Jak rośliny wyglądają na innych planetach pozasłonecznych?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Poszukiwanie życia pozaziemskiego nie jest już domeną science fiction ani łowców UFO. Być może nowoczesne technologie nie osiągnęły jeszcze wymaganego poziomu, ale z ich pomocą jesteśmy już w stanie wykryć fizyczne i chemiczne przejawy podstawowych procesów leżących u podstaw żywych organizmów.

Astronomowie odkryli ponad 200 planet krążących wokół gwiazd poza Układem Słonecznym. Na razie nie możemy dać jednoznacznej odpowiedzi na temat prawdopodobieństwa istnienia na nich życia, ale to tylko kwestia czasu. W lipcu 2007 roku, po przeanalizowaniu światła gwiazd przechodzącego przez atmosferę egzoplanety, astronomowie potwierdzili obecność na niej wody. Obecnie opracowywane są teleskopy, które umożliwią poszukiwanie śladów życia na planetach takich jak Ziemia na podstawie ich widm.

Jednym z ważnych czynników wpływających na widmo światła odbijanego przez planetę może być proces fotosyntezy. Ale czy jest to możliwe w innych światach? Całkiem! Na Ziemi fotosynteza jest podstawą prawie wszystkich żywych organizmów. Pomimo tego, że niektóre organizmy nauczyły się żyć w podwyższonych temperaturach w metanie i w kominach hydrotermalnych oceanów, bogactwo ekosystemów na powierzchni naszej planety zawdzięczamy słońcu.

Z jednej strony w procesie fotosyntezy wytwarzany jest tlen, który wraz z powstałym z niego ozonem znajduje się w atmosferze planety. Z drugiej strony kolor planety może wskazywać na obecność na jej powierzchni specjalnych pigmentów, takich jak chlorofil. Prawie sto lat temu, widząc sezonowe ciemnienie powierzchni Marsa, astronomowie podejrzewali obecność na nim roślin. Podjęto próby wykrycia oznak zielonych roślin w widmie światła odbitego od powierzchni planety. Ale wątpliwość tego podejścia dostrzegł nawet pisarz Herbert Wells, który w swojej „Wojnie światów” zauważył: „Oczywiście, warzywne królestwo Marsa, w przeciwieństwie do ziemskiego, gdzie dominuje zieleń, ma krew- kolor czerwony. Teraz wiemy, że na Marsie nie ma roślin, a pojawianie się ciemniejszych obszarów na powierzchni wiąże się z burzami piaskowymi. Sam Wells był przekonany, że kolor Marsa jest nie tylko determinowany przez rośliny pokrywające jego powierzchnię.

Nawet na Ziemi organizmy fotosyntetyczne nie ograniczają się do zieleni: niektóre rośliny mają czerwone liście, a różne glony i bakterie fotosyntetyczne mienią się wszystkimi kolorami tęczy. A fioletowe bakterie oprócz światła widzialnego wykorzystują promieniowanie podczerwone ze Słońca. Więc co będzie dominować na innych planetach? A jak możemy to zobaczyć? Odpowiedź zależy od mechanizmów, dzięki którym obca fotosynteza przyswaja światło swojej gwiazdy, która różni się charakterem promieniowania słonecznego. Ponadto inny skład atmosfery wpływa również na skład spektralny promieniowania padającego na powierzchnię planety.

Gwiazdy klasy widmowej M (czerwone karły) świecą słabo, więc rośliny na pobliskich planetach podobnych do Ziemi muszą być czarne, aby wchłonąć jak najwięcej światła. Młode gwiazdy typu M wypalają powierzchnię planet rozbłyskami ultrafioletowymi, więc organizmy muszą być wodne. Nasze Słońce jest klasy G. A w pobliżu gwiazd klasy F rośliny otrzymują zbyt dużo światła i muszą odbijać jego znaczną część.

Aby wyobrazić sobie, jak będzie wyglądała fotosynteza w innych światach, musisz najpierw zrozumieć, w jaki sposób rośliny na Ziemi ją przeprowadzają. Widmo energii światła słonecznego ma szczyt w obszarze niebiesko-zielonym, co sprawiło, że naukowcy długo zastanawiali się, dlaczego rośliny nie pochłaniają większości dostępnego zielonego światła, a wręcz przeciwnie, je odbijają? Okazało się, że proces fotosyntezy zależy nie tyle od całkowitej ilości energii słonecznej, ile od energii poszczególnych fotonów i liczby fotonów składających się na światło.

Każdy niebieski foton niesie więcej energii niż czerwony, ale słońce emituje głównie fotony czerwone. Rośliny wykorzystują fotony niebieskie ze względu na ich jakość, a czerwone ze względu na ich ilość. Długość fali zielonego światła leży dokładnie między czerwonym a niebieskim, ale zielone fotony nie różnią się dostępnością ani energią, więc rośliny ich nie wykorzystują.

Podczas fotosyntezy w celu utrwalenia jednego atomu węgla (pochodzącego z dwutlenku węgla, CO₂) w cząsteczce cukru wymagane jest co najmniej osiem fotonów, a do rozerwania wiązania wodorowo-tlenowego w cząsteczce wody (H₂O) - tylko jeden. W tym przypadku pojawia się wolny elektron, który jest niezbędny do dalszej reakcji. W sumie do powstania jednej cząsteczki tlenu (O₂) cztery takie obligacje muszą zostać zerwane. Aby druga reakcja utworzyła cząsteczkę cukru, potrzebne są co najmniej cztery dodatkowe fotony. Należy zauważyć, że foton musi mieć pewną minimalną energię, aby mógł brać udział w fotosyntezie.

Sposób, w jaki rośliny pochłaniają światło słoneczne, jest naprawdę jednym z cudów natury. Pigmenty fotosyntetyczne nie występują jako pojedyncze cząsteczki. Tworzą skupiska składające się niejako z wielu anten, z których każda jest dostrojona do odbierania fotonów o określonej długości fali. Chlorofil przede wszystkim pochłania światło czerwone i niebieskie, podczas gdy pigmenty karotenoidowe, które dają czerwone i żółte liście opadające, odbierają inny odcień niebieskiego. Cała energia zebrana przez te pigmenty jest dostarczana do cząsteczki chlorofilu znajdującej się w centrum reakcji, gdzie woda dzieli się, tworząc tlen.

Kompleks cząsteczek w centrum reakcji może przeprowadzać reakcje chemiczne tylko wtedy, gdy otrzyma czerwone fotony lub równoważną ilość energii w innej postaci. Aby wykorzystać niebieskie fotony, pigmenty antenowe zamieniają ich wysoką energię na niższą, podobnie jak szereg transformatorów obniżających napięcie 100 000 woltów z linii zasilającej do 220 woltowego gniazdka ściennego. Proces rozpoczyna się, gdy niebieski foton uderza w pigment, który pochłania niebieskie światło i przekazuje energię jednemu z elektronów w swojej cząsteczce. Kiedy elektron powraca do swojego pierwotnego stanu, emituje tę energię, ale z powodu strat ciepła i wibracji mniej niż pochłonął.

Cząsteczka pigmentu oddaje jednak odbieraną energię nie w postaci fotonu, ale w postaci oddziaływania elektrycznego z inną cząsteczką pigmentu, która jest w stanie pochłonąć energię o niższym poziomie. Z kolei drugi pigment uwalnia jeszcze mniej energii, a proces ten trwa do momentu, gdy energia oryginalnego niebieskiego fotonu spadnie do poziomu czerwonego.

Centrum reakcji, jako odbierający koniec kaskady, jest przystosowane do absorbowania dostępnych fotonów przy minimalnej energii. Na powierzchni naszej planety czerwone fotony są najliczniejsze, a jednocześnie mają najmniejszą energię spośród fotonów w widmie widzialnym.

Ale w przypadku fotosyntezatorów podwodnych czerwone fotony nie muszą być najliczniejsze. Obszar światła wykorzystywany do fotosyntezy zmienia się wraz z głębokością jak woda, rozpuszczone w niej substancje, a organizmy w górnych warstwach filtrują światło. Rezultatem jest wyraźne rozwarstwienie żywych form zgodnie z ich zestawem pigmentów. Organizmy z głębszych warstw wody mają pigmenty dostrojone do światła tych kolorów, które nie zostały wchłonięte przez warstwy powyżej. Na przykład glony i cyjane mają pigmenty fikocyjaninę i fikoerytrynę, które absorbują zielone i żółte fotony. W anoksygennym (tj. Bakterie niewytwarzające tlenu to bakteriochlorofil, który pochłania światło z obszarów dalekiej czerwieni i bliskiej podczerwieni (IR), które są w stanie przeniknąć jedynie w mroczne głębiny wody.

Organizmy, które przystosowały się do słabego światła, zwykle rosną wolniej, ponieważ muszą ciężej pracować, aby pochłonąć całe dostępne im światło. Na powierzchni planety, gdzie jest dużo światła, rośliny niekorzystnie wytwarzałyby nadmiar pigmentów, więc selektywnie wykorzystują kolory. Te same zasady ewolucyjne powinny działać również w innych systemach planetarnych.

Tak jak stworzenia wodne przystosowały się do światła filtrowanego przez wodę, mieszkańcy lądu przystosowali się do światła filtrowanego przez gazy atmosferyczne. W górnej części atmosfery ziemskiej najliczniej występują fotony o długości fali 560-590 nm w kolorze żółtym. Liczba fotonów stopniowo maleje w kierunku fal długich i gwałtownie załamuje się w kierunku fal krótkich. Gdy światło słoneczne przechodzi przez górną warstwę atmosfery, para wodna pochłania promieniowanie podczerwone w kilku pasmach dłuższych niż 700 nm. Tlen wytwarza wąski zakres linii absorpcyjnych w pobliżu 687 i 761 nm. Każdy zna ten ozon (Oh₃) w stratosferze aktywnie absorbuje światło ultrafioletowe (UV), ale także nieznacznie absorbuje w widzialnym obszarze widma.

Tak więc nasza atmosfera pozostawia okna, przez które promieniowanie dociera do powierzchni planety. Zasięg promieniowania widzialnego jest ograniczony po stronie niebieskiej przez ostre odcięcie widma słonecznego w obszarze krótkich długości fali oraz absorpcję UV przez ozon. Czerwoną granicę wyznaczają linie absorpcji tlenu. Szczyt liczby fotonów jest przesunięty z żółtego na czerwony (około 685 nm) ze względu na rozległą absorpcję ozonu w obszarze widzialnym.

Rośliny są przystosowane do tego widma, które jest determinowane głównie przez tlen. Należy jednak pamiętać, że same rośliny dostarczają tlen do atmosfery. Kiedy na Ziemi pojawiły się pierwsze organizmy fotosyntetyczne, w atmosferze było mało tlenu, więc rośliny musiały używać pigmentów innych niż chlorofil. Dopiero po pewnym czasie, kiedy fotosynteza zmieniła skład atmosfery, chlorofil stał się optymalnym pigmentem.

Wiarygodne dowody skamieniałości fotosyntezy mają około 3,4 miliarda lat, ale wcześniejsze szczątki skamieniałości wykazują oznaki tego procesu. Pierwsze organizmy fotosyntetyczne musiały znajdować się pod wodą, po części dlatego, że woda jest dobrym rozpuszczalnikiem dla reakcji biochemicznych, a także dlatego, że zapewnia ochronę przed słonecznym promieniowaniem UV, co było ważne w przypadku braku atmosferycznej warstwy ozonowej. Takimi organizmami były podwodne bakterie, które absorbowały fotony podczerwone. Ich reakcje chemiczne obejmowały wodór, siarkowodór, żelazo, ale nie wodę; dlatego nie emitowały tlenu. A zaledwie 2, 7 miliardów lat temu sinice w oceanach rozpoczęły fotosyntezę tlenową z uwolnieniem tlenu. Stopniowo zwiększała się ilość tlenu i warstwy ozonowej, pozwalając czerwonym i brunatnym algom wydostać się na powierzchnię. A gdy poziom wody w płytkich wodach był wystarczający do ochrony przed promieniowaniem UV, pojawiły się zielone glony. Miały niewiele fikobiliprotein i były lepiej przystosowane do jasnego światła w pobliżu powierzchni wody. 2 miliardy lat po tym, jak tlen zaczął gromadzić się w atmosferze, na lądzie pojawili się potomkowie zielonych alg - roślin.

Flora uległa znaczącym zmianom - gwałtownie wzrosła różnorodność form: od mchów i wątrobowców po rośliny naczyniowe o wysokich koronach, które pochłaniają więcej światła i są przystosowane do różnych stref klimatycznych. Stożkowate korony drzew iglastych skutecznie pochłaniają światło na dużych szerokościach geograficznych, gdzie słońce ledwo wschodzi nad horyzont. Rośliny cieniolubne wytwarzają antocyjany chroniące przed jasnym światłem. Zielony chlorofil jest nie tylko dobrze dostosowany do współczesnego składu atmosfery, ale także pomaga go utrzymać, utrzymując zieloną naszą planetę. Możliwe, że kolejny krok w ewolucji da przewagę organizmowi, który żyje w cieniu pod koronami drzew i wykorzystuje fikobiliny do pochłaniania zielonego i żółtego światła. Ale mieszkańcy wyższego poziomu najwyraźniej pozostaną zieloni.

Malowanie świata na czerwono

Poszukując barwników fotosyntetycznych na planetach w innych układach gwiazdowych, astronomowie powinni pamiętać, że obiekty te znajdują się na różnych etapach ewolucji. Na przykład mogą napotkać planetę podobną do Ziemi, powiedzmy, 2 miliardy lat temu. Należy również pamiętać, że obce organizmy fotosyntetyczne mogą mieć właściwości, które nie są charakterystyczne dla ich ziemskich „krewnych”. Na przykład są w stanie rozszczepiać cząsteczki wody za pomocą fotonów o większej długości fali.

Organizmem o najdłuższej długości fali na Ziemi jest purpurowa bakteria anoksygenna, która wykorzystuje promieniowanie podczerwone o długości fali około 1015 nm. Rekordami wśród organizmów tlenowych są sinice morskie, które absorbują przy 720 nm. Nie ma górnej granicy długości fali określonej przez prawa fizyki. Tyle, że system fotosyntetyzujący musi wykorzystywać większą liczbę fotonów o długich falach w porównaniu z fotonami o krótkiej długości fali.

Czynnikiem ograniczającym nie jest różnorodność pigmentów, ale spektrum światła docierającego do powierzchni planety, które z kolei zależy od typu gwiazdy. Astronomowie klasyfikują gwiazdy na podstawie ich koloru, w zależności od ich temperatury, wielkości i wieku. Nie wszystkie gwiazdy istnieją wystarczająco długo, aby na sąsiednich planetach powstało i rozwinęło się życie. Gwiazdy są długowieczne (w kolejności malejącej temperatury) klas widmowych F, G, K i M. Słońce należy do klasy G. Gwiazdy klasy F są większe i jaśniejsze od Słońca, palą się emitując jaśniejsze niebieskie światło i wypalą się za około 2 miliardy lat. Gwiazdy klasy K i M mają mniejszą średnicę, są słabsze, bardziej czerwone i klasyfikowane jako długowieczne.

Wokół każdej gwiazdy znajduje się tak zwana „strefa życia” - szereg orbit, na których planety mają temperaturę niezbędną do istnienia wody w stanie ciekłym. W Układzie Słonecznym taką strefą jest pierścień ograniczony orbitami Marsa i Ziemi. Gorące gwiazdy F mają strefę życia dalej od gwiazdy, podczas gdy chłodniejsze gwiazdy K i M mają ją bliżej. Planety w strefie życia gwiazd F, G i K otrzymują mniej więcej taką samą ilość światła widzialnego, jak Ziemia otrzymuje od Słońca. Jest prawdopodobne, że życie mogłoby powstać na nich w oparciu o tę samą fotosyntezę tlenową, co na Ziemi, chociaż kolor pigmentów może być przesunięty w zakresie widzialnym.

Gwiazdy typu M, tak zwane czerwone karły, są szczególnie interesujące dla naukowców, ponieważ są najpowszechniejszym typem gwiazd w naszej Galaktyce. Emitują zauważalnie mniej światła widzialnego niż Słońce: szczyt intensywności w ich widmie występuje w bliskiej podczerwieni. John Raven, biolog z University of Dundee w Szkocji, i Ray Wolstencroft, astronom z Królewskiego Obserwatorium w Edynburgu, zasugerowali, że fotosynteza tlenowa jest teoretycznie możliwa przy użyciu fotonów bliskiej podczerwieni. W tym przypadku organizmy będą musiały użyć trzech, a nawet czterech fotonów IR, aby rozbić cząsteczkę wody, podczas gdy rośliny ziemskie wykorzystują tylko dwa fotony, co można porównać do kroków rakiety, która przekazuje energię elektronowi do przeprowadzenia reakcji chemicznej. reakcja.

Młode gwiazdy M wykazują silne rozbłyski UV, których można uniknąć tylko pod wodą. Ale słup wody pochłania również inne części widma, więc organizmom znajdującym się na głębokości będzie bardzo brakować światła. Jeśli tak, to fotosynteza na tych planetach może się nie rozwinąć. Wraz ze starzeniem się gwiazdy M ilość emitowanego promieniowania ultrafioletowego maleje, na późniejszych etapach ewolucji staje się mniejsza niż emituje nasze Słońce. W tym okresie nie ma potrzeby tworzenia ochronnej warstwy ozonowej, a życie na powierzchni planet może kwitnąć, nawet jeśli nie wytwarza tlenu.

Dlatego astronomowie powinni rozważyć cztery możliwe scenariusze w zależności od typu i wieku gwiazdy.

Beztlenowe życie w oceanie. Gwiazda w układzie planetarnym jest młoda, dowolnego typu. Organizmy mogą nie wytwarzać tlenu. Atmosfera może składać się z innych gazów, takich jak metan.

Aerobowe życie w oceanie. Gwiazda nie jest już młoda, żadnego typu. Od rozpoczęcia fotosyntezy tlenowej minęło wystarczająco dużo czasu na gromadzenie się tlenu w atmosferze.

Życie na lądzie aerobowym. Gwiazda jest dojrzała, dowolnego typu. Teren porośnięty roślinnością. Życie na Ziemi jest właśnie na tym etapie.

Beztlenowe życie lądowe. Słaba gwiazda M ze słabym promieniowaniem UV. Rośliny pokrywają ziemię, ale mogą nie wytwarzać tlenu.

Oczywiście przejawy organizmów fotosyntetycznych w każdym z tych przypadków będą różne. Doświadczenie fotografowania naszej planety z satelitów sugeruje, że nie da się wykryć życia w głębinach oceanu za pomocą teleskopu: dwa pierwsze scenariusze nie obiecują nam kolorowych oznak życia. Jedyną szansą na jego znalezienie jest poszukiwanie gazów atmosferycznych pochodzenia organicznego. Dlatego badacze wykorzystujący metody barwne do poszukiwania obcego życia będą musieli skupić się na badaniu roślin lądowych z fotosyntezą tlenową na planetach w pobliżu gwiazd F, G i K lub na planetach gwiazd M, ale z dowolnym rodzajem fotosyntezy.

Znaki życia

Substancje, które oprócz koloru roślin mogą być oznaką obecności życia

Tlen (O₂) i wody (H₂O) … Nawet na martwej planecie światło gwiazdy macierzystej niszczy cząsteczki pary wodnej i wytwarza niewielką ilość tlenu w atmosferze. Ale ten gaz szybko rozpuszcza się w wodzie, a także utlenia skały i gazy wulkaniczne. Dlatego jeśli na planecie z wodą w stanie ciekłym widać dużo tlenu, oznacza to, że wytwarzają go dodatkowe źródła, najprawdopodobniej fotosynteza.

Ozon (O₃) … W stratosferze ziemskiej światło ultrafioletowe niszczy cząsteczki tlenu, które po połączeniu tworzą ozon. Wraz z wodą w stanie ciekłym ozon jest ważnym wskaźnikiem życia. Podczas gdy tlen jest widoczny w widmie widzialnym, ozon jest widoczny w podczerwieni, co jest łatwiejsze do wykrycia za pomocą niektórych teleskopów.

Metan (CH₄) plus tlen, czyli cykle sezonowe … Połączenie tlenu i metanu jest trudne do uzyskania bez fotosyntezy. Pewną oznaką życia są również sezonowe wahania stężenia metanu. A na martwej planecie stężenie metanu jest prawie stałe: spada powoli, gdy światło słoneczne rozkłada cząsteczki

Chlorometan (CH₃Cl) … Na Ziemi gaz ten powstaje w wyniku spalania roślin (głównie w pożarach lasów) oraz ekspozycji na światło słoneczne na plankton i chlor w wodzie morskiej. Utlenianie to niszczy. Jednak stosunkowo słaba emisja gwiazd typu M może pozwolić na akumulację tego gazu w ilości dostępnej do rejestracji.

Podtlenek azotu (N₂O) … Gdy organizmy rozkładają się, azot uwalniany jest w postaci tlenku. Niebiologiczne źródła tego gazu są znikome.

Czarny to nowy zielony

Bez względu na charakterystykę planety, pigmenty fotosyntetyczne muszą spełniać te same wymagania, co na Ziemi: absorbować fotony o najkrótszej długości fali (wysokiej energii), o najdłuższej fali (z której korzysta centrum reakcji) lub najbardziej dostępnej. Aby zrozumieć, w jaki sposób typ gwiazdy determinuje kolor roślin, konieczne było połączenie wysiłków badaczy z różnych specjalności.

Mijanie gwiazd

Kolor roślin zależy od widma światła gwiazd, które astronomowie mogą łatwo zaobserwować, oraz absorpcji światła przez powietrze i wodę, które autorka i jej współpracownicy modelowali na podstawie prawdopodobnego składu atmosfery i właściwości życia. Obraz "W świecie nauki"

Martin Cohen, astronom z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, zebrał dane na temat gwiazdy F (Bootes sigma), gwiazdy K (epsilon Eridani), aktywnie rozbłyskującej gwiazdy M (AD Leo) i hipotetycznego spokojnego M -gwiazdka o temperaturze 3100 st. C. Astronom Antigona Segura z Narodowego Uniwersytetu Autonomicznego w Meksyku przeprowadziła symulacje komputerowe zachowania planet podobnych do Ziemi w strefie życia wokół tych gwiazd. Korzystając z modeli Alexandra Pavlova z University of Arizona i Jamesa Kastinga z University of Pennsylvania, Segura zbadał oddziaływanie promieniowania gwiazd z prawdopodobnymi składnikami atmosfer planetarnych (zakładając, że wulkany emitują na nich te same gazy co na Ziemi), próbując określić skład chemiczny atmosfer zarówno pozbawionych tlenu, jak i o zawartości zbliżonej do ziemskiej.

Korzystając z wyników Segury, fizyk Giovanna Tinetti z University College London obliczyła absorpcję promieniowania w atmosferach planet przy użyciu modelu Davida Crispa w Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie w Kalifornii, który został wykorzystany do oszacowania oświetlenia paneli słonecznych łazików marsjańskich. Interpretacja tych obliczeń wymagała połączonych wysiłków pięciu ekspertów: mikrobiolog Janet Siefert z Rice University, biochemików Roberta Blankenshipa z Washington University w St. Louis oraz Govindjee z University of Illinois w Urbana, planetologa i Champaigne (Victoria Meadows) z Washington State University i ja, biometeorolog z Goddard Space Research Institute NASA.

Doszliśmy do wniosku, że niebieskie promienie ze szczytem przy 451 nm w większości docierają do powierzchni planet w pobliżu gwiazd klasy F. W pobliżu gwiazd K szczyt znajduje się przy 667 nm, jest to czerwony obszar widma, który przypomina sytuację na Ziemi. W tym przypadku ozon odgrywa ważną rolę, sprawiając, że światło gwiazd F jest bardziej niebieskie, a światło gwiazd K bardziej czerwone niż w rzeczywistości. Okazuje się, że promieniowanie odpowiednie do fotosyntezy w tym przypadku leży w widzialnym obszarze widma, tak jak na Ziemi.

Tak więc rośliny na planetach w pobliżu gwiazd F i K mogą mieć prawie taki sam kolor jak te na Ziemi. Ale w gwiazdach F strumień bogatych w energię niebieskich fotonów jest zbyt intensywny, więc rośliny muszą przynajmniej częściowo je odbijać za pomocą pigmentów osłonowych, takich jak antocyjany, które nadają roślinom niebieskawe zabarwienie. Jednak do fotosyntezy mogą używać tylko niebieskich fotonów. W takim przypadku powinno zostać odbite całe światło w zakresie od zielonego do czerwonego. Spowoduje to charakterystyczne niebieskie odcięcie w widmie światła odbitego, które można łatwo dostrzec za pomocą teleskopu.

Szeroki zakres temperatur gwiazd typu M sugeruje różnorodność kolorów ich planet. Okrążając spokojną gwiazdę typu M, planeta otrzymuje połowę energii, jaką Ziemia otrzymuje od Słońca. I chociaż to w zasadzie wystarcza do życia - to 60 razy więcej niż jest to wymagane dla kochających cień roślin na Ziemi - większość fotonów pochodzących z tych gwiazd należy do obszaru widma bliskiej podczerwieni. Ale ewolucja powinna prowadzić do pojawienia się różnych pigmentów, które mogą postrzegać całe spektrum światła widzialnego i podczerwonego. Rośliny, które pochłaniają praktycznie całe promieniowanie, mogą nawet wydawać się czarne.

Mała fioletowa kropka

Historia życia na Ziemi pokazuje, że wczesne morskie organizmy fotosyntetyczne na planetach w pobliżu gwiazd klasy F, G i K mogły żyć w pierwotnej atmosferze beztlenowej i rozwinąć system fotosyntezy tlenowej, co później doprowadziłoby do pojawienia się roślin lądowych. Sytuacja z gwiazdami klasy M jest bardziej skomplikowana. Wyniki naszych obliczeń wskazują, że optymalnym miejscem dla fotosyntezatorów jest 9 m pod wodą: warstwa o tej głębokości wychwytuje destrukcyjne światło ultrafioletowe, ale przepuszcza wystarczającą ilość światła widzialnego. Oczywiście nie zauważymy tych organizmów w naszych teleskopach, ale mogą stać się podstawą życia na lądzie. W zasadzie na planetach w pobliżu gwiazd typu M życie roślinne, wykorzystujące różne pigmenty, może być prawie tak różnorodne, jak na Ziemi.

Ale czy przyszłe teleskopy kosmiczne pozwolą nam zobaczyć ślady życia na tych planetach? Odpowiedź zależy od tego, jaki będzie stosunek powierzchni wody do lądu na planecie. W teleskopach pierwszej generacji planety będą wyglądały jak punkty, a szczegółowe badanie ich powierzchni nie wchodzi w rachubę. Wszystko, co uzyskają naukowcy, to całkowite spektrum odbitego światła. Opierając się na swoich obliczeniach, Tinetti twierdzi, że co najmniej 20% powierzchni planety musi stanowić suchy ląd pokryty roślinami i niepokryty chmurami, aby można było zidentyfikować rośliny w tym spektrum. Z drugiej strony im większy obszar morski, tym więcej tlenu morskie fotosyntezatory uwalniają do atmosfery. Dlatego im wyraźniejsze są bioindykatory pigmentowe, tym trudniej dostrzec bioindykatory tlenu i odwrotnie. Astronomowie będą w stanie wykryć jedno lub drugie, ale nie oba.

Poszukiwacze planet

Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) planuje wystrzelenie sondy Darwin w ciągu najbliższych 10 lat w celu zbadania widma egzoplanet ziemskich. Earth-Like Planet Seeker NASA zrobi to samo, jeśli agencja otrzyma fundusze. Sonda COROT, wystrzelona przez ESA w grudniu 2006 r., oraz sonda Kepler, której wystrzelenie zaplanowała NASA w 2009 r., mają na celu poszukiwanie słabych spadków jasności gwiazd, gdy planety podobne do Ziemi przechodzą przed nimi. Sonda SIM NASA będzie szukać słabych wibracji gwiazd pod wpływem planet.

Obecność życia na innych planetach – prawdziwego życia, a nie tylko skamielin czy mikrobów, które ledwo przeżywają w ekstremalnych warunkach – może zostać odkryta w bardzo niedalekiej przyszłości. Ale które gwiazdy powinniśmy najpierw zbadać? Czy będziemy w stanie zarejestrować widma planet położonych blisko gwiazd, co jest szczególnie ważne w przypadku gwiazd typu M? W jakich zakresach iz jaką rozdzielczością powinny obserwować nasze teleskopy? Zrozumienie podstaw fotosyntezy pomoże nam stworzyć nowe instrumenty i zinterpretować otrzymywane dane. Problemy o takiej złożoności można rozwiązać tylko na przecięciu różnych nauk. Jak na razie jesteśmy dopiero na początku ścieżki. Sama możliwość poszukiwania życia pozaziemskiego zależy od tego, jak głęboko rozumiemy podstawy życia na Ziemi.