Encontrar planetas potencialmente habitables más allá de nuestro Sistema Solar no es una tarea fácil. Si bien el número de planetas extrasolares confirmados ha crecido a pasos agigantados en las últimas décadas (¡3791 y contando!), La gran mayoría se ha detectado utilizando métodos indirectos. Esto significa que caracterizar las atmósferas y las condiciones de la superficie de estos planetas ha sido una cuestión de estimaciones y conjeturas.
Del mismo modo, los científicos buscan condiciones similares a las que existen aquí en la Tierra, ya que la Tierra es el único planeta que conocemos que sustenta la vida. Pero como muchos científicos han indicado, las condiciones de la Tierra han cambiado dramáticamente con el tiempo. Y en un estudio reciente, un par de investigadores argumentan que una forma más simple de formas de vida fotosintéticas puede ser anterior a las que dependen de la clorofila, lo que podría tener implicaciones drásticas en la búsqueda de exoplanetas habitables.
Como afirman en su estudio, que apareció recientemente en el Revista Internacional de Astronomía, si bien los orígenes de la vida aún no se entienden completamente, generalmente se acepta que la vida surgió entre 3.7 y 4.1 mil millones de años (durante el Hade tardío o el Eón Arqueano temprano). En este momento, la atmósfera era radicalmente diferente de la que conocemos y de la que dependemos hoy.
En lugar de estar compuesto principalmente de nitrógeno y oxígeno (~ 78% y 21% respectivamente, con gases traza que constituyen el resto), la atmósfera primitiva de la Tierra era una combinación de dióxido de carbono y metano. Y luego, hace aproximadamente 2.9 a 3.000 millones de años, aparecieron bacterias fotosintéticas que comenzaron a enriquecer la atmósfera con gas oxígeno.
Debido a este y otros factores, la Tierra experimentó lo que se conoce como el "Gran Evento de Oxidación" hace unos 2.300 millones de años, lo que alteró permanentemente la atmósfera de nuestro planeta. A pesar de este consenso general, el proceso y el cronograma en el que los organismos evolucionaron para convertir la luz solar en energía química utilizando clorofila sigue siendo objeto de muchas conjeturas.
Sin embargo, según el estudio realizado por Shiladitya DasSarma y el Dr. Edward Schwieterman, profesor de biología molecular en la Universidad de Maryland y astrobiólogo en la Universidad de California Riverside, respectivamente, un tipo diferente de fotosíntesis puede ser anterior a la clorofila. Su teoría, conocida como "Tierra Púrpura", es que los organismos que conducen la fotosíntesis usando la retina (un pigmento púrpura) surgieron en la Tierra antes que los que usan clorofila.
Esta forma de fotosíntesis todavía prevalece en la Tierra hoy y tiende a dominar en entornos hipersalinos, es decir, lugares donde las concentraciones de sal son especialmente altas. Además, la fotosíntesis dependiente de la retina es un proceso mucho más simple y menos eficiente. Fue por estas razones que DasSarma y Schwieterman consideraron la posibilidad de que la fotosíntesis basada en la retina pudiera haber evolucionado antes.
Como el profesor DasSarma le dijo a Space Magazine por correo electrónico:
“La retina es un químico relativamente simple en comparación con la clorofila. Tiene una estructura isoprenoide y hay evidencia de la presencia de estos compuestos en la Tierra primitiva, ya hace 2.5-3.7 mil millones de años. La absorción de la retina se produce en la parte amarillo verdosa del espectro visible donde se encuentra gran parte de la energía solar, y es complementaria a la absorción de clorofila en las regiones flanqueantes azules y rojas del espectro. La fototrofia basada en la retina es mucho más simple que la fotosíntesis dependiente de clorofila, ya que requiere solo las proteínas de la retina, una vesícula de membrana y la ATP sintasa para convertir la energía de la luz en energía química (ATP). Parece razonable que la fotosíntesis más simple dependiente de la retina evolucionó antes que la fotosíntesis más compleja dependiente de la clorofila ".
Además, plantearon la hipótesis de que la aparición de estos organismos habría llegado poco después del desarrollo de la vida celular, como un medio temprano para producir energía celular. Por lo tanto, la evolución de la fotosíntesis de clorofila podría verse como un desarrollo posterior que evolucionó junto con su predecesor, y ambos llenaron ciertos nichos.
"La fototrofia dependiente de la retina se usa para el bombeo de protones impulsado por la luz, lo que da como resultado un gradiente transmembrana de protón-motivo", dijo DasSarma. "El gradiente de protón-motivo puede estar químicamente acoplado a la síntesis de ATP. Sin embargo, no se ha encontrado que esté relacionado con la fijación de C o la producción de oxígeno en organismos existentes (modernos), como en plantas y cianobacterias, que usan pigmentos de clorofila para ambos procesos durante las etapas de la fotosíntesis ".
"La otra gran diferencia es el espectro de luz absorbido por las clorofilas y las rodopsinas (basadas en la retina)", agregó Schwieterman. "Mientras que las clorofilas absorben con mayor fuerza en la parte azul y roja del espectro visual, la bacteriorrodopsina absorbe con mayor fuerza en el amarillo verdoso".
Entonces, mientras que los organismos fotosintéticos impulsados por la clorofila absorben la luz roja y azul y reflejan el verde, los organismos impulsados por la retina absorben la luz verde y amarilla y reflejan el púrpura. Si bien DaSarma ha sugerido la existencia de tales organismos en el pasado, ella y el estudio de Schwieterman analizaron las posibles implicaciones que una "Tierra Púrpura" podría tener en la caza de planetas extrasolares habitables.
Gracias a décadas de observación de la Tierra, los científicos han llegado a comprender que la vegetación verde se puede identificar desde el espacio utilizando lo que se llama el borde rojo de la vegetación (VRE). Este fenómeno se refiere a cómo las plantas verdes absorben la luz roja y amarilla mientras reflejan la luz verde, mientras que al mismo tiempo brillan intensamente en las longitudes de onda infrarrojas.
Visto desde el espacio utilizando la espectroscopía de banda ancha, las grandes concentraciones de vegetación son identificables en función de su firma infrarroja. El mismo método ha sido propuesto por muchos científicos (incluido Carl Sagan) para el estudio de exoplanetas. Sin embargo, su aplicabilidad se limitaría a los planetas que también han desarrollado plantas fotosintéticas impulsadas por la clorofila, y que se distribuyen en una fracción significativa del planeta.
Además, los organismos fotosintéticos solo evolucionaron en la historia relativamente reciente de la Tierra. Mientras que la Tierra ha existido durante aproximadamente 4.600 millones de años, las plantas vasculares verdes solo comenzaron a aparecer hace 470 millones de años. Como resultado, las encuestas de exoplanetas que buscan vegetación verde solo podrían encontrar planetas habitables que están muy avanzados en su evolución. Como explicó Schwieterman:
“Nuestro trabajo se refiere al subconjunto de exoplanetas que pueden ser habitables y cuyas firmas espectrales podrían algún día ser analizadas en busca de signos de vida. El VRE como firma biológica es informado por un solo tipo de organismo: los fotosintéticos productores de oxígeno, como las plantas y las algas. Este tipo de vida es dominante en nuestro planeta hoy, pero no siempre fue así y puede que no sea el caso en todos los exoplanetas. Si bien esperamos que la vida en otros lugares tenga algunas características universales, maximizamos nuestras posibilidades de éxito en la búsqueda de vida al considerar las diversas características que los organismos en otros lugares pueden tener ".
A este respecto, el estudio de DeSharma y Schwieterman no es diferente del trabajo reciente del Dr. Ramírez (2018) y Ramírez y Lisa Kaltenegger (2017) y otros investigadores. En estos y otros estudios similares, los científicos han propuesto que el concepto de una "zona habitable" podría extenderse al considerar que la atmósfera de la Tierra fue una vez muy diferente de lo que es hoy.
Entonces, en lugar de buscar signos de oxígeno y nitrógeno, gas y agua, las encuestas podrían buscar signos de actividad volcánica (que era mucho más frecuente en el pasado de la Tierra), así como hidrógeno y metano, que eran importantes para las primeras condiciones en la Tierra. De la misma manera, según Schwieterman, podrían buscar organismos morados usando métodos similares a los que se usan para monitorear la vegetación aquí en la Tierra:
“La recolección de luz en la retina que discutimos en nuestro artículo produciría una firma distinta del VRE. Mientras que la vegetación tiene un "borde rojo" distintivo, causado por la fuerte absorción de la luz roja y el reflejo de la luz infrarroja, las bacteriorrodopsinas de membrana púrpura absorben la luz verde con mayor fuerza, produciendo un "borde verde". Las características de esta firma diferirían entre los organismos suspendidos en el agua o en la tierra, al igual que con los fotosintéticos comunes. Si los fotótrofos basados en la retina existieran con suficiente abundancia en un exoplaneta, esta firma se incluiría en el espectro de luz reflejada de ese planeta y podría verse en futuros telescopios espaciales avanzados (que también estarían buscando VRE, oxígeno, metano y otras posibles biofirmas, también) ".
En los próximos años, nuestra capacidad para caracterizar exoplanetas mejorará dramáticamente gracias a los telescopios de próxima generación como el James Webb Space Telescope (JWST), el Extremely Large Telescope (ELT), el Thirty Meter Telescope y el Giant Magellan Telescope ( GMT). Con estas capacidades adicionales y un mayor rango de lo que se debe buscar, la designación "potencialmente habitable" podría tener un nuevo significado.
