Как изглеждат растенията на други екзопланети?

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Търсенето на извънземен живот вече не е предмет на научна фантастика или ловци на НЛО. Може би съвременните технологии все още не са достигнали необходимото ниво, но с тяхна помощ вече сме в състояние да открием физическите и химичните прояви на фундаменталните процеси, лежащи в основата на живите същества.

Астрономите са открили повече от 200 планети, обикалящи около звезди извън Слънчевата система. Засега не можем да дадем еднозначен отговор за вероятността за съществуване на живот върху тях, но това е само въпрос на време. През юли 2007 г., след анализ на звездната светлина, преминала през атмосферата на екзопланетата, астрономите потвърдиха наличието на вода върху нея. Сега се разработват телескопи, които ще позволят да се търсят следи от живот на планети като Земята по техните спектри.

Един от важните фактори, влияещи върху спектъра на светлината, отразена от планета, може да бъде процесът на фотосинтеза. Но възможно ли е това в други светове? Съвсем! На Земята фотосинтезата е в основата на почти всички живи същества. Въпреки факта, че някои организми са се научили да живеят при повишени температури в метана и в океанските хидротермални отвори, ние дължим богатството на екосистемите на повърхността на нашата планета на слънчевата светлина.

От една страна, в процеса на фотосинтезата се произвежда кислород, който заедно с образувания от него озон може да се намери в атмосферата на планетата. От друга страна, цветът на планетата може да показва наличието на специални пигменти, като хлорофил, на нейната повърхност. Преди почти век, след като забелязаха сезонното потъмняване на повърхността на Марс, астрономите заподозряха наличието на растения върху нея. Правени са опити за откриване на признаци на зелени растения в спектъра на светлината, отразена от повърхността на планетата. Но съмнителността на този подход се вижда дори от писателя Хърбърт Уелс, който в своята „Война на световете“отбелязва: „Очевидно, растителното царство на Марс, за разлика от земното, където преобладава зеленото, има кръв- червен цвят. Вече знаем, че на Марс няма растения, а появата на по-тъмни зони на повърхността се свързва с прашни бури. Самият Уелс беше убеден, че цветът на Марс не на последно място се определя от растенията, които покриват повърхността му.

Дори на Земята фотосинтезиращите организми не се ограничават до зелено: някои растения имат червени листа, а различни водорасли и фотосинтезиращи бактерии блестят с всички цветове на дъгата. А лилавите бактерии използват инфрачервено лъчение от Слънцето в допълнение към видимата светлина. И така, какво ще преобладава на други планети? И как можем да видим това? Отговорът зависи от механизмите, чрез които извънземната фотосинтеза усвоява светлината на своята звезда, която се различава по естеството на лъчението от Слънцето. В допълнение, различен състав на атмосферата също влияе върху спектралния състав на радиацията, падаща върху повърхността на планетата.

Звездите от спектрален клас M (червени джуджета) светят слабо, така че растенията на земноподобни планети в близост до тях трябва да са черни, за да абсорбират възможно най-много светлина. Младите M звезди обгарят повърхността на планетите с ултравиолетови изригвания, така че организмите там трябва да са водни. Нашето Слънце е клас G. А близо до звезди от клас F растенията получават твърде много светлина и трябва да отразяват значителна част от нея.

За да си представите каква ще бъде фотосинтезата в други светове, първо трябва да разберете как растенията я осъществяват на Земята. Енергийният спектър на слънчевата светлина има пик в синьо-зелената област, което накара учените да се чудят дълго време защо растенията не поглъщат най-достъпната зелена светлина, а напротив, я отразяват? Оказа се, че процесът на фотосинтеза зависи не толкова от общото количество слънчева енергия, колкото от енергията на отделните фотони и броя на фотоните, които изграждат светлината.

Всеки син фотон носи повече енергия от червения, но слънцето излъчва предимно червени. Растенията използват сините фотони заради качеството им, а червените заради количеството им. Дължината на вълната на зелената светлина лежи точно между червено и синьо, но зелените фотони не се различават по наличност или енергия, така че растенията не ги използват.

По време на фотосинтезата за фиксиране на един въглероден атом (получен от въглероден диоксид, CO₂) в молекула на захарта са необходими най-малко осем фотона, а за разцепването на водородно-кислородна връзка във водна молекула (H₂О) - само един. В този случай се появява свободен електрон, който е необходим за по-нататъшна реакция. Общо за образуването на една кислородна молекула (O₂) четири такива връзки трябва да бъдат прекъснати. За втората реакция за образуване на захарна молекула са необходими поне още четири фотона. Трябва да се отбележи, че фотонът трябва да има някаква минимална енергия, за да участва във фотосинтезата.

Начинът, по който растенията поглъщат слънчевата светлина, е наистина едно от чудесата на природата. Фотосинтетичните пигменти не се срещат като отделни молекули. Те образуват клъстери, състоящи се сякаш от много антени, всяка от които е настроена да възприема фотони с определена дължина на вълната. Хлорофилът основно абсорбира червената и синята светлина, докато каротеноидните пигменти, които придават на есенната зеленина червено и жълто, възприемат различен нюанс на синьото. Цялата енергия, събрана от тези пигменти, се доставя на молекулата на хлорофила, разположена в реакционния център, където водата се разделя, за да образува кислород.

Комплекс от молекули в реакционен център може да извършва химични реакции само ако получи червени фотони или еквивалентно количество енергия под някаква друга форма. За да използват сините фотони, антенните пигменти преобразуват своята висока енергия в по-ниска енергия, точно както серия от понижаващи трансформатори намаляват 100 000 волта на електропровод до 220 волтов контакт. Процесът започва, когато син фотон удари пигмент, който поглъща синята светлина и прехвърля енергия към един от електроните в молекулата му. Когато един електрон се върне в първоначалното си състояние, той излъчва тази енергия, но поради топлинни и вибрационни загуби, по-малка от тази, която е погълнала.

Пигментната молекула обаче отдава получената енергия не под формата на фотон, а под формата на електрическо взаимодействие с друга пигментна молекула, която е в състояние да абсорбира енергията на по-ниско ниво. От своя страна вторият пигмент освобождава още по-малко енергия и този процес продължава, докато енергията на оригиналния син фотон спадне до нивото на червения.

Реакционният център, като приемен край на каскадата, е адаптиран да абсорбира наличните фотони с минимална енергия. На повърхността на нашата планета червените фотони са най-многобройни и в същото време имат най-ниска енергия сред фотоните във видимия спектър.

Но за подводните фотосинтезатори червените фотони не трябва да са най-изобилните. Площта на светлината, използвана за фотосинтеза, се променя с дълбочина, тъй като водата, разтворените в нея вещества и организмите в горните слоеве филтрират светлината. Резултатът е ясна стратификация на живите форми в съответствие с техния набор от пигменти. Организмите от по-дълбоките слоеве на водата имат пигменти, които са настроени към светлината на онези цветове, които не са били погълнати от горните слоеве. Например, водораслите и цианеята имат пигментите фикоцианин и фикоеритрин, които абсорбират зелени и жълти фотони. При аноксигенни (т.е.непродуциращи кислород) бактерии са бактериохлорофил, който абсорбира светлина от далечните червени и близки инфрачервени (IR) региони, което е в състояние да проникне само в мрачните дълбини на водата.

Организмите, които са се адаптирали към слаба светлина, са склонни да растат по-бавно, защото трябва да работят по-усилено, за да абсорбират цялата светлина, която им е налична. На повърхността на планетата, където светлината е в изобилие, би било неизгодно растенията да произвеждат излишни пигменти, така че те избирателно използват цветове. Същите еволюционни принципи трябва да работят и в други планетни системи.

Точно както водните същества са се приспособили към светлината, филтрирана от водата, жителите на сушата са се приспособили към светлината, филтрирана от атмосферни газове. В горната част на земната атмосфера най-разпространените фотони са жълти, с дължина на вълната 560-590 nm. Броят на фотоните постепенно намалява към дългите вълни и рязко се прекъсва към късите. Докато слънчевата светлина преминава през горните слоеве на атмосферата, водната пара абсорбира IR в няколко ленти, по-дълги от 700 nm. Кислородът произвежда тесен диапазон от абсорбционни линии близо до 687 и 761 nm. Всеки знае, че озонът (О₃) в стратосферата активно абсорбира ултравиолетовата (UV) светлина, но също така поглъща леко във видимата област на спектъра.

Така че нашата атмосфера оставя прозорци, през които радиацията може да достигне повърхността на планетата. Обхватът на видимата радиация е ограничен от синята страна от рязко прекъсване на слънчевия спектър в областта на късата дължина на вълната и UV абсорбция от озона. Червената граница се определя от линиите на поглъщане на кислород. Пикът на броя на фотоните се измества от жълто към червено (около 685 nm) поради екстензивното поглъщане на озон във видимата област.

Растенията са адаптирани към този спектър, който се определя главно от кислорода. Но трябва да се помни, че самите растения доставят кислород в атмосферата. Когато на Земята се появиха първите фотосинтезиращи организми, в атмосферата имаше малко кислород, така че растенията трябваше да използват пигменти, различни от хлорофил. Само след изтичане на време, когато фотосинтезата промени състава на атмосферата, хлорофилът се превърна в оптималния пигмент.

Надеждните фосилни доказателства за фотосинтеза са на около 3,4 милиарда години, но по-ранните фосилни останки показват признаци на този процес. Първите фотосинтезиращи организми трябваше да бъдат под вода, отчасти защото водата е добър разтворител за биохимични реакции, а също и защото осигурява защита от слънчевата UV радиация, което беше важно при липсата на атмосферен озонов слой. Такива организми са подводни бактерии, които абсорбират инфрачервени фотони. Техните химични реакции включват водород, сероводород, желязо, но не и вода; следователно те не отделят кислород. И само преди 2,7 милиарда години цианобактериите в океаните започнаха кислородна фотосинтеза с освобождаване на кислород. Количеството кислород и озоновия слой постепенно се увеличават, което позволява на червените и кафявите водорасли да се издигнат на повърхността. И когато нивото на водата в плитките води беше достатъчно, за да се предпази от UV лъчи, се появиха зелени водорасли. Те имаха малко фикобилипротеини и бяха по-добре адаптирани към ярка светлина близо до повърхността на водата. 2 милиарда години след като кислородът започва да се натрупва в атмосферата, на сушата се появяват потомците на зелените водорасли - растенията.

Флората е претърпяла значителни промени - бързо се е увеличило разнообразието от форми: от мъхове и чернодробни растения до съдови растения с високи корони, които поглъщат повече светлина и са адаптирани към различни климатични зони. Коничните корони на иглолистни дървета ефективно поглъщат светлината във високи географски ширини, където слънцето почти не се издига над хоризонта. Сенколюбивите растения произвеждат антоцианин за защита от ярка светлина. Зеленият хлорофил не само е добре адаптиран към съвременния състав на атмосферата, но и помага за поддържането му, поддържайки нашата планета зелена. Възможно е следващата стъпка в еволюцията да даде предимство на организъм, който живее на сянка под короните на дърветата и използва фикобилини, за да абсорбира зелена и жълта светлина. Но жителите на горния слой, очевидно, ще останат зелени.

Боядисване на света в червено

Докато търсят фотосинтетични пигменти на планети в други звездни системи, астрономите трябва да помнят, че тези обекти са на различни етапи на еволюция. Например, те могат да срещнат планета, подобна на Земята, да речем, преди 2 милиарда години. Трябва също да се има предвид, че извънземните фотосинтезиращи организми могат да притежават свойства, които не са характерни за техните земни „роднини“. Например, те са в състояние да разделят водни молекули, използвайки фотони с по-голяма дължина на вълната.

Организъм с най-дълга дължина на вълната на Земята е лилавата аноксигенна бактерия, която използва инфрачервено лъчение с дължина на вълната около 1015 nm. Рекордьорите сред кислородните организми са морските цианобактерии, които поглъщат при 720 nm. Няма горна граница за дължината на вълната, която се определя от законите на физиката. Просто фотосинтезиращата система трябва да използва по-голям брой дълговълнови фотони в сравнение с късовълновите.

Ограничаващият фактор не е разнообразието от пигменти, а спектърът на светлината, достигаща повърхността на планетата, което от своя страна зависи от вида на звездата. Астрономите класифицират звездите въз основа на техния цвят, в зависимост от тяхната температура, размер и възраст. Не всички звезди съществуват достатъчно дълго, за да възникне и да се развие живот на съседните планети. Звездите са дълголетни (в ред на намаляваща температура) от спектрални класове F, G, K и M. Слънцето принадлежи към клас G. Звездите от клас F са по-големи и по-ярки от Слънцето, те горят, излъчвайки по-ярък синя светлина и изгори за около 2 милиарда години. Звездите от клас K и M са с по-малък диаметър, по-слаби, по-червени и класифицирани като дълголетни.

Около всяка звезда има т. нар. "зона на живота" - диапазон от орбити, по които планетите имат температурата, необходима за съществуването на течна вода. В Слънчевата система такава зона е пръстен, ограничен от орбитите на Марс и Земята. Горещите F звезди имат зона на живот по-далеч от звездата, докато по-хладните K и M звезди я имат по-близо. Планетите в зоната на живот на F-, G- и K-звездите получават приблизително същото количество видима светлина, както Земята получава от Слънцето. Вероятно е животът да възникне върху тях въз основа на същата кислородна фотосинтеза като на Земята, въпреки че цветът на пигментите може да бъде изместен във видимия диапазон.

Звездите от М-тип, така наречените червени джуджета, представляват особен интерес за учените, тъй като те са най-разпространеният тип звезди в нашата Галактика. Те излъчват забележимо по-малко видима светлина от Слънцето: пикът на интензитета в техния спектър се появява в близкия IR. Джон Рейвън, биолог от университета в Дънди в Шотландия, и Рей Уолстенкрофт, астроном от Кралската обсерватория в Единбург, предполагат, че кислородната фотосинтеза е теоретично възможна с помощта на фотони в близост до инфрачервени лъчи. В този случай организмите ще трябва да използват три или дори четири IR фотона, за да разбият водна молекула, докато земните растения използват само два фотона, които могат да бъдат оприличени на стъпките на ракета, която предава енергия на електрон за извършване на химикал реакция.

Младите M звезди показват мощни UV изригвания, които могат да бъдат избегнати само под вода. Но водният стълб поглъща и други части от спектъра, така че организмите, разположени на дълбочина, ще изпитват огромна липса на светлина. Ако е така, тогава фотосинтезата на тези планети може да не се развие. С остаряването на М-звездата количеството на излъчваната ултравиолетова радиация намалява, на по-късните етапи на еволюция става по-малко, отколкото излъчва нашето Слънце. През този период няма нужда от защитен озонов слой и животът на повърхността на планетите може да процъфтява, дори ако не произвежда кислород.

По този начин астрономите трябва да разгледат четири възможни сценария в зависимост от вида и възрастта на звездата.

Анаеробен океански живот. Звездата в планетарната система е млада, от всякакъв тип. Организмите може да не произвеждат кислород. Атмосферата може да бъде съставена от други газове като метан.

Аеробен океански живот. Звездата вече не е млада, от всякакъв тип. Измина достатъчно време от началото на кислородната фотосинтеза за натрупване на кислород в атмосферата.

Аеробен живот на земята. Звездата е зряла, от всякакъв тип. Земята е покрита с растения. Животът на Земята е точно на този етап.

Анаеробен живот на земята. Слаба звезда М със слабо UV лъчение. Растенията покриват земята, но може да не произвеждат кислород.

Естествено, проявите на фотосинтезиращите организми във всеки един от тези случаи ще бъдат различни. Опитът от заснемането на нашата планета от спътници показва, че е невъзможно да се открие живот в дълбините на океана с помощта на телескоп: първите два сценария не ни обещават цветни признаци на живот. Единственият шанс да го намерите е да потърсите атмосферни газове от органичен произход. Следователно, изследователите, използващи цветови методи за търсене на извънземен живот, ще трябва да се съсредоточат върху изучаването на сухоземни растения с кислородна фотосинтеза на планети близо до F-, G- и K-звезди, или на планети от M-звезди, но с всякакъв вид фотосинтеза.

Признаци на живот

Вещества, които освен цвета на растенията, могат да бъдат признак за наличието на живот

Кислород (О₂) и вода (H₂о) … Дори на безжизнена планета светлината от родителската звезда унищожава молекулите на водните пари и произвежда малко количество кислород в атмосферата. Но този газ бързо се разтваря във вода и също така окислява скалите и вулканичните газове. Следователно, ако на планета с течна вода се вижда много кислород, това означава, че допълнителни източници го произвеждат, най-вероятно фотосинтеза.

Озон (О₃) … В стратосферата на Земята ултравиолетовата светлина унищожава кислородните молекули, които, когато се комбинират, образуват озон. Заедно с течната вода, озонът е важен показател за живота. Докато кислородът е видим във видимия спектър, озонът се вижда в инфрачервеното, което е по-лесно за откриване с някои телескопи.

Метан (CH₄) плюс кислород или сезонни цикли … Комбинацията от кислород и метан е трудно да се получи без фотосинтеза. Сезонните колебания в концентрацията на метан също са сигурен знак за живот. А на мъртва планета концентрацията на метан е почти постоянна: тя намалява само бавно, тъй като слънчевата светлина разгражда молекулите

Хлорометан (CH₃Cl) … На Земята този газ се образува при изгаряне на растения (главно при горски пожари) и при излагане на слънчева светлина върху планктон и хлор в морската вода. Окислението го унищожава. Но относително слабото излъчване на М-звезди може да позволи на този газ да се натрупа в количество, достъпно за регистрация.

Азотен оксид (N₂о) … Когато организмите се разпадат, азотът се отделя под формата на оксид. Небиологичните източници на този газ са незначителни.

Черното е новото зелено

Независимо от характеристиките на планетата, фотосинтетичните пигменти трябва да отговарят на същите изисквания като на Земята: да абсорбират фотони с най-късата дължина на вълната (висока енергия), с най-дългата дължина на вълната (която реакционният център използва) или най-достъпната. За да се разбере как видът на звездата определя цвета на растенията, беше необходимо да се обединят усилията на изследователи от различни специалности.

Преминаваща звездна светлина

Цветът на растенията зависи от спектъра на звездната светлина, който астрономите могат лесно да наблюдават, и от поглъщането на светлината от въздуха и водата, което авторката и нейните колеги моделираха въз основа на вероятния състав на атмосферата и свойствата на живота. Изображение "В света на науката"

Мартин Коен, астроном от Калифорнийския университет, Бъркли, събра данни за F-звезда (Bootes sigma), K-звезда (epsilon Eridani), активно пламтяща M-звезда (AD Leo) и хипотетична спокойна M-звезда -звезда с температура 3100°C. Астрономът Антигона Сегура от Националния автономен университет в Мексико Сити е извършил компютърни симулации на поведението на подобни на Земята планети в зоната на живот около тези звезди. Използвайки модели на Александър Павлов от Университета на Аризона и Джеймс Кастинг от Университета на Пенсилвания, Сегура изследва взаимодействието на радиацията от звездите с вероятните компоненти на планетарната атмосфера (приемайки, че вулканите излъчват същите газове върху тях като на Земята), опитвайки се да разбере химическия състав на атмосферите, в които липсва кислород и съдържанието му е близко до това на Земята.

Използвайки резултатите на Сегура, физикът от Университетския колеж в Лондон Джована Тинети изчисли абсорбцията на радиация в планетарните атмосфери, използвайки модела на Дейвид Крисп в лабораторията за реактивно движение в Пасадена, Калифорния, който беше използван за оценка на осветеността на слънчевите панели на марсоходите. Тълкуването на тези изчисления изисква обединените усилия на петима експерти: микробиологът Джанет Сиферт от университета Райс, биохимиците Робърт Бланкеншип от Вашингтонския университет в Сейнт Луис и Говинджи от Университета на Илинойс в Урбана, планетолог и Шампейн (Виктория Медоус) от Вашингтонския държавен университет и аз, биометеоролог от Института за космически изследвания Годард на НАСА.

Заключихме, че сините лъчи с пик при 451 nm достигат най-вече повърхностите на планетите близо до звезди от F-клас. В близост до K-звезди, пикът се намира на 667 nm, това е червената област на спектъра, която наподобява ситуацията на Земята. В този случай озонът играе важна роля, правейки светлината на F-звездите по-синя, а светлината на K-звездите по-червена, отколкото е в действителност. Оказва се, че радиацията, подходяща за фотосинтеза в този случай, се намира във видимата област на спектъра, както на Земята.

По този начин растенията на планети близо до F и K звезди могат да имат почти същия цвят като тези на Земята. Но при F звездите потокът от богати на енергия сини фотони е твърде интензивен, така че растенията трябва поне частично да ги отразяват, използвайки екраниращи пигменти като антоцианин, което ще даде на растенията синкаво оцветяване. Те обаче могат да използват само сини фотони за фотосинтеза. В този случай цялата светлина в диапазона от зелено до червено трябва да бъде отразена. Това ще доведе до характерно синьо прекъсване в отразения светлинен спектър, което може лесно да бъде забелязано с телескоп.

Широкият температурен диапазон за M звездите предполага разнообразие от цветове за техните планети. Обикаляйки около спокойна М-звезда, планетата получава половината от енергията, която Земята прави от Слънцето. И въпреки че това по принцип е достатъчно за живот - това е 60 пъти повече, отколкото се изисква за растенията, които обичат сянка на Земята - повечето от фотоните, идващи от тези звезди, принадлежат към близката IR област на спектъра. Но еволюцията трябва да доведе до появата на различни пигменти, които могат да възприемат целия спектър от видима и инфрачервена светлина. Растенията, които поглъщат почти цялата си радиация, може дори да изглеждат черни.

Малка лилава точка

Историята на живота на Земята показва, че ранните морски фотосинтезиращи организми на планети в близост до звезди от клас F, G и K биха могли да живеят в първична безкислородна атмосфера и да развият система за кислородна фотосинтеза, която по-късно ще доведе до появата на земни растения. По-сложна е ситуацията със звездите от М-клас. Резултатите от нашите изчисления показват, че оптималното място за фотосинтезатори е 9 m под водата: слой от тази дълбочина улавя разрушителната ултравиолетова светлина, но позволява достатъчно видима светлина да преминава през нея. Разбира се, ние няма да забележим тези организми в нашите телескопи, но те биха могли да станат основата на живота на земята. По принцип на планети близо до M звезди растителният живот, използващ различни пигменти, може да бъде почти толкова разнообразен, колкото на Земята.

Но дали бъдещите космически телескопи ще ни позволят да видим следи от живот на тези планети? Отговорът зависи от това какво ще бъде съотношението на водната повърхност към земята на планетата. В телескопите от първо поколение планетите ще изглеждат като точки и за детайлно изследване на повърхността им не става дума. Всичко, което учените ще получат, е общият спектър на отразената светлина. Въз основа на изчисленията си, Тинети твърди, че поне 20% от повърхността на планетата трябва да бъде суха земя, покрита с растения, а не покрита с облаци, за да се идентифицират растенията в този спектър. От друга страна, колкото по-голяма е морската площ, толкова повече кислород отделят морските фотосинтезатори в атмосферата. Следователно, колкото по-изразени са пигментните биоиндикатори, толкова по-трудно се забелязват кислородните биоиндикатори и обратно. Астрономите ще могат да открият или едното, или другото, но не и двете.

Търсачи на планети

Европейската космическа агенция (ESA) планира да изстреля космическия кораб Дарвин през следващите 10 години, за да изследва спектрите на земните екзопланети. Earth-Like Planet Seeker на НАСА ще направи същото, ако агенцията получи финансиране. Космическият кораб COROT, изстрелян от ESA през декември 2006 г., и космическият кораб Kepler, планиран от НАСА за изстрелване през 2009 г., са предназначени да търсят слаби намаления на яркостта на звездите, докато планети, подобни на Земята, преминават пред тях. SIM космическият кораб на НАСА ще търси слаби вибрации на звезди под влиянието на планетите.

Присъствието на живот на други планети - реален живот, а не само вкаменелости или микроби, които едва оцеляват в екстремни условия - може да бъде открито в много близко бъдеще. Но кои звезди трябва да изучаваме първо? Ще успеем ли да регистрираме спектрите на планетите, разположени близо до звезди, което е особено важно в случая на М звезди? В какви диапазони и с каква резолюция трябва да наблюдават нашите телескопи? Разбирането на основите на фотосинтезата ще ни помогне да създадем нови инструменти и да интерпретираме данните, които получаваме. Проблеми с такава сложност могат да бъдат решени само на пресечната точка на различни науки. Засега сме само в началото на пътя. Самата възможност за търсене на извънземен живот зависи от това колко дълбоко разбираме основите на живота тук на Земята.