Detectando fotosíntesis más allá del Sistema Solar

Buscar vida más allá del Sistema Solar no es una tarea sencilla. Pero, quizá, podamos tener más posibilidades si buscamos señales de fotosíntesis. Sería una respuesta inequívoca de que estamos ante organismos vivos (presumiblemente plantas) en la superficie de un exoplaneta…

La emergencia de la vida

Concepto artístico del exoplaneta Kepler-186f.
Crédito: NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech

Muchas de las estrellas más cercanas a la Tierra son más viejas que el Sol. No sabemos cuánto tiempo tarda en aparecer la vida. En realidad, ni siquiera sabemos cuál es la probabilidad de que llegue a aparecer. Así que lo único que podemos hacer para estimar la posibilidad de detectar una civilización alienígena, es recurrir a suposiciones. Es el caso de la archiconocida Ecuación de Drake, de la que he hablado en más de una ocasión.

Todo esto quiere decir que no podemos descartar que estemos rodeados de vida no inteligente. Hasta donde sabemos, podría haber miles de planetas ricos en vida a nuestro alrededor. Vida que, simplemente, no tiene tecnología que produzca un calor que podamos detectar. Por suerte, estamos desarrollando las herramientas necesarias para detectar las formas más simples de vida. Así, telescopios como Coloso, o el Telescopio Europeo Extremadamente Grande (cuya construcción ya se ha iniciado) pueden usarse para detectar tanto señales de tecnología como biomarcadores.

Un equipo de investigadores ha estado trabajando en este tipo de detecciones. En una conferencia celebrada recientemente, Svetlana Berdyugina, la jefa del equipo, ha hablado sobre captar imágenes de planetas similares a la Tierra. No es sorprendente que pusiese toda la atención en Próxima b, por su proximidad al Sistema Solar, pero estas técnicas pueden ser utilizadas en muchos otros sistemas estelares. Especialmente dentro de ese radio, de 60 años-luz, que Coloso podría ser capaz de observar.

Una búsqueda muy refinada

Concepto artístico del telescopio Coloso.
Crédito: Colossus/Dynamic Structures Ltd.

El estudio de los exoplanetas en sus diferentes fases orbitales (es decir, en diferentes puntos de su órbita) es muy útil. Nos permite obtener una cantidad de información sorprendente. Lo más interesante es que lo hacemos con técnicas que ya se están usando para analizar las superficies de estrellas. Hay que tener en cuenta factores como la nubosidad, la variación estacional del albedo, y la variabilidad de la propia estrella. En función de en qué punto de su órbita se encuentre, la inclinación de su eje, etc, veremos el planeta de una u otra manera.

Pero el caso es que, por la nitidez que telescopios como Coloso deberían poder alcanzar, seremos capaces de distinguir mucho más que masas terrestres y oceánicas. También podremos observar la fotosíntesis y la superficie ocupada por plantas. Así que la idea es utilizar las propiedades de la luz para detectar la fotosíntesis. Las biomoléculas que captan fotones y almacenan su energía en los enlaces químicos son detectables. En plantas verdes, la energía química convierte el agua, dióxido de carbono y minerales en oxígeno y compuestos orgánicos ricos en energía.

Los pigmentos fotosintéticos pueden absorber luz solar, en el rango visible, y crear los enlaces químicos con los que almacenarla hasta su uso. Los pigmentos de clorofila, por ejemplo, absorben la luz azul y roja mientras reflejan parte de la luz verde en el espectro visible. Por eso vemos las plantas de color verde. Lo más interesante es que toda la luz incidente infrarroja es reflejada. Así que tenemos un marcador, pero necesitamos una forma de observarlo.

El estudio de la fotosíntesis en la Tierra

Concepto artístico del Telescopio Europeo Extremadamente Grande.
Crédito: ESO/L. Calçada/ACe Consortium

Esa capacidad de reflejar toda la luz infrarroja se llama borde rojo. Es algo que utilizamos en nuestro propio planeta. Gracias a satélites que observan la Tierra, como Landsat, podemos estudiar los cambios de la superficie del bosque del Amazonas. Para ello, observamos múltiples bandas visibles que están a ambos lados de ese borde rojo. Expresado así, quizá parezca un tanto incomprensible, pero ahora vamos a analizarlo mejor.

También vale la pena destacar que un estudio indica que, para detectar la fotosíntesis en un exoplaneta, sería necesario que el 20% de su superficie esté cubierto por plantas. Además, debería estar libre de nubes. De esa manera, la huella de la vegetación podría ser apreciable en el espectro global. No sabemos si es una estimación correcta, pero lo descubriremos a medida que avance el estudio del equipo de Svetlana Berdyugina.

La clave de todo esto es la polarización. Es decir, la oscilación de la luz solo en ciertas direcciones, en lugar de la oscilación de la luz en todas las direcciones a la vez. La luz infrarroja, reflejada por una hoja, no está tan polarizada como la luz que podemos ver en el espectro visible. Es decir, si utilizamos filtros polarizantes para analizarla, siempre que tengan un contraste suficiente, podremos detectar pigmentos biológicos.

La luz polarizada y los biopigmentos

Una hoja verde absorbe casi toda la luz roja, verde y azul, pero refleja y transmite la luz infrarroja (mostrada en gris). La luz infrarroja. La arena verde refleja y polariza la luz de manera casi igual en todas las longitudes de onda.
Crédito: S. Berdyugina

Cada biopigmento tiene su propia firma en esa luz polarizada. La clorofila aparece de una manera en particular, otros biopigmentos lo hacen de formas distintas. Todo esto nos puede permitir obtener una imagen muy detallada de cómo es la superficie de un planeta. Según se cuenta en el estudio, la luz polarizada podría permitirnos distinguir claramente las señales de fotosíntesis, y la luz según sea reflejada por océanos, minerales o atmósferas.

En un estudio de 2016, los investigadores hablan del desarrollo de un mecanismo de detección basado en la polarimetría. Trabajando con un experimento en laboratorio, midieron el espectro óptico polarizado de muestras biológicas y no biológicas (es decir, cómo hacían oscilar la luz en ciertas direcciones). El estudio investigaba un conjunto de biomoléculas que capturan los fotones y almacenan su energía en los enlaces químicos. También examinaron plantas con diferentes pigmentos y midieron materiales no biológicos como la arena y las rocas.

Los resultados fueron extraídos del modelado del espectro polarizado de planetas terrestres con diferentes configuraciones. Es decir, planetas con un tamaño similar a la Tierra, pero con diferentes características, como la cantidad de superficie cubierta por organismos capaces realizar fotosíntesis, cantidad de terreno vacío, y cantidad de espacio ocupado por océanos. La conclusión es que el espectro de luz polarizada puede ser muy útil para detectar pigmentos fotosintéticos (como la clorofila).

Lidiando con los límites

Concepto artístico del Telescopio Europeo Extremadamente Grande. En él se muestra el espejo principal en el centro de la imagen.
Crédito: ESO/L. Calçada/ACe Consortium

Eso sí, hay que tener presente que habrá que enfrentarse a ciertos límites. Incluso con los próximos telescopios gigantes, no seremos capaces de ver de manera directa la superficie de un planeta. Para eso sería necesario algo todavía más grande. Pero lo que sí podremos hacer es utilizar la propia rotación del planeta. A medida que vaya girando alrededor de su estrella, podremos descubrir más características sobre su superficie.

Esa firma rotacional sería tremendamente útil, aunque es necesario utilizar telescopios enormes para observarla. También hay que tener en cuenta a la propia estrella. El contraste que podamos obtener en la luz reflejada dependerá del tipo de astro y de la longitud de onda. Así, mientras telescopios con un diámetro de 25 a 40 metros sólo podrán analizar la luz de unos pocos planetas, otros telescopios, como Coloso, que tendrá 75 metros, será capaz de investigar cientos de planetas, similares a la Tierra, en las zonas habitables de sus estrellas.

Estos telescopios tan grandes serán capaces de detectar la luz con suficiente nitidez incluso si su espectro no es demasiado amplio. Como la absorción y la polarización de los biopigmentos puede ser extremadamente amplia, según comentan los investigadores en su estudio, será posible diseñar filtros que sean capaces de proporcionarnos suficiente información sobre su origen fotosintético.

Filtros para distinguir la vida

Concepto artístico del exoplaneta GJ 1132b, que orbita alrededor de la estrella GJ 1132.
Crédito: MPIA

Dicho de otra manera, estos filtros serán una herramienta que nos permitirá diferenciar un mundo vivo de uno yermo. No sólo en términos de vegetación. En el estudio se menciona que la misma señal biológica es producida por bacterias y arqueas (unos microorganismos unicelulares). Ambos usan biopigmentos para absorber luz estelar. También los usan para protegerse de la radiación ultravioleta. De hecho, las técnicas descritas en el estudio ya se están utilizando para analizar las firmas emitidas por microorganismos.

Encontrar la banda de absorción adecuada en el espectro de un exoplaneta puede ser complicado. Los colores de los pigmentos pueden variar dependiendo de la clase espectral de la estrella. En la Tierra, los colores de nuestras plantas dependen de pigmentos que absorben la luz azul y roja visible. Por eso tenemos plantas verdes y amarillas. Pero las enanas rojas, por ejemplo, pueden tener su pico de absorción en el azul y cerca del infrarrojo.

Así que los investigadores tendrán que tener en mente cómo pueden cambiar los pigmentos que producen fotosíntesis en función de la luz de su estrella. No sólo eso, en el caso de las enanas rojas frías, las cosas son algo más complicadas. Este tipo de estrellas no tienen fotones azules. Así que, seguramente, será necesario un mecanismo más complejo para separar las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno, en los que será necesario utilizar tres o cuatro fotones, en lugar de los dos que utilizan los organismos terrestres.

Una línea de investigación que puede ser muy prometedora

Concepto artístico de un exoplaneta visto desde su luna.
Crédito: IAU/L. Calçada

Será necesario comprender las propiedades de la radiación reflejada desde diferentes organismos que realicen fotosíntesis. De esta manera, podría ser posible identificar esas formas de vida en planetas distantes. Para lograrlo, el estudio identifica las firmas de pigmentos biológicos que podrían utilizarse para la detección. Así pueden desarrollar modelos de planetas similares a la Tierra, con diferentes condiciones de superficie terrestre, oceánica, vegetación y nubosidad.

La conclusión es que la polarización linear podría ser el método de detección más potente para los biomarcadores de organismos capaces de realizar fotosíntesis. Según los investigadores, sería una detección muy sensible y con lugar a pocas ambigüedades. El principal escollo, como quizá hayas supuesto, es que por ahora será necesario esperar a la llegada de los telescopios gigantes, pero quién sabe qué sorpresas nos pueden esperar cuando entren en funcionamiento…

El estudio es Berdyugina et al.; «Remote sensing of life: polarimetric signatures of photosynthetic pigments as sensitive biomarkers», publicado en el International Journal of Astrobiology 15 (1): 45-56 (2016). Puede ser consultado en este enlace.

Referencias: Centauri Dreams