Naarmate nieuwe en krachtigere telescopen de komende jaren gaan knipperen, astronomen zullen de megascopen kunnen richten op nabijgelegen exoplaneten, in hun atmosfeer turen om hun samenstelling te ontcijferen en tekenen van buitenaards leven te zoeken. Maar stel je voor dat, bij onze zoektocht, we kwamen wel buitenaardse organismen tegen, maar herkenden ze niet als echt leven.

Dat is een vooruitzicht dat astronomen als Sara Seager hopen te vermijden. Zeeger, de klasse van 1941 hoogleraar planetaire wetenschap, Natuurkunde, en luchtvaart en ruimtevaart aan het MIT, is verder kijken dan een 'terra-centrische' kijk op het leven en een breder net werpen voor wat voor soort omgevingen buiten de onze eigenlijk bewoonbaar zouden kunnen zijn.

In een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd: Natuurastronomie , zij en haar collega's hebben in laboratoriumstudies waargenomen dat microben kunnen overleven en gedijen in atmosferen die worden gedomineerd door waterstof - een omgeving die enorm verschilt van de stikstof- en zuurstofrijke atmosfeer van de aarde.

Waterstof is een veel lichter gas dan stikstof of zuurstof, en een atmosfeer die rijk is aan waterstof zou zich veel verder uitstrekken van een rotsachtige planeet. Het zou daarom gemakkelijker kunnen worden opgemerkt en bestudeerd door krachtige telescopen, vergeleken met planeten met compactere, Aardachtige atmosferen.

De resultaten van Seager laten zien dat eenvoudige vormen van leven planeten met waterstofrijke atmosferen kunnen bewonen, wat suggereert dat zodra telescopen van de volgende generatie zoals NASA's James Webb Space Telescope beginnen te werken, astronomen willen misschien eerst zoeken naar door waterstof gedomineerde exoplaneten op tekenen van leven.

"Er is een diversiteit aan bewoonbare werelden, en we hebben bevestigd dat leven op aarde kan overleven in waterstofrijke atmosferen, Seager zegt. "We moeten dat soort planeten zeker toevoegen aan het menu met opties als we denken aan leven op andere werelden, en daadwerkelijk proberen te vinden."

Seager's MIT co-auteurs op het papier zijn Jingcheng Huang, Janusz Petkowski, en Mihkel Pajusalu.

Evoluerende sfeer

In de vroege aarde, miljarden jaren geleden, de atmosfeer zag er heel anders uit dan de lucht die we vandaag inademen. De jonge planeet moest nog zuurstof ontvangen, en was samengesteld uit een soep van gassen, inclusief kooldioxide, methaan, en een zeer kleine fractie waterstof. Waterstofgas bleef mogelijk miljarden jaren in de atmosfeer hangen, tot wat bekend staat als de Grote Oxidatie Gebeurtenis, en de geleidelijke ophoping van zuurstof.

De kleine hoeveelheid waterstof die vandaag overblijft, wordt verbruikt door bepaalde oude lijnen van micro-organismen, inclusief methanogenen - organismen die in extreme klimaten leven, zoals diep onder ijs, of in woestijngrond, en waterstof opslokken, samen met kooldioxide, methaan te produceren.

Wetenschappers bestuderen routinematig de activiteit van methanogenen die in laboratoriumomstandigheden zijn gekweekt met 80 procent waterstof. Maar er zijn maar heel weinig studies die de tolerantie van andere microben voor waterstofrijke omgevingen onderzoeken.

"We wilden aantonen dat leven overleeft en kan groeien in een waterstofatmosfeer, "zegt Seager.

Een waterstofkopruimte

Het team ging naar het laboratorium om de levensvatbaarheid van twee soorten microben in een omgeving van 100 procent waterstof te bestuderen. De organismen die ze kozen waren de bacterie Escherichia coli, een eenvoudige prokaryoot, en gist, een meer complexe eukaryoot, die niet waren onderzocht in door waterstof gedomineerde omgevingen.

Beide microben zijn standaardmodelorganismen die wetenschappers lang hebben bestudeerd en gekarakteriseerd, die de onderzoekers hielpen bij het ontwerpen van hun experiment en het begrijpen van hun resultaten. Bovendien, E.coli en gist kunnen overleven met en zonder zuurstof - een voordeel voor de onderzoekers, omdat ze hun experimenten met beide organismen in de open lucht konden voorbereiden voordat ze naar een waterstofrijke omgeving werden overgebracht.

In hun experimenten, ze kweekten afzonderlijk culturen van gist en E. coli, vervolgens de culturen met de microben in afzonderlijke flessen geïnjecteerd, gevuld met een "bouillon, " of een voedingsrijke cultuur die de microben zouden kunnen voeden. Ze spoelden vervolgens de zuurstofrijke lucht in de flessen weg en vulden de resterende "kopruimte" met een bepaald gas van belang, zoals een gas van 100 procent waterstof. Vervolgens plaatsten ze de flessen in een incubator, waar ze zachtjes en continu werden geschud om de vermenging tussen de microben en voedingsstoffen te bevorderen.

Elk uur, een teamlid verzamelde monsters van elke fles en telde de levende microben. Ze bleven tot 80 uur bemonsteren. Hun resultaten vertegenwoordigden een klassieke groeicurve:aan het begin van de proef, de microben groeiden snel in aantal, het voeden van de voedingsstoffen en het bevolken van de cultuur. Eventueel, het aantal microben vlakte af. De bevolking, nog steeds bloeiend, was stabiel, terwijl nieuwe microben bleven groeien, ter vervanging van de overledenen.

Seager erkent dat biologen de resultaten niet verrassend vinden. Ten slotte, waterstof is een inert gas, en is als zodanig niet inherent giftig voor organismen.

"Het is niet alsof we de hoofdruimte hebben gevuld met een gif, "zegt Seager. "Maar zien is geloven, Rechtsaf? Als niemand ze ooit heeft bestudeerd, vooral eukaryoten, in een door waterstof gedomineerde omgeving, je zou het experiment willen doen om het te geloven."

Ze maakt ook duidelijk dat het experiment niet bedoeld was om aan te tonen of microben afhankelijk kunnen zijn van waterstof als energiebron. Liever, het punt was meer om aan te tonen dat een atmosfeer van 100 procent waterstof bepaalde vormen van leven niet zou schaden of doden.

"Ik denk niet dat het bij astronomen is opgekomen dat er leven zou kunnen zijn in een waterstofomgeving, " zegt Seager, die hoopt dat de studie overspraak tussen astronomen en biologen zal aanmoedigen, vooral als het zoeken naar bewoonbare planeten, en buitenaards leven, loopt op.

Een waterstofwereld

Astronomen zijn niet goed in staat om de atmosferen van kleine, rotsachtige exoplaneten met de tools die vandaag beschikbaar zijn. De weinige, nabije rotsplaneten die ze hebben onderzocht, hebben ofwel geen atmosfeer of zijn misschien gewoon te klein om te detecteren met de momenteel beschikbare telescopen. En hoewel wetenschappers veronderstelden dat planeten waterstofrijke atmosferen zouden moeten herbergen, geen enkele werkende telescoop heeft de resolutie om ze te spotten.

Maar als observatoria van de volgende generatie zulke door waterstof gedomineerde aardse werelden uitkiezen, De resultaten van Seager laten zien dat er een kans is dat het leven van binnen kan gedijen.

Wat een rotsachtig, waterstofrijke planeet eruit zou zien, ze roept een vergelijking op met de hoogste top van de aarde, Mount Everest. Wandelaars die proberen naar de top te wandelen, hebben geen lucht meer, vanwege het feit dat de dichtheid van alle atmosferen exponentieel afneemt met de hoogte, en gebaseerd op de drop-off afstand voor onze door stikstof en zuurstof gedomineerde atmosfeer. Als een wandelaar de Everest zou beklimmen in een atmosfeer die wordt gedomineerd door waterstof - een gas dat 14 keer lichter is dan stikstof - zou ze 14 keer hoger kunnen klimmen voordat ze zonder lucht komt te zitten.

"Het is nogal moeilijk om je hoofd erbij te houden, maar dat lichte gas maakt de atmosfeer alleen maar groter, " legt Seager uit. "En voor telescopen, hoe groter de atmosfeer wordt vergeleken met de achtergrond van de ster van een planeet, hoe gemakkelijker het is om op te sporen."

Als wetenschappers ooit de kans krijgen om zo'n waterstofrijke planeet te bemonsteren, Seager stelt zich voor dat ze een oppervlak kunnen ontdekken dat anders is, maar niet onherkenbaar van onszelf.

"We stellen ons voor dat als je in het oppervlak boort, het zou waarschijnlijk waterstofrijke mineralen bevatten in plaats van wat we geoxideerde mineralen noemen, en ook oceanen, omdat we denken dat al het leven een of andere vloeistof nodig heeft, en je zou waarschijnlijk nog steeds een blauwe lucht kunnen zien, "zegt Seager. "We hebben niet over het hele ecosysteem nagedacht. Maar het hoeft niet per se een andere wereld te zijn."