Fosfin är bland de illaluktande, de mest giftiga gaserna på jorden, finns på några av de fulaste platserna, inklusive pingvindyngshögar, djupet av träsk och myrar, och även i tarmen på några grävlingar och fiskar. Denna ruttna "träskgas" är också mycket brandfarlig och reaktiv med partiklar i vår atmosfär.

Mest liv på jorden, speciellt alla aerobic, syreandande liv, vill inte ha något med fosfin att göra, varken producerar det eller förlitar sig på det för att överleva.

Nu har MIT-forskare funnit att fosfin produceras av en annan, mindre riklig livsform:anaeroba organismer, som bakterier och mikrober, som inte kräver syre för att trivas. Teamet fann att fosfin inte kan produceras på något annat sätt förutom genom dessa extremer, syreaversa organismer, att göra fosfin till en ren biosignatur – ett livstecken (åtminstone av ett visst slag).

I en artikel som nyligen publicerats i tidskriften Astrobiologi , forskarna rapporterar att om fosfin producerades i mängder liknande metan på jorden, gasen skulle generera ett signaturmönster av ljus i en planets atmosfär. Detta mönster skulle vara tillräckligt tydligt för att upptäcka så långt som 16 ljusår bort med ett teleskop som det planerade rymdteleskopet James Webb. Om fosfin upptäcks från en stenig planet, det skulle vara ett omisskännligt tecken på utomjordiskt liv.

"Här på jorden, syre är ett riktigt imponerande tecken på liv, " säger huvudförfattaren Clara Sousa-Silva, en forskare vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärs- och planetvetenskap. "Men andra saker förutom livet gör också syre. Det är viktigt att tänka på främmande molekyler som kanske inte görs så ofta, men om du hittar dem på en annan planet, det finns bara en förklaring."

Tidningens medförfattare inkluderar Sukrit Ranjan, Janusz Petkowski, Zhuchang Zhan, William Bains, och Sara Seager, klassen av 1941 professor i jorden, Atmosfärisk, och planetära vetenskaper vid MIT, samt Renyu Hu på Caltech.

Jätte magar

Sousa-Silva och hennes kollegor håller på att sammanställa en databas med fingeravtryck för molekyler som kan vara potentiella biosignaturer. Laget har samlat mer än 16, 000 kandidater, inklusive fosfin. De allra flesta av dessa molekyler har ännu inte karakteriserats fullt ut, och om forskare skulle upptäcka någon av dem i en exoplanets atmosfär, de skulle fortfarande inte veta om molekylerna var ett tecken på liv eller något annat.

Men med Sousa-Silvas nya tidning, forskare kan vara säkra på tolkningen av minst en molekyl:fosfin. Tidningens huvudsakliga slutsats är att om fosfin upptäcks i en närliggande, stenig planet, den planeten måste hysa liv av något slag.

Forskarna kom inte lättvindigt till denna slutsats. De senaste 10 åren, Sousa-Silva har ägnat sitt arbete åt att helt karakterisera foulen, giftig gas, först genom att metodiskt dechiffrera fosfins egenskaper och hur det är kemiskt skilt från andra molekyler.

På 1970-talet fosfin upptäcktes i Jupiters och Saturnus atmosfärer – oerhört heta gasjättar. Forskare förmodade att molekylen spontant kastades ihop i magen på dessa gasjättar och, som Sousa-Silva beskriver, "våldsamt muddrad upp av enorma, konvektiva stormar av planetstorlek."

Fortfarande, inte mycket var känt om fosfin, och Sousa-Silva ägnade sitt examensarbete vid University College of London åt att fästa fosfins spektrala fingeravtryck. Från hennes examensarbete, hon spikade fast de exakta våglängderna av ljus som fosfin ska absorbera, och det skulle saknas i alla atmosfäriska data om gasen var närvarande.

Under sin doktorsexamen, hon började undra:Kan fosfin produceras inte bara i gasjättarnas extrema miljöer, men också av livet på jorden? Vid MIT, Sousa-Silva och hennes kollegor började svara på denna fråga.

"Så vi började samla in varenda omnämnande av fosfin som detekteras var som helst på jorden, och det visar sig att var som helst där det inte finns något syre har fosfin, som träsk och träskmarker och sjösediment och pruttar och tarmar av allt, "Säger Sousa-Silva. "Plötsligt var allt vettigt:Det är en riktigt giftig molekyl för allt som gillar syre. Men för livet som inte gillar syre, det verkar vara en mycket användbar molekyl."

"Ingenting annat än livet"

Insikten om att fosfin är associerad med anaerobt liv var en ledtråd om att molekylen kunde vara en livskraftig biosignatur. Men för att vara säker, gruppen var tvungen att utesluta varje möjlighet att fosfin kunde produceras av något annat än liv. Att göra detta, de tillbringade de senaste åren med att köra många arter av fosfor, fosfins väsentliga byggsten, genom en uttömmande, teoretisk analys av kemiska vägar, under allt mer extrema scenarier, för att se om fosfor skulle kunna förvandlas till fosfin på något abiotiskt (vilket betyder icke-livsgenererande) sätt.

Fosfin är en molekyl gjord av en fosfor och tre väteatomer, som normalt inte föredrar att gå ihop. Det tar enorma mängder energi, som i de extrema miljöerna inom Jupiter och Saturnus, att krossa atomerna med tillräckligt med kraft för att övervinna deras naturliga motvilja. Forskarna utarbetade de kemiska vägarna och termodynamiken som är involverade i flera scenarier på jorden för att se om de kunde producera tillräckligt med energi för att omvandla fosfor till fosfin.

"Vid någon tidpunkt tittade vi på allt mindre rimliga mekanismer, som om tektoniska plattor gnuggade mot varandra, kan du få en plasmagnista som genererade fosfin? Eller om blixten träffade någonstans som hade fosfor, eller en meteor hade en fosforhalt, kan det generera en effekt att tillverka fosfin? Och vi gick igenom flera år av den här processen för att komma på att inget annat än livet gör detekterbara mängder fosfin."

fosfin, de hittade, har inga signifikanta falska positiva resultat, vilket betyder att varje upptäckt av fosfin är ett säkert livstecken. Forskarna undersökte sedan om molekylen kunde detekteras i en exoplanets atmosfär. De simulerade atmosfären av idealiserade, syrefattig, terrestra exoplaneter av två typer:vätgasrika och koldioxidrika atmosfärer. De matade in i simuleringen olika hastigheter för fosfinproduktion och extrapolerade hur en given atmosfärs ljusspektrum skulle se ut givet en viss fosfinproduktionshastighet.

De fann att om fosfin producerades i relativt små mängder motsvarande mängden metan som produceras på jorden idag, det skulle producera en signal i atmosfären som skulle vara tydlig nog att upptäckas av ett avancerat observatorium som det kommande rymdteleskopet James Webb, om den planeten var inom 5 parsecs, eller cirka 16 ljusår från jorden – en sfär av rymden som täcker en mängd stjärnor, troligen värd för steniga planeter.

Sousa-Silva säger att, förutom att etablera fosfin som en livskraftig biosignatur i sökandet efter utomjordiskt liv, gruppens resultat ger en pipeline, eller process för forskare att följa för att karakterisera någon annan av de andra 16, 000 biosignaturkandidater.

"Jag tror att samhället måste investera i att filtrera ned dessa kandidater till någon sorts prioritet, " säger hon. "Även om några av dessa molekyler är riktigt svaga fyrljus, om vi kan avgöra att bara livet kan sända ut den signalen, då känner jag att det är en guldgruva."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.