Вопрос о цвете растений на планетах вне Солнечной системы совсем не праздный. Во-первых, всем нам нужно знать насколько обманывают нас создатели фантастических фильмов ).
А во-вторых, анализируя цвет поверхности экзопланеты, мы можем приблизиться к разгадке одной из главных загадок современности — существует ли жизнь во Вселенной за пределами Земли.
Уже открыто несколько тысяч планет вне Солнечной системы. Всего подсчеты говорят о существовании не менее чем 100 миллиардов планет в нашей галактике, из которых до 300 миллионов могут по своим условиям быть пригодными для существования на них жизни.
Ключевые данные, которые могут помочь определить наличие жизни, должны быть получены из анализа спектра отраженного планетой света. В частности, на этот спектр может повлиять процесс фотосинтеза, если он присутствует на планете. Зафиксировать его — означает сделать огромный шаг вперед в поиске жизни.
На Земле фотосинтез служит основой практически для всего живого. Несмотря на то, что некоторые организмы способны жить в метановой среде при повышенной температуре (например, в гидротермальных источниках на дне океана), разнообразием жизни на поверхности нашей планеты мы обязаны именно свету нашей звезды — Солнца.
Читайте также: « Найдена древнейшая жизнь на Земле. Анаэробные микроорганизмы существовали уже 3,4 млрд. лет назад. Они могли бы выжить и на других планетах... »
Итак, во-первых, в процессе фотосинтеза продуцируется кислород, который вместе с образующимся из него озоном можно зафиксировать в атмосфере экзопланеты. Во-вторых, сам цвет планеты может говорить о присутствии на ней особых пигментов, таких как хлорофилл.
Но, даже на Земле организмы способные к фотосинтезу бывают не только зеленого цвета — некоторые растения имеют листья красного цвета, а водоросли и фотосинтезирующие бактерии могут переливаться всеми цветами радуги. Кроме того, пурпурные бактерии помимо видимого света поглощают инфракрасное излучение Солнца.
Что же можно ожидать увидеть в других мирах? Ответ зависит от механизмов, с помощью которых инопланетный фотосинтез усваивает свет своей звезды, отличающейся по характеру излучения от Солнца. Кроме того, иной состав атмосферы также влияет на спектральный состав падающего на поверхность планеты излучения.
Чтобы представить, каким будет фотосинтез в других мирах, необходимо для начала понять, как растения осуществляют его на Земле.
Энергетический спектр солнечного света имеет пик в сине-зеленой области, что заставило ученых долго решать задачу, почему же растения не поглощают наиболее доступный зеленый свет, а напротив — отражают его?
Оказалось, что процесс фотосинтеза зависит не столько от общего количества солнечной энергии, сколько от энергии отдельных фотонов и числа фотонов, составляющих свет.
Каждый синий фотон несет больше энергии, чем красный, но Солнце преимущественно излучает красные. Растения используют синие фотоны из-за их качества, а красные — из-за их количества. Длина волны зеленого света лежит как раз между красным и синим, но зеленые фотоны не отличаются ни доступностью, ни энергией, поэтому растения их не используют.
Именно этому отраженному зеленому свету мы и обязаны основному цвету растительности нашей родной планеты.
То, каким образом растения усваивают солнечный свет — фантастический по своей эффективности механизм. Фотосинтетические пигменты не встречаются в виде отдельных молекул. Они образуют кластеры, состоящие как бы из множества антенн, каждая из которых настроена на восприятие фотонов определенной длины волны. Хлорофилл в основном поглощает красный и синий свет, а каротиноидные пигменты, придающие осенней листве красный и желтый цвет, воспринимают другой оттенок синего. Вся собранная этими пигментами энергия доставляется к молекуле хлорофилла, находящейся в реакционном центре, где и происходит расщепление воды с образованием кислорода.
На поверхности нашей планеты красные фотоны — самые многочисленные и при этом обладают самой низкой энергией среди фотонов видимого спектра.
Но для подводных фотосинтезаторов красные фотоны не обязательно должны быть самыми многочисленными. Область света, используемая для фотосинтеза, меняется с глубиной, т.к. вода, растворенные в ней вещества и находящиеся в верхних слоях организмы фильтруют свет. В результате получается четкое расслоение живых форм в соответствии с их набором пигментов. Организмы из более глубоких слоев воды имеют пигменты, настроенные на свет тех цветов, которые не были поглощены слоями, лежащими выше.
Например, водоросли и цианеи имеют пигменты, поглощающие зеленые и желтые фотоны. У аноксигенных (т.е. не производящих кислород) бактерий есть бактериохлорофилл, поглощающий свет дальней красной и ближней инфракрасной (ИК) областей, который только и способен проникать в водные глубины.
Организмы, приспособившиеся к слабой освещенности, обычно растут медленнее, поскольку им приходится прикладывать больше усилий для поглощения всего доступного им света. На поверхности планеты, где свет в изобилии, растениям было бы невыгодно производить лишние пигменты, поэтому они избирательно используют цвета. Такие же эволюционные принципы должны работать и в других планетных системах.
Как водные существа приспособились к свету, отфильтрованному водой, обитатели суши адаптировались к свету, отфильтрованному атмосферными газами.
Земные растения приспособлены к спектру, который в основном определяется кислородом. Но нужно помнить, что кислород в атмосферу поставляют сами растения. Когда первые фотосинтезирующие организмы появились на Земле, кислорода в атмосфере было мало, поэтому растения должны были использовать иные пигменты, а не хлорофилл. И лишь много позже, когда фотосинтез изменил состав атмосферы, хлорофилл стал оптимальным пигментом.
Надежные ископаемые доказательства фотосинтеза имеют возраст около 3,4 млрд лет. Первые фотосинтезирующие организмы должны были быть подводными отчасти потому, что вода — хороший растворитель для биохимических реакций, а также потому, что она обеспечивает защиту от солнечного УФ-излучения, что было важно при отсутствии атмосферного озонового слоя. Такими организмами были подводные бактерии, которые поглощали инфракрасные фотоны.
Только 2,7 млрд лет назад цианобактерии в океанах начали оксигенный фотосинтез с выделением кислорода. Количество кислорода и озоновый слой постепенно увеличивались, позволяя красным и бурым водорослям подниматься к поверхности.
Когда же для защиты от УФ достаточным оказался уровень воды на мелководьях, появились зеленые водоросли. В них было мало фикобилипротенов, и они были лучше приспособлены к яркому свету у поверхности воды. Спустя 2 млрд лет после того как кислород начал накапливаться в атмосфере, потомки зеленых водорослей — растения — появились и на суше.
Занимаясь поиском фотосинтетических пигментов на планетах в иных звездных системах, астрономам следует помнить, что данные объекты находятся на разных стадиях эволюции. Например, им может встретиться планета, похожая на Землю, скажем, 2 млрд лет назад. Необходимо также учитывать, что инопланетные фотосинтезирующие организмы могут обладать свойствами, не характерными для их земных «родственников».
Ограничивающим фактором служит не разнообразие пигментов, а спектр света, достигающего поверхности планеты, который в свою очередь зависит от типа звезды.
Астрономы классифицируют звезды на основании их цвета, зависящего от их температуры, размера и возраста. Далеко не все звезды существуют достаточно долго для того, чтобы на соседних с ними планетах могла возникнуть и развиться жизнь. Долгоживущими являются звезды (в порядке уменьшения их температуры) спектральных классов F, G, K и М. Солнце относится к классу G. Звезды класса F больше и ярче Солнца, они горят, излучая более яркий голубой свет и сгорают примерно за 2 млрд лет. Звезды классов К и М меньше в диаметре, более тусклые, они краснее и относятся к категории долгоживущих.
Вокруг каждой звезды существует так называемая «зона жизни» — диапазон орбит, находясь на которых, планеты имеют температуру, необходимую для существования жидкой воды. В Солнечной системе такой зоной является кольцо, ограниченное орбитами Марса и Земли.
У горячих F-звезд зона жизни находится дальше от звезды, а у более холодных К- и М-звезд она ближе.
Планеты, находящиеся в зоне жизни F-, G- и К-звезд, получают примерно столько же видимого света, сколько Земля получает от Солнца. Вполне вероятно, что на них могла возникнуть жизнь на основе такого же оксигенного фотосинтеза, что и на Земле, хотя цвет пигментов может быть сдвинут в пределах видимого диапазона.
Читайте также: « Теория панспермии в действии — бактерии в открытом космосе выжили 553 дня... »
Звезды М-типа, так называемые красные карлики, представляют особый интерес для ученых, поскольку это наиболее распространенный тип звезд в нашей Галактике. Они излучают заметно меньше видимого света, чем Солнце: пик интенсивности в их спектре приходится на ближний ИК.
Оксигенный фотосинтез теоретически возможен и при использовании фотонов ближнего ИК. При этом организмам придется использовать три или даже четыре ИК-фотона, чтобы разорвать молекулу воды, тогда как земные растения используют всего два фотона, которые можно уподобить ступеням ракеты, сообщающим энергию электрону для осуществления химической реакции.
Молодые М-звезды демонстрируют мощные УФ-вспышки, губительного действия которых можно избежать только под водой. Но водные толщи поглощают и прочие части спектра, поэтому находящимся на глубине организмам будет катастрофически не хватать света. Если так, то фотосинтез на этих планетах может и не развиться.
По мере старения М-звезды уменьшается количество испускаемого ультрафиолета, на поздних стадиях эволюции его становится меньше, чем испускает наше Солнце. В этот период необходимость в защитном озоновом слое отсутствует, и жизнь на поверхности планет может процветать, даже если она не производит кислород.
Таким образом, астрономам следует рассматривать четыре возможных сценария в зависимости от типа и возраста звезды.
Анаэробная океаническая жизнь.Звезда в планетной системе молодая, любого типа. Организмы могут не вырабатывать кислород. Атмосфера может состоять из других газов, таких как метан.
Аэробная океаническая жизнь.Звезда уже не молодая, любого типа. С момента возникновения оксигенного фотосинтеза прошло достаточно времени для накопления кислорода в атмосфере.
Аэробная сухопутная жизнь. Звезда зрелая, любого типа. Суша покрыта растениями. Жизнь на Земле находится как раз на этой стадии.
Анаэробная сухопутная жизнь.Тусклая М-звезда со слабым УФ-излучением. Растения покрывают сушу, но могут и не производить кислород.
Естественно, проявления фотосинтезирующих организмов в каждом из этих случаев будут различными. Опыт съемки нашей планеты со спутников говорит о том, что заметить жизнь в глубинах океана с помощью телескопа невозможно: два первых сценария не обещают нам цветовых признаков жизни. Единственный шанс ее обнаружить — это поиск атмосферных газов органического происхождения. Поэтому исследователям, применяющим цветовые методы поиска инопланетной жизни, придется сосредоточиться на изучении сухопутных растений с оксигенным фотосинтезом на планетах вблизи F-, G- и K-звезд, либо на планетах М-звезд, но уже с любым типом фотосинтеза.
Вне зависимости от особенностей планеты фотосинтетические пигменты должны удовлетворять тем же требованиям, что и на Земле: поглощать фотоны с наименьшей длиной волны (высокоэнергичные), с наибольшей длиной волны (которые использует реакционный центр) или наиболее доступные. Чтобы понять, как тип звезды определяет цвет растений, пришлось объединить усилия исследователей разных специальностей.
В результате объемных исследований, ученые пришли к выводу, что растения на планетах вблизи F- и K-звезд могут иметь почти тот же цвет, что и земные.
Но у F-звезд поток богатых энергией голубых фотонов слишком интенсивен, поэтому растения должны хотя бы частично их отражать, используя экранирующие пигменты наподобие антоцианина, что придаст растениям голубоватую окраску. Впрочем, они могут использовать для фотосинтеза только голубые фотоны. В этом случае отражаться должен весь свет в диапазоне от зеленого до красного. Это приведет к характерному голубому обрыву в спектре отраженного света, что несложно будет заметить с помощью телескопа.
Широкий диапазон температур у звезд класса М предполагает разнообразие цвета их планет.
Обращаясь вокруг спокойной М-звезды, планета получает вдвое меньше энергии, чем Земля от Солнца. И хотя для жизни этого, в принципе, достаточно — это в 60 раз больше, чем требуется тенелюбивым растениям на Земле, — большинство фотонов, идущих от этих звезд, относятся к ближней ИК-области спектра. Но эволюция должна способствовать появлению разнообразных пигментов, способных воспринимать весь спектр видимого и инфракрасного света. Поглощающие практически все излучение растения могут выглядеть даже черными.
История развития жизни на Земле показывает, что ранние морские фотосинтезирующие организмы на планетах вблизи звезд классов F, G и K могли бы жить в первичной бескислородной атмосфере и развить систему оксигенного фотосинтеза, что позже привело бы к появлению наземных растений. Со звездами класса М ситуация сложнее. Результаты вычислений свидетельствуют о том, что оптимальное место для фотосинтезаторов находится на 9 метрах под водой: слой такой глубины задерживает губительный ультрафиолет, но пропускает достаточно видимого света. Конечно, мы не заметим эти организмы в телескопы, но именно они могли бы стать основой сухопутной жизни. В принципе, на планетах вблизи М-звезд растительная жизнь, используя различные пигменты, может быть почти столь же разнообразной, как и на Земле.
Но позволят ли будущие космические телескопы увидеть следы жизни на этих планетах? Все, что ученые могут получить с помощью телескопов — это суммарный спектр отраженного света с планеты.
На основе вычислений можно утверждать, что для идентификации растений по спектру не менее 20% поверхности планеты должны быть сушей, покрытой растениями и не закрытой облаками.
С другой стороны, чем больше площадь морей, тем больше кислорода выделяют в атмосферу морские фотосинтезаторы. Поэтому, чем ярче выражены пигментные биоиндикаторы, тем сложнее заметить кислородные биоиндикаторы, и наоборот. Астрономы смогут обнаружить либо те, либо другие, но не оба сразу.
Если космический телескоп зафиксирует полосу в спектре отраженного света какой-либо планеты, и эта полоса будет соответствовать одному из предсказанных цветов, то сидящий за монитором телескопа человек окажется первым, кто увидит следы живого на других планетах.
Конечно, необходимо будет исключить все прочие интерпретации: например планета может быть покрыта цветными минералами) …
Итак, фотосинтез может поддерживать свет любой длины волны, от темно-фиолетового до инфракрасного.
Фотосинтез будет приспособлен к спектру того света, который попадает на организм, т.е. к спектру излучения родительской звезды.
Вблизи более горячих, чем наше Солнце, звезд растения, скорее всего, будут поглощать голубой свет, а сами могут быть зелеными, желтыми или красными.
Планеты, вращающиеся вокруг более холодных красных карликов, получают меньше видимого света, соответственно растения на них, вынужденные усваивать как можно больше излучения, окажутся черными.
( полный текст статьи [по материалам Scientific American] и доп.ссылки на сайте Sci-Fact.ru )
Еще интересное по теме:
■ Теория панспермии в действии — бактерии в открытом космосе выжили 553 дня...
■ Жизнь в Солнечной системе могла разнестись с Земли одновременно с гибелью динозавров...
■ Астрономы открыли десятки одиноких планет без солнц. Всего же таких планет — миллионы, причем на многих возможна жизнь...
Чтобы видеть новые публикации в ленте Яндекса —
подписывайтесь на дзен-канал Sci-Fact !
Ваша оценка статьи и ваше мнение в комментариях очень важны для развития канала. Спасибо!
#космос #планеты #экзопланеты #астрономия #астрофизика