Какими будут растения на далеких планетах?
Ученые знают достаточно о экзопланетах, чтобы предположить, как могут возникать простые растения на них. Но не рассчитывайте на то, что они будут зелеными.
#РастенияНаДалекихПланетах #Экзопланеты #ИнопланетнаяФлора #ОбитаемаяЗона #Фотосинтез #Экзобиология #КрасныеКарлики #Астрономия #ЖизньВоВселенной #ПоискИнтеллектуальнойЖизни
ИЛЛЮСТРАЦИЯ: NASA/ESA/CSA/JOSEPH OLMSTED (STSCI)
РАССМОТРИМ ВОЗМОЖНОСТЬ существования инопланетных растений. В конце концов, много экзопланет вероятно имеют условия, благоприятные для развития растений, даже если эволюция там так и не достигает сложных организмов и животных. Но если мох, водоросли и лишайники окутывают пышные экзопланеты в далеких областях Млечного Пути, эти миры и звезды, вокруг которых они вращаются, могут быть совершенно отличными от нашего. Внеземная флора может быть не похожа на то, что мы когда-либо видели.
Большинство каменистых экзопланет, обнаруженных до сих пор, [вращаются вокруг красных карликовых звезд](https://www.wired.com/story/the-search-for-et-has-an-x-factor-the-evolution-of-stars/#:~:text=Using TESS'%20predecessor%2C%20the%20Kepler,of%20them%20orbiting%20red%20dwarfs.), самого распространенного типа звезд в галактике. Они излучают более слабый, красноватый свет по сравнению с солнцем. "Естественно задаться вопросом, если фотосинтез происходит в видимом диапазоне света - от 400 до 700 нанометров - и вы берете звезду, которая является более слабой, холоднее и краснее, есть ли достаточно света для поддержки фотосинтеза?" - говорит Фомас Хоуорт, физик из Лондонского университета королевы Мэри. Его предварительный ответ на этот вопрос, недавно опубликованный в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, - "да, иногда". Вывод его команды, что условия вокруг красных карликовых звезд не являются преградой для жизни, обнадеживает. Но жизнь могла адаптироваться к свету краснее солнца совершенно по-другому.
Большинство растений на Земле, включая листовую растительность, мхи и цианобактерии, используют фотосинтез для превращения солнечного света и углекислого газа в энергию и кислород. Растения используют хлорофилловые пигменты, чтобы превратить солнечную энергию в химическую энергию. Хлорофилл придает растениям зеленый цвет и настроен на поглощение света в части спектра, которая охватывает от фиолетово-синего до оранжево-красного. Но астробиологи отмечают, что у растений есть "красный край" для фотосинтеза, то есть хлорофилл не поглощает много фотонов при более длинных, красноватых длинах волн свыше 700 нанометров. Именно на этих длинах волн большую часть света излучают эти маленькие красные карликовые звезды. Это, кажется, создает проблему для фотосинтетических организмов.
Так что Хоуорт вместе с коллегой, биологом Кристофером Даффи, попытались представить, как мог работать внеземной фотосинтез, даже в необычных условиях. "Мы хотели разработать общую модель фотосинтеза, которая не была бы привязана к какому-либо конкретному виду," - говорит Даффи. В частности, они моделировали антенны для сбора света - пигментно-белковые комплексы, которые есть у всех фотосинтетических организмов, которые собирают фотоны и направляют световую энергию к реакционному центру, где происходят фотохимические реакции, необходимые для превращения ее в химическую энергию.
Они пришли к выводу, что организмы с крайне эффективными антеннами действительно могут поглощать слабый свет краснее 700 нм, но фотосинтез с выделением кислорода может представлять трудность. В таком случае организмам придется вкладывать много энергии только в то, чтобы поддерживать работу фотосинтетического аппарата. С эволюционной точки зрения это может ограничить их в оставании, скажем, водорослей зелено-синего цвета, обитающих в прудах, а не структур, которые могли бы заселить сушу.
И хотя зеленые растения, с их зависимостью от хлорофилла и солнечного света, доминируют на Земле, ни биология, ни физика не требуют, чтобы все работало именно так. Мы уже знаем о виде на нашей собственной планете, которые следуют другим правилам. Есть подземные микробы, которые производят "темный кислород" в отсутствие света. И есть пурпурные бактерии и зеленые сероводородные бактерии, которые осуществляют фотосинтез без кислорода, используя различные пигменты и газы, особенно серу. Они полагаются на инфракрасный свет для получения энергии, в диапазоне от 800 до 1 000 нанометров. Это хорошо в пределах диапазона звездного света красных карликов.
Duffy и Haworth предполагают, что на удаленных планетах сообщества пурпурных бактерий могут распространяться в черных сульфидных океанах или распространяться в пленках вокруг местных источников сероводорода. Если бы они эволюционировали в растения, которые могли бы выжить на суше, как растения Земли, они бы все равно направляли свои поверхности, поглощающие свет, к своей звезде, но они могли бы быть фиолетовыми, красными или оранжевыми, в зависимости от длин волн света, к которым они адаптированы. У них все еще было бы скопления клеток, которые извлекают питательные вещества из почвы, но они искали бы разные питательные вещества. (Для растений на Земле нитраты и фосфаты являются критическими.)
Если эти ученые правы в том, что ботаническая жизнь может возникнуть в системах красных карликов, то астрономам нужно будет определить, куда направить свои телескопы, чтобы найти ее. Вначале ученые обычно сосредотачиваются на обитаемой зоне вокруг каждой звезды, иногда называемой "зоной Голди Локс", потому что она не слишком горячая и не слишком холодная для наличия жидкой воды на поверхности планеты. (Слишком горячая и вода испарится. Слишком холодно, и она навсегда превратится в лед.) Поскольку вода, вероятно, необходима для большинства видов жизни, это захватывающее событие, когда астрономы находят скалистый мир в этой зоне - или в случае системы TRAPPIST-1, несколько миров.
Но астрофизик Университета Джорджии Кассандра Холл говорит, что, возможно, пришло время пересмотреть обитаемую зону таким образом, чтобы акцентировать внимание не только на воде, но и на свете. В своем исследовании, проведенном ранее в этом году, группа Холла сосредоточилась на таких факторах, как интенсивность звездного света, температура поверхности планеты, плотность ее атмосферы и сколько энергии организмам потребуется только для выживания, а не для роста. Учитывая все это вместе, они оценили "фотосинтетическую обитаемую зону", которая находится немного ближе к звезде планеты, чем традиционная обитаемая зона для воды. Представьте себе орбиту, более похожую на Землю, чем на Марс.
Холл выделяет пять многообещающих миров, которые уже были открыты: Kepler-452 b, Kepler-1638 b, Kepler-1544 b, Kepler-62 e и Kepler-62 f. Это скалистые планеты в Млечном Пути, в основном немного больше Земли, но не газовые гиганты, как "мини-нептуны", и они проводят значительную часть своих орбит, если не весь орбит, в фотосинтетической обитаемой зоне своей звезды. (Астрономы обнаружили их все в течение последнего десятилетия с помощью космического телескопа Кеплер NASA.)
Конечно, трудность заключается в том, чтобы обнаружить явные признаки жизни на расстоянии более 1000 световых лет. Астробиологи ищут определенные химические сигнатуры, скрывающиеся в атмосферах экзопланет. "Обычно вы ищете признаки химического дисбаланса, большие количества газов, несовместимых друг с другом, потому что они реагируют друг с другом, чтобы образовать разные вещества", - говорит Холл. Это может указывать на жизненные процессы, такие как дыхание или разложение.
Примером может служить сочетание углекислого газа и метана, поскольку оба могут быть выделены живыми формами, и метан не длится долго, если его постоянно производят, например, из-за разложения растительного вещества бактериями. Но это не является безусловным доказательством: углерод и метан также могут быть произведены мертвым, вулканически активным миром.
Другими признаками могут быть кислород или его след, озон, который образуется при расщеплении молекул кислорода под действием звездного излучения. Или, возможно, сероводородные газы могут указывать на наличие фотосинтеза без наличия кислорода. Все это также может быть произведено абиотическими источниками, такими как озон из водяного пара в атмосфере или сероводород из вулканов.
Хотя Земля является естественной точкой отсчета, ученые не должны ограничивать свою перспективу только жизнью, какую мы знаем, утверждает Натали Каброль, астробиолог и директор Сагановского центра Института SETI. Поиск идеальных условий для кислородного фотосинтеза может означать сужение поиска слишком сильно. Возможно, жизнь не такая редкая во Вселенной. "Прямо сейчас мы не имеем понятия, есть ли у нас единственная биохимия", - говорит она.
Если инопланетные растения могут выживать или даже преуспевать без кислородного фотосинтеза, это в конечном итоге может означать расширение, а не сужение обитаемой зоны, говорит Каброль. "Мы должны сохранять открытый ум".