Jorden är den enda livsuppehållande planeten vi känner till, så det är frestande att använda den som standard i sökandet efter liv någon annanstans. Men den moderna jorden kan inte fungera som en grund för att utvärdera exoplaneter och deras potential att stödja liv. Jordens atmosfär har förändrats radikalt under sina 4,5 miljarder år.
Ett bättre sätt är att avgöra vilka biomarkörer som fanns i jordens atmosfär i olika skeden av dess utveckling och bedöma andra planeter utifrån det.
Det är vad en grupp forskare från Storbritannien och USA gjorde. Deras forskning har titeln "Den tidiga jorden som en analog för exoplanetär biogeokemi", och den visas på pre-print-servern arXiv . Huvudförfattare är Eva E. Stüeken, Ph.D. student vid School of Earth &Environmental Sciences, University of St Andrews, Storbritannien.
När jorden bildades för cirka 4,5 miljarder år sedan var dess atmosfär ingenting som den är idag. På den tiden var atmosfären och haven syrefria. För cirka 2,4 miljarder år sedan började fritt syre ackumuleras i atmosfären under den stora syresättningshändelsen, en av de avgörande perioderna i jordens historia. Men syret kom från själva livet, vilket betyder att liv fanns när jordens atmosfär var mycket annorlunda.
Detta är inte det enda exemplet på hur jordens atmosfär har förändrats under geologisk tid. Men det är lärorikt och visar varför att söka efter liv betyder mer än att bara söka efter en atmosfär som den moderna jordens. Om det var så vi genomförde sökningen skulle vi missa världar där fotosyntesen ännu inte hade dykt upp.
I sin forskning påpekar författarna hur jorden var värd för en rik och utvecklande population av mikrober under olika atmosfäriska förhållanden i miljarder år.
"Under större delen av denna tid har jorden varit bebodd av en rent mikrobiell biosfär om än med till synes ökande komplexitet över tiden", skriver författarna. "Ett rikt register över denna geobiologiska utveckling under större delen av jordens historia ger således insikter i fjärrupptäckbarheten av mikrobiellt liv under en mängd olika planetariska förhållanden."
Det är inte bara livet som har förändrats med tiden. Plattektoniken har förändrats och kan ha varit tektonik av "stagnerande lock" under lång tid. I stagnerande locktektonik rör sig plattorna inte horisontellt. Det kan få konsekvenser för atmosfärens kemi.
Huvudpoängen är att jordens atmosfär inte återspeglar solnebulosan som planeten bildades i. Flera sammanflätade processer har förändrat atmosfären över tiden. Sökandet efter liv innebär inte bara en bättre förståelse av dessa processer, utan även hur man identifierar vilket stadium exoplaneter kan vara i.
Det är axiomatiskt att biologiska processer kan ha en dramatisk effekt på planetariska atmosfärer. "På den moderna jorden är atmosfärens sammansättning mycket starkt styrd av livet", skriver forskarna. "Men varje potentiell atmosfärisk biosignatur måste lossas från en bakgrund av abiotiska (geologiska och astrofysiska) processer som också bidrar till planetariska atmosfärer och som skulle dominera på livlösa världar och på planeter med en mycket liten biosfär."
Författarna beskriver vad de säger är de viktigaste lärdomarna som den tidiga jorden kan lära oss om sökandet efter liv.
Den första är att jorden faktiskt har haft tre olika atmosfärer genom sin långa historia. Den första kom från solnebulosan och försvann strax efter att planeten bildades. Det är den primära atmosfären. Den andra bildades från avgasning från planetens inre.
Den tredje, jordens moderna atmosfär, är komplex. Det är en balansgång som involverar liv, plattektonik, vulkanism och till och med atmosfärisk flykt. En bättre förståelse för hur jordens atmosfär har förändrats över tid ger forskare en bättre förståelse för vad de ser i exoplanetatmosfärer.
Den andra är att ju längre vi ser tillbaka i tiden, desto mer förändras eller förstörs bergrekordet för jordens tidiga liv. Vårt bästa bevis tyder på att liv fanns för 3,5 miljarder år sedan, kanske till och med för 3,7 miljarder år sedan. Om så är fallet kan det första livet ha funnits i en värld täckt av hav, utan kontinentala landmassor och bara vulkaniska öar.
Om det hade funnits riklig vulkanisk och geologisk aktivitet för mellan 3,5 och 3,7 miljarder år sedan, skulle det ha varit stora flöden av CO2 och H2 . Eftersom dessa är substrat för metanogenes, kan metan ha funnits rikligt i atmosfären och kan detekteras.
Den tredje lärdomen som författarna skisserar är att en planet kan vara värd för syreproducerande liv under lång tid innan syre kan upptäckas i en atmosfär. Forskare tror att syrehaltig fotosyntes uppstod på jorden i mitten av arkeiska eonen. Archean sträckte sig från 4 miljarder till 2,5 miljarder år sedan, så mitten av Arkean är någon gång runt 3,25 miljarder år sedan. Men syre kunde inte ackumuleras i atmosfären förrän den stora syresättningshändelsen för cirka 2,4 miljarder år sedan.
Syre är en kraftfull biomarkör, och om det finns i en exoplanets atmosfär, skulle det vara anledning till spänning. Men livet på jorden fanns länge innan atmosfäriskt syre hade kunnat upptäckas.
Den fjärde lektionen handlar om uppkomsten av horisontell plattektonik och dess effekt på kemin. "Från GOE och framåt såg jorden tektoniskt lik ut idag", skriver författarna. Haven var sannolikt stratifierade i ett anoxiskt skikt och ett syresatt ytskikt. Men hydrotermisk aktivitet introducerade ständigt järnhaltigt järn i haven. Det ökade sulfatnivåerna i havsvattnet vilket minskade metanet i atmosfären. Utan det metanet skulle jordens biosfär ha varit mycket mindre detekterbar.
"Planeten Jorden har utvecklats under de senaste 4,5 miljarder åren från en helt anoxisk planet med möjligen en annan tektonisk regim till den syresatta världen med horisontell plattektonik som vi känner till idag", förklarar författarna. All den komplexa evolutionen tillät liv att dyka upp och frodas, men det gör också det mer komplicerat att upptäcka tidigare biosfärer på exoplaneter.
Vi är i ett stort underläge i sökandet efter liv på exoplaneter. Vi kan bokstavligen gräva i jordens urgamla sten för att försöka reda ut den långa historien om livet på jorden och hur atmosfären utvecklats under miljarder år. När det kommer till exoplaneter har vi bara teleskop. Allt kraftfullare teleskop, men teleskop ändå. Medan vi börjar utforska vårt eget solsystem, särskilt Mars och de lockande havsmånarna som kretsar kring gasjättarna, är andra solsystem utom vår fysiska räckvidd.
"Vi måste istället på distans känna igen förekomsten av främmande biosfärer och karakterisera deras biogeokemiska cykler i planetspektra erhållna med stora mark- och rymdbaserade teleskop", skriver författarna. "Dessa teleskop kan undersöka atmosfärens sammansättning genom att detektera absorptionsegenskaper förknippade med specifika gaser." Att undersöka atmosfäriska gaser är vår mest kraftfulla metod just nu, vilket JWST visar.
Men när forskare får bättre verktyg kommer de att börja gå bortom atmosfärskemi. "Vi kanske också kan känna igen ytegenskaper i global skala, inklusive ljusinteraktion med fotosyntetiska pigment och 'glimt' som uppstår från spegelreflektion av ljus från ett flytande hav."
Att förstå vad vi ser i exoplanetatmosfärer är parallellt med vår förståelse av jordens långa historia. Jorden kan vara nyckeln till vårt bredda och accelererande sökande efter liv.
"Att reda ut detaljerna i jordens komplexa biogeokemiska historia och dess förhållande till fjärrobservbara spektralsignaler är en viktig faktor för instrumentdesign och vårt eget sökande efter liv i universum", skriver författarna.
Mer information: Eva E. Stüeken et al, Den tidiga jorden som en analog för exoplanetär biogeokemi, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2404.15432
Tillhandahålls av Universe Today
