När forskare jagar efter livet, de letar ofta efter biosignaturer, kemikalier eller fenomen som indikerar existensen av nuvarande eller tidigare liv. Ändå är det inte nödvändigtvis så att tecknen på liv på jorden är tecken på liv i andra planetariska miljöer. Hur hittar vi liv i system som inte liknar vårt?

I banbrytande nytt arbete, ett team under ledning av Santa Fe Institute Professor Chris Kempes har utvecklat en ny ekologisk biosignatur som kan hjälpa forskare att upptäcka liv i väldigt olika miljöer. Deras arbete visas som en del av ett specialnummer av Bulletin of Mathematical Biology insamlad för att hedra den berömda matematiska biologen James D. Murray.

Den nya forskningen tar sin utgångspunkt från idén att stökiometri, eller kemiska förhållanden, kan fungera som biosignaturer. Eftersom "levande system visar slående konsekventa förhållanden i sin kemiska sammansättning, Kempes förklarar, "vi kan använda stökiometri för att hjälpa oss att upptäcka liv." Än, som SFI Science Board ledamot och bidragsgivare, Simon Levin, förklarar, "de speciella elementära förhållandena vi ser på jorden är resultatet av de speciella förhållandena här, och en speciell uppsättning makromolekyler som proteiner och ribosomer, som har sin egen stökiometri." Hur kan dessa elementära förhållanden generaliseras bortom det liv som vi observerar på vår egen planet?

Gruppen löste detta problem genom att bygga på två lagliknande mönster, två skalningslagar, som är intrasslade i elementära förhållanden som vi har observerat på jorden. Den första av dessa är att i enskilda celler, stökiometri varierar med cellstorlek. I bakterier, till exempel, när cellstorleken ökar, proteinkoncentrationen minskar, och RNA-koncentrationerna ökar. Den andra är att mängden celler i en given miljö följer en kraftlagsfördelning. Den tredje, som följer av att integrera den första och andra i en enkel ekologisk modell, är att den elementära mängden av partiklar till den elementära mängden i omgivningsvätskan är en funktion av partikelstorleken.

Medan den första av dessa (att elementära förhållanden skiftar med partikelstorlek) ger en kemisk biosignatur, det är det tredje fyndet som gör den nya ekologiska biosignaturen. Om vi ​​tänker på biosignaturer inte bara i termer av enskilda kemikalier eller partiklar, och istället ta hänsyn till vätskorna i vilka partiklar förekommer, vi ser att de levande systemens kemiska överflöd manifesterar sig i matematiska förhållanden mellan partikeln och miljön. Dessa generella matematiska mönster kan dyka upp i kopplade system som skiljer sig väsentligt från jorden.

I sista hand, det teoretiska ramverket är designat för tillämpning i framtida planetariska uppdrag. "Om vi ​​går till en havsvärld och tittar på partiklar i sammanhang med deras vätska, vi kan börja fråga om dessa partiklar uppvisar en kraftlag som säger oss att det finns en avsiktlig process, som livet, gör dem, " förklarar Heather Graham, Biträdande huvudutredare vid NASA:s Lab for Agnostic Biosignatures, som hon och Kempes är en del av. För att ta detta tillämpade steg, dock, vi behöver teknik för att sortera partiklar i storlek, som, just nu, vi har inte för rymdfärd. Men teorin är klar, och när tekniken landar på jorden, vi kan skicka den till isiga hav bortom vårt solsystem med en lovande ny biosignatur i handen.