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.[1][2][3]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.
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 מאובניםביופילמים 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.[5]
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.[6][7][8][9]
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 (אנ') '2018 "חמצן כמחקר לחתימה ביולוגית".[9]
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).[10][11] 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.[11]
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.[12][13] 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.[14][15][16] 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.[17] 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.[18]
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 גיאוכימיה, גיאוביולוגיה וגאומיקרוביולוגיה (אנ') משתמשות תדיר בחתימות ביולוגיות כדי לקבוע אם אורגניזמים חיים נמצאים או היו נוכחים בדגימה. חתימות ביולוגיות אפשריות אלה כוללות: (א) מיקרו מאובנים וסטרומטוליטים ; (ב) מבנים מולקולריים (סמנים ביולוגיים (אנ')) 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).[19][20]
תהליכי חיים עשויים לייצר מגוון של חתימות ביולוגיות כגון חומצות גרעין, שומנים, חלבונים, חומצות אמינו, חומר דמוי קרוגן ותכונות מורפולוגיות שונות הניתנות לזיהוי בסלעים ובמשקעים.[22]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 (אנ') תחת אור משודר, אך יש להן גדלים, צורות ודפוסים שונים (מתפתלים או דנדריטים) והן מופצות באופן שונה מתכלילים (אנ') נפוצים של נוזלים.[23] חתימה ביולוגית פוטנציאלית היא תופעה שאולי נוצרה על ידי החיים, אך ייתכן שגם לה מקורות אביוטיים חלופיים אפשריים.
כמה חוקרים הציעו שמבנים מיקרוסקופיים אלו על המטאוריט ALH84001 ממאדים עשויים להיות חיידקים מאובנים.[24][25]
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 מאדיםALH84001[26][27][28] הם אחת החתימות הארוכות ביותר השנויות במחלוקת בין כמה חתימות ביולוגיות פוטנציאליות באותה דגימה.[29]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.[30] קונצנזוס שעלה מהדיונים הללו, וכעת נחשב לדרישה קריטית, הוא הדרישה לקווי ראיות נוספים בנוסף לכל הנתונים המורפולוגיים התומכים בטענות יוצאות דופן שכאלו.[1] נכון לעכשיו, הקונצנזוס המדעי הוא ש"מורפולוגיה לבדה לא יכולה לשמש באופן חד משמעי ככלי לזיהוי חיים פרימיטיביים".[31][32][33] הפרשנות של מורפולוגיה ידועה לשמצה כסובייקטיבית, והשימוש בה לבדה הובילה לשגיאות פרשנות רבות.[31]
שום תרכובת אחת לא תוכיח לבדה שהחיים היו קיימים פעם אלא יהיו אלו דפוסים ייחודיים הקיימים באותן התרכובות האורגניות המציגות תהליך של ברירה.[34] 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.[34] עם זאת, חתימות ביולוגיות לא חייבות להיות כימיות, אלא גם מגנטיות.[35]
חתימות ביולוגיות כימיות כוללות כל המערכת של תרכובות אורגניות מורכבות המורכבות מפחמן, מימן ואלמנטים אוהטרואטומים (אנ') אחרים כגון חמצן, חנקן וגופרית, המצויים בשמנים גולמיים, ביטומן, בסלע מקור (אנ') 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.[36] כל סמן ביולוגי הוא די ייחודי בהשוואה לעמיתיו, כפי שהזמן הנדרש להפיכת החומר האורגני לנפט גולמי הוא אופייני.[37] לרוב הסמנים הביולוגיים יש בדרך כלל מסה מולקולרית גבוהה.[38]
כמה דוגמאות לסמנים ביולוגיים המצויים בנפט הם פריסטן (אנ'), טריטרפן, סטראנים (אנ'), פיטן (אנ')ופורפירין (אנ'). סמנים ביולוגיים של נפט כאלה מיוצרים באמצעות סינתזה כימית תוך שימוש בתרכובות ביוכימיות כמרכיביהם העיקריים. לדוגמה, טריטרפנים מופקים מתרכובות ביוכימיות שנמצאות על צמחי אנגיוספרם יבשתיים.[39] השפע של סמנים ביולוגיים של נפט בכמויות קטנות במאגר או בסלע המקור (אנ') שלו מחייבים להשתמש בגישות רגישות ודיפרנציאליות כדי לנתח את נוכחותן של אותן תרכובות. עם הטכניקות המשמשות בדרך כלל לכך נמנות כרומטוגרפיה של גז (אנ') וספקטרומטריית מסה.[40]
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.[41] בנוסף לכך הם יכולים להיות גם פרמטרים טובים של גיל, ולכן הם מכונים מבחינה טכנית "מאובנים כימיים".[42] היחס בין פריסטן לפיטן (pr:ph) הוא הגורם הגיאוכימי המאפשר לסמנים ביולוגיים של נפט להיות סממנים מוצלחים של סביבות השקיעה שלהם.[43]
גאולוגיםוגיאוכימאים משתמשים בעקבות סמנים ביולוגיים שנמצאים בשמנים גולמיים ובסלע המקור (אנ') הקשור אליהם כדי לפענח את המקור הסטרטיגרפי ודפוסי הנדידה של מרבצי נפט הקיימים היום.[44] 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.[45] סמנים ביולוגיים כאלה הם בעלי יתרון רב ומשמשים לעיתים קרובות לאיתור דליפת נפט בנתיבי המים העיקריים.[36] ניתן להשתמש בהם גם לזיהוי זיהום בשמני סיכה.[46] עם זאת, ניתוח סמנים ביולוגיים של חיתוכי סלע לא מטופלים עלולים להניב תוצאות מטעות בגלל מזיהום פחמימני פוטנציאלי והתכלות בדגימות הסלע.[47]
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.[48] במשך מיליארדי שנים, תהליכי החיים על כוכב לכת יביאו לתערובת של כימיקלים שלא דומה לשום דבר שיכול להיווצר בשיווי משקל כימי רגיל.[49][50][16]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 פוטוטרופיות (אנ') ופוטוסינתטיות.[51][52][53][54][55] מדענים משתמשים בכדור הארץ כדוגמה לכך כאשר מסתכלים עליו מרחוק (ראה נקודה כחולה חיוורת) כהשוואה לעולמות שנצפו מחוץ למערכת השמש שלנו.[56] קרינה אולטרה-סגולה על צורות חיים יכולה גם להשרות ביופלואורסצנטיה באורכי גל נראים לעין שיוכלו להתגלות בעזרת הדור החדש של מצפי החלל בפיתוח.[57][58]
כמה מדענים דיווחו על שיטות לגילוי מימן ומתאן באטמוספירות מחוץ לכדור הארץ.[59] יש לפרש אינדיקטורים לאפשרות בתי גידול לאורגניזמים וחתימות ביולוגיות בהקשר פלנטרי וסביבתי.[4] לדוגמה, הנוכחות של חמצן ומתאן יחדיו יכולה להעיד על סוג של חוסר שיווי משקל תרמוכימי קיצוני שנוצר על ידי החיים.[60] שניים מתוך 14,000 החתימות הביולוגיות המוצעות המובילות הן דימתיל גופרתי (אנ') וכלורומתאן (CH3Cl)[61] (בשנת 2023 גילה טלסקופ החלל ג'יימס וב, ששוגר ב-2021, כי באטמוספירה של K2-18b יש הימצאות של מולקולות דימתיל גופרתי (אנ').יחד עם זאת אין זה עדיין סימן לחיים כי המדידות של חומר זה מאוד עדינה ועל כן נדרשות תצפיות נוספות כדי להגיע למסקנות[62]). ביולוגית חלופית שלא מבוססת על חמצן היא השילוב של מתאן ופחמן דו-חמצני.[63][64]
זיהוי פוספין באטמוספירה של נוגה נחקר כחתימה ביולוגית אפשרית.[65]
ייצור מתאן ביוגני (אנ') 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.[66]
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.[67][68][69][70]למשל, ריבוי המתאן באטמוספירה של כדור הארץ הוא בסדרי גודל מעל ערך שיווי המשקל בשל שטף המתאן התמידי שהחיים על פני השטח פולטים.[68][71] בתלות בכוכב המארח, חוסר שיווי משקל בשפע המתאן בכוכב לכת אחר עשוי להצביע על חתימה ביולוגית.[66]
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.[72] זה חייב להיות כרוך באי שיווי משקל כימי כלשהו, שניתן לנצל למטבוליזם.[73][67][69][70] 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.
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.[74]
הנוכחות של מתאן באטמוספירה של מאדים (אנ') 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.[67][70]
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.[79][80][81][82][83][84] משימות אלו דיווחו על ערכי רקע שנעה בין 0.24 ל-0.65 חלקים למיליארד בנפח (p.p.b.v.)[85] ועד ל-p.p.b.v. 45 ± 10[86]
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.[87] 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.[74] עדיין לא ניתן להסביר הן את הופעתו המהירה והן את היעלמותו.[88] 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 (אנ') לזיהוי מתאן ביוגני על פני כדור הארץ.[87][89]
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.[90][91] ולכן כטיעון נגד חיים על מאדים.[92]
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.[93]מסקנה שהתגלתה עדות לצורת חיים מחוץ לכדור הארץ (בעבר או בהווה) מחייבת הוכחה כי חתימה ביולוגית אפשרית הופקה בפועל על ידי הפעילויות או שרידי החיים.[1]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 ניתנת להיווצרות בהיעדר חיים:[93]
רובר Curiosity ממשימת מעבדת המדע של מאדים (MSL), עם רובר Curiosity (אנ') שלו, מעריך כעת את יכולת ההתאמה לקיום לחיים (אנ') הפוטנציאלית בעבר ובהווה של סביבת מאדים ומנסה לזהות חתימות ביולוגיות על פני מאדים.[3] בהתחשב באוסף המכשירים ב-MSL, אלו הן החתימות הביולוגיות האפשריות במסגרת יכולות הזיהוי של MSL: מורפולוגיות של אורגניזם (תאים, מאובני גוף, יציקות), ביופילמים (כולל מחצלות מיקרוביאליות (אנ')), מולקולות אורגניות אבחנתיות, חתימות איזוטופיות, עדויות לביומינרליזציה ושינוי ביולוגי, דפוסים מרחביים בכימיה וגזים ביוגנים.[3]הרובר Curiosity מכוון למחשופים כדי למקסם את ההסתברות לגילוי חומר אורגני 'מאובן' שנשמר במשקעים.
מקפת שיירי הגז אקסו מארס הנחיתה את הנחתת Schiaparelli EDM ולאחר מכן החלה להתמקם במסלול המדע שלה סביב מארס כדי למפות את מקורות המתאן וגזים אחרים על מאדים (אנ'), 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[98][99][100] 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 2 מטרים (6.6 רגל), ולכן מוגנת מפני הקרינה ההרסנית ששוטפת את פני השטח.[97][101]
קונספט הנחתת/כלי טיס ה - Dragonfly (אנ')[104] 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.[105]טיטאן הוא הירח הגדול ביותר של שבתאי והדעה הרווחת היא שיש לו אוקיינוס תת-קרקעי גדול המורכב תִּמְלַחַת.[106][107] בנוסף, מדענים מאמינים שבטיטאן עשויים להיות התנאים הדרושים לקידום כימיה פרה-ביוטית, מה שהופך אותו למועמד ראשי לגילוי חתימה ביולוגית.[108][109][110]
הגשושית אירופה קליפר (אנ') של נאס"א תוכננה כמשימת יעף-ליד (אנ') לירח הגלילי הקטן ביותר של צדק, אירופה.[111] היא אמורה לצאת לדרך באוקטובר 2024,[112] ולחקור את הפוטנציאל להתאמה לחיים (אנ') 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.[113]
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.[114]
טלסקופ החלל האבל (2012): צולמה תמונה של אירופה שהראתה עדויות לפלומה של אדי מים שיורדת מעל פני השטח.[115][116]
הגשושית אירופה קליפר (אנ') 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.[117]
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[118][119] ובהמשך נקבעו כמכילות מלח וכן תרכובות אורגניות.[120][121] בשנת 2014, הוצגו עדויות נוספות באמצעות מדידות גרבימטריות על אנקלדוס שהובילו למסקנה שיש למעשה מאגר גדול של מים מתחת למשטח הקפוא.[122][123][124] במושגי הקונספט של המשימה נמנים:
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.[134]
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.[135][136] 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).[137] 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.[138]
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 (אנ') למעשיות יותר.
^ 123Steele; 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.
^ 123Summons 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. PMID21417945. S2CID 9963677. Archived from the original (PDF) on 2019-11-28. Retrieved 2013-06-22.
^ 12Lisse, 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.
^ 12Beegle 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.
^Bosak, Tanja; Souza-Egipsy, Virginia; Corsetti, Frank A.; Newman, Dianne K. (2004). "Micrometer-scale porosity as a biosignature in carbonate crusts". Geology. 32 (9): 781. Bibcode:2004Geo....32..781B. doi:10.1130/G20681.1.
^McSween, Harry Y. (2019), "The Search for Biosignatures in Martian Meteorite Allan Hills 84001", in Cavalazzi, Barbara; Westall, Frances (eds.), Biosignatures for Astrobiology, Advances in Astrobiology and Biogeophysics, Springer International Publishing, pp. 167–182, doi:10.1007/978-3-319-96175-0_8, ISBN978-3-319-96175-0
^ 12Garcia-Ruiz JG (30 בדצמבר 1999). "Morphological behavior of inorganic precipitation systems – Instruments, Methods, and Missions for Astrobiology II". SPIE Proceedings. Instruments, Methods, and Missions for Astrobiology II. Proc. SPIE 3755: 74. doi:10.1117/12.375088. It is concluded that "morphology cannot be used unambiguously as a tool for primitive life detection".{{cite journal}}: (עזרה)
^Chosson, P; Lanau, C; Connan, J; Dessort, D (1991). "Biodegradation of refractory hydrocarbon biomarkers from petroleum under laboratory conditions". Nature. 351 (6328): 640–642. Bibcode:1991Natur.351..640C. doi:10.1038/351640a0. PMID2052089.
^Wang, Zhendi; Stout, Scott A. (2007). Oil spill environmental forensics: fingerprinting and source identification. pp. 1–53.
^Roushdy, M.I.; El Nady, M.M.; Mostafa, Y.M.; El Gendy, N.Sh.; Ali, H.R. (2010). "Biomarkers characteristics of crude oils from some oilfields in the gulf of suez, egypt". Journal of American Science. 6 (11).
^Ashton, Buffy M.; East, Rebecca S.; Walsh, Maud M.; Miles, Scott; Obeton, Edward B. (2000). "Studying and Verifying the Use of Chemical Biomarkers for Identifying and Quantitating Oil Residues in the Environment". Journal of Ocean and Climate Systems: 1–54.
^Bieger, Tilman; Hellou, Jocelyne; Abrajano Jr., Teofilou A. (1996). "Petroleum biomarkers as tracers of lubricating oil contamination". Marine Pollution Bulletin. 32 (2): 270–274. Bibcode:1996MarPB..32..270B. doi:10.1016/0025-326X(95)00151-C.
^Claudi, R.; Erculiani, M. S.; Galletta, G.; Billi, D.; Pace, E.; Schierano, D.; Giro, E.; D'Alessandro, M. (20 במאי 2015). "Simulating super earth atmospheres in the laboratory". International Journal of Astrobiology. 15 (1): 35–44. doi:10.1017/S1473550415000117. {{cite journal}}: (עזרה)
^O'Malley-James, Jack T; Kaltenegger, Lisa (2019). "Biofluorescent Worlds – II. Biological fluorescence induced by stellar UV flares, a new temporal biosignature". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 488 (4): 4530–4545. arXiv:1608.06930. Bibcode:2019MNRAS.488.4530O. doi:10.1093/mnras/stz1842.
^ 123Lovelock JE (באוגוסט 1965). "A physical basis for life detection experiments". Nature. 207 (997): 568–70. Bibcode:1965Natur.207..568L. doi:10.1038/207568a0. PMID5883628.
^ 12Lovelock James Ephraim; Kaplan I. R.; Pirie Norman Wingate (1975-05-06). "Thermodynamics and the recognition of alien biospheres". Proceedings of the Royal Society of London. Series B. Biological Sciences. 189 (1095): 167–181. Bibcode:1975RSPSB.189..167L. doi:10.1098/rspb.1975.0051.
^ 123Hitchcock 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. ISSN0019-1035
^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. ISSN0019-1035.
^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. PMID15514118. 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. PMID19150811. 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. ISSN0019-1035.
^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. PMID25515120. S2CID 20304810
^Amoroso 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. ISSN1752-0908. S2CID 134110253.
^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. PMID29880682
^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. PMID19150811. S2CID 25083438
^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. PMID30971829. S2CID 106411228
^Mars Trace Gas Mission Archived 2011-07-21 at the Wayback Machine (September 10, 2009).
^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.
^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.
^Reh, K.; Spilker, L.; Lunine, Jonathan I.; Waite Jr., Jack Hunter; Cable, M. L.; Postberg, Frank; Clark, K. (במרץ 2016). "Enceladus Life Finder: The search for life in a habitable Moon". 2016 IEEE Aerospace Conference. pp. 1–8. doi:10.1109/AERO.2016.7500813. ISBN978-1-4673-7676-1. {{cite book}}: (עזרה)
.png)
