War das Leben auf der frühen Erde lila?

Frühe Lebensformen auf der Erde waren vielleicht in der Lage, Stoffwechselenergie aus Sonnenlicht zu erzeugen, indem sie ein violett pigmentiertes Molekül namens Retinal verwendet haben, das möglicherweise der Entwicklung von Chlorophyll und Photosynthese vorausgeht. Wenn sich die Netzhaut auf anderen Welten entwickelt hat, könnte sie eine ausgeprägte Biosignatur erzeugen, da sie grünes Licht absorbiert, so wie die Vegetation auf der Erde rotes und blaues Licht absorbiert.

Die Erdatmosphäre hat nicht immer erhebliche Mengen an Sauerstoff enthalten. In den ersten zwei Milliarden Jahren der Geschichte unseres Planeten war die Atmosphäre reich an Kohlendioxid und Methan, aber vor etwa 2,4 Milliarden Jahren änderte sich etwas: das Große Oxygenierungsereignis, bei dem die Menge an freiem Sauerstoff in unserer Atmosphäre dramatisch anstieg. Die Ursache dafür sind vermutlich Cyanobakterien, die mit Hilfe eines grünen Pigments namens Chlorophyll die Photosynthese – die Umwandlung von Sonnenlicht und Kohlendioxid in Stoffwechselenergie zur Herstellung von Zucker, der die Lebensprozesse anregt, und Sauerstoff als Abfallprodukt – durchführen können.

Photosynthetische Lebensformen existieren bekanntlich schon vor dem Großen Oxygenierungsereignis (GOE), schon vor 3,5 Milliarden Jahren, aber verschiedene konkurrierende – und nicht vollständig verstandene – Prozesse haben das GOE verschoben, einschließlich geologischer Mechanismen, die in der Lage waren, Sauerstoff aus der Atmosphäre zu entfernen. Der Ursprung und die Entwicklung der Photosynthese über Chlorophyll bleibt jedoch trüb. Jetzt haben Shiladitya DasSarma, Professor für Molekularbiologie an der University of Maryland, und Dr. Edward Schwieterman, Astrobiologe an der University of California, Riverside, die Idee vorgetragen, dass retinales vorzeitiges Chlorophyll und dass sich die beiden parallel entwickelten und Sonnenlicht bei komplementären Wellenlängen absorbieren. [Die Suche nach Leben auf dem Mars (Eine Foto-Timeline)]

„Der retinale phototrophe Stoffwechsel ist immer noch weltweit verbreitet, vor allem in den Ozeanen, und stellt einen der wichtigsten bioenergetischen Prozesse auf der Erde dar“, berichtet DasSarma dem Astrobiology Magazine.

Chlorophyll absorbiert Lichtpeaks bei Wellenlängen von 465nm und 665nm. Deshalb erscheinen die Blätter grün, weil sie das grüne Licht reflektieren und nicht absorbieren. Das Spektrum der Sonne erreicht jedoch eine Höhe von ~550nm, was gelbes und grünes Licht beinhaltet.

Eine Reihe von Proteinen, die Sonnenlicht absorbieren, enthalten ein Molekül Retinal, darunter ein Protein namens Bacteriorhodopsin, das Lichtpeaks bei 568 nm absorbiert, nahe der Wellenlänge, bei der die Lichtpeaks der Sonne liegen, und vor allem in dem Bereich, in dem Chlorophyll nicht absorbiert. „Genau das hat uns zu der Annahme veranlasst, dass sich die beiden Pigmente – Retinal und Chlorophyll – möglicherweise gemeinsam entwickelt haben“, sagt DasSarma, der argumentiert, dass Retinal das einfachere Molekül ist, und dass es zuerst gekommen wäre, wenn sich das Chlorophyll (das Sonnenlicht besser in Stoffwechselenergie umwandelt) danach entwickelt hätte, wobei jedes einzelne Nischen in Bezug auf das von ihm absorbierte Licht gefüllt hätte.

Experimente haben gezeigt, dass die Kombination von Bacteriorhodopsin mit einem Membranvesikel zu einem Äquivalent einer biologischen Protozelle effektiv dazu führen kann, dass Sonnenlicht in einer Zelle eingeschlossen und gespeichert wird. „Es macht Sinn, dass dies eine sehr frühe evolutionäre Erfindung war, die mit der Entwicklung der ersten Zellen zusammenfiel“, sagt DasSarma. „Mit Hilfe der Energieeinfangfähigkeit der Zellmembran kann das Membranpotenzial[der Unterschied im elektrischen Potential zwischen innerhalb und außerhalb der Zelle, der es der Zelle ermöglicht, Energie bereitzustellen] einer der wichtigsten Gründe sein, warum Zellen die grundlegende Einheit des Lebens sind“. (10 Exoplaneten, die außerirdisches Leben beherbergen könnten)

Da die Vegetation auf der Erde rotes Licht absorbiert, aber infrarotes Licht reflektiert, zeigt die Betrachtung der Vegetation mit einem Spektroskop einen dramatischen Rückgang des reflektierten Lichts bei roten Wellenlängen, eine plötzliche Abnahme, die als „roter Rand“ bezeichnet wird. Es wurde vermutet, dass Wissenschaftler bei der Erforschung des Lichtspektrums, das von potenziell bewohnbaren Exoplaneten reflektiert wird, nach einem roten Rand im Licht des Planeten suchen könnten, was eine Biosignatur wäre, die auf die Vegetation mit Chlorophyll oder seinem außerirdischen Äquivalent hinweist.

Interessanterweise, da retinale Pigmente grünes und gelbes Licht absorbieren und rotes und blaues Licht reflektieren oder durchlassen, dann würde das retinale Leben violett in der Farbe erscheinen. DasSarma und Schwieterman beschreiben einen solchen Abschnitt in der Erdgeschichte als „Purple Earth“. Da Retinal ein einfacheres Molekül als Chlorophyll ist, könnte es häufiger im Leben im Universum vorkommen, und daher könnte ein grüner Rand“ im Spektrum eines Planeten möglicherweise eine Biosignatur für das retinalbasierte Leben sein.

„Dies ist ein weiterer Bezugspunkt in einer Bibliothek mit potenziellen Biosignaturen, nach denen wir anderswo suchen können“, sagt Schwieterman.

Die Forschung wurde von der NASA Astrobiologie durch das Exobiology & Evolutionary Biology Program, das NASA Astrobiology Institute (NAI) Element des NASA Astrobiology Program und den Nexus for Exoplanet System Science (NExSS) unterstützt. NExSS ist ein Forschungskoordinationsnetzwerk der NASA, das vom NASA-Astrobiologieprogramm unterstützt wird. Dieses Programmelement wird von der Planetary Science Division (PSD) der NASA und der Astrophysikabteilung geteilt.

Diese Geschichte wurde vom Astrobiology Magazine veröffentlicht, einer webbasierten Publikation, die vom NASA-Astrobiologieprogramm gefördert wird. Diese Version der Geschichte wurde auf Space.com veröffentlicht. Folgen Sie uns oder Facebook.

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