„Au supraviețuit neatinși de 49 de milioane de ani”. Peștera din New Mexico care conține indicii despre viața pe alte planete

Bioloaga speolog Hazel Barton nu își închipuia că atunci când va explora adâncurile peșterii Carlsbad Cavern din New Mexico, unde era atât de întuneric încât nu își putea vedea mâinile, că va descoperi organisme capabile de fotosinteză. Această nouă înțelegere a chimiei din spatele vieții pe Pământ sugerează că viața în alte locuri din Univers ar putea exista în condiții pe care nu le-am considerat posibile, relatează BBC. 

Sub canioanele adânci de piatră din Deșertul Chihuahuan, din sudul statului New Mexico, se află o rețea de 119 peșteri. Peșterile, parte a Parcului Național Carlsbad Caverns, s-au format acum patru până la 11 milioane de ani, datorită acidului sulfuric care a dizolvat rocile de calcar.

Atracția principală a parcului este peștera turistică Carlsbad Cavern. Aici, stalactitele strălucitoare se agață de tavanul „Big Room”, o cameră subterană uriașă, lungă aproape 1.220 m și lată 191 m.

„Peștera Carlsbad este foarte ușor accesibilă. Este o peșteră foarte mare de calcar pe care turiștii o pot vizita, cu scări și trepte, iar toată lumea poate coborî”, explică Lars Behrendt, biolog microbian la Universitatea Uppsala. Părți din sistemul de peșteri, adaugă el, sunt chiar accesibile persoanelor în scaun cu rotile.

Aproximativ 350.000 de oameni vizitează Carlsbad Cavern în fiecare an, însă majoritatea nu au habar că peștera este scena uneia dintre cele mai misterioase descoperiri științifice din ultimul deceniu.

„Au supraviețuit neatinși de 49 de milioane de ani”

În 2018, Lars Behrendt tocmai își terminase doctoratul și câștigase un premiu academic care îi adusese o sumă de bani. El a contactat-o pe Hazel Barton și a întrebat-o dacă ar dori să îl însoțească într-o expediție. Din fericire, ea a acceptat.

„Nu știu de câte ori am parcurs acel traseu, probabil de 40 de ori. La un moment dat, faci colțul, și în spatele tău se află o nișă, și este complet întuneric”, își amintește Barton. 

De peste 20 de ani, Barton studiază viața microscopică găsită adânc sub pământ. Totuși, ceea ce s-a întâmplat după aceea a fost o surpriză chiar și pentru ea.

Behrendt a iluminat peretele cu o lanternă. Deși nișa era complet întunecată, lumina a scos la iveală un strat de microbi verzi care se agățau de perete.

„Peretele era verde strălucitor. Era cel mai irizant verde pe care l-ai văzut vreodată, și totuși microbii trăiau în întuneric complet”, spune Barton, profesor de științe geologice la Universitatea din Alabama.

Testele ulterioare au arătat că erau cianobacterii, organisme unicelulare înrudită cu bacteriile. Spre deosebire de majoritatea bacteriilor, cianobacteriile (cunoscut și sub numele de alge albastre-verzi) folosesc lumina soarelui pentru a produce hrană.

„Am început să mergem tot mai adânc în peșteră”, spune Barton. „În cele din urmă, am ajuns într-un punct în care nu puteam vedea fără lanterne. A trebuit să folosim frontale pentru a ne vedea mâinile în fața feței, și totuși se putea observa pigmentul verde pe perete.”

Plantele sunt verzi datorită unei substanțe chimice numite clorofilă, care absoarbe energia luminii. În fotosinteză, această energie este folosită pentru a transforma dioxidul de carbon și apa în glucoză și oxigen. Procesul este similar și la cianobacterii. Totuși, aici, în peșteră, nu exista lumină solară. Deci, ce se întâmpla?

Se pare că cianobacteriile din peșteră au o versiune specială de clorofilă care poate captura lumina aproape-infraroșie. Această lumină are o lungime de undă mai mare decât lumina vizibilă și apare imediat înainte de infraroșu în spectrul electromagnetic. Este invizibilă ochiului uman.

În timp ce plantele și cianobacteriile folosesc clorofilă a pentru fotosinteză, cianobacteriile din peșterile Carlsbad folosesc clorofilele d și f, care pot genera energie din lumina aproape-infraroșie.

Deși lumina vizibilă pătrunde doar câteva sute de metri în peșteri, lumina aproape-infraroșie poate călători mult mai departe datorită naturii reflectorizante a rocilor de calcar. „Calcarul din care este alcătuită peștera absoarbe aproape toată lumina vizibilă, dar lumina aproape-infraroșie face din peșteri, practic, un fel de sală a oglinzilor”, explică Barton.

De fapt, când cercetătorii au măsurat lumina în partea cea mai întunecată a peșterii, au constatat că nivelurile de lumină aproape-infraroșie erau de 695 de ori mai concentrate decât la intrare. În același timp, deși cianobacteriile cu clorofile d și f erau prezente în toate părțile peșterii, se concentrau în mod special în locurile cele mai adânci și întunecate.

Cercetătorii au explorat și alte peșteri din Parcul Național Carlsbad Caverns și au testat alte peșteri mai puțin cunoscute. În fiecare caz, au găsit microbi fotosintetici adânc sub pământ.

„Am demonstrat că nu doar trăiesc acolo, ci că procesul de fotosinteză are loc într-un mediu complet protejat, unde probabil au rămas neatinși de 49 de milioane de ani”, spune Behrendt.

Barton și Behrendt nu sunt singurii oameni de știință care au descoperit microbi capabili să trăiască în întuneric.

În 1890, microbiologul ucraineano-rus Sergei Nikolaevich Vinogradskii a descoperit că unii microbi pot trăi exclusiv pe materie anorganică – folosind un proces numit chimiosinteză. Acești microbi obțin energie prin reacții chimice, folosind substanțe precum metanul sau sulfidul de hidrogen din rocile și apa din jur.

În 1996, Hideaki Miyashita, student în programul postdoctoral al NASA, a descoperit o cianobacterie marină numită Acaryochloris marina, capabilă de fotosinteză folosind atât lumina vizibilă, cât și lumina aproape-infraroșie. Această descoperire a declanșat decenii de cercetări asupra lungimilor de undă necesare pentru fotosinteză.

În 2018, oamenii de știință de la Imperial College London au găsit cianobacterii fotosintetice în condiții umbrite în covoare bacteriene din Parcul Național Yellowstone și în unele stânci de pe plaje din Australia. Aceștia au reușit chiar să cultive microbi fotosintetici într-un dulap întunecat echipat cu LED-uri infraroșii. În fiecare caz, cianobacteriile foloseau clorofilă a pentru lumina vizibilă și apoi treceau la clorofilă f pentru lumina aproape-infraroșie – invizibilă ochiului uman.

Indicii despre viața pe alte planete

Descoperirile au implicații asupra modului în care ar putea arăta viața pe alte planete. Când căutăm exoplanete locuibile - planete care orbitează o stea dintr-un alt sistem solar - este important să luăm în considerare tipul stelei pe care o orbitează. În Univers există șapte clase de stele (O, B, A, F, G, K și M), ordonate în funcție de temperatură descrescătoare, de la cele mai fierbinți la cele mai reci. Stelele de tip O și B sunt cele mai fierbinți, mai masive și mai luminoase stele din Univers, cu culoare alb-albastră.

„Acestea sunt stele noi care tocmai s-au format. Ele emit multă radiație UV, deci sunt toxice pentru viață”, spune Barton.

Pe măsură ce stelele îmbătrânesc, se răcesc, trecând prin tipurile A, F și, în cele din urmă, G. Stelele de tip G, inclusiv Soarele nostru, sunt galbene și reprezintă faza „adolescentă” a vieții unei stele, emițând lumină în spectrul vizibil. Teoretic, aceste stele ar fi potrivite pentru căutarea lumilor locuibile, dar constituie doar 8% dintr-un trilion de stele din Univers și ard combustibilul relativ repede, ceea ce înseamnă că viața poate exista doar într-un interval scurt de timp.

Odată ce combustibilul lor se epuizează, stelele de tip G se răcesc și pierd masă, devenind stele de vârstă mijlocie, K și M, cunoscute sub numele de pitice roșii datorită culorii roșii profunde.

Până acum, toate cele 5.000 de exoplanete descoperite orbitează stele de tip M, în principal din cauza metodei folosite pentru detectarea lor: când o planetă trece în fața unei stele, luminează temporar steaua, iar oamenii de știință pot detecta acestă întunecare temporară - dar numai dacă steaua este relativ slabă.

„Dacă ai încerca asta cu o stea de tip G, ar fi ca și cum te uiți la Soare prin binoclu; nu ai vedea nimic”, explică Barton.

Fiind stele de masă mică, planetele piticelor roșii orbitează aproape de stea, ceea ce le face mai ușor de detectat. De asemenea, aceste stele sunt foarte numeroase. Totuși, zona lor locuibilă este considerată foarte îngustă – zona „Goldilocks”, unde condițiile nu sunt nici prea fierbinți, nici prea reci pentru apă lichidă.

Având în vedere că existența apei lichide este esențială pentru viață, această măsură este ceea ce astrobiologii au folosit pentru căutarea vieții extraterestre. Până acum, au identificat zeci de planete candidate, dar nu toate pot susține viața, iar direcționarea telescopului James Webb necesită timp și resurse considerabile.

Un alt factor important care guvernează viața este posibilitatea fotosintezei. Pe Pământ, fotosinteza stă la baza majorității lanțurilor trofice și produce oxigenul pe care îl respirăm. De aceea, are sens să limităm căutarea la planete care pot susține fotosinteza, reducând astfel zona din jurul stelei unde viața ar putea exista.

Anterior, astrobiologii limitau fotosinteza la o lungime de undă de 700 nm, corespunzătoare culorii roșu, punctul în care eficiența fotosintezei cu clorofilă a scade. Totuși, cianobacteriile descoperite în peșterile Carlsbad pot folosi lumina până la 780 nm cu clorofilă f.

„Majoritatea stelelor din galaxia noastră sunt de tip M și K”, spune Barton. „Asta înseamnă că cele mai multe stele emit lumină aproape-infraroșie, și totuși abia știm ceva despre cum ar putea supraviețui fotosinteza și viața în condițiile acelei lumini.”

Barton intenționează să schimbe asta. Împreună cu Behrendt, a depus o propunere la NASA pentru a descoperi limitele în care organismele capabile de fotosinteză pot supraviețui, măsurând exact câtă lumină este necesară cianobacteriilor în cele mai întunecate peșteri. Aceste date vor fi apoi folosite pentru a restrânge căutarea lumilor locuibile.

„Munca noastră încearcă să stabilească cea mai lungă lungime de undă și cel mai scăzut nivel de lumină la care se poate fotosinteza”, spune Barton.

„Apoi putem lua cele 100 de miliarde de stele potențiale la care putem îndrepta telescopul James Webb și să reducem la aproximativ 50 de stele [care ar putea găzdui viață].”

Cu alte cuvinte, acest lucru ar putea extinde tipurile de lumi considerate capabile să susțină viața. Tot ce rămâne de făcut este să îndreptăm JWST către steaua respectivă și să căutăm planete care trec în fața ei. Pe măsură ce lumina stelei traversează atmosfera planetei, anumite frecvențe sunt absorbite, iar astronomii pot identifica elemente care ar putea indica prezența vieții, cum ar fi oxigenul.

„Există foarte puține moduri prin care oxigenul poate fi produs în atmosferă fără viață”, spune Barton. „Așadar, dacă găsești oxigen în atmosfera unei exoplanete, este un indicator foarte puternic pentru viață potențială.”