Kā augi izskatās uz citām eksoplanētām?

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 16:11

Ārpuszemes dzīvības meklēšana vairs nav zinātniskās fantastikas vai NLO mednieku sfēra. Iespējams, mūsdienu tehnoloģijas vēl nav sasniegušas vajadzīgo līmeni, taču ar to palīdzību mēs jau spējam atklāt dzīvās būtnes pamatā esošo fundamentālo procesu fizikālās un ķīmiskās izpausmes.

Astronomi ir atklājuši vairāk nekā 200 planētu, kas riņķo ap zvaigznēm ārpus Saules sistēmas. Pagaidām mēs nevaram sniegt viennozīmīgu atbildi par dzīvības pastāvēšanas iespējamību uz tiem, taču tas ir tikai laika jautājums. 2007. gada jūlijā, analizējot zvaigžņu gaismu, kas šķērsoja eksoplanetas atmosfēru, astronomi apstiprināja ūdens klātbūtni uz tās. Šobrīd tiek izstrādāti teleskopi, kas pēc spektra ļaus meklēt dzīvības pēdas uz tādām planētām kā Zeme.

Viens no svarīgākajiem faktoriem, kas ietekmē planētas atstarotās gaismas spektru, var būt fotosintēzes process. Bet vai tas ir iespējams citās pasaulēs? Diezgan! Uz Zemes fotosintēze ir gandrīz visu dzīvo būtņu pamatā. Neskatoties uz to, ka daži organismi ir iemācījušies dzīvot paaugstinātā temperatūrā metānā un okeāna hidrotermālajās atverēs, mūsu planētas virsmas ekosistēmu bagātība mums ir jāpateicas saules gaismai.

No vienas puses, fotosintēzes procesā rodas skābeklis, kas kopā ar no tā izveidoto ozonu ir atrodams planētas atmosfērā. No otras puses, planētas krāsa var liecināt par īpašu pigmentu, piemēram, hlorofila, klātbūtni uz tās virsmas. Gandrīz pirms gadsimta, pamanījuši Marsa virsmas sezonālo tumšumu, astronomiem radās aizdomas par augu klātbūtni uz tās. Ir veikti mēģinājumi atklāt zaļo augu pazīmes planētas virsmas atstarotās gaismas spektrā. Taču šīs pieejas apšaubāmību saskatīja pat rakstnieks Herberts Velss, kurš savā "Pasauļu karā" atzīmēja: "Acīmredzot Marsa augu valstībā, atšķirībā no zemes, kur dominē zaļais, ir asinis. sarkanā krāsa." Tagad mēs zinām, ka uz Marsa nav augu, un tumšāku vietu parādīšanās uz virsmas ir saistīta ar putekļu vētrām. Pats Velss bija pārliecināts, ka Marsa krāsu ne tikai nosaka augi, kas klāj tā virsmu.

Pat uz Zemes fotosintēzes organismi neaprobežojas tikai ar zaļo krāsu: dažiem augiem ir sarkanas lapas, un dažādas aļģes un fotosintēzes baktērijas mirdz visās varavīksnes krāsās. Un purpursarkanās baktērijas papildus redzamajai gaismai izmanto arī Saules infrasarkano starojumu. Kas tad valdīs uz citām planētām? Un kā mēs to varam redzēt? Atbilde ir atkarīga no mehānismiem, ar kuriem citplanētiešu fotosintēze asimilē savas zvaigznes gaismu, kas atšķiras pēc Saules starojuma rakstura. Turklāt atšķirīgs atmosfēras sastāvs ietekmē arī planētas virsmas krītošā starojuma spektrālo sastāvu.

M spektrālās klases zvaigznes (sarkanie punduri) spīd vāji, tāpēc augiem uz Zemei līdzīgām planētām to tuvumā jābūt melniem, lai absorbētu pēc iespējas vairāk gaismas. Jaunās M zvaigznes apdedzina planētu virsmu ar ultravioletā starojuma uzliesmojumiem, tāpēc organismiem tur ir jābūt ūdenī. Mūsu Saule ir G klase. Un netālu no F klases zvaigznēm augi saņem pārāk daudz gaismas, un tiem jāatstaro ievērojama tās daļa.

Lai iedomāties, kāda būs fotosintēze citās pasaulēs, vispirms ir jāsaprot, kā augi to veic uz Zemes. Saules gaismas enerģētiskā spektra maksimums ir zili zaļajā reģionā, kas lika zinātniekiem ilgi brīnīties, kāpēc augi nevis absorbē pieejamāko zaļo gaismu, bet, gluži pretēji, atstaro to? Izrādījās, ka fotosintēzes process ir atkarīgs ne tik daudz no kopējā saules enerģijas daudzuma, bet gan no atsevišķu fotonu enerģijas un fotonu skaita, kas veido gaismu.

Katrs zilais fotons nes vairāk enerģijas nekā sarkans, bet saule pārsvarā izstaro sarkanos. Augi izmanto zilos fotonus to kvalitātes dēļ, bet sarkanos to daudzuma dēļ. Zaļās gaismas viļņa garums atrodas tieši starp sarkano un zilo, bet zaļie fotoni neatšķiras pēc pieejamības vai enerģijas, tāpēc augi tos neizmanto.

Fotosintēzes laikā fiksēt vienu oglekļa atomu (kas iegūts no oglekļa dioksīda, CO₂) cukura molekulā ir nepieciešami vismaz astoņi fotoni un ūdeņraža-skābekļa saites šķelšanai ūdens molekulā (H₂O) - tikai viens. Šajā gadījumā parādās brīvs elektrons, kas nepieciešams tālākai reakcijai. Kopumā vienas skābekļa molekulas veidošanai (O₂) jāsarauj četras šādas saites. Lai otrajā reakcijā izveidotu cukura molekulu, ir nepieciešami vēl vismaz četri fotoni. Jāatzīmē, ka fotonam ir jābūt minimālai enerģijai, lai tas varētu piedalīties fotosintēzē.

Veids, kādā augi absorbē saules gaismu, patiesi ir viens no dabas brīnumiem. Fotosintētiskie pigmenti nerodas kā atsevišķas molekulas. Tie veido kopas, kas it kā sastāv no daudzām antenām, no kurām katra ir noregulēta, lai uztvertu noteikta viļņa garuma fotonus. Hlorofils galvenokārt absorbē sarkano un zilo gaismu, savukārt karotinoīdu pigmenti, kas piešķir lapotnei sarkanu un dzeltenu krāsu, uztver atšķirīgu zilo nokrāsu. Visa šo pigmentu savāktā enerģija tiek nogādāta hlorofila molekulā, kas atrodas reakcijas centrā, kur ūdens sadalās, veidojot skābekli.

Molekulu komplekss reakcijas centrā var veikt ķīmiskas reakcijas tikai tad, ja tas saņem sarkanos fotonus vai līdzvērtīgu enerģijas daudzumu kādā citā formā. Lai izmantotu zilos fotonus, antenas pigmenti pārvērš savu lielo enerģiju zemākā enerģijā, tāpat kā virkne pazeminošu transformatoru samazina 100 000 voltu strāvas līnijas līdz 220 voltu sienas kontaktligzdai. Process sākas, kad zils fotons ietriecas pigmentā, kas absorbē zilo gaismu un nodod enerģiju vienam no elektroniem savā molekulā. Kad elektrons atgriežas sākotnējā stāvoklī, tas izstaro šo enerģiju, bet siltuma un vibrāciju zudumu dēļ mazāk nekā absorbēja.

Taču pigmenta molekula no saņemtās enerģijas atsakās nevis fotona veidā, bet gan elektriskās mijiedarbības veidā ar citu pigmenta molekulu, kas spēj absorbēt zemāka līmeņa enerģiju. Savukārt otrs pigments izdala vēl mazāk enerģijas, un šis process turpinās, līdz sākotnējā zilā fotona enerģija nokrītas līdz sarkanajam līmenim.

Reakcijas centrs kā kaskādes uztverošais gals ir pielāgots, lai absorbētu pieejamos fotonus ar minimālu enerģiju. Uz mūsu planētas virsmas sarkano fotonu ir visvairāk, un tajā pašā laikā tiem ir viszemākā enerģija starp redzamā spektra fotoniem.

Bet zemūdens fotosintezatoriem sarkanajiem fotoniem nav jābūt visbagātākajiem. Fotosintēzei izmantotais gaismas laukums mainās līdz ar dziļumu, jo ūdens, tajā izšķīdušās vielas un organismi augšējos slāņos filtrē gaismu. Rezultāts ir skaidra dzīvo formu noslāņošanās atbilstoši to pigmentu kopumam. Organismam no dziļākiem ūdens slāņiem ir pigmenti, kas ir pielāgoti to krāsu gaismai, kuras iepriekšējie slāņi nav absorbējuši. Piemēram, aļģēm un ciānai ir pigmenti fikocianīns un fikoeritrīns, kas absorbē zaļos un dzeltenos fotonus. Bezskābekļa gadījumā (t.i.skābekli neražojošās baktērijas ir bakteriohlorofils, kas absorbē gaismu no tālās sarkanās un tuvās infrasarkanās (IR) zonas, kas spēj iekļūt tikai drūmos ūdens dziļumos.

Organismi, kas ir pielāgojušies vājam apgaismojumam, mēdz augt lēnāk, jo tiem ir vairāk jāstrādā, lai absorbētu visu tiem pieejamo gaismu. Uz planētas virsmas, kur ir daudz gaismas, augiem būtu neizdevīgi ražot lieko pigmentu, tāpēc tie selektīvi izmanto krāsas. Tādiem pašiem evolūcijas principiem vajadzētu darboties arī citās planētu sistēmās.

Tāpat kā ūdens radības ir pielāgojušās gaismai, ko filtrē ūdens, sauszemes iedzīvotāji ir pielāgojušies gaismai, ko filtrē atmosfēras gāzes. Zemes atmosfēras augšējā daļā visizplatītākie fotoni ir dzelteni, ar viļņa garumu 560-590 nm. Fotonu skaits pakāpeniski samazinās gariem viļņiem un pēkšņi pārtrauc īsos viļņus. Saules gaismai ejot cauri atmosfēras augšējiem slāņiem, ūdens tvaiki absorbē IR vairākās joslās, kas garākas par 700 nm. Skābeklis rada šauru absorbcijas līniju diapazonu pie 687 un 761 nm. Ikviens zina, ka ozons (Ak₃) stratosfērā aktīvi absorbē ultravioleto (UV) gaismu, bet arī nedaudz absorbē redzamajā spektra apgabalā.

Tātad mūsu atmosfēra atstāj logus, caur kuriem starojums var sasniegt planētas virsmu. Redzamā starojuma diapazonu zilajā pusē ierobežo krass saules spektra nogrieznis īsa viļņa garuma reģionā un ozona UV absorbcija. Sarkano robežu nosaka skābekļa absorbcijas līnijas. Fotonu skaita maksimums tiek nobīdīts no dzeltenas uz sarkanu (apmēram 685 nm), jo redzamajā zonā notiek plaša ozona absorbcija.

Augi ir pielāgoti šim spektram, ko galvenokārt nosaka skābeklis. Bet jāatceras, ka augi paši piegādā atmosfēru skābekli. Kad uz Zemes parādījās pirmie fotosintēzes organismi, atmosfērā bija maz skābekļa, tāpēc augiem bija jāizmanto citi pigmenti, nevis hlorofils. Tikai pēc kāda laika, kad fotosintēze mainīja atmosfēras sastāvu, hlorofils kļuva par optimālo pigmentu.

Uzticami fosilie pierādījumi par fotosintēzi ir aptuveni 3,4 miljardus gadu veci, bet agrākās fosilās atliekas liecina par šī procesa pazīmēm. Pirmajiem fotosintēzes organismiem bija jāatrodas zem ūdens, daļēji tāpēc, ka ūdens ir labs šķīdinātājs bioķīmiskajām reakcijām, kā arī tāpēc, ka tas nodrošina aizsardzību pret saules UV starojumu, kas bija svarīgi, ja nebija atmosfēras ozona slāņa. Šādi organismi bija zemūdens baktērijas, kas absorbēja infrasarkanos fotonus. Viņu ķīmiskās reakcijas ietvēra ūdeņradi, sērūdeņradi, dzelzi, bet ne ūdeni; tāpēc tie neizdalīja skābekli. Un tikai pirms 2, 7 miljardiem gadu cianobaktērijas okeānos sāka skābekļa fotosintēzi, atbrīvojot skābekli. Skābekļa daudzums un ozona slānis pakāpeniski palielinājās, ļaujot sarkanajām un brūnajām aļģēm pacelties uz virsmas. Un, kad ūdens līmenis seklos ūdeņos bija pietiekams, lai aizsargātu pret UV, parādījās zaļās aļģes. Viņiem bija maz fikobiliproteīnu, un tie bija labāk pielāgoti spilgtai gaismai ūdens virsmas tuvumā. 2 miljardus gadu pēc tam, kad atmosfērā sāka uzkrāties skābeklis, uz sauszemes parādījās zaļo aļģu pēcteči – augi.

Flora ir piedzīvojusi būtiskas izmaiņas - strauji pieaugusi formu daudzveidība: no sūnām un aknām līdz vaskulāriem augiem ar augstiem vainagiem, kas absorbē vairāk gaismas un ir pielāgoti dažādām klimatiskajām zonām. Skujkoku koniskie vainagi efektīvi absorbē gaismu augstos platuma grādos, kur saule gandrīz nepaceļas virs horizonta. Ēnu mīlošie augi ražo antocianīnu, lai pasargātu no spilgtas gaismas. Zaļais hlorofils ir ne tikai labi pielāgojies mūsdienu atmosfēras sastāvam, bet arī palīdz to uzturēt, saglabājot mūsu planētu zaļu. Iespējams, ka nākamais evolūcijas solis dos priekšrocības organismam, kas dzīvo ēnā zem koku vainagiem un izmanto fikobilīnus, lai absorbētu zaļo un dzelteno gaismu. Bet augšējā līmeņa iedzīvotāji, acīmredzot, paliks zaļi.

Gleznojot pasauli sarkanā krāsā

Meklējot fotosintētiskos pigmentus uz planētām citās zvaigžņu sistēmās, astronomiem jāatceras, ka šie objekti atrodas dažādos evolūcijas posmos. Piemēram, viņi var satikt planētu, kas līdzīga Zemei, piemēram, pirms 2 miljardiem gadu. Jāpatur prātā arī tas, ka citplanētiešu fotosintēzes organismiem var būt īpašības, kas nav raksturīgas to sauszemes "radiniekiem". Piemēram, viņi spēj sadalīt ūdens molekulas, izmantojot ilgāka viļņa garuma fotonus.

Visgarākā viļņa garuma organisms uz Zemes ir purpursarkanā bezskābekļa baktērija, kas izmanto infrasarkano starojumu ar viļņa garumu aptuveni 1015 nm. Rekordisti starp skābekli saturošiem organismiem ir jūras zilaļģes, kas absorbē pie 720 nm. Viļņa garumam nav augšējās robežas, ko nosaka fizikas likumi. Vienkārši fotosintēzes sistēmai ir jāizmanto lielāks skaits garu viļņu fotonu, salīdzinot ar īsviļņu garumiem.

Ierobežojošais faktors nav pigmentu daudzveidība, bet gan planētas virsmu sasniedzošās gaismas spektrs, kas savukārt ir atkarīgs no zvaigznes veida. Astronomi klasificē zvaigznes pēc to krāsas, atkarībā no to temperatūras, izmēra un vecuma. Ne visas zvaigznes pastāv pietiekami ilgi, lai dzīvība varētu rasties un attīstīties uz kaimiņu planētām. Zvaigznes ir ilgmūžīgas (temperatūras pazemināšanās secībā) F, G, K un M spektrālās klases. Saule pieder pie G klases. F klases zvaigznes ir lielākas un spožākas par Sauli, tās deg, izstaro spožāku zilā gaisma un izdeg aptuveni 2 miljardu gadu laikā. K un M klases zvaigznes ir mazāka diametra, blāvākas, sarkanākas un klasificētas kā ilgmūžīgas.

Ap katru zvaigzni atrodas tā sauktā "dzīvības zona" - orbītu diapazons, uz kura planētām ir šķidrā ūdens pastāvēšanai nepieciešamā temperatūra. Saules sistēmā šāda zona ir gredzens, ko ierobežo Marsa un Zemes orbītas. Karstajām F zvaigznēm dzīves zona atrodas tālāk no zvaigznes, savukārt vēsākām K un M zvaigznēm tā ir tuvāk. F-, G- un K-zvaigžņu dzīves zonā esošās planētas saņem apmēram tādu pašu redzamās gaismas daudzumu, kādu Zeme saņem no Saules. Visticamāk, ka uz tiem varētu rasties dzīvība, pamatojoties uz tādu pašu skābekļa fotosintēzi kā uz Zemes, lai gan pigmentu krāsa var būt nobīdīta redzamajā diapazonā.

M tipa zvaigznes, tā sauktie sarkanie punduri, zinātniekus īpaši interesē, jo tie ir visizplatītākais zvaigžņu veids mūsu Galaktikā. Tie izstaro ievērojami mazāk redzamu gaismu nekā Saule: intensitātes maksimums to spektrā ir tuvu infrasarkanajam staram. Skotijas Dandī universitātes biologs Džons Reivens un Edinburgas Karaliskās observatorijas astronoms Rejs Volstenkrofts ir norādījuši, ka skābekļa fotosintēze teorētiski ir iespējama, izmantojot tuvu infrasarkano staru fotonus. Šajā gadījumā organismiem būs jāizmanto trīs vai pat četri IR fotoni, lai salauztu ūdens molekulu, savukārt sauszemes augi izmanto tikai divus fotonus, ko var pielīdzināt raķetes soļiem, kas elektronam piešķir enerģiju, lai veiktu ķīmisku vielu. reakcija.

Jaunās M zvaigznes demonstrē spēcīgus UV uzliesmojumus, no kuriem var izvairīties tikai zem ūdens. Taču ūdens stabs absorbē arī citas spektra daļas, tāpēc organismiem, kas atrodas dziļumā, ļoti trūks gaismas. Ja tā, tad fotosintēze uz šīm planētām var neattīstīties. M zvaigznei novecojot, izstarotā ultravioletā starojuma daudzums samazinās, vēlākajos evolūcijas posmos tas kļūst mazāks, nekā izstaro mūsu Saule. Šajā periodā nav nepieciešams aizsargājošs ozona slānis, un dzīvība uz planētu virsmas var uzplaukt pat tad, ja tā neražo skābekli.

Tādējādi astronomiem būtu jāapsver četri iespējamie scenāriji atkarībā no zvaigznes veida un vecuma.

Anaerobā okeāna dzīve. Zvaigzne planētu sistēmā ir jauna, jebkura veida. Organismi var neražot skābekli. Atmosfēra var sastāvēt no citām gāzēm, piemēram, metāna.

Aerobā okeāna dzīve. Zvaigzne vairs nav jauna, jebkura veida. Kopš skābekļa fotosintēzes sākuma ir pagājis pietiekami daudz laika, lai atmosfērā uzkrātos skābekli.

Aerobā sauszemes dzīve. Zvaigzne ir nobriedusi, jebkura veida. Zeme ir klāta ar augiem. Dzīve uz Zemes ir tikai šajā posmā.

Anaerobā sauszemes dzīve. Blāva M zvaigzne ar vāju UV starojumu. Augi pārklāj zemi, bet var neražot skābekli.

Protams, fotosintētisko organismu izpausmes katrā no šiem gadījumiem būs atšķirīgas. Mūsu planētas šaušanas pieredze no satelītiem liecina, ka ar teleskopu nav iespējams atklāt dzīvību okeāna dzīlēs: pirmie divi scenāriji mums nesola krāsainas dzīvības pazīmes. Vienīgā iespēja to atrast ir meklēt organiskas izcelsmes atmosfēras gāzes. Tāpēc pētniekiem, kuri izmanto krāsu metodes, lai meklētu svešzemju dzīvību, būs jākoncentrējas uz sauszemes augu izpēti ar skābekļa fotosintēzi uz planētām, kas atrodas netālu no F, G un K zvaigznēm, vai uz M-zvaigžņu planētām, bet ar jebkāda veida fotosintēzi.

Dzīvības pazīmes

Vielas, kas papildus augu krāsai var liecināt par dzīvības klātbūtni

Skābeklis (O₂) un ūdens (H₂O) … Pat uz nedzīvas planētas mātes zvaigznes gaisma iznīcina ūdens tvaiku molekulas un rada nelielu skābekļa daudzumu atmosfērā. Bet šī gāze ātri izšķīst ūdenī un arī oksidē akmeņus un vulkāniskās gāzes. Tāpēc, ja uz planētas ar šķidru ūdeni ir redzams daudz skābekļa, tas nozīmē, ka to ražo papildu avoti, visticamāk, fotosintēze.

Ozons (O₃) … Zemes stratosfērā ultravioletā gaisma iznīcina skābekļa molekulas, kuras, apvienojoties, veido ozonu. Kopā ar šķidru ūdeni ozons ir svarīgs dzīvības rādītājs. Kamēr skābeklis ir redzams redzamajā spektrā, ozons ir redzams infrasarkanajā starā, ko ir vieglāk noteikt ar dažiem teleskopiem.

Metāns (CH₄) plus skābeklis vai sezonas cikli … Skābekļa un metāna kombināciju ir grūti iegūt bez fotosintēzes. Arī metāna koncentrācijas sezonālās svārstības ir droša dzīvības zīme. Un uz mirušas planētas metāna koncentrācija ir gandrīz nemainīga: tā tikai lēnām samazinās, kad saules gaisma sadala molekulas

Hlormetāns (CH₃Cl) … Uz Zemes šī gāze veidojas, sadedzinot augus (galvenokārt meža ugunsgrēkos) un pakļaujot saules gaismai planktonu un hloru jūras ūdenī. Oksidācija to iznīcina. Taču salīdzinoši vājā M-zvaigžņu emisija var ļaut šai gāzei uzkrāties reģistrācijai pieejamā daudzumā.

Slāpekļa oksīds (N₂O) … Kad organismi sadalās, slāpeklis izdalās oksīda veidā. Šīs gāzes nebioloģiskie avoti ir niecīgi.

Melns ir jaunais zaļais

Neatkarīgi no planētas īpašībām fotosintēzes pigmentiem jāatbilst tām pašām prasībām kā uz Zemes: absorbēt fotonus ar īsāko viļņa garumu (augstas enerģijas), ar garāko viļņa garumu (ko izmanto reakcijas centrs) vai pieejamāko. Lai saprastu, kā zvaigznes veids nosaka augu krāsu, bija jāapvieno dažādu specialitāšu pētnieku pūles.

Zvaigžņu gaisma iet garām

Augu krāsa ir atkarīga no zvaigžņu gaismas spektra, ko astronomi var viegli novērot, un gaismas absorbcijas gaisā un ūdenī, ko autore un viņas kolēģi modelēja, pamatojoties uz iespējamo atmosfēras sastāvu un dzīvības īpašībām. Attēls "Zinātnes pasaulē"

Martins Koens, Kalifornijas Universitātes Bērklijas astronoms, savāca datus par F zvaigzni (Bootes sigma), K zvaigzni (Epsilon Eridani), aktīvi uzliesmojošu M zvaigzni (AD Leo) un hipotētisku mierīgu M. -zvaigzne ar temperatūru 3100 ° C. Astronome Antigona Segura no Mehiko Nacionālās autonomās universitātes ir veikusi datorsimulācijas par Zemei līdzīgu planētu uzvedību dzīvības zonā ap šīm zvaigznēm. Izmantojot Aleksandra Pavlova no Arizonas universitātes un Džeimsa Kastinga no Pensilvānijas universitātes modeļus, Segura pētīja zvaigžņu starojuma mijiedarbību ar iespējamām planētu atmosfēras sastāvdaļām (pieņemot, ka vulkāni uz tiem izdala tādas pašas gāzes kā uz Zemes), mēģinot noskaidrot ķīmisko sastāvu atmosfērās, kurās trūkst skābekļa un kuras saturs ir tuvu zemes saturam.

Izmantojot Seguras rezultātus, Londonas Universitātes koledžas fiziķe Džovanna Tineti aprēķināja starojuma absorbciju planētu atmosfērā, izmantojot Deivida Krispa modeli Jet Propulsion Laboratory Pasadenā, Kalifornijā, kas tika izmantots, lai novērtētu saules paneļu apgaismojumu uz Marsa roveriem. Šo aprēķinu interpretācijai bija nepieciešami piecu ekspertu apvienotie pūliņi: mikrobioloģe Dženeta Zīferta no Raisas universitātes, bioķīmiķis Roberts Blankenšijs Vašingtonas universitātē Sentluisā un Govindžijs Ilinoisas Universitātē Urbānā, planetologs un Šampaņa. (Viktorija Pjūda) no Vašingtonas štata universitātes. un es, NASA Godāras Kosmosa pētniecības institūta biometeorologs.

Mēs secinājām, ka zilie stari ar maksimumu pie 451 nm pārsvarā sasniedz planētu virsmas F klases zvaigžņu tuvumā. Netālu no K zvaigznēm maksimums atrodas pie 667 nm, tas ir spektra sarkanais apgabals, kas atgādina situāciju uz Zemes. Šajā gadījumā ozonam ir svarīga loma, padarot F-zvaigžņu gaismu zilāku un K-zvaigžņu gaismu sarkanāku nekā patiesībā. Izrādās, ka fotosintēzei piemērotais starojums šajā gadījumā atrodas redzamajā spektra apgabalā, tāpat kā uz Zemes.

Tādējādi augiem uz planētām, kas atrodas netālu no F un K zvaigznēm, var būt gandrīz tāda pati krāsa kā uz Zemes. Bet F zvaigznēs ar enerģiju bagāto zilo fotonu plūsma ir pārāk intensīva, tāpēc augiem tie vismaz daļēji jāatstaro, izmantojot aizsargpigmentus, piemēram, antocianīnu, kas piešķirs augiem zilganu krāsojumu. Tomēr viņi fotosintēzei var izmantot tikai zilos fotonus. Šajā gadījumā ir jāatspoguļo visa gaisma diapazonā no zaļas līdz sarkanai. Tā rezultātā atstarotās gaismas spektrā būs raksturīgs zils nogrieznis, ko var viegli pamanīt ar teleskopu.

Plašais temperatūras diapazons M zvaigznēm liecina par dažādām planētu krāsām. Orbītā ap mierīgu M zvaigzni, planēta saņem pusi no enerģijas, ko Zeme saņem no Saules. Un, lai gan ar to principā pietiek dzīvībai - tas ir 60 reizes vairāk nekā nepieciešams ēnu mīlošiem augiem uz Zemes -, lielākā daļa fotonu, kas nāk no šīm zvaigznēm, pieder spektra tuvajam IS reģionam. Taču evolūcijai vajadzētu novest pie dažādu pigmentu rašanās, kas spēj uztvert visu redzamās un infrasarkanās gaismas spektru. Augi, kas absorbē gandrīz visu savu starojumu, var pat izskatīties melni.

Mazs violets punkts

Dzīvības vēsture uz Zemes liecina, ka agrīnie jūras fotosintēzes organismi uz planētām, kas atrodas netālu no F, G un K klases zvaigznēm, varēja dzīvot primārā bezskābekļa atmosfērā un attīstīt skābekļa fotosintēzes sistēmu, kas vēlāk izraisītu sauszemes augu parādīšanos.. Ar M klases zvaigznēm situācija ir sarežģītāka. Mūsu aprēķinu rezultāti liecina, ka optimālā vieta fotosintezatoriem ir 9 m zem ūdens: šāda dziļuma slānis aiztur destruktīvo ultravioleto gaismu, bet ļauj tam iziet cauri pietiekami daudz redzamās gaismas. Šos organismus, protams, savos teleskopos nepamanīsim, taču tie varētu kļūt par zemes dzīvības pamatu. Principā uz planētām M zvaigžņu tuvumā augu dzīvība, izmantojot dažādus pigmentus, var būt gandrīz tikpat daudzveidīga kā uz Zemes.

Bet vai nākotnes kosmosa teleskopi ļaus mums redzēt dzīvības pēdas uz šīm planētām? Atbilde ir atkarīga no tā, kāda būs ūdens virsmas un zemes attiecība uz planētas. Pirmās paaudzes teleskopos planētas izskatīsies kā punkti, un to virsmas detalizēta izpēte nav iespējama. Viss, ko zinātnieki iegūs, ir kopējais atstarotās gaismas spektrs. Pamatojoties uz saviem aprēķiniem, Tinetti apgalvo, ka vismaz 20% planētas virsmas ir jābūt sausai zemei, kas klāta ar augiem un nav klāta ar mākoņiem, lai noteiktu augus šajā spektrā. No otras puses, jo lielāka ir jūras platība, jo vairāk skābekļa jūras fotosintezatori izdala atmosfērā. Tāpēc, jo izteiktāki ir pigmenta bioindikatori, jo grūtāk ir pamanīt skābekļa bioindikatorus un otrādi. Astronomi varēs atklāt vai nu vienu, vai otru, bet ne abus.

Planētas meklētāji

Eiropas Kosmosa aģentūra (ESA) plāno tuvāko 10 gadu laikā palaist kosmosa kuģi Darwin, lai pētītu sauszemes eksoplanetu spektrus. NASA Earth-Like Planet Seeker darīs to pašu, ja aģentūra saņems finansējumu. Kosmosa kuģis COROT, ko ESA palaida 2006. gada decembrī, un kosmosa kuģis Kepler, ko NASA plānojis palaist 2009. gadā, ir paredzēti, lai meklētu vāju zvaigžņu spilgtuma samazināšanos, Zemei līdzīgām planētām ejot tām priekšā. NASA SIM kosmosa kuģis planētu ietekmē meklēs vājas zvaigžņu vibrācijas.

Dzīvības klātbūtne uz citām planētām – reālā dzīvība, ne tikai fosilijas vai mikrobi, kas tik tikko izdzīvo ekstremālos apstākļos – var tikt atklāta pavisam tuvā nākotnē. Bet kuras zvaigznes mums vispirms vajadzētu izpētīt? Vai mēs varēsim reģistrēt planētu spektrus, kas atrodas tuvu zvaigznēm, kas ir īpaši svarīgi M zvaigžņu gadījumā? Kādos diapazonos un ar kādu izšķirtspēju mūsu teleskopiem vajadzētu novērot? Izpratne par fotosintēzes pamatiem palīdzēs mums izveidot jaunus instrumentus un interpretēt saņemtos datus. Šādas sarežģītības problēmas var atrisināt tikai dažādu zinātņu krustpunktā. Pagaidām esam tikai ceļa sākumā. Pati iespēja meklēt ārpuszemes dzīvību ir atkarīga no tā, cik dziļi mēs saprotam dzīvības pamatus šeit uz Zemes.