian mereka, yang baru-baru ini muncul di Jurnal Astronomi Antarabangsa, sementara asal-usul kehidupan masih belum difahami sepenuhnya, secara umum disepakati bahawa kehidupan muncul antara 3,7 dan 4,1 miliar tahun yang lalu (semasa akhir Hadean atau awal Archean Eon). Pada masa ini, suasananya sangat berbeza dengan suasana yang kita kenal dan bergantung sekarang.
Daripada terdiri terutamanya daripada nitrogen dan oksigen (~ 78% dan 21% masing-masing, dengan gas surih membentuk selebihnya), atmosfera awal Bumi adalah gabungan karbon dioksida dan metana. Kemudian, kira-kira 2,9 hingga 3 miliar tahun yang lalu, bakteria fotosintesis muncul yang mulai memperkaya atmosfera dengan gas oksigen.
Kerana ini dan faktor-faktor lain, Bumi mengalami apa yang dikenal sebagai "Kejadian Pengoksidaan Hebat" sekitar 2,3 miliar tahun yang lalu, yang secara kekal mengubah atmosfer planet kita. Walaupun terdapat persetujuan umum, proses dan garis masa di mana organisma berevolusi untuk mengubah cahaya matahari menjadi tenaga kimia menggunakan klorofil tetap menjadi subjek banyak tekaan.
Walau bagaimanapun, menurut kajian yang dilakukan oleh Shiladitya DasSarma, dan Dr Edward Schwieterman - seorang profesor biologi molekul di University of Maryland dan ahli astrobiologi di UC Riverside, masing-masing - jenis fotosintesis yang berlainan mungkin mendahului klorofil. Teori mereka, yang dikenal sebagai "Bumi Ungu", adalah bahawa organisma yang melakukan fotosintesis menggunakan retina (pigmen ungu) muncul di Bumi sebelum mereka yang menggunakan klorofil.
Bentuk fotosintesis ini masih berlaku di Bumi hari ini dan cenderung mendominasi di persekitaran hipersaline - iaitu tempat di mana kepekatan garam sangat tinggi. Sebagai tambahan, fotosintesis yang bergantung pada retina adalah proses yang jauh lebih mudah dan kurang berkesan. Atas sebab-sebab inilah DasSarma dan Schwieterman mempertimbangkan kemungkinan fotosintesis berasaskan retina dapat berkembang lebih cepat.
Seperti kata Profesor DasSarma kepada Space Magazine melalui e-mel:
"Retinal adalah bahan kimia yang agak sederhana berbanding klorofil. Ia mempunyai struktur isoprenoid dan ada bukti adanya sebatian ini di Bumi awal, seawal 2,5-3,7 miliar tahun yang lalu. Penyerapan Retinal berlaku di bahagian kuning-hijau dari spektrum yang dapat dilihat di mana banyak tenaga suria dijumpai, dan pelengkap penyerapan klorofil di kawasan spektrum biru dan merah. Fototrofi berasaskan retina jauh lebih sederhana daripada fotosintesis yang bergantung pada klorofil, yang hanya memerlukan protein retina, vesikel membran dan sintase ATP untuk menukar tenaga cahaya menjadi tenaga kimia (ATP). Nampaknya wajar bahawa fotosintesis bergantung pada retina yang lebih sederhana berkembang lebih awal daripada fotosintesis yang bergantung kepada klorofil yang lebih kompleks. "
Mereka selanjutnya berhipotesis bahawa kemunculan organisma ini akan terjadi segera setelah pengembangan kehidupan selular, sebagai cara awal untuk menghasilkan tenaga sel. Oleh itu, evolusi fotosintesis klorofil dapat dilihat sebagai perkembangan selanjutnya yang berkembang bersama pendahulunya, dengan kedua-duanya mengisi ceruk tertentu.
"Fototrofi yang bergantung pada retina digunakan untuk pemompaan proton yang digerakkan oleh cahaya, yang menghasilkan kecerunan motif proton transmembran," kata DasSarma. "Kecerunan motif proton dapat digabungkan secara kimia dengan sintesis ATP. Namun, ia tidak ditemukan berkaitan dengan fiksasi C atau penghasilan oksigen pada organisma yang masih ada (moden), seperti pada tumbuhan dan cyanobacteria, yang menggunakan pigmen klorofil untuk kedua-dua proses ini semasa peringkat fotosintesis. ”
"Perbezaan besar lainnya adalah spektrum cahaya yang diserap oleh klorofil dan rhodopsin (berdasarkan retina)," tambah Schwieterman. "Walaupun klorofil menyerap paling kuat di bahagian biru dan merah spektrum visual, bakteriorhodopsin menyerap paling kuat di hijau-kuning."
Oleh itu, sedangkan organisma fotosintetik yang didorong oleh klorofil akan menyerap cahaya merah dan biru dan memantulkan warna hijau, organisma yang didorong oleh retina akan menyerap cahaya hijau dan kuning dan memantulkan ungu. Walaupun DaSarma telah mengisyaratkan adanya organisme semacam itu pada masa lalu, dia dan studi Schwieterman melihat kemungkinan implikasi yang mungkin dimiliki oleh "Bumi Ungu" dalam mencari planet-planet ekstra-suria yang dapat dihuni.
Berkat pemerhatian Bumi selama beberapa dekad, para saintis telah memahami bahawa tumbuh-tumbuhan hijau dapat dikenali dari angkasa dengan menggunakan apa yang disebut Vegetation Red Edge (VRE). Fenomena ini merujuk kepada bagaimana tumbuhan hijau menyerap cahaya merah dan kuning sambil memantulkan cahaya hijau, dan pada masa yang sama bersinar terang pada panjang gelombang inframerah.
Dilihat dari ruang menggunakan spektroskopi jalur lebar, kepekatan tumbuh-tumbuhan yang besar dapat dikenal pasti berdasarkan tanda tangan inframerahnya. Kaedah yang sama telah dicadangkan oleh banyak saintis (termasuk Carl Sagan) untuk kajian eksoplanet. Namun, penerapannya akan terbatas pada planet-planet yang juga telah mengembangkan tanaman fotosintetik yang didorong oleh klorofil, dan yang tersebar di sebilangan besar planet ini.
Sebagai tambahan, organisma fotosintetik hanya berkembang dalam sejarah Bumi yang baru-baru ini. Walaupun Bumi telah wujud selama kira-kira 4,6 bilion tahun, tumbuhan vaskular hijau hanya mulai muncul 470 juta tahun yang lalu. Hasilnya, tinjauan exoplanet yang mencari tumbuh-tumbuhan hijau hanya dapat menemukan planet yang dapat dihuni yang masih jauh dalam evolusi mereka. Seperti yang dijelaskan oleh Schwieterman:
"Pekerjaan kami berkaitan dengan subset planet yang mungkin dapat dihuni dan tanda tangan spektrumnya suatu hari dapat dianalisis untuk tanda-tanda kehidupan. VRE sebagai biosignature diberitahu oleh hanya satu jenis organisma - fotosintesis penghasil oksigen seperti tumbuhan dan alga. Jenis kehidupan ini dominan di planet kita hari ini, tetapi tidak selalu berlaku dan mungkin tidak berlaku di semua planet luar. Walaupun kita mengharapkan kehidupan di tempat lain mempunyai beberapa ciri universal, kita memaksimumkan peluang kita untuk berjaya dalam mencari kehidupan dengan mempertimbangkan pelbagai ciri organisma di tempat lain. "
Dalam hal ini, kajian DeSharma dan Schwieterman tidak berbeza dengan karya Dr. Ramirez (2018) dan Ramirez dan Lisa Kaltenegger (2017) serta penyelidik lain baru-baru ini. Dalam kajian ini dan kajian serupa lainnya, para saintis telah mengusulkan bahawa konsep "zon yang dapat dihuni" dapat diperluas dengan mempertimbangkan bahawa atmosfer Bumi dulunya sangat berbeda daripada yang ada sekarang.
Oleh itu, daripada mencari tanda-tanda oksigen dan gas nitrogen dan air, tinjauan dapat mencari tanda-tanda aktiviti gunung berapi (yang jauh lebih lazim di masa lalu Bumi) serta hidrogen dan metana - yang penting untuk keadaan awal di Bumi. Dengan cara yang sama, menurut Schwieterman, mereka dapat mencari organisme ungu menggunakan kaedah yang serupa dengan yang digunakan untuk memantau tumbuh-tumbuhan di Bumi:
"Penuaian cahaya retina yang kita bincangkan dalam makalah kita akan menghasilkan tanda tangan yang berbeza dari VRE. Walaupun tumbuh-tumbuhan mempunyai "tepi merah" yang khas disebabkan oleh penyerapan cahaya merah yang kuat dan pantulan cahaya inframerah, bakteriorhodopsin membran ungu menyerap cahaya hijau dengan kuat, menghasilkan "tepi hijau". Ciri-ciri tanda tangan ini akan berbeza antara organisma yang digantung di dalam air atau di darat, sama seperti alat fotosintesis biasa. Sekiranya fototrof berasaskan retina ada pada kelimpahan yang cukup tinggi pada eksoplanet, tanda tangan ini akan tertanam dalam spektrum cahaya yang dipantulkan planet itu dan berpotensi dilihat oleh teleskop ruang angkasa maju yang akan datang (yang juga mencari VRE, oksigen, metana, dan biosignature berpotensi lain juga). "
Pada tahun-tahun mendatang, kemampuan kita untuk mencirikan eksoplanet akan meningkat secara mendadak berkat teleskop generasi akan datang seperti Teleskop Angkasa James Webb (JWST), Teleskop Sangat Besar (ELT), Teleskop Tiga Puluh Meter, dan Teleskop Giant Magellan ( GMT). Dengan kemampuan tambahan ini, dan lebih banyak yang perlu dicari, sebutan "berpotensi dapat dihuni" dapat membawa makna baru!
