آیا زمین آبی ما در گذشته ارغوانی رنگ بوده است؟

احتمال می‌‌رود که گونه‌‌های اولیه‌‌ی زیستی روی زمین با استفاده از یک مولکول ارغوانی‌رنگ به‌ نام رتینال، قادر به تولید انرژی متابولیک از نور خورشید بوده باشند؛ مولکولی که احتمالاً در دوره‌‌ای پیش از تکامل کلروفیل و فتوسنتز وجود داشته است. اگر رتینال در دیگر نقاط جهان نیز تکامل یافته باشد، می‌تواند یک امضای زیستی متمایز ایجاد کند؛ چرا که نور سبز را به همان شکلی جذب خواهد کرد که پوشش گیاهی روی زمین، نورهای قرمز و آبی را جذب می‌کند.

اتمسفر زمین همیشه حاوی این مقدار قابل‌توجه از اکسیژن نبوده است. در دو میلیارد سال اول از تاریخ سیاره‌‌ی ما، اتمسفر زمین غنی از دی‌اکسید کربن و متان بود؛ اما حدود ۲/۴ میلیارد سال پیش، یک تغییر رخ داد: رویداد بزرگ اکسیژن‌‌زایی که غلظت اکسیژن آزاد در اتمسفر ما را به‌‌طرز چشمگیری افزایش داد. علت این پدیده، سیانوباکتری‌‌ها بودند. این موجودات می‌‌توانند فتوسنتز کنند؛ یا به‌‌عبارتی نور خورشید و دی‌اکسید کربن را جذب کرده و از طریق ماده‌‌ی سبز رنگی به‌‌نام کلروفیل، آن را به قند (سوخت اصلی فرایندهای حیات) و اکسیژن (به‌‌عنوان محصول جانبی) تبدیل می‌‌کنند.

گونه‌های زیستی فتوسنتزکننده در ۳/۵ میلیارد سال پیش، یعنی زمانی قبل از رویداد بزرگ اکسیژن‌زایی نیز وجود داشته‌اند. اما پدیده‌‌های دیگری مانند مکانیسم‌های زمین‌شناسی که قادر به حذف اکسیژن از اتمسفر بودند، روند اکسیژن‌‌زایی را به تعویق انداختند. با این حال، منشأ و نحوه‌‌ی تکامل فوتوسنتز به‌‌وسیله‌‌ی کلروفیل، همچنان ناشناخته باقی ماند. شیلادیتیا دس‌‌سرما، استاد زیست‌شناسی مولکولی در دانشگاه مریلند به همراه دکتر ادوارد شوایترمن، اخترزیست‌‌شناس از دانشگاه کالیفرنیا در ریورساید، این ایده را مطرح کرده‌اند که رتینال پیش از پیدایش کلروفیل وجود داشته است و این دو رنگدانه درصدد جذب نور خورشید در طول‌موج‌های مکمل بوده‌‌اند.

دس‌‌سرما می‌گوید:

متابولیسم‌‌های نورپرود بر پایه‌‌ی رتینال، هنوز در سراسر جهان (به‌‌خصوص در اقیانوس‌ها) رایج هستند و یکی از مهم‌ترین فرآیندهای زیست‌‌انرژی روی کره‌‌ی زمین محسوب می‌‌شوند.

جذب نور

کلروفیل، نور را در طول‌موج‌های ۴۶۵ و ۶۶۵ نانومتر جذب می‌کند. به همین دلیل است که برگ‌ها سبز به نظر می‌رسند؛ زیرا  آن‌ها نور سبز را به‌جای جذب کردن، منعکس می‌کنند؛ با این حال، بیشترین مقادیر در طیف نور خورشید، حدود ۵۵۰ نانومتر است که شامل نور زرد و سبز می‌شود.

تعدادی از پروتئین‌ها که نور خورشید را جذب می‌کنند شامل یک مولکول رتینال هستند؛ از جمله یک پروتئین با نام bacteriorhodopsin که طول‌موج‌‌هایی با حداکثر طول‌موج ۵۶۸ نانومتر (نزدیک به حداکثر طول‌موج نور خورشید) را جذب می‌‌کنند. این طول‌موج بیشتر در محدوده‌ای است که کلروفیل قادر به جذب آن نیست. دس‌‌سرما می‌گوید که این دقیقاً همان چیزی است که باعث شد ما فکر کنیم که این دو رنگدانه‌ (رتینال و کلروفیل) ممکن است در همکاری باهم فعالیت کنند. رتینال مولکولی ساده‌‌تر است؛ از این جهت، احتمالاً زودتر از کلروفیل پدید آمده است. پس از آن، با پدید آمدن کلروفیل (که در تبدیل نور خورشید به انرژی متابولیک کارآمدتر است‌‌)، این دو با همکاری یکدیگر، بخش‌‌های مختلف از طیف نور را جذب و تبدیل کردند.

آزمایش‌ها نشان داده‌اند که با ترکیب کردن bacteriorhodopsin با غشای وزیکول می‌‌توان عملکرد یک سلول زیستی را شبیه‌‌سازی کرد؛ به‌‌گونه‌‌ای که انرژی حاصل از نور خورشید در سلول ذخیره شود. دس‌‌سرما می‌گوید که این نوآوری، نسخه‌‌ای بازسازی‌‌شده از تکامل سلول‌‌های بدوی است. اختلاف پتانسیل الکتریکی بین داخل و خارج غشا، به سلول اجازه می‌دهد تا انرژی تولید کند و این ممکن است یکی از مهم‌ترین دلایل برای این باشد که چرا سلول‌ها، واحد بنیادین زندگی محسوب می‌‌شوند.

پوشش گیاهی زمین حاوی کلروفیل است که نور قرمز و آبی را جذب می‌کند و نور سبز را بازتاب یا عبور می‌دهد؛ به همین دلیل است که برگ‌های درختان، سبز به نظر می‌رسند

لبه‌ی سبز

از آنجا که گیاهان روی زمین نور قرمز را جذب ولی نور فروسرخ را منعکس می‌کنند؛ مشاهده‌‌ی گیاهان با استفاده از طیف‌‌نما نشان می‌دهد که کاهش چشمگیری در نور بازتاب‌‌شده در طول‌موج‌های قرمز رنگ دیده می‌‌شود؛ این کاهش ناگهانی «لبه‌‌ی قرمز» نامیده می‌شود. کارشناسان پیشنهاد می‌‌کنند که در هنگام بررسی سیاراتی که امکان حیات در آن‌‌ها وجود دارد، دانشمندان باید با کاوش طیف نور منعکس‌شده از سیاره، در جستجوی یک لبه‌‌ی قرمز باشند؛ چرا که چنین نشانه‌‌ای، دال بر وجود پوشش گیاهی بر پایه‌‌ی کلروفیل یا معادل فرازمینی آن خواهد بود.

از آنجا که رتینال، نور سبز و زرد را جذب می‌کند و نور قرمز و آبی را بازتاب داده یا عبور می‌‌دهد؛ پس گونه‌‌های حیات بر پایه‌‌ی رتینال، به رنگ ارغوانی به نظر خواهد رسید. دس‌‌سرما و شوایترمن، این مرحله از تاریخ زمین را به‌‌عنوان «زمین ارغوانی» توصیف می‌کنند. از آنجا که رتینال مولکولی ساده‌تر نسبت به کلروفیل است؛ پس احتمال کشف آن به‌‌عنوان گونه‌‌های حیات رایج در دیگر سیاره‌‌ها بیشتر خواهد بود. بنابراین مشاهده‌‌ی یک «لبه‌‌ی سبز» در طیف یک سیاره، به‌‌طور بالقوه می‌تواند در حکم یک امضای زیستی برای وجود زندگی بر پایه‌‌ی رتینال باشد.

شوایترمن می‌گوید:

این کشف در حکم یک کلید مرجع دیگر در کتابخانه‌‌‌‌ی امضاهای زیستی بالقوه است که ما می‌توانیم در جاهای دیگر، به دنبال آن بگردیم.

برنامه‌‌ی زیست‌شناسی فرگشتی و فرازمینی زیست‌‌اخترشناسی ناسا، موسسه‌‌ی زیست‌‌اخترشناسی ناسا (NAI) و شبکه‌‌ی NExSS، حمایت از این پژوهش را به عهده داشتند. NExSS، یک شبکه‌‌ی هماهنگی پژوهشی در ناسا است که توسط برنامه‌‌ی زیست‌‌اخترشناسی ناسا پشتیبانی می‌شود. این بخش از برنامه‌‌، بین بخش علوم سیاره‌ای (PSD‌‌) و بخش اخترفیزیک به‌‌صورت مشترک در حال انجام است.