Bentuk kehidupan awal di Bumi mungkin telah mampu menghasilkan energi metabolik dari sinar matahari menggunakan molekul berpigmen ungu yang disebut retinal yang mungkin mendahului evolusi klorofil dan fotosintesis. Jika retinal telah berevolusi di dunia lain, itu bisa menciptakan biosignatur yang khas karena menyerap cahaya hijau dengan cara yang sama seperti tumbuhan di Bumi menyerap cahaya merah dan biru.
Atmosfir bumi tidak selalu mengandung oksigen dalam jumlah yang signifikan. Selama dua miliar tahun pertama dari sejarah planet kita, atmosfernya kaya akan karbon dioksida dan metana, tetapi sekitar 2,4 miliar tahun yang lalu sesuatu berubah: Peristiwa Oksigenasi Besar yang menyebabkan kelimpahan oksigen bebas di atmosfer kita yang meningkat secara dramatis. Penyebabnya adalah cyanobacteria, yang mampu melakukan fotosintesis – transformasi sinar matahari dan karbon dioksida menjadi energi metabolik untuk menghasilkan gula yang memicu proses kehidupan, dan oksigen sebagai produk ‘limbah’ – menggunakan pigmen hijau yang disebut klorofil. .
Bentuk kehidupan fotosintetik diketahui telah ada sebelum Great Oxygenation Event (GOE), sejak 3,5 miliar tahun yang lalu, tetapi berbagai proses yang bersaing – dan tidak sepenuhnya dipahami – menunda GOE, termasuk mekanisme geologi yang mampu menghilangkan oksigen dari atmosfer. Namun, asal dan evolusi fotosintesis melalui klorofil tetap tidak diketahui. Sekarang, Shiladitya DasSarma, seorang Profesor biologi molekuler di Universitas Maryland, dan Dr. Edward Schwieterman, astrobiolog di University of California, Riverside, telah mengajukan gagasan bahwa klorofil yang sudah ada sebelum retinal, dan bahwa keduanya berevolusi bersama-sama, menyerap sinar matahari pada panjang gelombang komplementer.
“Metabolisme fototropik berbasis-retinal masih lazim di seluruh dunia, terutama di lautan, dan merupakan salah satu proses bioenergi yang paling penting di Bumi,” DasSarma mengatakan kepada Astrobiology Magazine.
Klorofil menyerap cahaya memuncak pada panjang gelombang 465nm dan 665nm. Inilah sebabnya daun tampak hijau, karena memantulkan cahaya hijau daripada menyerapnya. Namun, spektrum Matahari memuncak pada ~ 550nm, yang meliputi cahaya kuning dan hijau.
Sejumlah protein yang menyerap sinar matahari mengandung molekul retinal, termasuk satu protein yang disebut bacteriorhodopsin yang menyerap cahaya memuncak pada 568nm, dekat dengan panjang gelombang di mana puncak cahaya Matahari, dan terutama di kisaran yang tidak terserap klorofil. Inilah yang membuat kita berpikir bahwa dua pigmen – retinal dan klorofil – mungkin berevolusi secara bersamaan,” kata DasSarma, yang berpendapat bahwa karena retinal adalah molekul yang lebih sederhana, ia akan hadir lebih dulu, dengan klorofil (yang lebih efisien di mentransformasi sinar matahari menjadi energi metabolis) berkembang setelah itu, dengan masing-masing mengisi ceruk yang berbeda dalam hal cahaya yang diserapnya.
Percobaan telah menunjukkan bahwa menggabungkan bacteriorhodopsin dengan vesikel membran untuk membentuk setara dengan proto-sel biologis secara efektif dapat menjebak dan menyimpan sinar matahari di dalam sel. “Masuk akal bahwa ini adalah penemuan evolusi awal yang bertepatan dengan evolusi sel-sel pertama,” kata DasSarma. “Menggunakan kemampuan perangkap energi dari membran sel, potensi membran [perbedaan potensial listrik antara di dalam dan di luar sel, memungkinkan sel untuk menyediakan energi] dapat mewakili salah satu alasan paling penting mengapa sel adalah unit dasar dari kehidupan.”
Karena tumbuhan di Bumi menyerap cahaya merah, tetapi memantulkan cahaya inframerah, melihat tumbuhan dengan menggunakan spektroskop menunjukkan kemerosotan dramatis dalam memantulkan cahaya pada panjang gelombang merah, penurunan mendadak yang disebut ‘tepi merah’. Telah dikemukakan bahwa ketika menyelidiki spektrum cahaya yang dipantulkan dari planet luar angkasa yang dapat dihuni, para ilmuwan dapat mencari tepi merah dalam cahaya planet, yang akan menjadi penanda biologis dari tumbuhan yang menggunakan klorofil, atau setara ekstraterestrialnya.
Menariknya, karena pigmen retinal menyerap cahaya hijau dan kuning, dan memantulkan atau memancarkan cahaya merah dan biru, maka kehidupan berbasis retinal akan tampak berwarna ungu. DasSarma dan Schwieterman menggambarkan tahap seperti itu dalam sejarah Bumi sebagai ‘Bumi Ungu’. Karena retinal adalah molekul yang lebih sederhana daripada klorofil, sehingga bisa lebih umum ditemukan dalam kehidupan di alam semesta, dan karena itu ‘tepi hijau’ dalam spektrum planet berpotensi menjadi biosignatur untuk kehidupan berbasis retinal.
“Ini adalah titik referensi lain di perpustakaan potensi biosignatur yang dapat kita cari di tempat lain,” kata Schwieterman .
