science >> Wetenschap >  >> Astronomie

stinkend, giftige molecule kan een duidelijk teken zijn van buitenaards leven

fosfine, een molecuul dat op aarde bekend staat om zijn stinkende en giftige aard, kan een zeker teken zijn van buitenaards leven als het wordt gedetecteerd in nabijgelegen exoplaneten. Krediet:NASA, bewerkt door MIT News

Fosfine is een van de meest stinkende, meest giftige gassen op aarde, gevonden op enkele van de smerigste plaatsen, inclusief pinguïnmesthopen, de diepten van moerassen en moerassen, en zelfs in de ingewanden van sommige dassen en vissen. Dit verrotte "moerasgas" is ook zeer ontvlambaar en reageert met deeltjes in onze atmosfeer.

Het meeste leven op aarde, specifiek alle aerobe, zuurstofademend leven, wil niets met fosfine te maken hebben, noch produceren, noch erop vertrouwen om te overleven.

Nu hebben MIT-onderzoekers ontdekt dat fosfine wordt geproduceerd door een ander, minder voorkomende levensvorm:anaërobe organismen, zoals bacteriën en microben, die geen zuurstof nodig hebben om te gedijen. Het team ontdekte dat fosfine op geen enkele andere manier kan worden geproduceerd, behalve door deze extreme, zuurstofmijdende organismen, waardoor fosfine een pure biosignatuur wordt - een teken van leven (althans van een bepaald soort).

In een paper onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Astrobiologie , de onderzoekers melden dat als fosfine zou worden geproduceerd in hoeveelheden die vergelijkbaar zijn met methaan op aarde, het gas zou een kenmerkend lichtpatroon genereren in de atmosfeer van een planeet. Dit patroon zou duidelijk genoeg zijn om tot op 16 lichtjaar afstand te detecteren door een telescoop zoals de geplande James Webb Space Telescope. Als fosfine wordt gedetecteerd vanaf een rotsachtige planeet, het zou een onmiskenbaar teken van buitenaards leven zijn.

"Hier op aarde, zuurstof is echt een indrukwekkend teken van leven, " zegt hoofdauteur Clara Sousa-Silva, een onderzoekswetenschapper in het MIT's Department of Earth, Atmosferische en planetaire wetenschappen. "Maar naast het leven maken ook andere dingen zuurstof. Het is belangrijk om vreemde moleculen te overwegen die misschien niet zo vaak worden gemaakt, maar als je ze op een andere planeet vindt, er is maar één verklaring."

De co-auteurs van het artikel zijn Sukrit Ranjan, Janusz Petkowski, Zhuchang Zhan, Willem Bains, en Sara Seager, de klasse van 1941 hoogleraar aarde, Sfeervol, en Planetaire Wetenschappen aan het MIT, evenals Renyu Hu bij Caltech.

Gigantische buiken

Sousa-Silva en haar collega's stellen een database samen met vingerafdrukken voor moleculen die potentiële biosignaturen kunnen zijn. Het team heeft meer dan 16 verzameld, 000 kandidaten, inclusief fosfine. De overgrote meerderheid van deze moleculen moet nog volledig worden gekarakteriseerd, en als wetenschappers er een zouden zien in de atmosfeer van een exoplaneet, ze zouden nog steeds niet weten of de moleculen een teken van leven waren of iets anders.

Maar met de nieuwe krant van Sousa-Silva, wetenschappers kunnen vertrouwen hebben in de interpretatie van ten minste één molecuul:fosfine. De belangrijkste conclusie van het artikel is dat, als fosfine wordt gedetecteerd in een nabijgelegen, rotsachtige planeet, die planeet moet op de een of andere manier leven herbergen.

De onderzoekers kwamen niet zomaar tot deze conclusie. De laatste 10 jaar, Sousa-Silva heeft haar werk gewijd aan het volledig karakteriseren van de fout, gifgas, eerst door methodisch de eigenschappen van fosfine te ontcijferen en hoe het chemisch verschilt van andere moleculen.

In de jaren zeventig, fosfine werd ontdekt in de atmosfeer van Jupiter en Saturnus - enorm hete gasreuzen. Wetenschappers vermoedden dat het molecuul spontaan in de buiken van deze gasreuzen werd gegooid en, zoals Sousa-Silva beschrijft, "gewelddadig naar boven gehaald door enorme, convectieve stormen ter grootte van een planeet."

Nog altijd, er was niet veel bekend over fosfine, en Sousa-Silva wijdde haar afstudeerwerk aan het University College of London aan het opsporen van de spectrale vingerafdruk van fosfine. Uit haar afstudeerwerk ze spijkerde de exacte golflengten van licht vast die fosfine zou moeten absorberen, en dat zou ontbreken in alle atmosferische gegevens als het gas aanwezig was.

Tijdens haar PhD, ze begon zich af te vragen:kan fosfine niet alleen worden geproduceerd in de extreme omgevingen van gasreuzen, maar ook door het leven op aarde? Bij het MIT, Sousa-Silva en haar collega's begonnen deze vraag te beantwoorden.

"Dus zijn we begonnen met het verzamelen van elke vermelding van fosfine dat overal op aarde wordt gedetecteerd, en het blijkt dat overal waar geen zuurstof is fosfine heeft, zoals moerassen en moerassen en sedimenten van meren en de scheten en ingewanden van alles, " zegt Sousa-Silva. "Plotseling was dit allemaal logisch:het is een echt giftige molecule voor alles dat van zuurstof houdt. Maar voor het leven dat niet van zuurstof houdt, het lijkt een zeer bruikbare molecule te zijn."

"Niets anders dan leven"

Het besef dat fosfine geassocieerd is met anaëroob leven was een aanwijzing dat het molecuul een levensvatbare biosignatuur zou kunnen zijn. Maar om zeker te zijn, de groep moest elke mogelijkheid uitsluiten dat fosfine door iets anders dan leven zou kunnen worden geproduceerd. Om dit te doen, ze hebben de afgelopen jaren veel soorten fosfor gebruikt, de essentiële bouwsteen van fosfine, door middel van een uitputtende, theoretische analyse van chemische routes, onder steeds extremere scenario's, om te zien of fosfor op een abiotische (dat wil zeggen niet-levensgenererende) manier in fosfine zou kunnen veranderen.

Fosfine is een molecuul gemaakt van één fosfor- en drie waterstofatomen, die normaal gesproken niet graag bij elkaar komen. Het kost enorm veel energie, zoals in de extreme omgevingen binnen Jupiter en Saturnus, om de atomen met genoeg kracht te breken om hun natuurlijke afkeer te overwinnen. De onderzoekers werkten de chemische paden en thermodynamica uit die betrokken zijn bij meerdere scenario's op aarde om te zien of ze voldoende energie konden produceren om fosfor in fosfine te veranderen.

"Op een gegeven moment keken we naar steeds minder plausibele mechanismen, alsof tektonische platen tegen elkaar wrijven, zou je een plasmavonk kunnen krijgen die fosfine genereerde? Of als de bliksem ergens inslaat waar fosfor zit, of een meteoor had een fosforgehalte, kan het een impact hebben om fosfine te maken? En we hebben een aantal jaren van dit proces doorlopen om erachter te komen dat niets anders dan het leven detecteerbare hoeveelheden fosfine maakt."

fosfine, ze vonden, heeft geen significante valse positieven, wat betekent dat elke detectie van fosfine een zeker teken van leven is. De onderzoekers onderzochten vervolgens of het molecuul detecteerbaar zou kunnen zijn in de atmosfeer van een exoplaneet. Ze simuleerden de sferen van geïdealiseerde, zuurstofarm, terrestrische exoplaneten van twee typen:waterstofrijke en koolstofdioxide-rijke atmosferen. Ze voerden verschillende snelheden van fosfineproductie in de simulatie in en extrapoleerden hoe het lichtspectrum van een bepaalde atmosfeer eruit zou zien bij een bepaalde snelheid van fosfineproductie.

Ze ontdekten dat als fosfine werd geproduceerd in relatief kleine hoeveelheden die gelijk zijn aan de hoeveelheid methaan die tegenwoordig op aarde wordt geproduceerd, het zou een signaal in de atmosfeer produceren dat helder genoeg zou zijn om te worden gedetecteerd door een geavanceerd observatorium zoals de aanstaande James Webb Space Telescope, als die planeet binnen 5 parsec was, of ongeveer 16 lichtjaar van de aarde - een ruimtebol die een veelvoud aan sterren bedekt, waarschijnlijk het hosten van rotsachtige planeten.

Sousa-Silva zegt dat, afgezien van het vaststellen van fosfine als een levensvatbare biosignatuur in de zoektocht naar buitenaards leven, de resultaten van de groep bieden een pijplijn, of proces dat onderzoekers moeten volgen bij het karakteriseren van een van de andere 16, 000 kandidaten voor biosignaturen.

"Ik denk dat de gemeenschap moet investeren in het filteren van deze kandidaten tot een soort prioriteit, "zegt ze. "Zelfs als sommige van deze moleculen echt zwakke bakens zijn, als we kunnen vaststellen dat alleen het leven dat signaal kan uitzenden, dan heb ik het gevoel dat dat een goudmijn is."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.