Kaip augalai atrodo kitose egzoplanetose?

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Nežemiškos gyvybės paieškos nebėra mokslinės fantastikos ar NSO medžiotojų sritis. Galbūt šiuolaikinės technologijos dar nepasiekė reikiamo lygio, bet jų pagalba jau galime aptikti fizines ir chemines esminių procesų, slypinčių gyvų būtybių, apraiškas.

Astronomai atrado daugiau nei 200 planetų, skriejančių aplink žvaigždes už Saulės sistemos ribų. Kol kas negalime vienareikšmiškai atsakyti apie gyvybės egzistavimo ant jų tikimybę, tačiau tai tik laiko klausimas. 2007 m. liepos mėn. astronomai, išanalizavę žvaigždžių šviesą, praskriejusią per egzoplanetos atmosferą, patvirtino, kad ant jos yra vandens. Dabar kuriami teleskopai, kurie pagal jų spektrus leis ieškoti gyvybės pėdsakų tokiose planetose kaip Žemė.

Vienas iš svarbių veiksnių, turinčių įtakos planetos atspindimos šviesos spektrui, gali būti fotosintezės procesas. Bet ar tai įmanoma kituose pasauliuose? Gana! Žemėje fotosintezė yra beveik visų gyvų dalykų pagrindas. Nepaisant to, kad kai kurie organizmai išmoko gyventi aukštesnėje metano ir vandenyno hidroterminių angų temperatūroje, mūsų planetos paviršiuje esančių ekosistemų gausa priklauso nuo saulės šviesos.

Viena vertus, fotosintezės procese susidaro deguonis, kuris kartu su iš jo susidariusiu ozonu gali būti aptinkamas planetos atmosferoje. Kita vertus, planetos spalva gali rodyti, kad jos paviršiuje yra specialių pigmentų, tokių kaip chlorofilas. Beveik prieš šimtmetį, pastebėję sezoninį Marso paviršiaus tamsėjimą, astronomai įtarė, kad jame yra augalų. Nuo planetos paviršiaus atsispindinčios šviesos spektre buvo bandoma aptikti žalių augalų požymius. Tačiau šio požiūrio abejotinumą įžvelgė net rašytojas Herbertas Wellsas, kuris savo „Pasaulių kare“pastebėjo: „Akivaizdu, kad Marso augalinė karalystė, priešingai nei žemiškoji, kur vyrauja žalia, turi kraujo. raudona spalva. Dabar žinome, kad Marse nėra augalų, o tamsesnių plotų atsiradimas paviršiuje siejamas su dulkių audromis. Pats Wellsas buvo įsitikinęs, kad Marso spalvą ne mažiau lemia jo paviršių dengiantys augalai.

Netgi Žemėje fotosintetiniai organizmai neapsiriboja žalia spalva: kai kurių augalų lapai raudoni, o įvairūs dumbliai ir fotosintetinės bakterijos mirga visomis vaivorykštės spalvomis. O purpurinės bakterijos, be matomos šviesos, naudoja ir infraraudonąją saulės spinduliuotę. Taigi, kas vyraus kitose planetose? Ir kaip mes galime tai pamatyti? Atsakymas priklauso nuo mechanizmų, kuriais ateivių fotosintezė pasisavina savo žvaigždės šviesą, kuri skiriasi Saulės spinduliuotės pobūdžiu. Be to, skirtinga atmosferos sudėtis taip pat turi įtakos planetos paviršiuje patenkančios spinduliuotės spektrinei sudėčiai.

M spektrinės klasės žvaigždės (raudonosios nykštukės) šviečia silpnai, todėl šalia jų esantys į Žemę panašių planetų augalai turi būti juodi, kad sugertų kuo daugiau šviesos. Jaunos M žvaigždės išdegina planetų paviršių ultravioletiniais blyksniais, todėl organizmai ten turi būti vandens. Mūsų Saulė yra G klasės. O šalia F klasės žvaigždžių augalai gauna per daug šviesos ir turi atspindėti didelę jos dalį.

Norėdami įsivaizduoti, kokia bus fotosintezė kituose pasauliuose, pirmiausia turite suprasti, kaip augalai ją vykdo Žemėje. Saulės šviesos energijos spektras turi aukščiausią tašką mėlynai žaliame regione, dėl kurio mokslininkai ilgą laiką domėjosi, kodėl augalai nesugeria labiausiai prieinamos žalios šviesos, o, priešingai, ją atspindi? Paaiškėjo, kad fotosintezės procesas priklauso ne tiek nuo bendro saulės energijos kiekio, kiek nuo atskirų fotonų energijos ir fotonų, sudarančių šviesą, skaičiaus.

Kiekvienas mėlynas fotonas neša daugiau energijos nei raudonasis, tačiau saulė daugiausia skleidžia raudonus. Augalai mėlynus fotonus naudoja dėl jų kokybės, o raudonus – dėl kiekio. Žalios šviesos bangos ilgis yra tiksliai tarp raudonos ir mėlynos spalvos, tačiau žali fotonai nesiskiria nei prieinamumu, nei energija, todėl augalai jų nenaudoja.

Fotosintezės metu fiksuoti vieną anglies atomą (gaunamą iš anglies dioksido, CO₂) cukraus molekulėje reikia ne mažiau kaip aštuonių fotonų, o vandenilio-deguonies ryšiui suskaidyti vandens molekulėje (H₂O) – tik vienas. Tokiu atveju atsiranda laisvas elektronas, būtinas tolesnei reakcijai. Iš viso, kad susidarytų viena deguonies molekulė (O₂) reikia nutraukti keturis tokius ryšius. Antrajai reakcijai, kad susidarytų cukraus molekulė, reikia dar mažiausiai keturių fotonų. Reikėtų pažymėti, kad fotonas turi turėti tam tikrą minimalią energiją, kad galėtų dalyvauti fotosintezėje.

Tai, kaip augalai sugeria saulės šviesą, tikrai yra vienas iš gamtos stebuklų. Fotosintetiniai pigmentai neatsiranda kaip atskiros molekulės. Jie sudaro spiečius, susidedančius iš daugelio antenų, kurių kiekviena yra sureguliuota taip, kad suvoktų tam tikro bangos ilgio fotonus. Chlorofilas pirmiausia sugeria raudoną ir mėlyną šviesą, o karotinoidiniai pigmentai, suteikiantys rudens lapams raudoną ir geltoną spalvą, suvokia skirtingą mėlynos spalvos atspalvį. Visa šių pigmentų surinkta energija tiekiama į reakcijos centre esančią chlorofilo molekulę, kur vanduo skyla ir susidaro deguonis.

Reakcijos centre esantis molekulių kompleksas gali atlikti chemines reakcijas tik tada, kai gauna raudonųjų fotonų arba lygiavertį energijos kiekį kitokia forma. Norėdami panaudoti mėlynuosius fotonus, antenos pigmentai savo didelę energiją paverčia mažesne energija, lygiai taip pat, kaip seka laiptelių transformatoriai sumažina 100 000 voltų elektros linijos įtampą iki 220 voltų sieninio lizdo. Procesas prasideda, kai mėlynas fotonas atsitrenkia į pigmentą, kuris sugeria mėlyną šviesą ir perduoda energiją vienam iš savo molekulėje esančių elektronų. Kai elektronas grįžta į pradinę būseną, jis išspinduliuoja šią energiją, tačiau dėl šilumos ir vibracijos nuostolių mažiau nei sugėrė.

Tačiau pigmento molekulė gaunamą energiją atiduoda ne fotono pavidalu, o elektrinės sąveikos su kita pigmento molekule, kuri sugeba sugerti žemesnio lygio energiją, forma. Savo ruožtu antrasis pigmentas išskiria dar mažiau energijos, ir šis procesas tęsiasi tol, kol pirminio mėlynojo fotono energija nukrenta iki raudonos spalvos lygio.

Reakcijos centras, kaip kaskados priėmimo galas, yra pritaikytas absorbuoti turimus fotonus su minimalia energija. Mūsų planetos paviršiuje raudonųjų fotonų yra daugiausiai ir tuo pačiu metu jie turi mažiausią energiją tarp matomo spektro fotonų.

Tačiau povandeniniams fotosintezatoriams raudonųjų fotonų nebūtinai turi būti gausiausiai. Fotosintezei naudojamas šviesos plotas kinta priklausomai nuo gylio, nes vanduo, jame ištirpusios medžiagos ir viršutiniuose sluoksniuose esantys organizmai filtruoja šviesą. Rezultatas – aiškus gyvų formų stratifikavimas pagal jų pigmentų rinkinį. Organai iš gilesnių vandens sluoksnių turi pigmentų, kurie yra suderinti su tų spalvų šviesa, kurių nesugėrė aukščiau esantys sluoksniai. Pavyzdžiui, dumbliai ir cianėja turi pigmentų fikocianiną ir fikoeritriną, kurie sugeria žalius ir geltonus fotonus. Esant anoksigeniniam (t.y.deguonies negaminančios) bakterijos yra bakteriochlorofilas, kuris sugeria šviesą iš tolimojo raudonojo ir artimojo infraraudonųjų (IR) regionų, kuris gali prasiskverbti tik į niūrias vandens gelmes.

Prie silpnos šviesos prisitaikę organizmai linkę augti lėčiau, nes turi dirbti daugiau, kad sugertų visą jiems prieinamą šviesą. Planetos paviršiuje, kur daug šviesos, augalams būtų nepalanku gaminti pigmentų perteklių, todėl jie selektyviai naudoja spalvas. Tie patys evoliucijos principai turėtų veikti ir kitose planetų sistemose.

Kaip vandens būtybės prisitaikė prie šviesos, kurią filtruoja vanduo, taip sausumos gyventojai prisitaikė prie šviesos, kurią filtruoja atmosferos dujos. Viršutinėje žemės atmosferos dalyje gausiausi fotonai yra geltoni, kurių bangos ilgis 560-590 nm. Fotonų skaičius palaipsniui mažėja link ilgų bangų, o staigiai nutrūksta link trumpųjų. Kai saulės šviesa praeina per viršutinę atmosferą, vandens garai sugeria IR keliomis juostomis, ilgesnėmis nei 700 nm. Deguonis sukuria siaurą absorbcijos linijų diapazoną, esantį netoli 687 ir 761 nm. Visi žino, kad ozonas (O₃) stratosferoje aktyviai sugeria ultravioletinę (UV) šviesą, tačiau šiek tiek sugeria ir matomoje spektro srityje.

Taigi, mūsų atmosfera palieka langus, pro kuriuos radiacija gali pasiekti planetos paviršių. Mėlynojoje pusėje matomos spinduliuotės diapazoną riboja staigus saulės spektro ribojimas trumpojo bangos ilgio srityje ir ozono UV absorbcija. Raudona riba yra apibrėžta deguonies absorbcijos linijomis. Dėl didelės ozono sugerties matomoje srityje fotonų skaičiaus smailė pasislenka iš geltonos į raudoną (apie 685 nm).

Augalai yra prisitaikę prie šio spektro, kurį daugiausia lemia deguonis. Tačiau reikia atsiminti, kad patys augalai tiekia deguonį į atmosferą. Kai Žemėje pasirodė pirmieji fotosintetiniai organizmai, atmosferoje buvo mažai deguonies, todėl augalai turėjo naudoti ne chlorofilą, o kitus pigmentus. Tik po kurio laiko, kai fotosintezė pakeitė atmosferos sudėtį, chlorofilas tapo optimaliu pigmentu.

Patikimi iškastiniai fotosintezės įrodymai yra maždaug 3,4 milijardo metų senumo, tačiau ankstesnės fosilijos liekanos rodo šio proceso požymius. Pirmieji fotosintetiniai organizmai turėjo būti po vandeniu, iš dalies dėl to, kad vanduo yra geras tirpiklis biocheminėms reakcijoms, taip pat dėl to, kad jis apsaugo nuo saulės UV spindulių, o tai buvo svarbu, nesant atmosferos ozono sluoksnio. Tokie organizmai buvo povandeninės bakterijos, sugeriančios infraraudonuosius fotonus. Jų cheminės reakcijos apėmė vandenilį, sieros vandenilį, geležį, bet ne vandenį; todėl jie neišskirdavo deguonies. Ir tik prieš 2,7 milijardus metų cianobakterijos vandenynuose pradėjo deguonies fotosintezę, išskirdamos deguonį. Deguonies kiekis ir ozono sluoksnis palaipsniui didėjo, todėl raudonieji ir rudieji dumbliai galėjo iškilti į paviršių. O kai vandens lygis sekliuose vandenyse buvo pakankamas apsaugoti nuo UV, atsirado žalieji dumbliai. Jie turėjo mažai fikobiliproteinų ir buvo geriau prisitaikę prie ryškios šviesos šalia vandens paviršiaus. Praėjus 2 milijardams metų po to, kai atmosferoje pradėjo kauptis deguonis, sausumoje pasirodė žaliųjų dumblių palikuonys – augalai.

Flora patyrė didelių pokyčių – sparčiai didėjo formų įvairovė: nuo samanų ir kepenėlių iki aukštų lajų kraujagyslių augalų, kurie sugeria daugiau šviesos ir yra prisitaikę prie skirtingų klimato zonų. Kūginiai spygliuočių medžių vainikai efektyviai sugeria šviesą didelėse platumose, kur saulė beveik nepakyla virš horizonto. Pavėsį mėgstantys augalai gamina antocianiną, apsaugantį nuo ryškios šviesos. Žaliasis chlorofilas ne tik puikiai prisitaiko prie šiuolaikinės atmosferos sudėties, bet ir padeda ją išlaikyti, išlaikant mūsų planetą žalią. Gali būti, kad kitas evoliucijos žingsnis suteiks pranašumą organizmui, kuris gyvena pavėsyje po medžių laja ir naudoja fikobilinus žaliai ir geltonai šviesai sugerti. Tačiau viršutinės pakopos gyventojai, matyt, išliks žali.

Pasaulio dažymas raudonai

Ieškodami fotosintetinių pigmentų kitose žvaigždžių sistemose esančiose planetose, astronomai turėtų atsiminti, kad šie objektai yra skirtinguose evoliucijos etapuose. Pavyzdžiui, jie gali susidurti su planeta, panašia į Žemę, tarkime, prieš 2 milijardus metų. Taip pat reikia nepamiršti, kad ateiviai fotosintezę vykdantys organizmai gali turėti savybių, kurios nebūdingos jų sausumos „giminaičiams“. Pavyzdžiui, jie gali skaidyti vandens molekules naudodami ilgesnio bangos ilgio fotonus.

Ilgiausio bangos ilgio organizmas Žemėje yra purpurinė anoksigeninė bakterija, kuri naudoja infraraudonąją spinduliuotę, kurios bangos ilgis yra apie 1015 nm. Tarp deguonies turinčių organizmų rekordininkai yra jūrinės cianobakterijos, kurios sugeria 720 nm. Viršutinės bangos ilgio ribos, kurią nustato fizikos dėsniai, nėra. Tiesiog fotosintezės sistema turi naudoti didesnį ilgųjų bangų fotonų skaičių, palyginti su trumpabangiais.

Ribojantis veiksnys yra ne pigmentų įvairovė, o planetos paviršių pasiekiančios šviesos spektras, kuris savo ruožtu priklauso nuo žvaigždės tipo. Astronomai klasifikuoja žvaigždes pagal jų spalvą, atsižvelgdami į temperatūrą, dydį ir amžių. Ne visos žvaigždės egzistuoja pakankamai ilgai, kad gretimose planetose atsirastų ir vystytųsi gyvybė. Žvaigždės yra ilgaamžės (mažėjančios temperatūros tvarka) F, G, K ir M spektrinių klasių. Saulė priklauso G klasei. F klasės žvaigždės yra didesnės ir ryškesnės už Saulę, jos dega, skleisdamos ryškesnę šviesą. mėlyna šviesa ir sudegs maždaug per 2 milijardus metų. K ir M klasių žvaigždės yra mažesnio skersmens, blyškesnės, raudonesnės ir klasifikuojamos kaip ilgaamžės.

Aplink kiekvieną žvaigždę yra vadinamoji „gyvybės zona“– orbitų diapazonas, kuriame planetos turi skysto vandens egzistavimui reikalingą temperatūrą. Saulės sistemoje tokia zona yra žiedas, kurį riboja Marso ir Žemės orbitos. Karštos F žvaigždės gyvybės zona yra toliau nuo žvaigždės, o vėsesnės K ir M žvaigždės – arčiau. F-, G- ir K-žvaigždžių gyvybės zonoje esančios planetos gauna maždaug tiek pat matomos šviesos, kiek Žemė gauna iš Saulės. Tikėtina, kad gyvybė juose galėtų atsirasti remiantis ta pačia deguonies fotosinteze kaip ir Žemėje, nors pigmentų spalva gali būti pasislinkusi matomoje srityje.

M tipo žvaigždės, vadinamosios raudonosios nykštukės, ypač domina mokslininkus, nes jos yra labiausiai paplitusios mūsų galaktikos žvaigždės. Jie skleidžia pastebimai mažiau matomos šviesos nei Saulė: jų spektro intensyvumo smailė atsiranda artimoje IR. Škotijos Dandžio universiteto biologas Johnas Ravenas ir Edinburgo Karališkosios observatorijos astronomas Ray'us Wolstencroftas teigė, kad deguonies fotosintezė teoriškai įmanoma naudojant artimuosius infraraudonuosius fotonus. Tokiu atveju organizmai turės panaudoti tris ar net keturis IR fotonus, kad sulaužytų vandens molekulę, o sausumos augalai naudoja tik du fotonus, kuriuos galima palyginti su raketos žingsniais, kurie perduoda energiją elektronui, kad galėtų atlikti cheminę medžiagą. reakcija.

Jaunos M žvaigždės demonstruoja galingus UV spindulius, kurių galima išvengti tik po vandeniu. Tačiau vandens stulpelis sugeria ir kitas spektro dalis, todėl gylyje esantiems organizmams labai trūks šviesos. Jei taip, tuomet fotosintezė šiose planetose gali nesivystyti. M žvaigždei senstant, skleidžiamos ultravioletinės spinduliuotės kiekis mažėja, vėlesniuose evoliucijos etapuose jis tampa mažesnis nei skleidžia mūsų Saulė. Šiuo laikotarpiu apsauginio ozono sluoksnio nereikia, o gyvybė planetų paviršiuje gali klestėti net ir negamindama deguonies.

Taigi, astronomai turėtų apsvarstyti keturis galimus scenarijus, priklausomai nuo žvaigždės tipo ir amžiaus.

Anaerobinis vandenyno gyvenimas. Žvaigždė planetų sistemoje yra jauna, bet kokio tipo. Organizmai negali gaminti deguonies. Atmosfera gali būti sudaryta iš kitų dujų, tokių kaip metanas.

Aerobinis vandenyno gyvenimas. Žvaigždė nebėra jauna, bet kokio tipo. Nuo deguonies fotosintezės pradžios praėjo pakankamai laiko, kad atmosferoje susikauptų deguonis.

Aerobinis gyvenimas sausumoje. Žvaigždė yra subrendusi, bet kokio tipo. Žemė padengta augalais. Gyvybė Žemėje yra tik šiame etape.

Anaerobinis gyvenimas sausumoje. Silpna M žvaigždė su silpna UV spinduliuote. Augalai dengia žemę, bet gali negaminti deguonies.

Natūralu, kad fotosintetinių organizmų pasireiškimai kiekvienu iš šių atvejų bus skirtingi. Patirtis fotografuojant mūsų planetą iš palydovų rodo, kad vandenyno gelmėse gyvybės aptikti naudojant teleskopą neįmanoma: pirmieji du scenarijai mums nežada spalvotų gyvybės ženklų. Vienintelė galimybė jį rasti – ieškoti organinės kilmės atmosferos dujų. Todėl mokslininkai, naudojantys spalvų metodus svetimos gyvybės paieškai, turės sutelkti dėmesį į sausumos augalų, kuriuose vyksta deguonies fotosintezė, tyrimą planetose, esančiose šalia F, G ir K žvaigždžių, arba M žvaigždžių planetose, bet su bet kokio tipo fotosinteze.

Gyvybės ženklai

Medžiagos, kurios, be augalų spalvos, gali būti gyvybės buvimo ženklas

Deguonis (O₂) ir vanduo (H₂O) … Net negyvoje planetoje pirminės žvaigždės šviesa sunaikina vandens garų molekules ir atmosferoje gamina nedidelį kiekį deguonies. Tačiau šios dujos greitai ištirpsta vandenyje ir taip pat oksiduoja uolienas ir vulkanines dujas. Todėl jei planetoje su skystu vandeniu matoma daug deguonies, tai reiškia, kad jį gamina papildomi šaltiniai, greičiausiai fotosintezė.

Ozonas (O₃) … Žemės stratosferoje ultravioletiniai spinduliai naikina deguonies molekules, kurios, susijungusios, sudaro ozoną. Kartu su skystu vandeniu ozonas yra svarbus gyvybės rodiklis. Nors deguonis matomas matomame spektre, ozonas matomas infraraudonaisiais spinduliais, o tai lengviau aptikti kai kuriais teleskopais.

Metanas (CH₄) plius deguonis arba sezoniniai ciklai … Deguonies ir metano derinį sunku gauti be fotosintezės. Sezoniniai metano koncentracijos svyravimai taip pat yra tikras gyvybės ženklas. O negyvoje planetoje metano koncentracija yra beveik pastovi: ji tik lėtai mažėja, kai saulės šviesa skaido molekules

Chlormetanas (CH₃Cl) … Žemėje šios dujos susidaro degant augalams (daugiausia miškų gaisruose) ir saulės spinduliams veikiant planktonui ir chlorui jūros vandenyje. Oksidacija jį sunaikina. Tačiau santykinai silpnas M žvaigždžių išmetimas gali leisti šioms dujoms susikaupti tiek, kiek galima registruoti.

Azoto oksidas (N₂O) … Kai organizmai irsta, azotas išsiskiria oksido pavidalu. Nebiologiniai šių dujų šaltiniai yra nereikšmingi.

Juoda yra nauja žalia

Nepriklausomai nuo planetos savybių, fotosintetiniai pigmentai turi atitikti tuos pačius reikalavimus, kaip ir Žemėje: sugerti trumpiausio bangos ilgio (didelės energijos), ilgiausio bangos ilgio (kurį naudoja reakcijos centras) arba labiausiai prieinamus fotonus. Norint suprasti, kaip žvaigždės tipas lemia augalų spalvą, reikėjo sujungti skirtingų specialybių mokslininkų pastangas.

Praeina žvaigždžių šviesa

Augalų spalva priklauso nuo žvaigždžių šviesos spektro, kurį astronomai gali lengvai stebėti, ir nuo šviesos sugerties ore bei vandenyje, kurį autorė ir jos kolegos modeliavo remdamiesi tikėtina atmosferos sudėtimi ir gyvybės savybėmis. Vaizdas „Mokslo pasaulyje“

Martinas Cohenas, Kalifornijos universiteto Berklio astronomas, surinko duomenis apie F žvaigždutę (Bootes sigma), K žvaigždę (Epsilon Eridani), aktyviai liepsnojančią M žvaigždę (AD Leo) ir hipotetinę ramią M. -žvaigždė, kurios temperatūra 3100 °C. Astronomė Antigona Segura iš Nacionalinio autonominio universiteto Meksikoje atliko kompiuterinį į Žemę panašių planetų elgseną gyvybės zonoje aplink šias žvaigždes. Naudodamas Aleksandro Pavlovo iš Arizonos universiteto ir Jameso Kastingo iš Pensilvanijos universiteto modelius, Segura tyrė žvaigždžių spinduliuotės sąveiką su tikėtinomis planetų atmosferos sudedamosiomis dalimis (darant prielaidą, kad ugnikalniai išskiria tokias pačias dujas kaip ir Žemėje). išsiaiškinti atmosferų, kuriose trūksta deguonies ir kurių kiekis yra artimas žemei, cheminę sudėtį.

Naudodamasi Seguros rezultatais, Londono universiteto koledžo fizikė Giovanna Tinetti apskaičiavo spinduliuotės sugertį planetų atmosferose, naudodama Davido Crispo modelį Jet Propulsion Laboratory Pasadenoje, Kalifornijoje, kuris buvo naudojamas marsaeigių saulės baterijų apšvietimui įvertinti. Norint išaiškinti šiuos skaičiavimus, prireikė bendrų penkių ekspertų pastangų: mikrobiologės Janet Siefert iš Rice universiteto, biochemiko Roberto Blankenshipo iš Vašingtono universiteto Sent Luise ir Govindjee iš Ilinojaus universiteto Urbanoje, planetologo ir Champaigne. (Victoria Meadows) iš Vašingtono valstijos universiteto. ir aš, NASA Goddardo kosmoso tyrimų instituto biometeorologas.

Padarėme išvadą, kad mėlynieji spinduliai, kurių smailė yra 451 nm, dažniausiai pasiekia planetų paviršius šalia F klasės žvaigždžių. Prie K žvaigždžių smailė yra ties 667 nm, tai yra raudonoji spektro sritis, kuri primena situaciją Žemėje. Šiuo atveju ozonas vaidina svarbų vaidmenį, todėl F žvaigždžių šviesa tampa mėlynesnė, o K žvaigždžių šviesa raudonesnė, nei yra iš tikrųjų. Pasirodo, fotosintezei tinkama spinduliuotė šiuo atveju glūdi matomoje spektro srityje, kaip ir Žemėje.

Taigi, augalai planetose, esančiose šalia F ir K žvaigždžių, gali būti beveik tokios pat spalvos kaip ir Žemėje. Tačiau F žvaigždėse daug energijos turinčių mėlynųjų fotonų srautas yra per intensyvus, todėl augalai turi bent iš dalies juos atspindėti naudodami apsauginius pigmentus, tokius kaip antocianinas, kuris suteiks augalams melsvą spalvą. Tačiau fotosintezei jie gali naudoti tik mėlynus fotonus. Tokiu atveju visa šviesa nuo žalios iki raudonos turėtų būti atspindėta. Dėl to atsispindėjusios šviesos spektre atsiras išskirtinė mėlyna riba, kurią galima lengvai pastebėti teleskopu.

Platus M žvaigždžių temperatūros diapazonas rodo, kad jų planetos gali būti įvairių spalvų. Orbitoje aplink ramią M žvaigždę planeta gauna pusę energijos nei Žemė iš Saulės. Ir nors to iš esmės pakanka gyvybei – tai yra 60 kartų daugiau nei reikia šešėlį mėgstantiems augalams Žemėje – dauguma fotonų, gaunamų iš šių žvaigždžių, priklauso artimam IR spektro sričiai. Tačiau evoliucija turėtų paskatinti įvairių pigmentų, galinčių suvokti visą matomos ir infraraudonosios šviesos spektrą, atsiradimą. Augalai, kurie sugeria beveik visą savo spinduliuotę, gali atrodyti net juodi.

Mažas violetinis taškelis

Gyvybės Žemėje istorija rodo, kad ankstyvieji jūriniai fotosintezę vykdantys organizmai planetose, esančiose netoli F, G ir K klasės žvaigždžių, galėjo gyventi pirminėje atmosferoje be deguonies ir sukurti deguonies fotosintezės sistemą, dėl kurios vėliau atsiras sausumos augalai.. Su M klasės žvaigždėmis situacija yra sudėtingesnė. Mūsų skaičiavimų rezultatai rodo, kad optimali vieta fotosintezatoriams yra 9 m po vandeniu: tokio gylio sluoksnis sulaiko destruktyvią ultravioletinę šviesą, tačiau praleidžia pakankamai matomos šviesos. Žinoma, šių organizmų savo teleskopuose nepastebėsime, tačiau jie galėtų tapti sausumos gyvybės pagrindu. Iš esmės planetose, esančiose šalia M žvaigždžių, augalų gyvybė, naudojant įvairius pigmentus, gali būti beveik tokia pat įvairi, kaip ir Žemėje.

Tačiau ar būsimi kosminiai teleskopai leis pamatyti gyvybės pėdsakus šiose planetose? Atsakymas priklauso nuo to, koks bus vandens paviršiaus ir žemės santykis planetoje. Pirmosios kartos teleskopuose planetos atrodys kaip taškai, o detalus jų paviršiaus tyrimas nekyla klausimas. Viskas, ką mokslininkai gaus, yra bendras atspindėtos šviesos spektras. Remdamasis savo skaičiavimais, Tinetti teigia, kad bent 20% planetos paviršiaus turi būti sausa žemė, padengta augalais ir neuždengta debesų, kad būtų galima identifikuoti šio spektro augalus. Kita vertus, kuo didesnis jūros plotas, tuo daugiau deguonies jūriniai fotosintezatoriai išskiria į atmosferą. Todėl kuo ryškesni pigmento bioindikatoriai, tuo sunkiau pastebėti deguonies bioindikatorius ir atvirkščiai. Astronomai galės aptikti arba vieną, ir kitą, bet ne abu.

Planetos ieškotojai

Europos kosmoso agentūra (ESA) per ateinančius 10 metų planuoja paleisti Darvino erdvėlaivį, kad ištirtų antžeminių egzoplanetų spektrus. NASA „Earth-Like Planet Seeker“darys tą patį, jei agentūra gaus finansavimą. Erdvėlaivis COROT, kurį ESA paleido 2006 m. gruodį, ir erdvėlaivis Kepler, kurį NASA numatė paleisti 2009 m., yra skirti ieškoti silpno žvaigždžių ryškumo sumažėjimo, kai prieš jas praskrieja į Žemę panašios planetos. NASA SIM erdvėlaivis ieškos silpnų žvaigždžių virpesių, veikiamų planetų.

Gyvybės buvimas kitose planetose – tikra gyvybė, o ne tik fosilijos ar mikrobai, kurie vos išgyvena ekstremaliomis sąlygomis – gali būti aptikti labai netolimoje ateityje. Bet kokias žvaigždes turėtume ištirti pirmiausia? Ar pavyks registruoti šalia žvaigždžių esančių planetų spektrus, o tai ypač svarbu M žvaigždžių atveju? Kokiuose diapazonuose ir kokia skiriamąja geba turėtų stebėti mūsų teleskopai? Fotosintezės pagrindų supratimas padės mums sukurti naujus instrumentus ir interpretuoti gaunamus duomenis. Tokio sudėtingumo problemas galima išspręsti tik įvairių mokslų sankirtoje. Kol kas esame tik kelio pradžioje. Pati galimybė ieškoti nežemiškos gyvybės priklauso nuo to, kaip giliai suprantame gyvybės Žemėje pagrindus.