Tidiga livsformer på jorden kan ha kunnat generera metabol energi från solljus med hjälp av en lila-pigmenterad molekyl som kallas retinal och som möjligen föregår utvecklingen av klorofyll och fotosyntes. Om retinal har utvecklats på andra världar, det kan skapa en distinkt biosignatur eftersom det absorberar grönt ljus på samma sätt som vegetationen på jorden absorberar rött och blått ljus.

Jordens atmosfär har inte alltid innehållit betydande mängder syre. Under de första två miljarderna åren av vår planets historia, atmosfären var rik på koldioxid och metan, men för omkring 2,4 miljarder år sedan förändrades något:den stora syresättningshändelsen som såg att mängden fritt syre i vår atmosfär ökade dramatiskt. Orsaken till detta tros vara cyanobakterier, som kan utföra fotosyntes – omvandlingen av solljus och koldioxid till metabol energi för att producera sockerarter som underblåser livets processer, och syre som en "avfallsprodukt" – med ett grönt pigment som kallas klorofyll.

Fotosyntetiska livsformer är kända för att ha funnits före Great Oxygenation Event (GOE), så långt tillbaka som för 3,5 miljarder år sedan, men olika konkurrerande – och inte helt förstådda – processer sköt upp GOE, inklusive geologiska mekanismer som kunde ta bort syre från atmosfären. Dock, ursprunget och utvecklingen av fotosyntes via klorofyll förblir grumlig. Nu, Shiladitya DasSarma, som är professor i molekylärbiologi vid University of Maryland, och Dr Edward Schwieterman, en astrobiolog vid University of California, Riverside, har lagt fram idén att retinal föregick klorofyll, och att de två utvecklades i tandem, absorberar solljus vid komplementära våglängder.

"Netthinnebaserade fototrofiska metabolismer är fortfarande vanliga över hela världen, speciellt i haven, och representerar en av de viktigaste bioenergetiska processerna på jorden, " berättar DasSarma Astrobiologi Magazine .

Absorberande ljus

Klorofyll absorberar ljus som toppar vid våglängder på 465nm och 665nm. Det är därför bladen ser gröna ut, eftersom de reflekterar grönt ljus istället för att absorbera det. Dock, solens spektrum toppar vid ~550nm, som inkluderar gult och grönt ljus.

Ett antal proteiner som absorberar solljus innehåller en molekyl av retinal, inklusive ett protein som heter bakteriohodopsin som absorberar ljus med en topp vid 568 nm, nära den våglängd vid vilken solens ljus toppar, och framför allt i det intervall som klorofyll inte absorberas i. "Det här är precis vad som fick oss att tro att de två pigmenten – retinal och klorofyll – kan ha utvecklats samtidigt, " säger DasSarma, som hävdar att eftersom retinal är den enklare molekylen, det skulle ha kommit först, med klorofyll (som är mer effektivt för att omvandla solljus till metabol energi) som utvecklas efteråt, med varje fyllning olika nischer vad gäller ljuset de absorberar.

Experiment har visat att kombination av bakteriodopsin med en membranvesikel för att bilda ekvivalenten till en biologisk protocell effektivt kan resultera i att solljus fångas och lagras i en cell. "Det är vettigt att detta var en mycket tidig evolutionär uppfinning som sammanföll med utvecklingen av de första cellerna, " säger DasSarma." Genom att använda cellmembranets energifångande förmåga, membranpotentialen [skillnaden i elektrisk potential mellan inuti och utanför cellen, att låta cellen tillhandahålla energi] kan representera en av de viktigaste anledningarna till att celler är livets grundläggande enhet."

Den gröna kanten

Eftersom växtlighet på jorden absorberar rött ljus, men reflekterar infrarött ljus, att titta på vegetation med ett spektroskop avslöjar en dramatisk nedgång i reflekterat ljus vid röda våglängder, en plötslig minskning som kallas den "röda kanten". Det har föreslagits att när man undersöker spektrumet av ljus som reflekteras från potentiellt beboeliga exoplaneter, forskare kunde leta efter en röd kant i planetens ljus, som skulle vara en biosignatur som indikerar vegetation som använder klorofyll, eller dess utomjordiska motsvarighet.

Spännande nog, eftersom retinala pigment absorberar grönt och gult ljus, och reflekterar eller sänder rött och blått ljus, då skulle näthinnebaserat liv se lila ut. DasSarma och Schwieterm beskriver ett sådant skede i jordens historia som en "lila jord". Eftersom retinal är en enklare molekyl än klorofyll, då kan det vara vanligare i livet i universum, och därför kan en "grön kant" i en planets spektrum potentiellt vara en biosignatur för näthinnebaserat liv.

"Detta är ytterligare en referenspunkt i ett bibliotek med potentiella biosignaturer som vi kan söka efter någon annanstans, säger Schwieterman.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av NASAs Astrobiology Magazine. Utforska jorden och bortom på www.astrobio.net.