ildelugtende, giftigt molekyle kan være et sikkert tegn på udenjordisk liv

Fosfin er blandt de mest stinkende, de mest giftige gasser på jorden, fundet nogle af de dårligste steder, inklusive pingvinmøgdynger, dybet af sumpe og moser, og endda i tarmene på nogle grævlinger og fisk. Denne rådne "sumpgas" er også meget brandfarlig og reagerer med partikler i vores atmosfære.

Det meste liv på jorden, specifikt alle aerobic, iltåndende liv, ønsker intet at gøre med fosfin, hverken producerer det eller stoler på det for at overleve.

Nu har MIT-forskere fundet ud af, at fosphin produceres af en anden, mindre udbredt livsform:anaerobe organismer, såsom bakterier og mikrober, der ikke kræver ilt for at trives. Holdet fandt ud af, at phosphin ikke kan produceres på nogen anden måde end ved disse ekstreme, ilt-averse organismer, gør phosphin til en ren biosignatur - et tegn på liv (i det mindste af en vis art).

I et papir for nylig offentliggjort i tidsskriftet Astrobiologi , forskerne rapporterer, at hvis fosphin blev produceret i mængder svarende til metan på Jorden, gassen ville generere et signaturmønster af lys i en planets atmosfære. Dette mønster ville være tydeligt nok til at detektere fra så langt som 16 lysår væk med et teleskop som det planlagte James Webb-rumteleskop. Hvis der opdages fosfin fra en stenet planet, det ville være et umiskendeligt tegn på udenjordisk liv.

"Her på jorden, ilt er et virkelig imponerende tegn på liv, " siger hovedforfatter Clara Sousa-Silva, en forsker i MIT's Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber. "Men andre ting udover livet laver også ilt. Det er vigtigt at overveje fremmede molekyler, som måske ikke laves så ofte, men hvis du finder dem på en anden planet, der er kun én forklaring."

Avisens medforfattere inkluderer Sukrit Ranjan, Janusz Petkowski, Zhuchang Zhan, William Bains, og Sara Seager, klassen af ​​1941 professor i jord, Atmosfærisk, og planetariske videnskaber ved MIT, samt Renyu Hu hos Caltech.

Kæmpe maver

Sousa-Silva og hendes kolleger er ved at samle en database med fingeraftryk for molekyler, der kunne være potentielle biosignaturer. Holdet har samlet mere end 16, 000 kandidater, inklusive fosfin. Langt de fleste af disse molekyler mangler endnu at blive karakteriseret fuldt ud, og hvis videnskabsmænd skulle opdage nogen af ​​dem i en exoplanets atmosfære, de ville stadig ikke vide, om molekylerne var et tegn på liv eller noget andet.

Men med Sousa-Silvas nye papir, videnskabsmænd kan være sikre på fortolkningen af ​​mindst ét ​​molekyle:phosphin. Avisens hovedkonklusion er, at hvis der påvises fosfin i en nærliggende, stenet planet, den planet må huse liv af en eller anden art.

Forskerne kom ikke let frem til denne konklusion. I de sidste 10 år, Sousa-Silva har viet sit arbejde til fuldt ud at karakterisere fejlen, giftig gas, først ved metodisk at dechifrere phosphins egenskaber, og hvordan det er kemisk adskilt fra andre molekyler.

I 1970'erne, phosphin blev opdaget i atmosfæren i Jupiter og Saturn - uhyre varme gasgiganter. Forskere formodede, at molekylet spontant blev kastet sammen i maven på disse gasgiganter og, som Sousa-Silva beskriver, "voldeligt opgravet af enorme, konvektive storme på størrelse med planeten."

Stadig, man vidste ikke meget om fosfin, og Sousa-Silva viede sit kandidatarbejde ved University College of London til at fastgøre fosfins spektrale fingeraftryk. Fra sit specialearbejde, hun fastslog de nøjagtige bølgelængder af lys, som phosphin skulle absorbere, og det ville mangle fra alle atmosfæriske data, hvis gassen var til stede.

Under sin ph.d. hun begyndte at undre sig:Kunne der ikke kun produceres fosphin i de ekstreme miljøer af gasgiganter, men også af livet på jorden? På MIT, Sousa-Silva og hendes kolleger begyndte at besvare dette spørgsmål.

"Så vi begyndte at indsamle hver eneste omtale af fosfin, der blev opdaget overalt på Jorden, og det viser sig, at alle steder, hvor der ikke er ilt, har fosphin, som sumpe og moser og søsedimenter og prutter og tarme af alting, "Siger Sousa-Silva. "Pludselig gav det hele mening:Det er et virkelig giftigt molekyle for alt, der kan lide ilt. Men for livet, der ikke kan lide ilt, det ser ud til at være et meget nyttigt molekyle."

"Intet andet end livet"

Erkendelsen af, at phosphin er forbundet med anaerobt liv, var et fingerpeg om, at molekylet kunne være en levedygtig biosignatur. Men for at være sikker, gruppen måtte udelukke enhver mulighed for, at fosphin kunne produceres af andet end liv. At gøre dette, de brugte de sidste mange år på at køre mange arter af fosfor, fosfins væsentlige byggesten, gennem en udtømmende, teoretisk analyse af kemiske veje, under stadig mere ekstreme scenarier, for at se, om fosfor kunne blive til fosphin på en hvilken som helst abiotisk (hvilket betyder ikke-livsskabende) måde.

Fosfin er et molekyle lavet af et fosfor og tre hydrogenatomer, som normalt ikke foretrækker at mødes. Det kræver enorme mængder energi, såsom i de ekstreme miljøer inden for Jupiter og Saturn, at smadre atomerne med tilstrækkelig kraft til at overvinde deres naturlige aversion. Forskerne udarbejdede de kemiske veje og termodynamik involveret i flere scenarier på Jorden for at se, om de kunne producere nok energi til at omdanne fosfor til fosphin.

"På et tidspunkt så vi på stadigt mindre plausible mekanismer, som hvis tektoniske plader gned mod hinanden, kunne du få en plasmagnist, der genererede phosphin? Eller hvis lynet ramte et sted, der havde fosfor, eller en meteor havde et fosforindhold, kunne det have en effekt at lave fosphin? Og vi gennemgik flere år af denne proces for at finde ud af, at intet andet end liv laver påviselige mængder fosphin."

fosfin, de fandt, har ingen signifikante falske positiver, hvilket betyder, at enhver påvisning af fosphin er et sikkert tegn på liv. Forskerne undersøgte derefter, om molekylet kunne spores i en exoplanets atmosfære. De simulerede atmosfæren af ​​idealiserede, iltfattig, terrestriske exoplaneter af to typer:hydrogenrige og kuldioxidrige atmosfærer. De tilførte simuleringen forskellige hastigheder af fosphinproduktion og ekstrapolerede, hvordan en given atmosfæres lysspektrum ville se ud givet en vis hastighed af fosphinproduktion.

De fandt ud af, at hvis fosphin blev produceret i relativt små mængder svarende til mængden af ​​metan, der produceres på Jorden i dag, det ville producere et signal i atmosfæren, der ville være tydeligt nok til at blive opdaget af et avanceret observatorium såsom det kommende James Webb Space Telescope, hvis den planet var inden for 5 parsecs, eller omkring 16 lysår fra Jorden - en rumkugle, der dækker et væld af stjerner, sandsynligvis vært for klippeplaneter.

Sousa-Silva siger, at bortset fra at etablere phosphin som en levedygtig biosignatur i søgen efter udenjordisk liv, gruppens resultater giver en pipeline, eller proces for forskere at følge i karakteriseringen af ​​en hvilken som helst anden af ​​de andre 16, 000 biosignaturkandidater.

"Jeg tror, ​​samfundet skal investere i at filtrere disse kandidater ned i en eller anden form for prioritet, " siger hun. "Selv om nogle af disse molekyler er virkelig dunkle beacons, hvis vi kan bestemme, at kun livet kan udsende det signal, så føler jeg, at det er en guldgrube."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.