ziemia
Autor: Connie Chang | dodano: 2021-10-27
Czujnik życia

Latający detektor mógłby śledzić życie na Ziemi – a być może także poza nią.

Życie na naszej planecie wyróżnia się przewagą określonych form różnych cząsteczek w stosunku do ich lustrzanych odbić. Na przykład cząsteczki DNA są zawsze „prawoskrętne”, natomiast wszystkie znane formy życia do budowy białek używają tylko „lewoskrętnych” aminokwasów. Takich preferencji nie wykazuje zazwyczaj materia nieożywiona. Naukowcy oparli się na tej odmienności, konstruując przyrząd o nazwie FlyPol, który wykorzystuje światło do śledzenia życia roślin z szybko lecącego ponad kilometr nad ziemią helikoptera.

Kiedy światło odbija się od zagęszczenia cząsteczek o tej samej skrętności, zwanych cząsteczkami homochiralnymi, jego część staje się spolaryzowana kołowo. Oznacza to, że wektor pola elektrycznego lub magnetycznego odbitych fal świetlnych zakreśla korkociąg w kierunku zgodnym lub przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. FlyPol jest spektropolarymetrem, który mierzy, ile światła ulega takiemu przekształceniu, gdy odbija się ono od obszarów nasłonecznionych. Ilość tak spolaryzowanego światła obserwowanego w pewnym zakresie długości fali jest jak odcisk palca, który ujawnia nie tylko rodzaj organizmu (trawa, drzewo czy glony – FlyPol jest skalibrowany dla roślin), ale także szczegóły dotyczące jego stanu zdrowia. Źródła nieożywione dają sygnały o profilach bez dostrzegalnych cech charakterystycznych.

„Sygnał pochodzący od roślin jest silnie zależny od struktury molekularnej w większej skali” – mówi astrobiolog z Uniwersytetu Berneńskiego Lucas Patty, główny autor opisującego FlyPol artykułu, który niedawno ukazał się w czasopiśmie „Astronomy & Astrophysics”. Jeśli roślina znajduje się na przykład w stanie stresu wywołanego suszą, jej błony komórkowe mogą nieco spęcznieć”, co przejawia się w lekko spłaszczonych pikach natężenia odbitego światła. Patty twierdzi, że technika ta może pomóc w ocenie stanu zdrowotnego ekosystemów dotkniętych zmianą klimatu, wylesianiem lub rozprzestrzenianiem się gatunków inwazyjnych.

Do niedawna stabilne pomiary były możliwe tylko w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, ponieważ dotyczyły tak niewielkiej części wykrywalnego światła. Spektropolarymetr FlyPol umożliwił jednak zastosowanie aparatury laboratoryjnej w warunkach polowych. „Ogólnie rzecz biorąc, to naprawdę fajny wynik – mówi astrochemik z Massachusetts Institute of Technology Brett McGuire, który nie był zaangażowany w badania. – Badacze dość przekonująco pokazują, że potrafią odróżnić obszary, na których występuje bardzo dużo organizmów żywych, od obszarów, gdzie ich nie ma”.

Być może najbardziej pociągająca w tej metodzie jest możliwość jej użycia w przyszłości do poszukiwania życia na innych planetach. Poza cząsteczkami wytwarzanymi przez organizmy żywe, naukowcy nie znają obecnie żadnych innych mechanizmów, które wywoływałyby złożone, kołowo spolaryzowane sygnały świetlne. Chociaż życie poza Ziemią mogłoby istnieć bez cząsteczek homochiralnych, ich obecność wyraźnie wskazywałaby na coś żywego. „To jeden z niewielu sposobów wykrywania życia, który w zasadzie nie daje wyników fałszywie dodatnich” – mówi Patty. Choć zauważa, że trzeba pokonać niemałe przeszkody, zanim ta metoda detekcji stanie się możliwa do realizacji.

Według Sary Seager, astrofizyczki z MIT, która również nie brała udziału w badaniach, w przypadku skanowania z pobliża Ziemi, taki sygnał z planet krążących wokół odległych gwiazd byłby niezwykle słaby. „Trudno powiedzieć, czy dałoby się go uzyskać w następnej generacji teleskopów – mówi. – Prawdopodobnie dopiero za kilka generacji”. Seager uważa jednak, że ta metodologia i eksperyment z pomiarami flory w świecie rzeczywistym są świetnym punktem wyjścia do badania odległych światów w przyszłości.

Na razie kolejne etapy obejmują testowanie spektropolarymetru FlyPol na większej liczbie obszarów i współpracę przy opracowywaniu przyrządu do pomiaru sygnałów z Ziemi z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. „W pomiarach z ISS rozdzielczość przestrzenna nadal będzie dość wysoka” – mówi Patty. Można by zatem oczekiwać, że w pomiarach nad Amazonią uzyskamy silne sygnały, a nad Antarktydą – znikome.           


Zdjęcie: Abstract Aerial Art Getty Images

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 11/2021 »
Drukuj »
Aktualne numery
12/2021
10/2020 - specjalny
Kalendarium
Grudzień
4
W 1959 r. odbył się start statku Mercury-Little Joe 2, w 1965 r. - Gemini 7, a w 1996 r. - start sondy Mars Pathfinder.
Warto przeczytać
Fizyka kwantowa jest dziwna. Reguły świata kwantowego, według których działa świat na poziomie atomów i cząstek subatomowych, nie są tymi samymi regułami, które obowiązują w dobrze znanym nam świecie codziennych doświadczeń - regułami, które kojarzymy ze zdrowym rozsądkiem.

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Connie Chang | dodano: 2021-10-27
Czujnik życia

Latający detektor mógłby śledzić życie na Ziemi – a być może także poza nią.

Życie na naszej planecie wyróżnia się przewagą określonych form różnych cząsteczek w stosunku do ich lustrzanych odbić. Na przykład cząsteczki DNA są zawsze „prawoskrętne”, natomiast wszystkie znane formy życia do budowy białek używają tylko „lewoskrętnych” aminokwasów. Takich preferencji nie wykazuje zazwyczaj materia nieożywiona. Naukowcy oparli się na tej odmienności, konstruując przyrząd o nazwie FlyPol, który wykorzystuje światło do śledzenia życia roślin z szybko lecącego ponad kilometr nad ziemią helikoptera.

Kiedy światło odbija się od zagęszczenia cząsteczek o tej samej skrętności, zwanych cząsteczkami homochiralnymi, jego część staje się spolaryzowana kołowo. Oznacza to, że wektor pola elektrycznego lub magnetycznego odbitych fal świetlnych zakreśla korkociąg w kierunku zgodnym lub przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. FlyPol jest spektropolarymetrem, który mierzy, ile światła ulega takiemu przekształceniu, gdy odbija się ono od obszarów nasłonecznionych. Ilość tak spolaryzowanego światła obserwowanego w pewnym zakresie długości fali jest jak odcisk palca, który ujawnia nie tylko rodzaj organizmu (trawa, drzewo czy glony – FlyPol jest skalibrowany dla roślin), ale także szczegóły dotyczące jego stanu zdrowia. Źródła nieożywione dają sygnały o profilach bez dostrzegalnych cech charakterystycznych.

„Sygnał pochodzący od roślin jest silnie zależny od struktury molekularnej w większej skali” – mówi astrobiolog z Uniwersytetu Berneńskiego Lucas Patty, główny autor opisującego FlyPol artykułu, który niedawno ukazał się w czasopiśmie „Astronomy & Astrophysics”. Jeśli roślina znajduje się na przykład w stanie stresu wywołanego suszą, jej błony komórkowe mogą nieco spęcznieć”, co przejawia się w lekko spłaszczonych pikach natężenia odbitego światła. Patty twierdzi, że technika ta może pomóc w ocenie stanu zdrowotnego ekosystemów dotkniętych zmianą klimatu, wylesianiem lub rozprzestrzenianiem się gatunków inwazyjnych.

Do niedawna stabilne pomiary były możliwe tylko w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, ponieważ dotyczyły tak niewielkiej części wykrywalnego światła. Spektropolarymetr FlyPol umożliwił jednak zastosowanie aparatury laboratoryjnej w warunkach polowych. „Ogólnie rzecz biorąc, to naprawdę fajny wynik – mówi astrochemik z Massachusetts Institute of Technology Brett McGuire, który nie był zaangażowany w badania. – Badacze dość przekonująco pokazują, że potrafią odróżnić obszary, na których występuje bardzo dużo organizmów żywych, od obszarów, gdzie ich nie ma”.

Być może najbardziej pociągająca w tej metodzie jest możliwość jej użycia w przyszłości do poszukiwania życia na innych planetach. Poza cząsteczkami wytwarzanymi przez organizmy żywe, naukowcy nie znają obecnie żadnych innych mechanizmów, które wywoływałyby złożone, kołowo spolaryzowane sygnały świetlne. Chociaż życie poza Ziemią mogłoby istnieć bez cząsteczek homochiralnych, ich obecność wyraźnie wskazywałaby na coś żywego. „To jeden z niewielu sposobów wykrywania życia, który w zasadzie nie daje wyników fałszywie dodatnich” – mówi Patty. Choć zauważa, że trzeba pokonać niemałe przeszkody, zanim ta metoda detekcji stanie się możliwa do realizacji.

Według Sary Seager, astrofizyczki z MIT, która również nie brała udziału w badaniach, w przypadku skanowania z pobliża Ziemi, taki sygnał z planet krążących wokół odległych gwiazd byłby niezwykle słaby. „Trudno powiedzieć, czy dałoby się go uzyskać w następnej generacji teleskopów – mówi. – Prawdopodobnie dopiero za kilka generacji”. Seager uważa jednak, że ta metodologia i eksperyment z pomiarami flory w świecie rzeczywistym są świetnym punktem wyjścia do badania odległych światów w przyszłości.

Na razie kolejne etapy obejmują testowanie spektropolarymetru FlyPol na większej liczbie obszarów i współpracę przy opracowywaniu przyrządu do pomiaru sygnałów z Ziemi z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. „W pomiarach z ISS rozdzielczość przestrzenna nadal będzie dość wysoka” – mówi Patty. Można by zatem oczekiwać, że w pomiarach nad Amazonią uzyskamy silne sygnały, a nad Antarktydą – znikome.           


Zdjęcie: Abstract Aerial Art Getty Images