אנו ממתינים בסבלנות לטלסקופים כמו טלסקופ החלל ג'יימס ווב לראות אור ראשון, ואחת הסיבות היא היכולת שלו לחקור את האטמוספרות של כוכבי לכת חיצוניים. הרעיון הוא לחפש חתימה ביולוגית s: דברים כמו חמצן ומתאן. אבל מחקר חדש אומר שכוכבי לכת עם מימן באטמוספירה שלהם הם מקום טוב לחפש חיים חייזרים.
הרעיון הזה נוגד את הדעות. לא נהוג לחשוב על מימן כעל ביולוגי, למרות שחיידקים מסוימים מייצרים אותו כשהם מפרקים חומר אורגני. אבל ישנן סיבות אחרות שהופכות כוכבי לכת עם מימן באטמוספרה למטרות מוצקות בחיפוש אחר חיים.
העיתון החדש נקרא ' מחקרי מעבדה על כדאיות החיים ב-H2אטמוספרות אקסופלנטות נשלטות .' המחברת הראשית היא שרה סיגר, אסטרופיזיקאית ידועה ומדענית פלנטרית ב-MIT. המאמר מתפרסם בכתב העת Nature Astronomy.
'יש מגוון של עולמות ראויים למגורים בחוץ, ואישרנו שחיים מבוססי כדור הארץ יכולים לשרוד באטמוספרות עשירות במימן.'
שרה סיגר, מחברת ראשית, MIT.
כפי שסיגר ושותפיה מציינים, אטמוספרות מימן הן מקום רצוי לחפש בו סימני חיים. זה לא בגלל שהמימן עצמו מעיד בהכרח על נוכחות חיים. הסיבה לכך היא שמימן קל בהרבה מיסודות כמו חנקן וחמצן, הנמצאים באטמוספירה של כדור הארץ. זה אומר שאטמוספרות מימן משתרעות הרבה יותר לחלל, ונחקרות בקלות רבה יותר עם הטלסקופים שלנו.
טלסקופ החלל ג'יימס ווב של נאס'א יהיה מסוגל למדוד את הספקטרום של האטמוספרות של כוכבי לכת דמויי כדור הארץ המקיפים כוכבים קטנים. קרדיט: נאס'א, נורת'רופ גרומן
כפי שכותבים המחברים, 'אטמוספירות כוכבי הלכת הסלעיות הנגישות ביותר מבחינה תצפיתית הן אלו שנשלטות על ידי גז מימן מולקולרי, מכיוון שהצפיפות הנמוכה של H2גז מוביל לאווירה נרחבת'.
אמירה זו אינה שנויה במחלוקת בשום צורה. אבל האם החיים יכולים לשרוד בסביבה כזו? 'עם זאת, היכולת של החיים לעמוד בסביבות אקזוטיות כאלה לא נבדקה בהקשר זה', כותבים החוקרים. וזה מביא אותנו לבשר הלימוד.
'אנחנו מדגימים שמיקרואורגניזמים חד-תאיים (אי קוליושמרים) שבדרך כלל אינם מאכלסים את ח2-סביבות נשלטות יכולות לשרוד ולגדול ב-100% H2אווירה', הם כותבים. משם מצביעים המדענים על מגוון הגזים שמיקרואורגניזמים יכולים לייצר באווירת מימן.
'אנחנו גם מתארים את המגוון המדהים של עשרות גזים שונים המיוצרים על ידיאי - קולי, כולל רבים שכבר הוצעו כגזים ביולוגיים פוטנציאליים...' כותבים סיגר ועמיתיה. זה כולל רשימת כביסה של חתימות ביולוגיות: תחמוצת חנקן, אמוניה, מתנתיול, דימתיל סולפיד, קרבוניל גופרתי ואיסופרן.
המדענים מציינים כי אלו הן תוצאות מעבדה, והם אומרים שניסוי מעבדה כמו שלהם יכול לעזור לזהות אילו אטמוספרות חייזרים עשויות לארח חיים ניתנים לזיהוי.
ב ידיעה לתקשורת , אמר סיגר: 'יש מגוון של עולמות ראויים למגורים בחוץ, ואישרנו שחיים מבוססי כדור הארץ יכולים לשרוד באטמוספרות עשירות במימן. אנחנו בהחלט צריכים להוסיף כוכבי לכת מהסוג הזה לתפריט האפשרויות כשחושבים על חיים בעולמות אחרים, ובעצם מנסים למצוא אותם'.
בעבר העמוק של כדור הארץ, האטמוספירה הייתה שונה בהרבה מהיום. לא היה חמצן, והאטמוספירה הכילה פחמן דו חמצני, מתאן וכמות קטנה של מימן. ואז הגיע מה שמכונה ה אירוע חמצון נהדר (GOE), או כפי שכמה טיפוסים דרמטיים אוהבים לקרוא לזה, 'שואת החמצן'.
מדעני MIT אומרים שאירוע החמצן הגדול (GOE), תקופה שלדעת מדענים סימנה את תחילת הנוכחות הקבועה של החמצן באטמוספירה, החלה כבר לפני 2.33 מיליארד שנים. קרדיט: MIT
במהלך ה-GOE, ההיסטוריה של כדור הארץ שינתה מסלול. לפני כ-2.4 מיליארד שנים, עדויות מראות שחמצן מולקולרי החל להצטבר באטמוספירה. לאותו חמצן היה מקור ביולוגי: ציאנובקטריה.
ציאנובקטריה, או אצות כחולות-ירקות, היו בין צורות החיים הראשונות של כדור הארץ. כשהם שינו את האטמוספירה לאטמוספרה מחמצנת, חיים אחרים נכחדו. למעשה, כמעט כל החיים על פני כדור הארץ באותה תקופה נכחדו, ובמקביל נסללה הדרך לחיים רב-תאיים.
אבל גם אחרי ה-GOE, מימן השתהה באטמוספירה של כדור הארץ. וכמה קווי חיים עתיקים, כולל מתנוגנים , לצרוך אותו. מתנוגנים חיים בסביבות קיצוניות על פני כדור הארץ, מקומות כמו מעיינות חמים, עמוק באדמה מדברית, עמוק בקרח ובפתחי אוורור הידרותרמיים. שם הם אוכלים מימן ופחמן דו חמצני, ומייצרים מתאן.
המעיין הפריזמטי הגדול בפארק הלאומי ילוסטון. מחצלות מיקרוביאליות של אקסטרמופילים יוצרים את הצבעים הכתומים מסביב לקצה. קרדיט תמונה: מאת Jim Peaco, National Park Service - http://www.nps.gov/features/yell/slidefile/thermalfeatures/hotspringsterraces/midwaylower/Images/17708.jpgהועבר מויקיפדיה האנגלית, העלאה מקורית 1 באפריל 2004 על ידי ChrisO , תחום ציבורי, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=326389
מתנוגנים נחקרים היטב, ומדענים יודעים שהם יכולים לגדול ב-80% אטמוספרות מימן, לפחות במעבדות. אבל לפי ההודעה לעיתונות, אין הרבה מחקרים שחוקרים כיצד חיידקים אחרים יכולים לסבול סביבות עשירות במימן.
'רצינו להדגים שהחיים שורדים ויכולים לצמוח באווירת מימן', אומר סיגר.
במאמר הצוות מתאר כיצד כוכבי לכת סלעיים יכולים להיות מימן באטמוספירה שלהם:
- כדור הארץ עלול להכיל מימן באטמוספירה שלהם עקב יציאת גז, או מלכידת אותו מהדיסקים הפרו-כוכביים שלהם בזמן היווצרותם. 'ייתכן שכוכבי לכת אקזו-כוכבים של כדור הארץ לכדו ח2-האטמוספירה מהדיסק הפרוטופלנטרי, בניגוד לכוכבי לכת שיצרו H2אווירה מיציאת גז', כותבים המחברים.
- ייתכן שנוצרו כוכבי לכת קטנים פחות מכ-1.7 רדיוסי כדור הארץ עם H2אטמוספרות ושמרו עליהן, בתנאי שכוכבי הלכת מכילים מספיק Fe מהיווצרות, בתנאי שהכוכב מכיל גם מים והמים וה-Fe מגיבים.
- כוכבי לכת הרחוקים יותר מהכוכבים שלהם עשויים להיות מסוגלים להחזיק במימן שלהם, אותו ניתן להסיר על ידי קרינת כוכבים.
המחברים מראים שלכוכבי לכת שונים יכולים להיות מימן באטמוספרות שלהם באמצעות תהליכים ומצבים שונים. התרשמות האמן ממערכת של כוכבי לכת חיצוניים המקיפים כוכב ננס אדום במסה נמוכה. קרדיט: NASA/JPL
'בהתחשב בעובדות שכוכבי לכת סלעיים עם H2סביר להניח שקיימות אטמוספרות נשלטות, שאטמוספרות כוכבי לכת כאלה נראות בקלות רבה יותר מאשר N2- או CO2-אטמוספרות נשלטות, וכי הטלסקופים של הדור הבא עם יכולת לחקור אטמוספרות של כוכבי לכת סלעיים יגיעו לאינטרנט בשנים הקרובות, חשוב להעריך את כדאיות החיים של כוכבי לכת כאלה', כותבים המחברים.
הצוות התמקד בשני אורגניזמים כדי לראות אם הם יכולים להיות קיימא באווירה של 100% מימן: הפרוקריוטה הפשוטהאי קולי, ואיקריוט מורכב יותר, שמרים. שניהם אורגניזמים מובנים היטב שמדענים חקרו במשך זמן רב. זה מקל על עיצוב ניסויים.
הצוות גידל תרבויות נפרדות הן של שמרים והןאי - קולי. אחר כך הם הניחו את התרבויות בתוך בקבוקים המכילים מרק של חומרים עשירים בחומרים מזינים שהאורגניזם יכול להאכיל ממנו. לאחר מכן, הם הוציאו את החמצן מהבקבוקים והחליפו אותו בגזים שונים בעלי עניין, למשל 100% מימן.
המחשה של הניסוי. קרדיט תמונה: Seager et al, 2020.
בכל שעה, הם הוציאו דגימה מהבקבוקים, וספרו את החיידקים החיים. תהליך הדגימה נמשך עד 80 שעות. בהתחלה הייתה תנופת אוכלוסיה, שכן החיידקים צרכו במהירות את החומרים המזינים. ואז האוכלוסייה התאזנה. לאחר מכן הוא נשאר יציב כאשר חיידקים חדשים החליפו את המתים.
'אנחנו מחשיבים 100% H טהור2אווירה כשליטה; אם החיים יכולים לשרוד ב-100% H2אווירה אז הוא יכול לשרוד גם ב-H2אווירה נשלטת', כותבים המחברים. 'אנחנו מראים ש-100% H2לאטמוספירה אין השפעות מזיקות על מיקרואורגניזמים שבדרך כלל אינם מאכלסים את H2-תנאים עשירים.' בטבע, סביר להניח שאין כוכבי לכת עם 100% אטמוספרות מימן.
'אני לא חושב שאסטרונומים חשבו שיכולים להיות חיים בסביבת מימן.'
שרה סיגר, מחברת ראשית, MIT.
אף אחד בצוות לא הופתע מהתוצאות, והם גם לא ציפו שמישהו אחר יופתע. מימן אינו רעיל לאורגניזמים, למרות שהוא אינו גז אינרטי. ובכל זאת, הניסוי חשוב כדי להוכיח את הנקודה.
'זה לא שמילאנו את חלל הראש ברעל', אומר סיגר. 'אבל לראות זה להאמין, נכון? אם אף אחד מעולם לא חקר אותם, במיוחד אוקריוטים, בסביבה הנשלטת במימן, היית רוצה לעשות את הניסוי כדי להאמין בזה.'
עקומות הגדילה של E. coli (משמאל) ושמרים (מימין.) קרדיט תמונה: Seager et al, 2020
כמובן, המימן עצמו אינו מקור מזון לחיידקים. זו לא הייתה כוונת הניסוי. החוקרים רצו להראות שחיים יכולים להתקיים בסביבת מימן, בתנאי שיש להם מקור מזון, ושאטמוספירת מימן אינה מונעת אפשרות של חיים.
'אני לא חושב שעלה בדעתם של אסטרונומים שיכולים להיות חיים בסביבת מימן', אומר סיגר.
המפתח למחקר הזה הוא לא שהמימן תומך בחיים. זה שאטמוספרות מימן הרבה יותר קלות לראות עם טלסקופים, כי הן רחבות יותר. אז כשמחפשים מטרות למציאת חתימות ביולוגיות, אולי כדאי לסקור כוכבי לכת עם אטמוספרות מימן.
'זה קצת קשה להסתיר את הראש, אבל הגז הקל הזה רק הופך את האווירה למרחיבה יותר', מסביר סיגר. 'ועבור טלסקופים, ככל שהאטמוספירה גדולה יותר בהשוואה לרקע של כוכב של כוכב לכת, כך קל יותר לזהות אותה.'