ไอโซพรีน: ศักยภาพในฐานะสัญญาณบ่งชี้ชีวภาพ
สูตรอย่างง่าย ของ ไอโซพรีน(isoprene) C5H8 และสูตรโครงสร้าง
คงไม่ผิดที่จะบอกว่าการศึกษาดาวเคราะห์นอกระบบ(extrasolar planets) เพิ่งมีอย่างล้นหลามในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา จนถึงบัดนี้ มีการยืนยันดาวเคราะห์นอกระบบแล้ว 4375 ดวง ในระบบดาวเคราะห์ 3247 แห่ง โดยมีว่าที่ดาวเคราะห์อีก 5856 ดวงรอคอยการยืนยัน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมานี้ การศึกษาดาวเคราะห์นอกระบบได้เริ่มเปลี่ยนผ่านจากกระบวนการค้นหา สู่การจำแนกคุณลักษณะ กระบวนการนี้คาดว่าจะช่วยเร่งการพัฒนากล้องโทรทรรศน์รุ่นต่อไป
ด้วยเหตุนี้ นักดาราศาสตร์ชีววิทยาที่กำลังทำงานเพื่อสร้างบัญชีรายชื่อ สัญญาณชีวภาพ(biosignature) ที่มีศักยภาพอย่างบูรณาการ ซึ่งเป็นสารประกอบและกระบวนการทางเคมีที่เกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิต เช่น ออกซิเจน, คาร์บอนไดออกไซด์, น้ำ เป็นต้น แต่จากงานวิจัยใหม่ที่ทำโดยทีมจากสถาบันเทคโนโลจีแห่งแมสซาชูเสตต์หรือ เอ็มไอที สัญญาณชีวภาพที่มีศักยภาพอีกชนิดที่เราควรจะมองหาก็คือ ไฮโดรคาร์บอนชนิดหนึ่งที่เรียกว่า ไอโซพรีน(isoprene; C5H8)
การศึกษาเพื่ออธิบายการค้นพบนี้ “Assessment of Isoprene as a Possible Biosignature Gas in Exoplanets with Anoxic Atmospheres” เพิ่งเผยแพร่ออนไลน์และจะเผยแพร่ในวารสาร Astrobiology สำหรับการศึกษานี้ ทีมเอ็มไอทีได้พิจารณาเพิ่มเติมสัญญาณชีวภาพที่เป็นไปได้ที่นักดาราศาสตร์ควรจะมองหาในอนาคตอันใกล้นี้ จนถึงบัดนี้ ดาวเคราะห์นอกระบบส่วนใหญ่ที่ถูกพบและยืนยันแล้วโดยใช้วิธีการทางอ้อม ส่วนใหญ่ นักดาราศาสตร์พึ่งพาวิธีการตรวจสอบปริมาณแสงในช่วงเวลาที่เกิดการผ่านหน้า(transit photometry) และวิธีการความเร็วแนวสายตา(radial velocity method) ซึ่งตรวจสอบสเปคตรัมจากปรากฏการณ์
ดอปเปลอร์ อย่างใดอย่างหนึ่งหรือร่วมกัน มีแต่ไม่กี่ดวงที่ถูกพบโดยการถ่ายภาพโดยตรง(direct imaging) ซึ่งทำให้ยากมากๆ ที่จะแจกแจงคุณลักษณะชั้นบรรยากาศและพื้นผิวของดาวเคราะห์นอกระบบได้
transmission spectroscopy เป็นการตรวจสอบสเปคตรัมของแสงดาวเมื่อผ่านชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ จะปรากฏเส้นสเปคตรัมของสารเคมีในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์เพิ่มเติมขึ้นมา
มีเพียงโอกาสที่หาได้ยากที่นักดาราศาสตร์จะสามารถเก็บสเปคตรัมที่ช่วยให้พวกเขาได้ตรวจสอบองค์ประกอบเคมีในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ ซึ่งอาจเป็นได้ทั้งผลจากแสงที่ผ่านทะลุชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ในระหว่างที่มันผ่านหน้าดาวฤกษ์แม่ หรือในไม่กี่กรณีเมื่อการถ่ายภาพโดยตรงเกิดขึ้นและสามารถศึกษาแสงที่สะท้อนออกจากชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ได้
สิ่งเหล่านี้โดยมากถูกจำกัดโดยความสามารถของกล้องโทรทรรศน์ปัจจุบัน ซึ่งไม่ได้มีความละเอียดสูงพอที่จะสำรวจดาวเคราะห์หินขนาดเล็กกว่าซึ่งโคจรอยู่ใกล้ดาวฤกษ์แม่มากกว่าได้ นักดาราศาสตร์และนักดาราศาสตร์ชีววิทยาเชื่อว่าเป็นดาวเคราะห์ชนิดเหล่านี้ที่เป็นไปได้มากที่สุดที่จะเอื้ออาศัยได้ แต่แสงใดๆ ที่สะท้อนออกจากพื้นผิวและชั้นบรรยากาศของพวกมันก็ถูกกลบด้วยแสงจ้าจากดาวฤกษ์
อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้จะเปลี่ยนไปในอีกไม่นานนี้เมื่อเครื่องมือรุ่นต่อไปอย่าง กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ จะออกสู่อวกาศ Sara Seager ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ที่เอ็มไอที นำทีมวิจัยที่รับผิดชอบ(เรียกเล่นๆ ว่าทีมซีเกอร์) และเป็นผู้เขียนร่วมรายงานฉบับใหม่ ได้เล่าผ่านอีเมล์ว่า ด้วยการส่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ที่จะเกิดขึ้นในเดือนตุลาคม 2021 เราจะสามารถสำรวจก๊าซสัญญาณชีวภาพได้เป็นครั้งแรก แต่มันก็จะเป็นงานหินเนื่องจากสัญญาณชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์หินขนาดเล็กนั้นอ่อนแอเกินกว่าจะใช้งานได้เลย ด้วยกล้องเวบบ์บนอวกาศจำนวนผู้คนที่ทำงานกับดาราศาสตร์แขนงนี้ก็จะเพิ่มขึ้นอย่างมากมาย การศึกษาอย่างเช่นงานที่จะเกิดกับก๊าซสัญญาณชีวภาพที่มีศักยภาพชนิดใหม่นี้ และงานอื่นๆ ที่แสดงถึงสัญญาณบวกลวง แม้แต่กับก๊าซอย่างออกซิเจน
เมื่อปล่อยกล้องเวบบ์ออกไป มันจะสามารถสำรวจเอกภพของเราด้วยความยาวคลื่นที่มากขึ้น(ในช่วงอินฟราเรดใกล้และกลาง) และด้วยความไวที่สูงขึ้นอย่างมาก กล้องยังต้องพึ่งพาเครื่องมือสเปคโตรกราฟชุดหนึ่งที่จะเก็บข้อมูลองค์ประกอบ เช่นเดียวกับ โคโรนากราฟ(coronagraph) ที่จะใช้กันแสงจ้าของดาวฤกษ์แม่ เทคโนโลจีนี้จะช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้แจกแจงคุณลักษณะชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์หินขนาดเล็กกว่าได้
ผลที่ได้ ข้อมูลนี้จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้ตีวงความสามารถในการเอื้ออาศัยได้ของดาวเคราะห์นอกระบบดวงใดๆ ได้แคบลง และอาจจะแม้แต่นำไปสู่การตรวจสอบสัญญาณชีวภาพที่ทราบดี สัญญาณชีวภาพเหล่านี้ยังรวมถึงตัวบ่งชี้ทางเคมีที่เกี่ยวข้องกับชีวิตและกระบวนการทางชีววิทยา ไม่รวมถึงชนิดของสภาวะที่ทำให้เกิดสิ่งนี้ นี่รวมถึงก๊าซออกซิเจน ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตเกือบทุกรูปแบบบนโลก และถูกสร้างโดยสิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์แสงได้(พืช, ต้นไม้, แบคทีเรียสีเขียวแกมน้ำเงิน เป็นต้น) สิ่งมีชีวิตคล้ายๆ กันเหล่านี้ใช้คาร์บอนไดออกไซด์(CO2) เป็นแหล่งอาหาร ซึ่งเป็นของเสียที่สิ่งมีชีวิตที่ใช้ออกซิเจน(O2) ปล่อยออกมา และยังมีน้ำ(H2O) ซึ่งจำเป็นต่อชีวิตที่เรารู้จัก และมีเธน(CH4) ซึ่งปล่อยออกมาจากการผุพังของสสารอินทรีย์
ดาวเคราะห์นอกระบบทั้งสามดวงเพื่อเปรียบเทียบว่าชั้นบรรยากาศจะดูแตกต่างกันได้แค่ไหน จากสารเคมีที่มีอยู่และพลังงานที่ได้รับจากดาวฤกษ์แม่
เนื่องจากเชื่อกันว่ากิจกรรมภูเขาไฟแสดงบทบาทสำคัญในการสร้างความสามารถในการเอื้ออาศัยได้ของดาวเคราะห์ ผลผลิตพลอยได้ทางเคมีที่เกี่ยวข้องกับกิจกรรมภูเขาไฟ เช่น ไฮโดรเจนซัลไฟด์(H2S), กำมะถันไดออกไซด์(SO2) คาร์บอนมอนอกไซด์(CO) ก๊าซไฮโดรเจน(H2) เป็นต้น ก็น่าจะถูกจัดเป็นสัญญาณชีวภาพด้วย สำหรับบัญชีรายชื่อนี้ Zhan, Seager และเพื่อนร่วมงานต้องการที่จะเพิ่มสัญญาณชีวภาพอื่นๆ ที่เป็นไปได้ ก็คือ ไอโซพรีน ตามที่ Zhang อธิบายได้ในอิเมล์ว่า กลุ่มงานวิจัยของเราที่เอ็มไอทีมุ่งเป้าไปที่ใช้ความพยายามอย่างทุ่มเทเพื่อสำรวจก๊าซทั้งหมดที่เป็นไปได้ที่จะเป็นก๊าซสัญญาณชีวภาพ งานของเราก่อนหน้านี้นำไปสู่การสร้างฐานข้อมูลโมเลกุลขนาดเล็กซะทั้งหมด เราเดินหน้าด้วยการกลั่นกรองฐานข้อมูล ASM เพื่อจำแนกว่าที่ก๊าซสัญญาณชีวภาพที่สมเหตุสมผลที่สุด หนึ่งในนั้นก็คือไอโซพรีน
เช่นเดียวกับลูกพี่ลูกน้อง มีเธน ไอโซพรีนก็เป็นโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนอินทรีย์ที่ถูกสร้างเป็นผลิตภัณฑ์ทุติยภูมิจากเมตาบอลิซึมโดยสิ่งมีชีวิตต่างๆ บนโลก นอกเหนือจากต้นไม้ที่ผุพังแล้ว ไอโซพรีนยังถูกผลิตโดยสิ่งมีชีวิตที่มีวิวัฒนาการแตกต่างอย่างกว้างขวาง เช่น แบคทีเรีย, พืช และสัตว์ ตามที่ Seager อธิบาย นี่ทำให้มันเป็นสัญญาณชีวภาพที่มีศักยภาพ ไอโซพรีนน่าสนใจก็เพราะมันถูกสร้างโดยสิ่งมีชีวิตจำนวนมากมายบนโลก มากพอๆ กับการผลิตมีเธน ยิ่งกว่านั้น มีสิ่งมีชีวิตหลากหลายรูปแบบที่มีวิวัฒนาการห่างไกลจากกันและกันอย่างมาก ได้สร้างไอโซพรีนขึ้น ซึ่งบอกว่ามันอาจจะเป็นวัตถุดิบหลักที่สิ่งมีชีวิตในแห่งหนอื่นก็อาจจะสร้างขึ้นได้ด้วย
ในขณะที่บนโลกมีไอโซพรีนมากพอๆ กับมีเธน ไอโซพรีนก็ถูกทำลายโดยปฏิกิริยากับออกซิเจน และ อนุมูลที่มีออกซิเจนอยู่ ด้วยเหตุนี้ ทีมจึงเลือกมุ่งเป้าไปที่ชั้นบรรยากาศที่มีออกซิเจนต่ำ ซึ่งเป็นสภาพแวดล้อมที่อุดมไปด้วยก๊าซไฮโดรเจน, คาร์บอนไดออกไซด์ และก๊าซไนโตรเจน ซึ่งคล้ายกับชั้นบรรยากาศในยุคดึกดำบรรพ์
วัฏจักรของไอโซพรีนนั้นคล้ายกับวัฏจักรของมีเธน แต่มีความหลากหลายของสิ่งมีชีวิตผู้ผลิตที่กว้างกว่ามาก
จากการค้นพบ ดาวเคราะห์โบราณ(ซึ่งชีวิตกำลังเริ่มต้นอุบัติขึ้น) น่าจะมีไอโซพรีนจำนวนมากในชั้นบรรยากาศ นี่อาจเกิดกับโลกเมื่อราว 4 ถึง 2.5 พันล้านปีก่อน เมื่อสิ่งมีชีวิตเซลส์เดียวเป็นชีวิตเพียงรูปแบบเดียว และหลังจากนั้น แบคทีเรียสีเขียวแกมน้ำเงินที่สังเคราะห์แสงก็ค่อยๆ เปลี่ยนชั้นบรรยากาศโลก ให้กลายเป็นชั้นบรรยากาศที่อุดมด้วยออกซิเจน เมื่อ 2.5 พันล้านปีก่อน เกิดเหตุการณ์ที่เรียกว่า เหตุการณ์การเพิ่มออกซิเจนในชั้นบรรยากาศโลกครั้งใหญ่(Great Oxygenation Event; GOE) ซึ่งออกซิเจนเป็นพิษต่อสิ่งมีชีวิตมากมาย(รวมถึงผลิตผลจากเมตาบอลิซึมอย่าง ไอโซพรีน) ซึ่งก็เป็นช่วงเวลานี้เองที่สิ่งมีชีวิตรูปแบบที่ซับซ้อน(ยูคาริโอต และสิ่งมีชีวิตหลายเซลส์) เริ่มต้นอุบัติขึ้น ด้วยเหตุนี้ ไอโซพรีนจึงน่าจะถูกใช้เพื่อแจกแจงคุณลักษณะของดาวเคราะห์ที่อยู่ในระหว่างการเปลี่ยนผ่านทางวิวัฒนาการครั้งหลักๆ และจะเป็นพื้นฐานให้กับสัตว์ในไฟลัมต่างๆ ในอาณาจักรสัตว์
แต่ตามที่ Zhang เขียนไว้ว่า การระบุสัญญาณชีวภาพชนิดนี้แม้แต่ด้วยกล้องเวบบ์ ก็เป็นสิ่งที่ท้าทายมาก ข้อจำกัดในการใช้ไอโซพรีนเป็น biomarker คือ หนึ่ง จะต้องมีระดับไอโซพรีนมากกว่าที่โลกสร้าง 10 ถึง 100 เท่า และสอง การตรวจจับสเปคตรัมไอโซพรีนในในอินฟราเรดใกล้อาจถูกรบกวนโดยการมีอยู่ของมีเธนหรือไฮโดรคาร์บอนอื่นๆ การตรวจสอบไอโซพรีนด้วยกล้องเวบบ์จึงเป็นสิ่งที่ท้าทาย เมื่อมีโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนมากมายที่มีรายละเอียดสเปคตรัมร่วมในช่วงอินฟราเรดใกล้ แต่กล้องในอนาคตที่มุ่งเป้าไปที่อินฟราเรดกลางจะสามารถตรวจสอบรายละเอียดอันเป็นอัตลักษณ์ของสเปคตรัมไอโซพรีนได้
เปรียบเทียบขนาดของดาวเคราะห์ที่เขตเอื้ออาศัยได้(habitable zones) ที่พบโดยเคปเลอร์อ้างอิงวันที่ 18 เมษายน 2013 ซ้ายไปขวาคือ Kepler-22b, Kepler-62e, Kepler-62f และโลก หมายเหตุ นอกจากโลกแล้ว ภาพที่เหลือเป็นภาพจากศิลปิน
ท่ามกลางการพัฒนาอุปกรณ์และกล้องโทรทรรศน์รุ่นใหม่ๆ ที่กำลังจะส่งออกสู่อวกาศและกำลังก่อสร้าง การวิเคราะห์ข้อมูลและเทคนิคต่างๆ ที่พัฒนาอย่างรวดเร็ว และการพัฒนาหาหนทางใหม่ๆ ก็คาดหวังได้ไม่ยากเลยว่าการศึกษาดาวเคราะห์นอกระบบจะเดินหน้าอย่างรวดเร็วมากยิ่งขึ้น นอกเหนือจากจะมีดาวเคราะห์หลายหมื่นดวงให้ศึกษา(ซึ่งหลายดวงเป็นหินและคล้ายโลก) มุมมองที่เรามีต่อพวกมันก็จะช่วยให้เราได้เห็นว่ามีพิภพที่เอื้ออาศัยได้มากน้อยแค่ไหนอยู่ข้างนอกนั้น แต่ก็ยังไม่ทราบแน่ว่าจะให้ผลเป็นการค้นพบสิ่งมีชีวิตนอกโลกในช่วงชีวิตของเราหรือไม่ แต่สิ่งหนึ่งที่ชัดเจนก็คือ ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า เมื่อนักดาราศาสตร์เริ่มกลั่นกรองข้อมูลใหม่ๆ ทั้งหมดที่มีเกี่ยวกับชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบ พวกเขาจะมีบัญชีรายชื่อสัญญาณชีวภาพอย่างครบถ้วน ที่จะนำทางไป
แหล่งข่าว universetoday.com : if astronomers see isoprene in the atmosphere of an alien world, there’s a good chance there’s life there
sciencealert.com : detecting this specific gas in an alien world’s atmosphere may be a good sign of life
- 1
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
