Bagi kebanyakan spesies kehidupan di alam semesta, oksigen boleh menjadi racun yang mematikan. Tetapi, secara anehnya, ini dapat mempermudah pencarian kehidupan ahli astrobiologi. Bayangkan bahawa anda memasuki mesin masa yang bukan hanya dapat menempuh perjalanan selama berbilion tahun, tetapi juga dapat mengatasi tujuan cahaya di angkasa lepas, semuanya untuk mencari kehidupan di alam semesta. Bagaimana anda memulakan carian anda? Saranan saintis mungkin mengejutkan anda.
Pada mulanya, anda mungkin berfikir bahawa kehidupan mungkin seperti kehidupan yang biasa di bumi: rumput, pokok, binatang yang suka bermain di lubang penyiraman di bawah langit biru dan matahari kuning. Tetapi ini adalah pemikiran yang salah. Ahli astronomi menapis planet di Bima Sakti cenderung mempercayai bahawa sebahagian besar kehidupan di alam semesta wujud di dunia yang mengorbit bintang kerdil merah yang lebih kecil tetapi lebih banyak daripada bintang seperti Matahari kita. Sebahagiannya kerana banyaknya ini, para astronom harus mempelajarinya dengan tekun. Contohnya, ambil TRAPPIST-1 kerdil merah, yang hanya tinggal 40 tahun cahaya. Pada tahun 2017, ahli astronomi mendapati bahawa sekurang-kurangnya tujuh planet seperti Bumi berputar di sekitarnya. Banyak pemerhati baru - diketuai oleh bintang NASA,dengan Teleskop Angkasa James Webb - bermula pada tahun 2019 dan akan dapat mengenali planet-planet sistem TRAPPIST-1 dengan lebih baik, serta banyak planet lain yang berdekatan dengan kerdil merah dalam mencari kehidupan.
Sementara itu, tidak ada yang tahu pasti apa yang akan anda dapati ketika anda mengunjungi salah satu dunia pelik ini di mesin ruang-waktu anda, tetapi jika planet ini kelihatan seperti Bumi, kemungkinan besar anda akan menemui mikroba, dan bukan megafauna yang menarik. Kajian itu, yang diterbitkan pada 24 Januari di Science Advances, menunjukkan apa makna fakta ingin tahu ini untuk mencari makhluk asing. Salah seorang penulis karya itu, David Cutling, seorang ahli kimia atmosfera di University of Washington di Seattle, sedang mengupas sejarah planet kita untuk mengembangkan resipi baru untuk mencari kehidupan bersel tunggal di dunia yang jauh dalam masa terdekat.
Sebahagian besar kehidupan di Bumi hari ini adalah mikroba, dan dengan teliti membaca data fosil dan geokimia planet ini menunjukkan bahawa ini selalu berlaku. Organisma seperti haiwan dan tumbuhan - dan oksigen yang dihasilkan tumbuhan ini untuk menghirupnya - adalah fenomena yang agak baru yang muncul sejak setengah bilion tahun yang lalu. Sebelum itu, dari empat miliar tahun sejarah Bumi, planet kita menghabiskan dua miliar tahun pertama untuk berperanan sebagai "dunia yang berlumpur" di bawah kawalan mikroba yang memakan metana, yang mana oksigen bukanlah gas yang memberi nyawa, tetapi racun yang mematikan. Perkembangan cyanobacteria fotosintetik menentukan nasib dua bilion tahun ke depan, dan mikroba "metanogenik" dibawa ke tempat-tempat gelap di mana oksigen tidak dapat diperoleh - gua bawah tanah, rawa dalam dan wilayah suram lain di mana mereka masih hidup. Cyanobacteria secara beransur-ansur menghijaukan planet kita, perlahan-lahan memenuhi atmosfernya dengan oksigen dan meletakkan asas bagi dunia moden. Sekiranya anda mengunjungi planet kita dalam mesin masa anda selama bertahun-tahun, maka sembilan daripada sepuluh anda hanya akan menemui kehidupan alga bersel tunggal, dan juga berisiko tercekik di udara yang kekurangan oksigen.
Ini menimbulkan cabaran bagi para saintis yang berharap dapat menggunakan Teleskop James Webb (bukan mesin masa) untuk mencari dunia kehidupan yang lain. Molekul di atmosfer planet dapat menyerap cahaya yang dipancarkan dari bintang, menghasilkan cetakan cahaya yang dapat dikesan oleh para astronom. Kelimpahan oksigen di atmosfer planet adalah salah satu petunjuk kehidupan yang paling jelas, kerana tidak mudah untuk membuatnya tanpa biologi. Menurut ahli astrobiologi, gas yang sangat reaktif ini dapat menjadi "biosignature" kerana dalam kepekatan tinggi "tidak seimbang" dengan persekitaran. Oksigen, sebagai peraturan, keluar dari udara dalam bentuk karat dan pengoksidaan lain pada logam, dan tidak tinggal dalam keadaan gas, jadi jika terdapat banyak, sesuatu - mungkin hidup fotosintesis - mesti sentiasa menambahnya. Tetapi jika anda mengambil contoh planet kita, ahli astrobiologi mengakui bahawa oksigen mungkin merupakan perkara terakhir yang mereka dapati - genetik mengatakan bahawa fotosintesis yang kompleks sebagai proses penghasilan oksigen diciptakan oleh cyanobacteria sebagai inovasi evolusi yang tidak biasa yang hanya dijumpai sekali sepanjang sejarah panjang bumi biosfera. Akibatnya, setiap pemburu kehidupan di planet lain akan melihat melalui lensa teleskop, kemungkinan besar, planet bebas oksigen. Apa biosignature lain yang dapat dicari pemburu seperti itu?mana-mana pemburu kehidupan di planet lain akan melihat melalui lensa teleskop, kemungkinan planet bebas oksigen. Apa biosignature lain yang dapat dicari pemburu seperti itu?mana-mana pemburu kehidupan di planet lain akan melihat melalui lensa teleskop, kemungkinan planet bebas oksigen. Apa biosignature lain yang dapat dicari pemburu seperti itu?
Pada masa ini, kaedah terbaik untuk mencari jawapannya adalah dengan kembali ke mesin masa kita. Hanya kali ini model komputer maya yang menjunam ke kedalaman anoxic masa lalu Bumi (atau dunia asing sekarang) yang tidak dapat diakses, meneroka kemungkinan kimia gas di atmosfera dan lautan yang boleh berlaku. Dengan menggunakan data dari batuan lama dan model lain untuk memilih andaian terbaik mengenai kimia persekitaran Bumi tiga bilion tahun yang lalu, komputer dapat melihat ketidakseimbangan yang jelas - kemungkinan biosignature. Sebenarnya, inilah yang dilakukan Cutling, bekerjasama dengan Joshua Chrissansen-Totton dan Stephanie Olson dari University of California, Riverside.
"Mesin masa" mereka adalah penghitungan berangka dari sebilangan besar udara yang terperangkap dalam kotak telus besar dengan lautan terbuka di dasar kotak; komputer hanya mengira bagaimana gas di dalam kotak akan bertindak balas dan bercampur dari masa ke masa. Pada akhirnya, gas yang berinteraksi menggunakan semua "tenaga bebas" di dalam kotak dan mencapai keseimbangan - apabila reaksi memerlukan tenaga tambahan dari luar, seolah-olah soda itu habis. Dengan membandingkan koktel gas yang habis dengan campuran yang dihidupkan semula yang awalnya terkunci di dalam kotak, para saintis dapat mengira dengan tepat bagaimana dan kapan atmosfer dunia berada dalam keseimbangan. Pendekatan ini dapat menghasilkan contoh ketidakseimbangan atmosfera yang paling jelas yang dimiliki planet kita - kehadiran oksigen dan jejak metana. Pertunjukan kimia ringkasbahawa gas-gas ini tidak boleh hidup berdampingan untuk waktu yang lama, tetapi gas-gas ini wujud bersama di Bumi, yang menjadikannya jelas bahawa sesuatu di planet kita bernafas dan hidup. Tetapi untuk Bumi kuno tanpa oksigen, model tersebut akan memperlihatkan tingkah laku yang sama sekali berbeza.
"Penyelidikan kami memberikan jawapan" kepada persoalan bagaimana mencari kehidupan anoksik di planet seperti Bumi, kata Cutling. Sebilangan besar kehidupan adalah sederhana - seperti mikroba - dan kebanyakan planet belum mencapai tahap atmosfera yang kaya dengan oksigen. Gabungan karbon dioksida dan metana yang agak banyak (dengan ketiadaan karbon monoksida) adalah biosignature dunia seperti itu.
Video promosi:
Chrissansen-Totton menjelaskan dengan lebih terperinci: "Kehadiran metana dan karbon dioksida pada masa yang sama tidak biasa, kerana karbon dioksida adalah keadaan karbon yang paling teroksidasi, dan metana (terdiri dari atom karbon yang terikat pada empat atom hidrogen) adalah sebaliknya. Sangat sukar untuk menghasilkan kedua-dua bentuk pengoksidaan ekstrem ini di atmosfer pada masa yang sama sekiranya tiada kehidupan. " Planet yang padat dengan lautan dan lebih daripada 0.1% metana di atmosfera harus dianggap sebagai planet yang berpotensi untuk dihuni, kata para saintis. Dan jika metana atmosfera mencapai tahap 1% atau lebih, maka dalam hal ini planet tidak akan "berpotensi", tetapi "kemungkinan besar" dapat dihuni.
Jim Casting, ahli kimia atmosfera di University of Pennsylvania, mengatakan hasil ini "berada di landasan yang benar," walaupun "idea bahawa metana mungkin merupakan biosignature dalam suasana anoksida agak lama."
Di samping itu, Cutling dan rakan penulisnya mengetahui bagaimana tandatangan metana mereka harus terserlah dan bagaimana membezakannya dari sumber bukan hidup. Menurut model mereka, metana di atmosfer planet anoksik jenis daratan biasanya bertindak balas dengan karbon dioksida, yang masih ada di udara, dicampurkan dengan nitrogen dan wap air, dan hujan turun sebagai sebatian yang berat. Pengiraan selanjutnya menunjukkan bahawa tidak ada sumber metana abiotik (yang tidak hidup) di planet pepejal yang dapat menghasilkan gas yang mencukupi untuk mengganggu proses ini - sama ada pencemaran gas gunung berapi, reaksi kimia di lubang laut dalam, dan bahkan asteroid jatuh. Hanya populasi bakteria pemakan metana yang dapat menjelaskan gas tersebut. Lebih penting lagi, walaupun sumber abiotik menyediakan metana yang mencukupi,mereka hampir akan menghasilkan banyak karbon monoksida, gas yang beracun kepada haiwan tetapi disukai oleh banyak mikrob. Bersama-sama, metana dan karbon dioksida, dengan ketiadaan karbon monoksida, di planet padat dengan lautan dapat ditafsirkan sebagai tanda kehidupan bebas oksigen.
Ini adalah berita baik bagi ahli astronomi. Teleskop James Webb akan berjuang untuk secara langsung mengesan kehadiran oksigen di mana-mana planet yang berpotensi dapat dihuni yang dilihat dalam misinya. Sama seperti mata anda dapat membezakan cahaya yang dapat dilihat, tetapi tidak dapat melihat radio atau sinar-X, penglihatan Webb disesuaikan dengan spektrum inframerah - bahagian spektrum yang sesuai untuk mengkaji bintang dan galaksi kuno, tetapi tidak dapat mengatasi garis penyerapan oksigen dengan baik, di mana ia tersebar dan jarang berlaku … Sebilangan saintis takut bahawa pencarian kehidupan harus ditangguhkan sehingga teleskop lain yang lebih mampu tersedia. Tetapi sementara Webb tidak dapat melihat oksigen dengan mudah, mata inframerahnya dapat melihat tanda-tanda kehidupan bebas oksigen dengan sempurna. Teleskop ini mampu mengesan metana secara serentak,karbon dioksida dan karbon monoksida di atmosfera beberapa planet berhampiran bintang kerdil merah. Contohnya, dalam sistem TRAPPIST-1.
Namun Webb tidak mungkin menguasai bahagian terpenting dari kriteria Cutling - menentukan jumlah relatif setiap gas - dan tidak dapat memahami, misalnya, sama ada gunung berapi atau mikroba kentut menghasilkan metana di planet tertentu. Tidak mungkin Webb akan menemui biosfer anoksida di mana-mana planet di bawah cahaya matahari merah.
Perkara lain adalah penting. Hidup lebih penting untuk dicari daripada oksigen.
Ilya Khel
