חתימה ביולוגית

חתימה ביולוגית (המכונה לפעמים מאובן כימי  או מאובן מולקולרי) היא כל חומר, כגון יסוד, איזוטופ, מולקולה אורגנית או תופעה, המספק ראיה מדעית לחיים בעבר או בהווה על כוכב לכת.Steele; Beaty; et al. (September 26, 2006). "Final report of the MEPAG Astrobiology Field Laboratory Science Steering Group (AFL-SSG)" (.doc). The Astrobiology Field Laboratory. U.S.A.: the Mars Exploration Program Analysis Group (MEPAG) - NASA. p. 72.Summons RE, Amend JP, Bish D, Buick R, Cody GD, Des Marais DJ, et al. (March 2011). "Preservation of martian organic and environmental records: final report of the Mars biosignature working group" (PDF). Astrobiology. 11 (2): 157–81. Bibcode:2011AsBio..11..157S. doi:10.1089/ast.2010.0506. hdl:1721.1/66519. . S2CID 9963677. Archived from the original (PDF) on 2019-11-28. Retrieved 2013-06-22. 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. חתימות ביולוגיות מצביעות על חלק מצורות החיים המוקדמות ביותר, ומסייעות במחקרים על מקור החיים על כדור הארץ, כמו גם על האפשרות של חיים על מאדים, נוגה, ומקומות אחרים ביקום.

 סוגים 
קיימות עשרה סוגים של חתימות ביולוגיות:NASA Astrobiology Strategy 2015 .(PDF), NASA.דפוסי איזוטופים: עדות איזוטופית או דפוסים איזוטופיים הדורשים תהליכים ביולוגיים להיווצרותם.

 תבניות איזוטופיות 
ראיות או תבניות איזוטופיות הדורשות תהליכים ביולוגיים.

 כימיה 
תכונות כימיות הדורשות פעילות ביולוגית

 חומר אורגני 
חומרים אורגניים שנוצרו על ידי תהליכים ביולוגיים

 מינרלים 
מינרלים או ביומינרליים שהרכבם ו/או המורפולוגיה שלהם מצביעים על פעילות ביולוגית, כגון, ביומגנטיט

 מבנים מיקרוסקופיים 
מבנים ומרקמים מיקרוסקופיים: מלט ביולוגי, מיקרוטקסטורות, מיקרו מאובנים וביופילמים שנוצרו בתהליכים ביולוגיים

 מבנים ומרקמים פיזיקליים 
מבנים ומרקמים פיזיקליים מאקרוסקופיים המצביעים על מערכות אקולוגיות מיקרוביאליות, ביופילמים. כגון, סטרומטוליטים) או מאובנים של אורגניזמים גדולים יותר

 שונות זמנית 
שינויים בזמן של גזים אטמוספיריים,  או מראה מקרוסקופי המעידים על נוכחות החיים

 תכונות החזר פני השטח 
יכולת זיהוי מרחוק של תכונות החזרה בקנה מידה גדול, עקב היווצרות של פיגמנטים ביולוגיים.

 גזים אטמוספיריים 
גזים הנוצרים על ידי תהליכים מטבוליים ו/או מימיים, אשר עשויים להיות נוכחים בקנה מידה פלנטרי

 חתימה טכנולוגית 
חתימה טכנולוגית המעידה על ציוויליזציה מתקדמת מבחינה טכנולוגית.

 ישימות-יְכוֹלֶת חִיוֹנִיוּת הַקִיוּם 
הבדיקה האם חתימה ביולוגית פוטנציאלית ישימה, כרוכה בתהליך מסובך מיסודו. מדענים חייבים לשקול כל הסבר חלופי אפשרי, לפני שהם מגיעים למסקנה שהתופעה מעידה על כך שהיא חתימה ביולוגית אמיתית. שיקול כזה כרוך בחקירת הפרטים הקטנים שמייחדים את כוכבי הלכת והבחנה אם יש סטייה מהתהליכים הלא ביולוגיים הצפויים הקיימים בכוכב הלכת. לגבי כוכב לכת שיש בו חיים, ההבדלים הללו יכולים להיות קטנים במיוחד או לא קיימים בכלל, דבר המוסיף לקשיים בגילוי חתימה ביולוגית. קיימים שלושה קריטריונים שבהם חתימה ביולוגית פוטנציאלית חייבת לעמוד, כדי להיחשב לכדאית למחקר נוסף: מהימנות, שרידות ויכולת זיהוי.Meadows VS, Reinhard CT, Arney GN, Parenteau MN, Schwieterman EW, Domagal-Goldman SD, et al. (June 2018). "Exoplanet Biosignatures: Understanding Oxygen as a Biosignature in the Context of Its Environment". Astrobiology. 18 (6): 630–662. arXiv:1705.07560. Bibcode:2018AsBio..18..630M. doi:10.1089/ast.2017.1727. PMC 6014580. 
ממוזער| מנגנונים חיוביים כוזבים לחמצן במגוון תרחישים של כוכב לכת. המולקולות בכל מלבן גדול מייצגות את התורמים העיקריים לספקטרום של האטמוספירה של כוכב הלכת. המולקולות מוקפות בצהוב מייצגות את המולקולות שיעזרו לאשר חתימה ביולוגית חיובית כוזבת אם הן יתגלו. יתרה מזאת, המולקולות שחצויות בקו אדום יסייעו לאשר חתימה חיובית כוזבת אם הן לא יתגלו.,תמונה מותאמת מ-Victoria Meadows  '2018 "חמצן כמחקר לחתימה ביולוגית".

 מהימנות 
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 הנחקרת. ידוע כי צורות חיים רבות מחקות תגובות גיאוכימיות. אחת התיאוריות על מקור החיים כרוכה במציאת מולקולות המפתחות את היכולת לזרז תגובות גיאוכימיות כדי לנצל את האנרגיה המשתחררת מהן. אלו הם חלק מהמטבוליזמים המוקדמים ביותר המוכרים, כגון תהליך המתאנוגנזה. המדענים עשויים לחפש חוסר שיווי משקל במחזור הגיאוכימי המעיד על תגובה שמתרחשת לעיתים קרובות יותר או פחות מן הצפי. חוסר שיווי משקל זה עשוי להתפרש כהתוויה להוכחות תהליכי חיים.

 שרידות 
חתימה ביולוגית חייבת להיות מסוגלת לשגשג די זמן כדי לאפשר צפייה בעזרת כלים שונים, כגון, טלסקופ או שאדם יוכל לזהותה. תוצאה של תגובות מטבוליות באורגניזם ביולוגי היא ייצור . 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 להיווצרות חיים. עם זאת, כדי להיות חתימה ביולוגית בת-קיימא, תוצר לוואי חייב להישאר שלם מעת היווצרו, כדי שמדענים יוכלו לגלותו.

 יכולת זיהוי 
חתימה ביולוגית חייבת להיות ניתנת לזיהוי בעזרת טכנולוגיות עכשוויות, 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.

 גילוי 
חתימה ביולוגית חייבת להיות ניתנת לגילוי באמצעות הטכנולוגיות המודרניות ביותר, על מנת להיות רלוונטית במחקר מדעי. נראה שזו אמירה מובנת מאליה, אולם ישנם תרחישים רבים בהם חיים עשויים להיות נוכחים על כוכב לכת, אך יישארו בלתי ניתנים לגילוי עקב מגבלות שנגרמו על ידי האדם, כגון, כושר גילוי.

 זיהוי חיובי כוזב 
לכל חתימה ביולוגית ייתכנו מנגנונים חיוביים כוזבים ייחודיים או תהליכים לא ביולוגיים שעלולים 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 לפי ספקטרום הבליעה של האור שמוחזר מכוכב הלכת, עם פסים מרובים על פני טווח אורכי גל רחב יחסית, ולכן הוא יוצר חתימה ביולוגית טובה מאוד. עם זאת, מציאת חמצן כשלעצמה באטמוספירה של כוכב לכת אינה מספיקה כדי לאמת את קיומם של חיים על פניו, בגלל המנגנונים החיוביים-כוזבים הקשורים לחתימה ביולוגית זו. למשל, חמצן יכול להצטבר באופן אביוטי באמצעות פוטוליזה, אם יש מעט גזים שאינם ניתנים לעיבוי או אם כוכב הלכת מאבד הרבה מים.Lisse, Carey (2020). "A Geologically Robust Procedure for Observing Rocky Exoplanets to Ensure that Detection of Atmospheric Oxygen Is a Modern Earth-like Biosignature". Astrophysical Journal Letters. 898 (577): L17. arXiv:2006.07403. Bibcode:2020ApJ...898L..17L. doi:10.3847/2041-8213/ab9b91. S2CID 219687224. מציאה והבחנה של חתימה ביולוגית מהמנגנונים הפוטנציאליים החיוביים כוזבים שלה היא אחת המשימות המסובכות ביותר של בדיקת כדאיות החקירה מכיוון שהיא זקוקה לכושר התובנה האנושית מיומנת ואובייקטיבית..

 תופעה שלילית כוזבת 
בניגוד לתוצאות חיוביות כוזבות, 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 עתידי לטלסקופים עתידיים שיהיו מסוגלים לצפות באטמוספירות אקסופלנטריות..

 מגבלות אנושיות 
ישנן דרכים רבות שבהן בני אדם עשויים להגביל את כדאיות 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. חשוב לזכור כי מכשירים וטלסקופים משמשים בשיתופי פעולה ענקיים מדענים בעלי התמחויות 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.

 דוגמאות כלליות 
 גאומיקרוביולוגיה 

שמאל|ממוזער|200x200 פיקסלים|הגדלה במיקרוסקופ אלקטרוני של מיקרו מאובנים מליבת משקעים שהושגה על ידי 
התיעוד העתיק על פני כדור הארץ מאפשר לראות אילו חתימות גיאוכימיות נוצרות על ידי חיים מיקרוביאליים וכיצד חתימות אלו נשמרות לאורך זמן גאולוגי. כמה דיסציפלינות קשורות כמו גאוכימיה, גאוביולוגיה ו משתמשות תדיר בחתימות ביולוגיות כדי לקבוע אם אורגניזמים חיים נמצאים או היו נוכחים בדגימה. חתימות ביולוגיות אלה כוללות: (א) מיקרו מאובנים וסטרומטוליטים ; (ב) מבנים מולקולריים () והרכבים איזוטופיים של פחמן, חנקן ומימן בחומר אורגני; (ג) הרבה יחסי איזוטופ גופרית וחמצן במינרלים; וכן (ד) יחסי שפע והרכבים איזוטופיים של מתכות רגישות לתהליכי חמצון-חיזור (למשל Fe, Mo, Cr ויסודות אדמה נדירים).

לדוגמה, חומצות השומן המסוימות הנמדדות בדגימה יכולות להצביע על סוגי החיידקים והארכאונים החיים בסביבה זו. דוגמה נוספת היא כהלים שומניים ארוכי שרשרת עם יותר מ-23 אטומים המיוצרים על ידי חיידקים פלנקטוניים. בהקשר זה גיאוכימאים מעדיפים לעיתים קרובות את המונח . דוגמה נוספת היא נוכחות של ליפידים בעלי שרשרת ישרה בצורת אלקנים, כוהל וחומצות שומן עם 20 - 36 אטומי פחמן בקרקעות או משקעים. מרבצי כבול מצביעים למקורם מ של צמחים גבוהים יותר.

תהליכי חיים עשויים לייצר מגוון של חתימות ביולוגיות כגון חומצות גרעין, שומנים, חלבונים, חומצות אמינו, פצלי שמן ותכונות מורפולוגיות שונות הניתנות לזיהוי בסלעים ובמשקעים.Beegle LW, Wilson MG, Abilleira F, Jordan JF, Wilson GR (באוגוסט 2007). "A concept for NASA's Mars 2016 astrobiology field laboratory". Astrobiology. 7 (4): 545–77. Bibcode:2007AsBio...7..545B. doi:10.1089/ast.2007.0153. PMID 17723090.לעיתים קרובות חיידקים מקיימים אינטראקציה עם תהליכים גיאוכימיים, ומשאירים מאפיינים ברשומת הסלע המעידים על חתימות ביולוגיות. לדוגמה, נקבוביות בגודל מיקרומטר של חיידקים בסלעי קרבונט דומות לתכלילים תחת אור משודר, אך יש להן גדלים, צורות ודפוסים שונים (מתפתלים או דנדריטים) והן מופצות באופן שונה מתכלילים נפוצים של נוזלים. חתימה ביולוגית פוטנציאלית היא תופעה שאולי נוצרה על ידי החיים, אך ייתכן שגם לה מקורות אביוטיים חלופיים אפשריים.

 מורפולוגיה 
שמאל|ממוזער|200x200 פיקסלים| כמה חוקרים הציעו שמבנים מיקרוסקופיים אלו על המטאוריט ALH84001 ממאדים עשויים להיות חיידקים מאובנים.McKay DS, Gibson EK, Thomas-Keprta KL, Vali H, Romanek CS, Clemett SJ, et al. (באוגוסט 1996). "Search for past life on Mars: possible relic biogenic activity in martian meteorite ALH84001". Science. 273 (5277): 924–30. Bibcode:1996Sci...273..924M. doi:10.1126/science.273.5277.924. PMID 8688069.
חתימה ביולוגית אפשרית נוספת יכולה להיות מורפולוגיה שכן הצורה והגודל של עצמים מסוימים עשויים להצביע על נוכחותם של חיים בעבר או בהווה. לדוגמה, גבישי מגנטיט מיקרוסקופיים במטאוריט מאדים ALH84001 הם אחת החתימות הארוכות ביותר השנויות במחלוקת בין כמה חתימות ביולוגיות פוטנציאליות באותה דגימה. הביומינרל האפשרי שנחקר במטאוריט ALH84001 של מאדים כולל מאובנים מיקרוביאליים משוערים, מבנים זעירים דמויי סלע שצורתם הייתה חתימה ביולוגית פוטנציאלית מכיוון שהיא דומה לחיידקים ידועים. רוב המדענים הגיעו בסופו של דבר למסקנה שאלו היו הרבה יותר קטנים מכדי להיות תאים מאובנים. קונצנזוס שעלה מהדיונים הללו, וכעת נחשב לדרישה קריטית, הוא הדרישה לקווי ראיות נוספים בנוסף לכל הנתונים המורפולוגיים התומכים בטענות יוצאות דופן שכאלו. נכון לעכשיו, הקונצנזוס המדעי הוא ש"מורפולוגיה לבדה לא יכולה לשמש באופן חד משמעי ככלי לזיהוי חיים פרימיטיביים". הפרשנות של מורפולוגיה ידועה לשמצה כסובייקטיבית, והשימוש בה לבדה הובילה לשגיאות פרשנות רבות.

 כימיה 
שום תרכובת אחת לא תוכיח לבדה שהחיים היו קיימים פעם אלא יהיו אלו דפוסים ייחודיים הקיימים באותן התרכובות האורגניות המציגות תהליך של ברירה. לדוגמה, שומני הממברנה שהושארו מאחור על ידי תאים מפורקים יהיו מרוכזים, גודלם יהיה בטווח מוגבל ויהיה להם מספר זוגי של פחמנים. באופן דומה, החיים משתמשים רק בחומצות אמינו שמאליות. עם זאת, חתימות ביולוגיות לא חייבות להיות כימיות, אלא גם מגנטיות.
ממוזער|דוגמאות למבנים של  המצויים בנפט. מלמעלה למטה:  (סוג של אלקאן),  (סוג של טריטרפן),  (סוג נוסף של טריטרפן),  (סוג נוסף של אלקאן) ופורפירין
חתימות ביולוגיות כימיות כוללות תרכובות אורגניות מורכבות המכילות מפחמן, מימן ויסודות אחרים כגון חמצן, חנקן וגופרית, המצויים בשמנים גולמיים, אספלט, ב של נפט ובסופו של דבר מהווים פישוט של המבנה המולקולרי של מולקולות אב אורגניות שנמצאות בכל היצורים החיים. הן מולקולות מורכבות המבוססות על פחמן שמקורן באורגניזמים חיים מהעבר.Wang, Z.; Stout, S.; Fingas, M. Environmental Forensics, 2006 7, 105-146. כל סמן ביולוגי הוא די ייחודי בהשוואה לעמיתיו, כפי שהזמן הנדרש להפיכת החומר האורגני לנפט גולמי הוא אופייני. לרוב הסמנים הביולוגיים יש בדרך כלל מסה מולקולרית גבוהה.

כמה דוגמאות לסמנים ביולוגיים המצויים בנפט הם האלקאנים  ו, הטריטרפנים  ו, ופורפירין. סמנים ביולוגיים כאלה של נפט מיוצרים באמצעות סינתזה כימית תוך שימוש בתרכובות ביוכימיות כמרכיביהם העיקריים. לדוגמה, טריטרפנים מופקים מתרכובות ביוכימיות שנמצאות על צמחים בעלי פרחים יבשתיים. השפע של סמנים ביולוגיים של נפט בכמויות קטנות במאגר או ב שלו מחייבים להשתמש בגישות רגישות ודיפרנציאליות כדי לנתח את נוכחותן של אותן תרכובות. עם הטכניקות המשמשות בדרך כלל לכך נמנות  וספקטרומטריית מסה.

סמנים ביולוגיים של נפט חשובים מאוד בבדיקת נפט מכיוון שהם מסייעים לסמן את שטחי השקיעה של המשקעים ולקבוע את התכונות הגאולוגיות של השמנים. לדוגמה, הם מספקים פרטים נוספים לגבי בשלותם וחומר המקור. בנוסף לכך הם יכולים להיות גם פרמטרים טובים של גיל, ולכן הם מכונים מבחינה טכנית "מאובנים כימיים". היחס בין פריסטן לפיטן (pr:ph) הוא הגורם הגיאוכימי המאפשר לסמנים ביולוגיים של נפט להיות סממנים מוצלחים של סביבות השקיעה שלהם.

גאולוגים וגיאוכימאים משתמשים בעקבות סמנים ביולוגיים שנמצאים בשמנים גולמיים וב הקשור אליהם כדי לפענח את המקור הסטרטיגרפי ודפוסי הנדידה של מרבצי נפט הקיימים היום. הפיזור של מולקולות סמן ביולוגי הוא גם די ייחודי עבור כל סוג של נפט ומקורו; לפיכך, הם מציגים טביעות אצבע ייחודיות. גורם נוסף שהופך סמנים ביולוגיים לנפט למועדפים יותר מאשר אחרים הוא שיש להם עמידות גבוהה לבליה וקורוזיה סביבתיים. סמנים ביולוגיים כאלה הם בעלי יתרון רב ומשמשים לעיתים קרובות לאיתור דליפת נפט בנתיבי המים העיקריים. ניתן להשתמש בהם גם לזיהוי זיהום בשמני סיכה. עם זאת, ניתוח סמנים ביולוגיים של חיתוכי סלע לא מטופלים עלולים להניב תוצאות מטעות בגלל מזיהום פחמימני פוטנציאלי והתכלות בדגימות הסלע.

 אטמוספירי 
לתכונות האטמוספיריות של כוכבי לכת חוץ-שמשיים יש חשיבות מיוחדת, שכן האטמוספירות מספקות את האפשרויות הסבירות ביותר לחיים מחוץ למערכת השמש לעתיד הקרוב, כולל אינדיקטורים לסביבה הראויים לבתי גידול וחתימות ביולוגיות. במשך מיליארדי שנים, תהליכי החיים על כוכב לכת יביאו לתערובת של כימיקלים שלא דומה לשום דבר שיכול להיווצר בשיווי משקל כימי רגיל.לדוגמה, כמויות גדולות של חמצן וכמויות קטנות של מתאן נוצרות על ידי החיים על כדור הארץ.

צבע של כוכב הלכת - או ספקטרום ההחזר - יכול לשמש גם כחתימה ביולוגית בשל ההשפעה של פיגמנטים שמקורם ביולוגי ייחודי, כגון פיגמנטים של צורות חיים  ופוטוסינתטיות. מדענים משתמשים בכדור הארץ כדוגמה לכך כאשר מסתכלים עליו מרחוק (ראה נקודה כחולה חיוורת) כהשוואה לעולמות שנצפו מחוץ למערכת השמש שלנו. קרינה אולטרה-סגולה על צורות חיים יכולה גם להשרות ביופלואורסצנטיה באורכי גל נראים לעין שיוכלו להתגלות בעזרת הדור החדש של מצפי החלל בפיתוח.

כמה מדענים דיווחו על שיטות לגילוי מימן ומתאן באטמוספירות מחוץ לכדור הארץ. יש לפרש אינדיקטורים לאפשרות בתי גידול לאורגניזמים וחתימות ביולוגיות בהקשר פלנטרי וסביבתי. לדוגמה, הנוכחות של חמצן ומתאן יחדיו יכולה להעיד על סוג של חוסר שיווי משקל תרמוכימי קיצוני שנוצר על ידי החיים.Where are they? (PDF) Mario Livio and Joseph Silk. Physics Today, March 2017. שניים מתוך 14,000 החתימות הביולוגיות המוצעות המובילות הן  וכלורומתאן (CH3Cl) (בשנת 2023 גילה טלסקופ החלל ג'יימס וב, ששוגר ב-2021, כי באטמוספירה של K2-18b יש הימצאות של מולקולות .יחד עם זאת אין זה עדיין סימן לחיים כי המדידות של חומר זה מאוד עדינה ועל כן נדרשות תצפיות נוספות כדי להגיע למסקנות). ביולוגית חלופית שלא מבוססת על חמצן היא השילוב של מתאן ופחמן דו-חמצני.

זיהוי פוספין באטמוספירה של נוגה נחקר כחתימה ביולוגית אפשרית.

 חוסר שיווי משקל אטמוספירי 
ממוזער| ייצור מתאן  הוא התורם העיקרי לשטף המתאן המגיע מפני השטח של כדור הארץ. למתאן יש נקודת שקיעה פוטוכימית באטמוספירה (כלומר נוטה להיעלם) אך יצטבר אם השטף של מתאן נכנס יהיה גבוה מספיק. אם יש מתאן שניתן לזהות באטמוספירה של כוכב לכת אחר, במיוחד אם הכוכב המארח שסביבו חג כוכב הלכת הוא מסוג G או K, זה עשוי להצביע על חתימה ביולוגית בת קיימא.
חוסר שיווי משקל בשפע של מיני גז באטמוספירה יכול להתפרש כחתימה ביולוגית. החיים שינו מאוד את האטמוספירה על פני כדור הארץ באופן שלא סביר שתהליכים אחרים לא ביולוגיים היו עושים זאת. לכן, יציאה משיווי משקל היא עדות לחתימה ביולוגית.Lovelock JE (באוגוסט 1965). "A physical basis for life detection experiments". Nature. 207 (997): 568–70. Bibcode:1965Natur.207..568L. doi:10.1038/207568a0. Hitchcock DR, Lovelock JE (1967-01-01). "Life detection by atmospheric analysis". Icarus. 7 (1): 149–159. Bibcode:1967Icar....7..149H. doi:10.1016/0019-1035(67)90059-0. למשל, ריבוי המתאן באטמוספירה של כדור הארץ הוא בסדרי גודל מעל ערך שיווי המשקל בשל שטף המתאן התמידי שהחיים על פני השטח פולטים. בתלות בכוכב המארח, חוסר שיווי משקל בשפע המתאן בכוכב לכת אחר עשוי להצביע על חתימה ביולוגית.

 חתימות ביולוגיות אגנוסטיות 
מכיוון שצורת החיים היחידה הידועה לנו היא זו שעל פני כדור הארץ, החיפוש אחר חתימות ביולוגיות מושפע מאוד מהמוצרים שהחיים מייצרים על כדור הארץ. עם זאת, חיים שונים מהחיים על פני כדור הארץ עשויים עדיין לייצר חתימות ביולוגיות הניתנות לזיהוי על ידי בני אדם, למרות ששום דבר אינו ידוע על הביולוגיה הספציפית שלהם. צורה זו של ביולוגית נקראת "חתימה ביולוגית אגנוסטית" מכיוון שהיא בלתי תלויה בצורת החיים המייצרת אותה. יש הסכמה רחבה שכל חיים - לא משנה כמה הם שונים מהחיים על כדור הארץ - זקוקים למקור אנרגיה כדי לשגשג. זה חייב להיות כרוך באי שיווי משקל כימי כלשהו, שניתן לנצל למטבוליזם. תהליכים גאולוגיים אינם תלויים בחיים, ואם מדענים יכולים לאפיין את הגאולוגיה על כוכב לכת אחר מספיק טוב, אז הם יכולים להסיק מזה מה צריך להיות שיווי המשקל הגאולוגי המסוים עבור אותו כוכב לכת וסטייה משיווי משקל גאולוגי זה יכולה להתפרש כעדות לחתימה ביולוגית אגנוסטית.

 אנטי-חתימות ביולוגיות 
כפי שזיהוי ביולוגית יהיה תגלית משמעותית על כוכב לכת, כך מציאת עדויות לכך שחיים אינם נוכחים תהיה אף היא תגלית חשובה על כוכב לכת. החיים מסתמכים על חוסר איזון בחמצון-חיזור כדי להפוך המשאבים הזמינים לאנרגיה דרך חילוף חומרים. העדות לכך ששום דבר על פני פלנטה אינו מנצל את "ארוחת חינם" הזמינה עקב חוסר איזון חיזור שנצפה נקרא אנטי-חתימות ביולוגיות.

 פוליאלקטרוליטים 
 היא חתימה ביולוגית גנרית מוצעת. בשנת 2002, סטיבן א. בנר ודניאל האטר הציעו שכדי שביופולימר גנטי ליניארי המומס במים, כמו DNA, יעבור אבולוציה דרוויניסטית בכל מקום ביקום, הוא חייב להיות , כלומר פולימר המכיל מטעני יוניים מחזוריים. בנר ואחרים הציעו שיטות לריכוז וניתוח הביופולימרים הפוליאלקטרוליטיים הגנטיים הללו על מאדים, אנקלדוס, ואירופה.

 דוגמאות ספציפיות 
 מתאן על מאדים 
ממוזער|250x250 פיקסלים| מתאן (CH 4) על מאדים - מקורות ושקעים פוטנציאליים.
הנוכחות של מתאן ב היא תחום של מחקר מתמשך ונושא שנוי במחלוקת. בגלל נטייתו של המתאן להיהרס באטמוספירה על ידי פוטוכימיה, נוכחות של עודף מתאן על כוכב לכת יכולה להצביע על מקור פעיל למתאן. מכיוון שהחיים הם המקור החזק ביותר של מתאן על פני כדור הארץ, חוסר שיווי משקל בכמות המתאן על כוכב לכת אחר יכולה להצביע על חתימה ביולוגית בת קיימא.

מאז 2004, היו מספר גילויים של מתאן באטמוספירה של מאדים על ידי מגוון מכשירים על סיפונם של מקפות, מסלולים ורכבים שהונחתו על פני מאדים וכן טלסקופים על כדור הארץ.Krasnopolsky VA, Maillard JP, Owen TC (2004-12-01). "Detection of methane in the martian atmosphere: evidence for life?". Icarus. 172 (2): 537–547. Bibcode:2004Icar..172..537K. doi:10.1016/j.icarus.2004.07.004. Formisano V, Atreya S, Encrenaz T, Ignatiev N, Giuranna M (December 2004). "Detection of methane in the atmosphere of Mars". Science. 306 (5702): 1758–61. Bibcode:2004Sci...306.1758F. doi:10.1126/science.1101732. . S2CID 13533388.Mumma MJ, Villanueva GL, Novak RE, Hewagama T, Bonev BP, Disanti MA, et al. (February 2009). "Strong release of methane on Mars in northern summer 2003". Science. 323 (5917): 1041–5. Bibcode:2009Sci...323.1041M. doi:10.1126/science.1165243. . S2CID 25083438.Krasnopolsky VA (2012-01-01). "Search for methane and upper limits to ethane and SO2 on Mars". Icarus. 217 (1): 144–152. Bibcode:2012Icar..217..144K. doi:10.1016/j.icarus.2011.10.019. Webster CR, Mahaffy PR, Atreya SK, Flesch GJ, Mischna MA, Meslin PY, et al. (January 2015). "Mars atmosphere. Mars methane detection and variability at Gale crater" (PDF). Science. 347 (6220): 415–7. Bibcode:2015Sci...347..415W. doi:10.1126/science.1261713. . S2CID 20304810Amoroso M, Merritt D, Parra JM, Cardesín-Moinelo A, Aoki S, Wolkenberg P, Alessandro Aronica, Formisano V, Oehler D (May 2019). "Independent confirmation of a methane spike on Mars and a source region east of Gale Crater". Nature Geoscience. 12 (5): 326–332. Bibcode:2019NatGe..12..326G. doi:10.1038/s41561-019-0331-9. . S2CID 134110253. משימות אלו דיווחו על ערכי רקע שנעה בין 0.24 ל-0.65 חלקים למיליארד בנפח (p.p.b.v.)Webster CR, Mahaffy PR, Atreya SK, Moores JE, Flesch GJ, Malespin C, et al. (June 2018). "Background levels of methane in Mars' atmosphere show strong seasonal variations". Science. 360 (6393): 1093–1096. Bibcode:2018Sci...360.1093W. doi:10.1126/science.aaq0131.  ועד ל-p.p.b.v. 45 ± 10Mumma MJ, Villanueva GL, Novak RE, Hewagama T, Bonev BP, Disanti MA, et al. (February 2009). "Strong release of methane on Mars in northern summer 2003". Science. 323 (5917): 1041–5. Bibcode:2009Sci...323.1041M. doi:10.1126/science.1165243. . S2CID 25083438

עם זאת, מדידות אחרונות באמצעות מכשירי ACS ו-NOMAD על סיפון מקפת שיירי הגז אקסו מארס לא הצליחו לזהות מתאן כלשהו בטווח של קווי רוחב וקווי אורך בשני חצי הכדור של מאדים. מכשירים רגישים מאוד אלו הצליחו לקבוע גבול עליון לכמות המתאן הכולל ב-0.05 p.p.b.v.Korablev O, Vandaele AC, Montmessin F, Fedorova AA, Trokhimovskiy A, Forget F, et al. (April 2019). "No detection of methane on Mars from early ExoMars Trace Gas Orbiter observations" (PDF). Nature. 568 (7753): 517–520. Bibcode:2019Natur.568..517K. doi:10.1038/s41586-019-1096-4. . S2CID 106411228 אי זיהוי זה מהווה סתירה גדולה למה שנצפה בעבר עם מכשירים פחות רגישים והוא יישאר נימוק חזק בוויכוח המתמשך על נוכחות מתאן באטמוספירה של מאדים.

יתר על כן, מודלים פוטוכימיים נוכחיים אינם יכולים להסביר את נוכחותו של מתאן באטמוספירה של מאדים ואת השתנות המהירה שלו במרחב ובזמן.Zahnle K, Freedman RS, Catling DC (2011-04-01). "Is there methane on Mars?". Icarus. 212 (2): 493–503. Bibcode:2011Icar..212..493Z. doi:10.1016/j.icarus.2010.11.027.  עדיין לא ניתן להסביר הן את הופעתו המהירה והן את היעלמותו.Mars Trace Gas Mission Archived 2011-07-21 at the Wayback Machine (September 10, 2009). כדי לשלול מקור ביוגני למתאן, יהיה צורך בבדיקה עתידית או נחיתה המארח ספקטרומטר מסה, שכן הפרופורציות בין האיזוטופיות של פחמן-12 ופחמן-14 במתאן יכולות להבחין בין מקור ביוגני ללא-ביוגני, בדומה לשימוש בתקן δ13C  לזיהוי מתאן ביוגני על פני כדור הארץ.[87]Remote Sensing Tutorial, Section 19-13a Archived 2011-10-21 at the Wayback Machine - Missions to Mars during the Third Millennium, Nicholas M. Short Sr., et al., NASA.

 אטמוספירה של מאדים 
האטמוספירה של מאדים מכילה שפע גבוה של CO ו-H 2 המיוצרים באופן פוטוכימי, שהם מולקולות מחזרות. למעט עניין זה, האטמוספירה של מאדים מחמצנת ברובה, מה שמוביל למקור של אנרגיה לא מנוצלת שהחיים יכולים לנצל אם היו משתמשים בחילוף חומרים התואם לאחת מהמולקולות המחזרות הללו או את שתיהן. מכיוון שניתן לצפות במולקולות אלו, מדענים רואים בכך ראיה לאנטי חתימת ביולוגית. ולכן כטיעון נגד חיים על מאדים.

 משימות בתוך מערכת השמש 
חקירה אסטרוביולוגית מבוססת על ההנחה שחתימות ביולוגיות שייתקלו בהן בחלל ברות לזיהוי כחיים מחוץ לכדור הארץ. התועלת של חתימה ביולוגית נקבעת לא רק על ידי הסבירות של חיים ליצור אותה, אלא גם על ידי חוסר הסבירות של תהליכים לא ביולוגיים (אביוטים) לייצר אותה.Rothschild, Lynn (בספטמבר 2003). "Understand the evolutionary mechanisms and environmental limits of life". NASA. אורכב מ-המקור ב-2011-01-26מסקנה שהתגלתה עדות לצורת חיים מחוץ לכדור הארץ (בעבר או בהווה) מחייבת הוכחה כי חתימה ביולוגית אפשרית הופקה בפועל על ידי הפעילויות או שרידי החיים.כמו ברוב התגליות המדעיות, גילוי של חתימה ביולוגית ידרוש צבירת ראיה אחר ראיה עד שסך הראיות כולן אינן מותירות מקום לכל הסבר אחר.

דוגמאות אפשריות לחתימה ביולוגית הן מולקולות או מבנים אורגניים מורכבים שהיווצרותם כמעט בלתי אפשרית בהיעדר חיים:

 מורפולוגיות תאיות וחוץ תאיות
 ביומולקולות בסלעים
 מבנים מולקולריים ביו-אורגניים
 מולקולות כיראליות
 מינרלים ביוגניים 
 דפוסי איזוטופים ביוגניים במינרלים ובתרכובות אורגניות
 גזים אטמוספיריים


 משימות הוויקינג למאדים 
משימות ויקינג למאדים בשנות ה-70 ערכו ניסויים ראשונים שנועדו במפורש לחפש חתימות ביולוגיות על כוכב לכת אחר. כל אחת משתי הנחתות ויקינג ביצעה שלושה ניסויים לזיהוי חיים שחיפשו סימנים לחילוף חומרים; עם זאת, הוכרזו כדו-משמעיות.Levin, G and P. Straaf. 1976. Viking Labeled Release Biology Experiment: Interim Results. Science: vol: 194. pp: 1322-1329.ExoMars rover

 המעבדה לחקר המאדים 
רובר קיוריוסיטי (Curiosity) ממשימת המעבדה לחקר המאדים (MSL) מעריך כעת את יכולת ה הפוטנציאלית בעבר ובהווה של סביבת מאדים ומנסה לזהות חתימות ביולוגיות על פני מאדים. החתימות הביולוגיות שאוסף המכשירים של MSL מסוגל לזהות הן מורפולוגיות של אורגניזם (תאים, מאובני גוף, יציקות), ביופילמים (כולל ), מולקולות אורגניות אבחנתיות, חתימות איזוטופיות, עדויות לביומינרליזציה ושינוי ביולוגי, דפוסים מרחביים בכימיה וגזים ביוגניים. קיוריוסיטי מכוון למחשופים כדי למקסם את ההסתברות לגילוי חומר אורגני 'מאובן' שנשמר במשקעים.

 מקפת ExoMars 
מקפת שיירי הגז אקסו מארס הנחיתה את הנחתת Schiaparelli EDM ולאחר מכן החלה להתמקם במסלול המדע שלה סביב מארס כדי למפות את מקורות ה, ובכך תסייע בבחירת אתר הנחיתה עבור הרובר רוזלינד פרנקלין שבינתיים נדחתה למועד לא ידוע עקב מלחמת רוסיה - אוקראינה וביטול תוכניות החלל המשותפות של אירופהה ורוסיה"Joint Europe-Russia Mars rover project is parked". BBC. BBC. Retrieved 17 March 2022."Europe ending cooperation with Russia on life-hunting Mars rover". Space.com. המטרה העיקרית של משימת הרובר של רוזלינד פרנקלין היא חיפוש אחר חתימות ביולוגיות על פני השטח ותת הקרקע באמצעות מקדחה המסוגלת לאסוף דגימות עד לעומק של , ולכן מוגנת מפני הקרינה ההרסנית ששוטפת את פני השטח.

 רובר מאדים 2020 
רובר Mars 2020, שהושק בשנת 2020, נועד לחקור סביבה עתיקה רלוונטית מבחינה אסטרוביולוגית על מאדים, לחקור את ה וההיסטוריה של פני השטח שלה, כולל הערכת יכולת  שלו בעבר, אפשרות החיים הקודמים על מאדים ופוטנציאל השימור של חתימות ביולוגיות בתוך חומרים גאולוגיים נגישים. בנוסף, הוא יאחסן את הדגימות המעניינות ביותר לצורך הובלה עתידית אפשרית לכדור הארץ.

 שפירית טיטאן 
קונספט הנחתת/כלי טיס ה- של נאס"א המוצע לשיגור בשנת 2025 ונועד לחפש ראיות לביו-חתימות על פני השטח והאטמוספירה העשירים בחומרים אורגניים של טיטאן, כמו גם לחקור את המרק הקדמון הפרה-ביוטי האפשרי שלו.Dragonfly: Exploring Titan's Surface with a New Frontiers Relocatable Lander. American Astronomical Society, DPS meeting #49, id.219.02. October 2017. טיטאן הוא הירח הגדול ביותר של שבתאי והדעה הרווחת היא שיש לו אוקיינוס תת-קרקעי גדול המורכב תִּמְלַחַת. בנוסף, מדענים מאמינים שבטיטאן עשויים להיות התנאים הדרושים לקידום כימיה פרה-ביוטית, מה שהופך אותו למועמד ראשי לגילוי חתימה ביולוגית.

 אירופה קליפר 
ממוזער| אירופה קליפר
הגשושית אירופה קליפר של נאס"א תוכננה כמשימת  לירח הגלילי הקטן ביותר של צדק, אירופה. היא אמורה לצאת לדרך באוקטובר 2024,Clark, Stuart (March 5, 2023). "'It's like finding needles in a haystack': the mission to discover if Jupiter's moons support life". The Guardian. Retrieved March 7, 2023. ולחקור את הפוטנציאל ל באירופה. אירופה היא אחת המועמדות הטובות ביותר לגילוי חתימה ביולוגית במערכת השמש בגלל הקונצנזוס המדעי שחש בה אוקיינוס תת-קרקעי המכיל מים בנפח שהוא פי שניים עד שלושה מנפח המים על פני כדור הארץ. הראיות לאוקיינוס התת-קרקעי הזה כוללות:
 וויאג'ר 1 (1979): צילומי תקריב ראשונים של אירופה צולמו. מדענים משערים שאוקיינוס תת-קרקעי עלול ליצור סימנים דמויי טקטוניים על פני השטח.
 גלילאו (1997): המגנומטר על גבי הגשושית הזו זיהה שינוי עדין בשדה המגנטי ליד אירופה. זה התפרש מאוחר יותר כהפרעה בשדה המגנטי הצפוי עקב השראת הזרם בשכבה מוליכה על אירופה. ההרכב של שכבת מוליכה זו עולה בקנה אחד עם אוקיינוס תת-קרקעי מלוח.
 טלסקופ החלל האבל (2012): צולמה תמונה של אירופה שהראתה עדויות לפלומה של אדי מים שיורדת מעל פני השטח.

הגשושית אירופה קליפר תישא מכשירים שיעזרו לאשר את קיומו והרכבם של אוקיינוס תת-קרקעי ושכבת קרח עבה מעליו. בנוסף, הוא ימפה את פני השטח כדי לחקור מאפיינים שעשויים להצביע על פעילות טקטונית הנגרמת על ידי האוקיינוס התת-קרקעי.

 אנקלדוס 
ממוזער| תמונה של תימרות המים והקרח המגיעות מפני השטח של אנקלדוס. משימות עתידיות יחקרו את הגייזרים הללו כדי לקבוע את ההרכב שלהם ולחפש סימני חיים.
למרות שאין תוכניות מוגדרות לחפש חתימות ביולוגיות על הירח השישי בגודלו של שבתאי, אנקלדוס, הסיכויים לגילוי חתימה ביולוגיות שם מרגשים מספיק כדי להצדיק כמה מושגי משימה שעשויה להיות ממומנת בעתיד. בדומה לירח של צדק אירופה, ישנן עדויות רבות לכך שקיים אוקיינוס תת-קרקעי גם באנקלדוס. פלומות של אדי מים נצפו לראשונה בשנת 2005 על ידי משימת קאסיני ובהמשך נקבעו כמכילות מלח וכן תרכובות אורגניות. בשנת 2014, הוצגו עדויות נוספות באמצעות מדידות גרבימטריות על אנקלדוס שהובילו למסקנה שיש למעשה מאגר גדול של מים מתחת למשטח הקפוא. במושגי הקונספט של המשימה נמנים:

 חותמות חיים ויכולת חיים של אנקלדוס
 מנתח כימיה אורגנית של Enceladus
 חוקר אנקלדוס (En-Ex) 
 סייר אנקלדוס וטיטאן (E 2 T) 
 מסע אל אנקלדוס וטיטאן (JET)
 חקירת חיים עבור אנקלדוס (LIFE) 
 בדיקת יכולת תמיכה בחיים של האוקיינוס של אנקלדוס

לכל משימות הקונספט הללו יש מטרות מדעיות דומות: להעריך את יכולת התמיכה בחיים של אנקלדוס ולחפש חתימות ביולוגיות, בהתאם למפה האסטרטגית לחקר עולם האוקיינוס של אנקלדוס.

 חיפוש מחוץ למערכת השמש 
במרחק של 4.2 שנות אור (1.3 פרסק, 40 טריליון ק"מ) מכדור הארץ, נמצא הכוכב הלכת החיצוני הקרוב ביותר שיש בו פוטנציאל לחיים - פרוקסימה קנטאורי b, אשר התגלה בשנת 2016. משמעות הדבר היא שייקח יותר מ-18,100 שנים להגיע לשם עם כלי שיט שיסע באופן עקבי במהירות כמו החללית ג'ונו (250,000 קמ"ש). כרגע לא ניתן לשלוח בני אדם או אפילו גשושיות לחפש חתימות ביולוגיות מחוץ למערכת השמש. הדרך היחידה לכך היא על ידי תצפית על כוכבי הלכת עם טלסקופים.

לא היו גילויים סבירים או מאוששים ביולוגיים מחוץ למערכת השמש. למרות זאת, זהו תחום מחקר שצומח במהירות בשל הסיכויים שטמונים בדור הבא של הטלסקופים. טלסקופ החלל ג'יימס ווב, ששוגר בדצמבר 2021, יהיה השלב הבא המבטיח בחיפוש אחר חתימות ביולוגיות. למרות שטווח אורכי הגל והרזולוציה שלו לא יהיו תואמים לכמה מרצועות בספקטרום הגז שהן חשובות כתואמות חתימות הביולוגיות (כמו חמצן), הוא עדיין יוכל לזהות כמה עדויות למנגנונים לתופעות חיובי כוזב של חמצן.

הדור החדש של טלסקופים קרקעיים בגודל 30 מטר (טלסקופ 30 מטר והטלסקופ הגדול במיוחד) יהיו בעלי יכולת לקלוט ספקטרום ברזולוציה גבוהה של אטמוספירות כוכבי לכת במגוון אורכי גל. טלסקופים אלה יהיו מסוגלים להבחין בין כמה מהמנגנונים הקשים יותר של חיובי כוזב, כגון הצטברות אביוטי של חמצן באמצעות פוטוליזה. בנוסף, שטח האיסוף הגדול שלהם יאפשר רזולוציה זוויתית גבוהה, מה שהופך את אפשרויות הצפייה הישירה  למעשיות יותר.

 ראו גם 
 טפונומיה

 קישורים חיצוניים 
  - זיהוי שינוי בסביבה עקב המצאות אורגניזם מסוים, דבר שיכול להוות חתימה ביולוגית
 MERMOZ - זיהוי מרחוק של צורות חיים
 חתימה טכנולוגית - זיהוי של חיים תבוניים שהגיעו לשלב ציוויליזציה גבוהה מספיק כדי להפיק סיגנלים ייחודיים המהווים חתימה טכנולוגית

 הערות שוליים 

קטגוריה:אסטרוביולוגיה
קטגוריה:דפים עם תרגומים שלא נסקרו