Origins of life-forskere udvikler en ny økologisk biosignatur

Når videnskabsmænd jager efter livet, de leder ofte efter biosignaturer, kemikalier eller fænomener, der indikerer eksistensen af ​​nuværende eller tidligere liv. Alligevel er det ikke nødvendigvis sådan, at tegnene på liv på Jorden er tegn på liv i andre planetariske miljøer. Hvordan finder vi liv i systemer, der ikke ligner vores?

I banebrydende nyt arbejde, et hold ledet af Santa Fe Institute Professor Chris Kempes har udviklet en ny økologisk biosignatur, der kan hjælpe forskere med at opdage liv i vidt forskellige miljøer. Deres arbejde vises som en del af et særnummer af Bulletin for matematisk biologi indsamlet til ære for den berømte matematiske biolog James D. Murray.

Den nye forskning tager udgangspunkt i ideen om, at støkiometri, eller kemiske forhold, kan fungere som biosignaturer. Da "levende systemer viser slående konsistente forhold i deres kemiske sammensætning, " forklarer Kempes, "vi kan bruge støkiometri til at hjælpe os med at opdage liv." Endnu, som SFI Science Board medlem og bidragyder, Simon Levin, forklarer, "de særlige grundstofforhold, vi ser på Jorden, er resultatet af de særlige forhold her, og et bestemt sæt makromolekyler som proteiner og ribosomer, som har deres egen støkiometri." Hvordan kan disse elementære forhold generaliseres ud over det liv, vi observerer på vores egen planet?

Gruppen løste dette problem ved at bygge på to lovlignende mønstre, to skaleringslove, der er viklet ind i elementære forhold, vi har observeret på Jorden. Den første af disse er, at i individuelle celler, støkiometri varierer med cellestørrelse. I bakterier, for eksempel, når cellestørrelsen øges, proteinkoncentrationer falder, og RNA-koncentrationerne stiger. Den anden er, at overfloden af ​​celler i et givet miljø følger en magtlovfordeling. Den tredje, som følger af at integrere den første og den anden i en simpel økologisk model, er, at grundstofmængden af ​​partikler til grundstofmængden i miljøvæsken er en funktion af partikelstørrelsen.

Mens den første af disse (at grundstofforhold skifter med partikelstørrelsen) giver en kemisk biosignatur, det er det tredje fund, der giver den nye økologiske biosignatur. Hvis vi tænker på biosignaturer ikke blot i form af enkelte kemikalier eller partikler, og i stedet tage højde for de væsker, hvori partikler forekommer, vi ser, at levende systemers kemiske overflod viser sig i matematiske forhold mellem partiklen og miljøet. Disse generelle matematiske mønstre kan dukke op i koblede systemer, der adskiller sig væsentligt fra Jorden.

Ultimativt, den teoretiske ramme er designet til anvendelse i fremtidige planetariske missioner. "Hvis vi går til en havverden og ser på partikler i sammenhæng med deres væske, vi kan begynde at spørge, om disse partikler udviser en magtlov, der fortæller os, at der er en bevidst proces, som livet, laver dem, " forklarer Heather Graham, Stedfortrædende hovedefterforsker ved NASAs laboratorium for agnostiske biosignaturer, som hun og Kempes er en del af. For at tage dette anvendte skridt, imidlertid, vi har brug for teknologi til at sortere partikler, hvilken, i øjeblikket, vi har ikke til rumflyvning. Alligevel er teorien klar, og når teknologien lander på Jorden, vi kan sende det til iskolde oceaner ud over vores solsystem med en lovende ny biosignatur i hånden.