Wanneer wetenschappers jagen op leven, ze zoeken vaak naar biohandtekeningen, chemische stoffen of verschijnselen die wijzen op het bestaan ​​van het huidige of vorige leven. Toch is het niet per se zo dat de tekenen van leven op aarde tekenen zijn van leven in andere planetaire omgevingen. Hoe vinden we leven in systemen die niet op de onze lijken?

In baanbrekend nieuw werk, een team onder leiding van professor Chris Kempes van het Santa Fe Institute heeft een nieuwe ecologische biosignatuur ontwikkeld die wetenschappers kan helpen het leven in enorm verschillende omgevingen te detecteren. Hun werk verschijnt als onderdeel van een speciale uitgave van de Bulletin van wiskundige biologie verzameld ter ere van de beroemde wiskundige bioloog James D. Murray.

Het nieuwe onderzoek vertrekt vanuit het idee dat stoichiometrie, of chemische verhoudingen, kunnen dienen als biohandtekeningen. Aangezien "levende systemen opvallend consistente verhoudingen vertonen in hun chemische samenstelling, "Kampes legt uit, "we kunnen stoichiometrie gebruiken om ons te helpen leven te detecteren." Nog, als lid en donateur van de SFI Science Board, Simon Levin, verklaart, "de specifieke elementaire verhoudingen die we op aarde zien, zijn het resultaat van de specifieke omstandigheden hier, en een bepaalde reeks macromoleculen zoals eiwitten en ribosomen, die hun eigen stoichiometrie hebben." Hoe kunnen deze elementaire verhoudingen worden veralgemeend buiten het leven dat we op onze eigen planeet waarnemen?

De groep loste dit probleem op door voort te bouwen op twee wetmatige patronen, twee schaalwetten, die verstrikt zijn in elementaire verhoudingen die we op aarde hebben waargenomen. De eerste hiervan is dat in individuele cellen, stoichiometrie varieert met de celgrootte. Bij bacteriën, bijvoorbeeld, naarmate de celgrootte toeneemt, eiwitconcentraties nemen af, en RNA-concentraties nemen toe. De tweede is dat de overvloed aan cellen in een bepaalde omgeving een machtswetverdeling volgt. De derde, die volgt uit de integratie van de eerste en de tweede in een eenvoudig ecologisch model, is dat de elementaire overvloed van deeltjes tot de elementaire overvloed in de omgevingsvloeistof een functie is van de deeltjesgrootte.

Terwijl de eerste hiervan (dat elementaire verhoudingen verschuiven met de deeltjesgrootte) zorgt voor een chemische biosignatuur, het is de derde bevinding die zorgt voor de nieuwe ecologische biosignatuur. Als we aan biosignaturen denken, niet alleen in termen van afzonderlijke chemicaliën of deeltjes, en in plaats daarvan rekening te houden met de vloeistoffen waarin deeltjes verschijnen, we zien dat de chemische abundanties van levende systemen zich manifesteren in wiskundige verhoudingen tussen het deeltje en de omgeving. Deze algemene wiskundige patronen kunnen voorkomen in gekoppelde systemen die aanzienlijk verschillen van de aarde.

uiteindelijk, het theoretische kader is ontworpen voor toepassing in toekomstige planetaire missies. "Als we naar een oceaanwereld gaan en naar deeltjes kijken in samenhang met hun vloeistof, we kunnen ons afvragen of deze deeltjes een machtswet vertonen die ons vertelt dat er een opzettelijk proces is, zoals het leven, waardoor ze, " legt Heather Graham uit, Plaatsvervangend hoofdonderzoeker bij NASA's Lab voor agnostische biosignaturen, waar zij en Kempes deel van uitmaken. Om deze toegepaste stap te zetten, echter, we hebben technologie nodig om deeltjes op grootte te sorteren, die, momenteel, die hebben we niet voor ruimtevluchten. Maar de theorie is klaar, en wanneer de technologie op aarde landt, we kunnen het naar ijzige oceanen buiten ons zonnestelsel sturen met een veelbelovende nieuwe biosignatuur in de hand.