Πώς μοιάζουν τα φυτά σε άλλους εξωπλανήτες;

2024 Συγγραφέας: Seth Attwood | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-16 16:02

Η αναζήτηση για εξωγήινη ζωή δεν είναι πλέον ο τομέας της επιστημονικής φαντασίας ή των κυνηγών UFO. Ίσως οι σύγχρονες τεχνολογίες να μην έχουν φτάσει ακόμη στο απαιτούμενο επίπεδο, αλλά με τη βοήθειά τους είμαστε ήδη σε θέση να ανιχνεύσουμε τις φυσικές και χημικές εκδηλώσεις των θεμελιωδών διεργασιών που κρύβονται πίσω από τα έμβια όντα.

Οι αστρονόμοι έχουν ανακαλύψει περισσότερους από 200 πλανήτες σε τροχιά γύρω από αστέρια έξω από το ηλιακό σύστημα. Μέχρι στιγμής δεν μπορούμε να δώσουμε μια σαφή απάντηση σχετικά με την πιθανότητα ύπαρξης ζωής πάνω τους, αλλά αυτό είναι μόνο θέμα χρόνου. Τον Ιούλιο του 2007, μετά από ανάλυση του αστρικού φωτός που πέρασε από την ατμόσφαιρα του εξωπλανήτη, οι αστρονόμοι επιβεβαίωσαν την παρουσία νερού σε αυτόν. Τώρα αναπτύσσονται τηλεσκόπια που θα καταστήσουν δυνατή την αναζήτηση ιχνών ζωής σε πλανήτες όπως η Γη από τα φάσματα τους.

Ένας από τους σημαντικούς παράγοντες που επηρεάζουν το φάσμα του φωτός που ανακλάται από έναν πλανήτη μπορεί να είναι η διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Είναι όμως αυτό δυνατό σε άλλους κόσμους; Αρκετά! Στη Γη, η φωτοσύνθεση είναι η βάση για όλα σχεδόν τα έμβια όντα. Παρά το γεγονός ότι ορισμένοι οργανισμοί έχουν μάθει να ζουν σε υψηλές θερμοκρασίες στο μεθάνιο και στους υδροθερμικούς αεραγωγούς των ωκεανών, οφείλουμε τον πλούτο των οικοσυστημάτων στην επιφάνεια του πλανήτη μας στο φως του ήλιου.

Αφενός, κατά τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, παράγεται οξυγόνο, το οποίο, μαζί με το όζον που σχηματίζεται από αυτό, βρίσκεται στην ατμόσφαιρα του πλανήτη. Από την άλλη, το χρώμα ενός πλανήτη μπορεί να υποδηλώνει την παρουσία ειδικών χρωστικών, όπως η χλωροφύλλη, στην επιφάνειά του. Σχεδόν πριν από έναν αιώνα, έχοντας παρατηρήσει το εποχικό σκοτάδι στην επιφάνεια του Άρη, οι αστρονόμοι υποψιάστηκαν την παρουσία φυτών σε αυτήν. Έχουν γίνει προσπάθειες να εντοπιστούν σημάδια πράσινων φυτών στο φάσμα του φωτός που ανακλάται από την επιφάνεια του πλανήτη. Αλλά η αμφιβολία αυτής της προσέγγισης φάνηκε ακόμη και από τον συγγραφέα Χέρμπερτ Γουέλς, ο οποίος στον «Πόλεμο των Κόσμων» παρατήρησε: «Προφανώς, το φυτικό βασίλειο του Άρη, σε αντίθεση με το γήινο, όπου κυριαρχεί το πράσινο, έχει αίμα- κόκκινο χρώμα. Τώρα γνωρίζουμε ότι δεν υπάρχουν φυτά στον Άρη και η εμφάνιση πιο σκοτεινών περιοχών στην επιφάνεια συνδέεται με καταιγίδες σκόνης. Ο ίδιος ο Γουέλς ήταν πεπεισμένος ότι το χρώμα του Άρη καθορίζεται από τα φυτά που καλύπτουν την επιφάνειά του.

Ακόμη και στη Γη, οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί δεν περιορίζονται στο πράσινο: ορισμένα φυτά έχουν κόκκινα φύλλα και διάφορα φύκια και φωτοσυνθετικά βακτήρια λαμπυρίζουν με όλα τα χρώματα του ουράνιου τόξου. Και τα μωβ βακτήρια χρησιμοποιούν υπέρυθρη ακτινοβολία από τον Ήλιο εκτός από το ορατό φως. Τι θα επικρατήσει λοιπόν σε άλλους πλανήτες; Και πώς μπορούμε να το δούμε αυτό; Η απάντηση εξαρτάται από τους μηχανισμούς με τους οποίους η εξωγήινη φωτοσύνθεση αφομοιώνει το φως του αστέρα του, το οποίο διαφέρει ως προς τη φύση της ακτινοβολίας από τον Ήλιο. Επιπλέον, μια διαφορετική σύνθεση της ατμόσφαιρας επηρεάζει επίσης τη φασματική σύνθεση της ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνεια του πλανήτη.

Τα αστέρια της φασματικής κατηγορίας M (κόκκινοι νάνοι) λάμπουν αμυδρά, επομένως τα φυτά σε πλανήτες που μοιάζουν με τη Γη κοντά τους πρέπει να είναι μαύρα για να απορροφούν όσο το δυνατόν περισσότερο φως. Τα νεαρά αστέρια M καίνε την επιφάνεια των πλανητών με υπεριώδεις εκλάμψεις, επομένως οι οργανισμοί εκεί πρέπει να είναι υδρόβιοι. Ο Ήλιος μας είναι κατηγορίας G. Και κοντά στα αστέρια της κατηγορίας F, τα φυτά λαμβάνουν πάρα πολύ φως και πρέπει να αντανακλούν ένα σημαντικό μέρος του.

Για να φανταστείτε πώς θα είναι η φωτοσύνθεση σε άλλους κόσμους, πρέπει πρώτα να καταλάβετε πώς την εκτελούν τα φυτά στη Γη. Το ενεργειακό φάσμα του ηλιακού φωτός κορυφώνεται στη γαλαζοπράσινη περιοχή, γεγονός που έκανε τους επιστήμονες να αναρωτιούνται για μεγάλο χρονικό διάστημα γιατί τα φυτά δεν απορροφούν το πιο διαθέσιμο πράσινο φως, αλλά, αντίθετα, το αντανακλούν; Αποδείχθηκε ότι η διαδικασία της φωτοσύνθεσης δεν εξαρτάται τόσο από τη συνολική ποσότητα ηλιακής ενέργειας, αλλά από την ενέργεια των μεμονωμένων φωτονίων και τον αριθμό των φωτονίων που συνθέτουν το φως.

Κάθε μπλε φωτόνιο μεταφέρει περισσότερη ενέργεια από ένα κόκκινο, αλλά ο ήλιος εκπέμπει κυρίως κόκκινα. Τα φυτά χρησιμοποιούν μπλε φωτόνια λόγω της ποιότητάς τους και τα κόκκινα λόγω της ποσότητάς τους. Το μήκος κύματος του πράσινου φωτός βρίσκεται ακριβώς μεταξύ κόκκινου και μπλε, αλλά τα πράσινα φωτόνια δεν διαφέρουν ως προς τη διαθεσιμότητα ή την ενέργεια, επομένως τα φυτά δεν τα χρησιμοποιούν.

Κατά τη φωτοσύνθεση για τη στερέωση ενός ατόμου άνθρακα (που προέρχεται από διοξείδιο του άνθρακα, CO₂) σε ένα μόριο σακχάρου απαιτούνται τουλάχιστον οκτώ φωτόνια και για τη διάσπαση ενός δεσμού υδρογόνου-οξυγόνου σε ένα μόριο νερού (Η₂Ο) - μόνο ένα. Σε αυτή την περίπτωση, εμφανίζεται ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο, το οποίο είναι απαραίτητο για περαιτέρω αντίδραση. Συνολικά, για το σχηματισμό ενός μορίου οξυγόνου (Ο₂) τέσσερις τέτοιοι δεσμοί πρέπει να σπάσουν. Για να σχηματίσει η δεύτερη αντίδραση ένα μόριο σακχάρου, απαιτούνται τουλάχιστον άλλα τέσσερα φωτόνια. Πρέπει να σημειωθεί ότι ένα φωτόνιο πρέπει να έχει κάποια ελάχιστη ενέργεια για να συμμετέχει στη φωτοσύνθεση.

Ο τρόπος με τον οποίο τα φυτά απορροφούν το φως του ήλιου είναι πραγματικά ένα από τα θαύματα της φύσης. Οι φωτοσυνθετικές χρωστικές δεν εμφανίζονται ως μεμονωμένα μόρια. Σχηματίζουν συστάδες που αποτελούνται, σαν να λέγαμε, από πολλές κεραίες, καθεμία από τις οποίες είναι συντονισμένη για να αντιλαμβάνεται φωτόνια ενός συγκεκριμένου μήκους κύματος. Η χλωροφύλλη απορροφά κυρίως το κόκκινο και το μπλε φως, ενώ οι καροτενοειδείς χρωστικές που δίνουν στο φύλλωμα το κόκκινο και το κίτρινο αντιλαμβάνονται μια διαφορετική απόχρωση του μπλε. Όλη η ενέργεια που συλλέγεται από αυτές τις χρωστικές παραδίδεται στο μόριο της χλωροφύλλης που βρίσκεται στο κέντρο αντίδρασης, όπου το νερό διασπάται για να σχηματίσει οξυγόνο.

Ένα σύμπλεγμα μορίων σε ένα κέντρο αντίδρασης μπορεί να πραγματοποιήσει χημικές αντιδράσεις μόνο εάν λάβει κόκκινα φωτόνια ή ισοδύναμη ποσότητα ενέργειας σε κάποια άλλη μορφή. Για να χρησιμοποιήσουν τα μπλε φωτόνια, οι χρωστικές κεραίας μετατρέπουν την υψηλή ενέργειά τους σε χαμηλότερη ενέργεια, ακριβώς όπως μια σειρά μετασχηματιστών βαθμίδωσης μειώνουν τα 100.000 βολτ μιας γραμμής ρεύματος σε μια πρίζα τοίχου 220 βολτ. Η διαδικασία ξεκινά όταν ένα μπλε φωτόνιο προσπίπτει σε μια χρωστική ουσία που απορροφά το μπλε φως και μεταφέρει ενέργεια σε ένα από τα ηλεκτρόνια του μορίου του. Όταν ένα ηλεκτρόνιο επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση, εκπέμπει αυτή την ενέργεια, αλλά λόγω απωλειών θερμότητας και δόνησης, λιγότερη από αυτή που απορρόφησε.

Ωστόσο, το μόριο της χρωστικής δίνει τη λαμβανόμενη ενέργεια όχι με τη μορφή φωτονίου, αλλά με τη μορφή ηλεκτρικής αλληλεπίδρασης με ένα άλλο μόριο χρωστικής, το οποίο είναι σε θέση να απορροφήσει την ενέργεια ενός χαμηλότερου επιπέδου. Με τη σειρά της, η δεύτερη χρωστική ουσία απελευθερώνει ακόμη λιγότερη ενέργεια και αυτή η διαδικασία συνεχίζεται έως ότου η ενέργεια του αρχικού μπλε φωτονίου πέσει στο επίπεδο του κόκκινου.

Το κέντρο αντίδρασης, ως το άκρο λήψης του καταρράκτη, είναι προσαρμοσμένο να απορροφά διαθέσιμα φωτόνια με ελάχιστη ενέργεια. Στην επιφάνεια του πλανήτη μας, τα κόκκινα φωτόνια είναι τα πιο πολυάριθμα και ταυτόχρονα έχουν τη χαμηλότερη ενέργεια μεταξύ των φωτονίων στο ορατό φάσμα.

Αλλά για τους υποβρύχιους φωτοσυνθέτες, τα κόκκινα φωτόνια δεν χρειάζεται να είναι τα πιο άφθονα. Η περιοχή φωτός που χρησιμοποιείται για τη φωτοσύνθεση αλλάζει με το βάθος καθώς το νερό, οι διαλυμένες ουσίες σε αυτό και οι οργανισμοί στα ανώτερα στρώματα φιλτράρουν το φως. Το αποτέλεσμα είναι μια σαφής διαστρωμάτωση των ζωντανών μορφών σύμφωνα με το σύνολο των χρωστικών τους. Οι οργανισμοί από τα βαθύτερα στρώματα του νερού έχουν χρωστικές ουσίες που συντονίζονται στο φως εκείνων των χρωμάτων που δεν απορροφήθηκαν από τα παραπάνω στρώματα. Για παράδειγμα, τα φύκια και η κυανία έχουν τις χρωστικές ουσίες φυκοκυανίνη και φυκοερυθρίνη, οι οποίες απορροφούν πράσινα και κίτρινα φωτόνια. Σε ανοξυγονικά (δηλ. Τα βακτήρια που δεν παράγουν οξυγόνο είναι η βακτηριοχλωροφύλλη, η οποία απορροφά το φως από τις μακρινές περιοχές του κόκκινου και του κοντινού υπέρυθρου (IR), το οποίο μπορεί να διεισδύσει μόνο στα ζοφερά βάθη του νερού.

Οι οργανισμοί που έχουν προσαρμοστεί σε χαμηλό φωτισμό τείνουν να αναπτύσσονται πιο αργά, επειδή πρέπει να εργαστούν σκληρότερα για να απορροφήσουν όλο το φως που έχουν στη διάθεσή τους. Στην επιφάνεια του πλανήτη, όπου το φως είναι άφθονο, θα ήταν μειονέκτημα για τα φυτά να παράγουν περίσσεια χρωστικών, επομένως χρησιμοποιούν επιλεκτικά χρώματα. Οι ίδιες εξελικτικές αρχές θα πρέπει να λειτουργούν και σε άλλα πλανητικά συστήματα.

Όπως τα υδρόβια πλάσματα έχουν προσαρμοστεί στο φως που φιλτράρεται από το νερό, οι κάτοικοι της ξηράς έχουν προσαρμοστεί στο φως που φιλτράρεται από τα αέρια της ατμόσφαιρας. Στο ανώτερο τμήμα της ατμόσφαιρας της γης, τα φωτόνια με τη μεγαλύτερη αφθονία είναι κίτρινα, με μήκος κύματος 560-590 nm. Ο αριθμός των φωτονίων σταδιακά μειώνεται προς τα μεγάλα κύματα και διασπάται απότομα προς τα βραχέα. Καθώς το ηλιακό φως διέρχεται από την ανώτερη ατμόσφαιρα, οι υδρατμοί απορροφούν το IR σε πολλές ζώνες μεγαλύτερες από 700 nm. Το οξυγόνο παράγει ένα στενό εύρος γραμμών απορρόφησης κοντά στα 687 και 761 nm. Όλοι γνωρίζουν ότι το όζον (Ω₃) στη στρατόσφαιρα απορροφά ενεργά το υπεριώδες φως (UV), αλλά επίσης απορροφά ελαφρώς στην ορατή περιοχή του φάσματος.

Έτσι, η ατμόσφαιρά μας αφήνει παράθυρα μέσω των οποίων η ακτινοβολία μπορεί να φτάσει στην επιφάνεια του πλανήτη. Το εύρος της ορατής ακτινοβολίας περιορίζεται στην μπλε πλευρά από μια απότομη αποκοπή του ηλιακού φάσματος στην περιοχή μικρού μήκους κύματος και την απορρόφηση της υπεριώδους ακτινοβολίας από το όζον. Το κόκκινο περίγραμμα ορίζεται από γραμμές απορρόφησης οξυγόνου. Η κορυφή του αριθμού των φωτονίων μετατοπίζεται από το κίτρινο στο κόκκινο (περίπου 685 nm) λόγω της εκτεταμένης απορρόφησης του όζοντος στην ορατή περιοχή.

Τα φυτά είναι προσαρμοσμένα σε αυτό το φάσμα, το οποίο καθορίζεται κυρίως από το οξυγόνο. Αλλά πρέπει να θυμόμαστε ότι τα ίδια τα φυτά παρέχουν οξυγόνο στην ατμόσφαιρα. Όταν εμφανίστηκαν οι πρώτοι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί στη Γη, υπήρχε λίγο οξυγόνο στην ατμόσφαιρα, έτσι τα φυτά έπρεπε να χρησιμοποιούν άλλες χρωστικές εκτός από τη χλωροφύλλη. Μόνο μετά από πάροδο χρόνου, όταν η φωτοσύνθεση άλλαξε τη σύνθεση της ατμόσφαιρας, η χλωροφύλλη έγινε η βέλτιστη χρωστική ουσία.

Τα αξιόπιστα απολιθώματα της φωτοσύνθεσης είναι περίπου 3,4 δισεκατομμυρίων ετών, αλλά παλαιότερα απολιθώματα δείχνουν σημάδια αυτής της διαδικασίας. Οι πρώτοι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί έπρεπε να βρίσκονται κάτω από το νερό, εν μέρει επειδή το νερό είναι καλός διαλύτης για βιοχημικές αντιδράσεις και επίσης επειδή παρέχει προστασία από την ηλιακή ακτινοβολία UV, η οποία ήταν σημαντική απουσία ατμοσφαιρικού στρώματος όζοντος. Τέτοιοι οργανισμοί ήταν υποβρύχια βακτήρια που απορροφούσαν υπέρυθρα φωτόνια. Οι χημικές τους αντιδράσεις περιελάμβαναν υδρογόνο, υδρόθειο, σίδηρο, αλλά όχι νερό. ως εκ τούτου, δεν εκπέμπουν οξυγόνο. Και μόλις πριν από 2, 7 δισεκατομμύρια χρόνια, τα κυανοβακτήρια στους ωκεανούς ξεκίνησαν την οξυγονική φωτοσύνθεση με την απελευθέρωση οξυγόνου. Η ποσότητα του οξυγόνου και του στρώματος του όζοντος αυξήθηκε σταδιακά, επιτρέποντας στα κόκκινα και καφέ φύκια να ανέβουν στην επιφάνεια. Και όταν η στάθμη του νερού στα ρηχά νερά ήταν επαρκής για προστασία από την υπεριώδη ακτινοβολία, εμφανίστηκαν πράσινα φύκια. Είχαν λίγες φυκοχιλοπρωτεΐνες και ήταν καλύτερα προσαρμοσμένες στο έντονο φως κοντά στην επιφάνεια του νερού. 2 δισεκατομμύρια χρόνια αφότου άρχισε να συσσωρεύεται οξυγόνο στην ατμόσφαιρα, οι απόγονοι των πράσινων φυκών - φυτών - εμφανίστηκαν στη στεριά.

Η χλωρίδα έχει υποστεί σημαντικές αλλαγές - η ποικιλία των μορφών έχει αυξηθεί γρήγορα: από βρύα και συκωτάκια έως αγγειακά φυτά με ψηλές κορώνες, που απορροφούν περισσότερο φως και προσαρμόζονται σε διαφορετικές κλιματικές ζώνες. Οι κωνικές κορώνες των κωνοφόρων δέντρων απορροφούν αποτελεσματικά το φως σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη, όπου ο ήλιος σχεδόν δεν ανατέλλει πάνω από τον ορίζοντα. Τα φυτά που αγαπούν τη σκιά παράγουν ανθοκυανίνη για προστασία από το έντονο φως. Η πράσινη χλωροφύλλη δεν είναι μόνο καλά προσαρμοσμένη στη σύγχρονη σύνθεση της ατμόσφαιρας, αλλά βοηθά και στη διατήρησή της, διατηρώντας τον πλανήτη μας πράσινο. Είναι πιθανό ότι το επόμενο βήμα στην εξέλιξη θα δώσει ένα πλεονέκτημα σε έναν οργανισμό που ζει στη σκιά κάτω από τις κορώνες των δέντρων και χρησιμοποιεί φυκομπιλίνες για να απορροφήσει το πράσινο και το κίτρινο φως. Αλλά οι κάτοικοι της ανώτερης βαθμίδας, προφανώς, θα παραμείνουν πράσινοι.

Βάφοντας τον κόσμο κόκκινο

Ενώ αναζητούν φωτοσυνθετικές χρωστικές σε πλανήτες σε άλλα αστρικά συστήματα, οι αστρονόμοι θα πρέπει να θυμούνται ότι αυτά τα αντικείμενα βρίσκονται σε διαφορετικά στάδια εξέλιξης. Για παράδειγμα, μπορεί να συναντήσουν έναν πλανήτη παρόμοιο με τη Γη, ας πούμε, πριν από 2 δισεκατομμύρια χρόνια. Θα πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη ότι οι εξωγήινοι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί μπορεί να έχουν ιδιότητες που δεν είναι χαρακτηριστικές των επίγειων «συγγενών» τους. Για παράδειγμα, είναι σε θέση να διασπάσουν μόρια νερού χρησιμοποιώντας φωτόνια μεγαλύτερου μήκους κύματος.

Ο οργανισμός με το μεγαλύτερο μήκος κύματος στη Γη είναι το μωβ ανοξυγονικό βακτήριο, το οποίο χρησιμοποιεί υπέρυθρη ακτινοβολία με μήκος κύματος περίπου 1015 nm. Οι κάτοχοι ρεκόρ μεταξύ των οξυγονικών οργανισμών είναι τα θαλάσσια κυανοβακτήρια, τα οποία απορροφούν στα 720 nm. Δεν υπάρχει ανώτατο όριο στο μήκος κύματος που καθορίζεται από τους νόμους της φυσικής. Απλώς το σύστημα φωτοσύνθεσης πρέπει να χρησιμοποιεί μεγαλύτερο αριθμό φωτονίων μεγάλου μήκους κύματος σε σύγκριση με αυτά μικρού μήκους κύματος.

Ο περιοριστικός παράγοντας δεν είναι η ποικιλία των χρωστικών, αλλά το φάσμα του φωτός που φτάνει στην επιφάνεια του πλανήτη, το οποίο με τη σειρά του εξαρτάται από τον τύπο του αστεριού. Οι αστρονόμοι ταξινομούν τα αστέρια με βάση το χρώμα τους, ανάλογα με τη θερμοκρασία, το μέγεθος και την ηλικία τους. Δεν υπάρχουν όλα τα αστέρια για αρκετό καιρό ώστε να προκύψει και να αναπτυχθεί ζωή σε γειτονικούς πλανήτες. Τα αστέρια είναι μακρόβια (κατά σειρά φθίνουσας θερμοκρασίας) των φασματικών κατηγοριών F, G, K και M. Ο ήλιος ανήκει στην κατηγορία G. Τα αστέρια της κατηγορίας F είναι μεγαλύτερα και φωτεινότερα από τον Ήλιο, καίγονται, εκπέμποντας φωτεινότερο μπλε φως και καεί σε περίπου 2 δισεκατομμύρια χρόνια. Τα αστέρια της κατηγορίας Κ και Μ είναι μικρότερα σε διάμετρο, πιο αχνά, πιο κόκκινα και ταξινομούνται ως μακρόβια.

Γύρω από κάθε αστέρι υπάρχει μια λεγόμενη «ζώνη ζωής» - μια σειρά από τροχιές, όπου οι πλανήτες έχουν την απαραίτητη θερμοκρασία για την ύπαρξη υγρού νερού. Στο ηλιακό σύστημα, μια τέτοια ζώνη είναι ένας δακτύλιος που οριοθετείται από τις τροχιές του Άρη και της Γης. Τα καυτά αστέρια F έχουν μια ζώνη ζωής πιο μακριά από το αστέρι, ενώ τα πιο ψυχρά αστέρια Κ και Μ την έχουν πιο κοντά. Οι πλανήτες στη ζώνη ζωής των άστρων F-, G- και K λαμβάνουν περίπου την ίδια ποσότητα ορατού φωτός που λαμβάνει η Γη από τον Ήλιο. Είναι πιθανό ότι θα μπορούσε να προκύψει ζωή σε αυτά με βάση την ίδια οξυγονική φωτοσύνθεση όπως στη Γη, αν και το χρώμα των χρωστικών μπορεί να μετατοπιστεί εντός του ορατού εύρους.

Τα αστέρια τύπου Μ, οι λεγόμενοι κόκκινοι νάνοι, παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τους επιστήμονες καθώς είναι ο πιο κοινός τύπος αστεριών στον Γαλαξία μας. Εκπέμπουν αισθητά λιγότερο ορατό φως από τον Ήλιο: η κορύφωση της έντασης στο φάσμα τους εμφανίζεται στο κοντινό IR. Ο John Raven, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Dundee στη Σκωτία, και ο Ray Wolstencroft, αστρονόμος στο Βασιλικό Αστεροσκοπείο στο Εδιμβούργο, έχουν προτείνει ότι η οξυγονική φωτοσύνθεση είναι θεωρητικά δυνατή χρησιμοποιώντας φωτόνια κοντά στο υπέρυθρο. Σε αυτήν την περίπτωση, οι οργανισμοί θα πρέπει να χρησιμοποιήσουν τρία ή και τέσσερα φωτόνια υπερύθρων για να σπάσουν ένα μόριο νερού, ενώ τα χερσαία φυτά χρησιμοποιούν μόνο δύο φωτόνια, τα οποία μπορούν να παρομοιαστούν με τα βήματα ενός πυραύλου που μεταδίδει ενέργεια σε ένα ηλεκτρόνιο για να πραγματοποιήσει μια χημική ουσία. αντίδραση.

Τα νεαρά αστέρια M παρουσιάζουν ισχυρές εκλάμψεις UV που μπορούν να αποφευχθούν μόνο υποβρύχια. Αλλά η στήλη του νερού απορροφά επίσης και άλλα μέρη του φάσματος, επομένως οι οργανισμοί που βρίσκονται στο βάθος θα έχουν τεράστια έλλειψη φωτός. Αν ναι, τότε η φωτοσύνθεση σε αυτούς τους πλανήτες μπορεί να μην αναπτυχθεί. Καθώς το αστέρι M γερνά, η ποσότητα της εκπεμπόμενης υπεριώδους ακτινοβολίας μειώνεται, στα τελευταία στάδια της εξέλιξης γίνεται μικρότερη από αυτή που εκπέμπει ο Ήλιος μας. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, δεν υπάρχει ανάγκη για προστατευτική στιβάδα του όζοντος και η ζωή στην επιφάνεια των πλανητών μπορεί να ανθίσει ακόμα κι αν δεν παράγει οξυγόνο.

Έτσι, οι αστρονόμοι θα πρέπει να εξετάσουν τέσσερα πιθανά σενάρια ανάλογα με τον τύπο και την ηλικία του άστρου.

Αναερόβια Ωκεάνια Ζωή. Ένα αστέρι στο πλανητικό σύστημα είναι νέο, οποιουδήποτε τύπου. Οι οργανισμοί μπορεί να μην παράγουν οξυγόνο. Η ατμόσφαιρα μπορεί να αποτελείται από άλλα αέρια όπως το μεθάνιο.

Αερόβια ζωή στον ωκεανό. Η σταρ δεν είναι πια νέα, κανενός είδους. Έχει περάσει αρκετός χρόνος από την έναρξη της οξυγονικής φωτοσύνθεσης για τη συσσώρευση οξυγόνου στην ατμόσφαιρα.

Αερόβια ζωή στην ξηρά. Το αστέρι είναι ώριμο, οποιουδήποτε τύπου. Η γη είναι καλυμμένη με φυτά. Η ζωή στη Γη βρίσκεται ακριβώς σε αυτό το στάδιο.

Αναερόβια ζωή στην ξηρά. Ένα αχνό αστέρι Μ με ασθενή υπεριώδη ακτινοβολία. Τα φυτά καλύπτουν τη γη αλλά μπορεί να μην παράγουν οξυγόνο.

Φυσικά, οι εκδηλώσεις των φωτοσυνθετικών οργανισμών σε καθεμία από αυτές τις περιπτώσεις θα είναι διαφορετικές. Η εμπειρία λήψης του πλανήτη μας από δορυφόρους υποδηλώνει ότι είναι αδύνατο να ανιχνευθεί ζωή στα βάθη του ωκεανού χρησιμοποιώντας τηλεσκόπιο: τα δύο πρώτα σενάρια δεν μας υπόσχονται έγχρωμα σημάδια ζωής. Η μόνη ευκαιρία να το βρείτε είναι να ψάξετε για ατμοσφαιρικά αέρια οργανικής προέλευσης. Ως εκ τούτου, οι ερευνητές που χρησιμοποιούν έγχρωμες μεθόδους για την αναζήτηση εξωγήινης ζωής θα πρέπει να επικεντρωθούν στη μελέτη χερσαίων φυτών με οξυγονική φωτοσύνθεση σε πλανήτες κοντά σε αστέρια F-, G- και K, ή σε πλανήτες M-star, αλλά με οποιοδήποτε τύπο φωτοσύνθεσης.

Σημάδια ζωής

Ουσίες που εκτός από το χρώμα των φυτών μπορεί να είναι σημάδι παρουσίας ζωής

Οξυγόνο (Ο₂) και νερό (Η₂Ο) … Ακόμη και σε έναν άψυχο πλανήτη, το φως από το μητρικό αστέρι καταστρέφει τα μόρια των υδρατμών και παράγει μια μικρή ποσότητα οξυγόνου στην ατμόσφαιρα. Αλλά αυτό το αέριο διαλύεται γρήγορα στο νερό και επίσης οξειδώνει πετρώματα και ηφαιστειακά αέρια. Επομένως, αν παρατηρηθεί πολύ οξυγόνο σε έναν πλανήτη με υγρό νερό, σημαίνει ότι το παράγουν πρόσθετες πηγές, πιθανότατα φωτοσύνθεση.

Όζον (Ο₃) … Στη στρατόσφαιρα της Γης, το υπεριώδες φως καταστρέφει τα μόρια οξυγόνου, τα οποία, όταν συνδυάζονται, σχηματίζουν το όζον. Μαζί με το υγρό νερό, το όζον είναι ένας σημαντικός δείκτης ζωής. Ενώ το οξυγόνο είναι ορατό στο ορατό φάσμα, το όζον είναι ορατό στο υπέρυθρο, το οποίο είναι πιο εύκολο να ανιχνευθεί με ορισμένα τηλεσκόπια.

Μεθάνιο (CH₄) συν οξυγόνο ή εποχιακούς κύκλους … Ο συνδυασμός οξυγόνου και μεθανίου είναι δύσκολο να επιτευχθεί χωρίς φωτοσύνθεση. Οι εποχικές διακυμάνσεις στη συγκέντρωση μεθανίου είναι επίσης ένα σίγουρο σημάδι ζωής. Και σε έναν νεκρό πλανήτη, η συγκέντρωση του μεθανίου είναι σχεδόν σταθερή: μειώνεται μόνο αργά καθώς το φως του ήλιου διασπά τα μόρια

Χλωρομεθάνιο (CH₃Cl) … Στη Γη, αυτό το αέριο σχηματίζεται από την καύση φυτών (κυρίως σε δασικές πυρκαγιές) και από την έκθεση στο ηλιακό φως στο πλαγκτόν και το χλώριο στο θαλασσινό νερό. Η οξείδωση το καταστρέφει. Αλλά η σχετικά ασθενής εκπομπή των M-stars μπορεί να επιτρέψει σε αυτό το αέριο να συσσωρευτεί σε ποσότητα διαθέσιμη για καταγραφή.

Οξείδιο του αζώτου (Ν₂Ο) … Όταν οι οργανισμοί αποσυντίθενται, το άζωτο απελευθερώνεται με τη μορφή οξειδίου. Οι μη βιολογικές πηγές αυτού του αερίου είναι αμελητέες.

Το μαύρο είναι το νέο πράσινο

Ανεξάρτητα από τα χαρακτηριστικά του πλανήτη, οι φωτοσυνθετικές χρωστικές πρέπει να ικανοποιούν τις ίδιες απαιτήσεις όπως στη Γη: να απορροφούν φωτόνια με το μικρότερο μήκος κύματος (υψηλής ενέργειας), με το μεγαλύτερο μήκος κύματος (που χρησιμοποιεί το κέντρο αντίδρασης) ή το πιο διαθέσιμο. Για να κατανοήσουμε πώς ο τύπος του αστεριού καθορίζει το χρώμα των φυτών, ήταν απαραίτητο να συνδυαστούν οι προσπάθειες ερευνητών από διαφορετικές ειδικότητες.

Περνώντας το φως των αστεριών

Το χρώμα των φυτών εξαρτάται από το φάσμα του αστρικού φωτός, το οποίο οι αστρονόμοι μπορούν εύκολα να παρατηρήσουν, και την απορρόφηση του φωτός από τον αέρα και το νερό, το οποίο η συγγραφέας και οι συνεργάτες της μοντελοποίησαν με βάση την πιθανή σύνθεση της ατμόσφαιρας και τις ιδιότητες της ζωής. Εικόνα "Στον κόσμο της επιστήμης"

Ο Μάρτιν Κοέν, ένας αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Μπέρκλεϋ, συνέλεξε δεδομένα για έναν αστέρα F (Bootes sigma), έναν αστέρα Κ (έψιλον Ηριδανή), έναν αστέρα Μ που φλέγεται ενεργά (AD Leo) και έναν υποθετικό ήρεμο Μ. -αστέρι με θερμοκρασία 3100°C. Η αστρονόμος Antigona Segura του Εθνικού Αυτόνομου Πανεπιστημίου στην Πόλη του Μεξικού πραγματοποίησε προσομοιώσεις σε υπολογιστή της συμπεριφοράς πλανητών που μοιάζουν με τη Γη στη ζώνη ζωής γύρω από αυτά τα αστέρια. Χρησιμοποιώντας μοντέλα του Alexander Pavlov του Πανεπιστημίου της Αριζόνα και του James Kasting του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια, ο Segura μελέτησε την αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας από αστέρια με τα πιθανά συστατικά της πλανητικής ατμόσφαιρας (υποθέτοντας ότι τα ηφαίστεια εκπέμπουν τα ίδια αέρια πάνω τους όπως στη Γη), προσπαθώντας να καταλάβουμε τη χημική σύσταση ατμόσφαιρες που στερούνται οξυγόνου και με το περιεχόμενό του κοντά σε αυτό της γης.

Χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα του Segura, ο φυσικός του University College του Λονδίνου, Giovanna Tinetti, υπολόγισε την απορρόφηση ακτινοβολίας στις πλανητικές ατμόσφαιρες χρησιμοποιώντας το μοντέλο του David Crisp στο Jet Propulsion Laboratory στην Πασαντένα της Καλιφόρνια, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση του φωτισμού των ηλιακών συλλεκτών στα ρόβερ του Άρη. Η ερμηνεία αυτών των υπολογισμών απαιτούσε τις συνδυασμένες προσπάθειες πέντε ειδικών: της μικροβιολόγος Janet Siefert στο Πανεπιστήμιο Rice, του βιοχημικού Robert Blankenship στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σεντ Λούις και του Govinjee στο Πανεπιστήμιο του Illinois στην Urbana, πλανητολόγος και Champaigne. (Victoria Meadows) από το Washington State University και εγώ, βιομετεωρολόγος από το Ινστιτούτο Διαστημικών Ερευνών Goddard της NASA.

Καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι οι μπλε ακτίνες με κορυφή στα 451 nm φτάνουν ως επί το πλείστον στις επιφάνειες πλανητών κοντά σε αστέρια κατηγορίας F. Κοντά στα αστέρια Κ, η κορυφή βρίσκεται στα 667 nm, αυτή είναι η κόκκινη περιοχή του φάσματος, η οποία μοιάζει με την κατάσταση στη Γη. Σε αυτή την περίπτωση, το όζον παίζει σημαντικό ρόλο, καθιστώντας το φως των άστρων F πιο μπλε και το φως των άστρων Κ πιο κόκκινο από ό,τι είναι στην πραγματικότητα. Αποδεικνύεται ότι η ακτινοβολία κατάλληλη για φωτοσύνθεση σε αυτή την περίπτωση βρίσκεται στην ορατή περιοχή του φάσματος, όπως στη Γη.

Έτσι, τα φυτά σε πλανήτες κοντά στα αστέρια F και K μπορούν να έχουν σχεδόν το ίδιο χρώμα με αυτά στη Γη. Αλλά στα αστέρια F, η ροή των πλούσιων σε ενέργεια μπλε φωτονίων είναι πολύ έντονη, επομένως τα φυτά πρέπει τουλάχιστον εν μέρει να τα αντανακλούν χρησιμοποιώντας προστατευτικές χρωστικές όπως η ανθοκυανίνη, που θα δώσει στα φυτά ένα γαλαζωπό χρώμα. Ωστόσο, μπορούν να χρησιμοποιήσουν μόνο μπλε φωτόνια για φωτοσύνθεση. Σε αυτήν την περίπτωση, όλο το φως στην περιοχή από πράσινο έως κόκκινο θα πρέπει να αντανακλάται. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα μια χαρακτηριστική μπλε αποκοπή στο φάσμα του ανακλώμενου φωτός που μπορεί εύκολα να εντοπιστεί με ένα τηλεσκόπιο.

Το ευρύ φάσμα θερμοκρασιών για τα αστέρια Μ υποδηλώνει ποικιλία χρωμάτων για τους πλανήτες τους. Σε τροχιά γύρω από ένα ήρεμο αστέρι M, ο πλανήτης λαμβάνει τη μισή ενέργεια που λαμβάνει η Γη από τον Ήλιο. Και παρόλο που αυτό, καταρχήν, είναι αρκετό για τη ζωή - αυτό είναι 60 φορές περισσότερο από ό,τι απαιτείται για τα φυτά που αγαπούν τη σκιά στη Γη - τα περισσότερα από τα φωτόνια που προέρχονται από αυτά τα αστέρια ανήκουν στην περιοχή σχεδόν IR του φάσματος. Αλλά η εξέλιξη θα πρέπει να οδηγήσει στην εμφάνιση μιας ποικιλίας χρωστικών που μπορούν να αντιληφθούν ολόκληρο το φάσμα του ορατού και υπέρυθρου φωτός. Τα φυτά που απορροφούν σχεδόν όλη την ακτινοβολία τους μπορεί ακόμη και να φαίνονται μαύρα.

Μικρή μωβ κουκκίδα

Η ιστορία της ζωής στη Γη δείχνει ότι οι πρώιμοι θαλάσσιοι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί σε πλανήτες κοντά σε αστέρια κατηγορίας F, G και K θα μπορούσαν να ζουν σε μια πρωτογενή ατμόσφαιρα χωρίς οξυγόνο και να αναπτύξουν ένα σύστημα οξυγονικής φωτοσύνθεσης, το οποίο αργότερα θα οδηγήσει στην εμφάνιση χερσαίων φυτών. Η κατάσταση με τα αστέρια της M-class είναι πιο περίπλοκη. Τα αποτελέσματα των υπολογισμών μας δείχνουν ότι η βέλτιστη θέση για φωτοσυνθέτες είναι 9 μέτρα κάτω από το νερό: ένα στρώμα αυτού του βάθους παγιδεύει το καταστροφικό υπεριώδες φως, αλλά επιτρέπει να περάσει αρκετό ορατό φως. Φυσικά, δεν θα παρατηρήσουμε αυτούς τους οργανισμούς στα τηλεσκόπια μας, αλλά θα μπορούσαν να γίνουν η βάση της ζωής στην ξηρά. Κατ 'αρχήν, σε πλανήτες κοντά στα αστέρια Μ, η φυτική ζωή, χρησιμοποιώντας διάφορες χρωστικές ουσίες, μπορεί να είναι σχεδόν τόσο διαφορετική όσο στη Γη.

Θα μας επιτρέψουν όμως τα μελλοντικά διαστημικά τηλεσκόπια να δούμε ίχνη ζωής σε αυτούς τους πλανήτες; Η απάντηση εξαρτάται από το ποια θα είναι η αναλογία της επιφάνειας του νερού προς τη γη στον πλανήτη. Στα τηλεσκόπια της πρώτης γενιάς οι πλανήτες θα μοιάζουν με σημεία και η λεπτομερής μελέτη της επιφάνειάς τους αποκλείεται. Το μόνο που θα πάρουν οι επιστήμονες είναι το συνολικό φάσμα του ανακλώμενου φωτός. Με βάση τους υπολογισμούς του, ο Tinetti υποστηρίζει ότι τουλάχιστον το 20% της επιφάνειας του πλανήτη πρέπει να είναι ξηρά καλυμμένη με φυτά και όχι από σύννεφα, προκειμένου να εντοπιστούν φυτά σε αυτό το φάσμα. Από την άλλη πλευρά, όσο μεγαλύτερη είναι η θαλάσσια περιοχή, τόσο περισσότερο οξυγόνο απελευθερώνουν οι θαλάσσιοι φωτοσυνθέτες στην ατμόσφαιρα. Επομένως, όσο πιο έντονοι είναι οι βιοδείκτες της χρωστικής, τόσο πιο δύσκολο είναι να παρατηρήσετε τους βιοδείκτες οξυγόνου και αντίστροφα. Οι αστρονόμοι θα μπορούν να ανιχνεύσουν είτε το ένα είτε το άλλο, αλλά όχι και τα δύο.

Αναζητητές του πλανήτη

Ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος (ESA) σχεδιάζει να εκτοξεύσει το διαστημόπλοιο Darwin τα επόμενα 10 χρόνια για να μελετήσει τα φάσματα των επίγειων εξωπλανητών. Το Earth-Like Planet Seeker της NASA θα κάνει το ίδιο εάν ο οργανισμός λάβει χρηματοδότηση. Το διαστημόπλοιο COROT, που εκτοξεύτηκε από την ESA τον Δεκέμβριο του 2006, και το διαστημικό σκάφος Kepler, που προγραμματίστηκε από τη NASA για εκτόξευση το 2009, έχουν σχεδιαστεί για να αναζητούν αμυδρά μειώσεις στη φωτεινότητα των άστρων καθώς πλανήτες σαν τη Γη περνούν μπροστά τους. Το διαστημόπλοιο SIM της NASA θα αναζητήσει αμυδρά δονήσεις αστεριών υπό την επίδραση πλανητών.

Η παρουσία ζωής σε άλλους πλανήτες -πραγματική ζωή, όχι μόνο απολιθώματα ή μικρόβια που μετά βίας επιβιώνουν σε ακραίες συνθήκες- μπορεί να ανακαλυφθεί στο πολύ εγγύς μέλλον. Ποια αστέρια όμως πρέπει να μελετήσουμε πρώτα; Θα μπορέσουμε να καταγράψουμε τα φάσματα των πλανητών που βρίσκονται κοντά σε αστέρια, κάτι που είναι ιδιαίτερα σημαντικό στην περίπτωση των M αστέρων; Σε ποιες περιοχές και με ποια ανάλυση πρέπει να παρατηρούν τα τηλεσκόπια μας; Η κατανόηση των βασικών στοιχείων της φωτοσύνθεσης θα μας βοηθήσει να δημιουργήσουμε νέα όργανα και να ερμηνεύσουμε τα δεδομένα που λαμβάνουμε. Προβλήματα τέτοιας πολυπλοκότητας μπορούν να λυθούν μόνο στη διασταύρωση διαφόρων επιστημών. Μέχρι στιγμής είμαστε μόνο στην αρχή του μονοπατιού. Η ίδια η δυνατότητα αναζήτησης εξωγήινης ζωής εξαρτάται από το πόσο βαθιά κατανοούμε τα βασικά της ζωής εδώ στη Γη.