חתימה ביולוגית

חתימה ביולוגית (המכונה לפעמים מאובן כימי או מאובן מולקולרי) היא כל חומר - כגון יסוד, איזוטופ, מולקולה או תופעה - המספק עדויות מדעיות לחיים בעבר או בהווה על כוכב לכת.תכונות החיים הניתנות למדידה כוללות את המבנים הפיזיים או הכימיים המורכבים שלהם, השימוש שלהם באנרגיה חופשית וייצור ביומסה ופסולת. תחום האסטרוביולוגיה משתמש בחתימות ביולוגיות כראיה בחיפוש אחר חיים מחוץ לכדור הארץ בעבר או בהווה. באופן כללי, ניתן לקבץ חתימות ביולוגיות לעשר קטגוריות רחבות: דפוסי איזוטופים: עדות איזוטופית או דפוסים איזוטופיים הדורשים תהליכים ביולוגיים להיווצרותם. כימיה : תכונות כימיות הדורשות פעילות ביולוגית. חומר אורגני: חומרים אורגניים שנוצרו על ידי תהליכים ביולוגיים. מינרלים: מינרלים או שלבים ביומינרליים שהרכבם ו/או המורפולוגיה שלהם מצביעים על פעילות ביולוגית (למשל, ביומגנטיט). מבנים ומרקמים מיקרוסקופיים: מלט ביולוגי, מיקרוטקסטורות, מיקרו מאובנים ביופילמים שנוצרו ביולוגית. מבנים ומרקמים פיזיקליים מאקרוסקופיים: מבנים המצביעים על מערכות אקולוגיות מיקרוביאליות, ביופילמים (למשל, סטרומטוליטים) או מאובנים של אורגניזמים גדולים יותר. שונות זמנית: שינויים בזמן של גזים אטמוספיריים, רפלקטיביות (אנ') או מראה מקרוסקופי המעידים על נוכחות החיים. תכונות החזר פני השטח: יכולת זיהוי מרחוק של תכונות החזרה בקנה מידה גדול עקב פיגמנטים ביולוגיים. גזים אטמוספיריים: גזים הנוצרים על ידי תהליכים מטבוליים ו/או מימיים, אשר עשויים להיות נוכחים בקנה מידה פלנטרי. חתימה טכנולוגית : חתימות המעידות על ציוויליזציה מתקדמת מבחינה טכנולוגית. הבדיקה האם חתימה ביולוגית פוטנציאלית היא ישימה כרוכה בתהליך מסובך מיסודו. מדענים חייבים לשקול כל הסבר חלופי אפשרי לפני שהם מגיעים למסקנה שמשהו הוא חתימה ביולוגית אמיתית. שיקול כזה כרוך בחקירת הפרטים הקטנים שהמייחדים כוכבי הלכת והבחנה אם יש סטייה מהתהליכים הלא ביולוגיים הצפויים הקיימים בכוכב לכת. לגבי כוכב לכת שיש בו חיים, ההבדלים הללו יכולים להיות קטנים במיוחד או לא קיימים בכלל, מה שמוסיף לקשיים בגילוי חתימה ביולוגית. שנים של מחקרים מדעיים הגיעו לשיאם בשלושה קריטריונים שבהם חתימה ביולוגית פוטנציאלית חייבת לעמוד כדי להיחשב לכדאית למחקר נוסף: מהימנות, שרידות ויכולת זיהוי. חתימה ביולוגית חייבת להיות מסוגלת לגבור בהיתכנותה על כל התהליכים האחרים העשויים ליצור תכונות פיזיקליות, ספקטרליות וכימיות דומות. כאשר חוקרים חתימה ביולוגית אפשרית, על המדענים לשקול היטב את כל המקורות האפשריים האחרים של החתימה הביולוגית לכאורה הנחקרת. ידוע כי צורות חיים רבות מחקות תגובות גיאוכימיות. אחת התיאוריות על מקור החיים כרוכה במולקולות המפתחות את היכולת לזרז תגובות גיאוכימיות כדי לנצל את האנרגיה המשתחררת מהן. אלו הם חלק מהמטבוליזמים המוקדמים ביותר המוכרים (ראה מתנוגנזה). במקרה שכזה מדענים עשויים לחפש חוסר שיווי משקל במחזור הגיאוכימי, דבר שיצביע על תגובה שמתרחשת לעיתים קרובות יותר או פחות ממה שהיא צפויה. חוסר שיווי משקל כזה יכול להתפרש כאינדיקציה לחיים. חתימה ביולוגית חייבת להיות מסוגלת להחזיק מעמד מספיק זמן כדי שגשׁושית, צפייה טלסקופ או אדם יוכלו לזהות אותה. תוצאה של תגובות מטבוליות באורגניזם ביולוגי היא ייצור פסולת מטבולית (אנ'). בנוסף, המבנה של אורגניזם יכול להישמר כמאובן ואנו יודעים שחלק מהמאובנים על פני כדור הארץ הם בני עד 3.5 מיליארד שנים. תוצרי לוואי אלה יכולים ליצור חתימות ביולוגיות מצוינות מכיוון שהם מספקים ראיות ישירות לחיים. עם זאת, כדי להיות חתימה ביולוגית בת קיימא, תוצר לוואי חייב להישאר שלם לאחר מכן כדי שמדענים יוכלו לגלות אותו. חתימה ביולוגית חייבת להיות ניתנת לזיהוי עם הטכנולוגיה הנוכחית כדי להיות רלוונטית בחקירה מדעית. נראה שזו אמירה מובנת מאליה, אך ישנם תרחישים רבים שבהם חיים עשויים להיות נוכחים על כוכב לכת מבלתי שהם ניתנים לזיהוי בגלל מגבלות הנובעות ממגבלות הטכנולוגיות הנוכחיות של האדם. כל חתימה ביולוגית אפשרית קשורה לאוסף משלה של מנגנונים חיוביים כוזבים ייחודיים או תהליכים לא ביולוגיים שיכולים לחקות את התופעה של החתימה הביולוגית לכאורה. דוגמה חשובה היא שימוש בחמצן כחתימה ביולוגית. על פני כדור הארץ, רוב החיים סובבים סביב החמצן. זהו תוצר לוואי של פוטוסינתזה שבהמשך משמש צורות חיים אחרות לנשימה. חמצן ניתן לזיהוי בקלות גם בספקטרום, עם פסים מרובים על פני טווח אורכי גל רחב יחסית, לכן, הוא יוצר חתימה ביולוגית טובה מאוד. עם זאת, מציאת חמצן לבדה באטמוספירה של כוכב לכת אינה מספיקה כדי לאשר חיים בגלל המנגנונים החיוביים-כוזבים הקשורים לחתימה ביולוגית זו, למשל אפשרות אחת היא שחמצן יכול להצטבר באופן אביוטי באמצעות פוטוליזה אם יש מעט גזים שאינם ניתנים לעיבוי או אם הפלנטה מאבדת הרבה מים. מציאת והבחנה של חתימה ביולוגית מהמנגנונים הפוטנציאליים החיוביים כוזבים שלה היא אחד מהעניינים המסובכים ביותר של בדיקת כדאיות החקירה מכיוון שהיא זקוקה לכושר התובנה האנושית. בניגוד לתוצאות חיוביות שגויות, חתימות ביולוגיות שליליות כוזבות מתעוררות כאשר חיים עשויים להיות נוכחים על כוכב אחר, אך תהליכים מסוימים בכוכב זה הופכים את החתימות הביולוגיות הפוטנציאליות לבלתי ניתנות לזיהוי. זוהי בעיה מתמשכת ותחום מחקר בהכנה לטלסקופים עתידיים שיהיו מסוגלים לצפות באטמוספירות אקסופלנטריות. ישנן דרכים רבות שבהן בני אדם עשויים להגביל את הכדאיות המחקר של חתימה ביולוגית פוטנציאלית. הרזולוציה של טלסקופ הופכת חשובה כאשר לשלילת מנגנונים חיוביים כוזבים מסוימים, ולטלסקופים נוכחיים רבים אין את היכולות לצפות ברזולוציה הדרושה כדי לחקור חלק מהם. בנוסף, על גשושיות וטלסקופים עובדים בשיתופי פעולה ענקיים מדענים מהתמחויות שונות. לכן אמצעים חדשים אלה נושאים מגוון מכשירים המהווים פשרה בין צורכיהם השונים של המדענים. כדי שמדען בעל התמחות מסוימת יוכל לזהות משהו שאינו קשור לחתימות ביולוגיות, ייתכן שתוקרב היכולת של מכשיר לאתר חתימות ביולוגיות.