Sisällysluettelo:

Miltä kasvit näyttävät muilla eksoplaneetoilla?
Miltä kasvit näyttävät muilla eksoplaneetoilla?

Video: Miltä kasvit näyttävät muilla eksoplaneetoilla?

Video: Miltä kasvit näyttävät muilla eksoplaneetoilla?
Video: Vladimir Putin - Hirmuhallitsija 2024, Maaliskuu
Anonim

Maan ulkopuolisen elämän etsiminen ei ole enää tieteiskirjallisuuden tai UFO-metsästäjien alaa. Ehkä modernit teknologiat eivät ole vielä saavuttaneet vaadittua tasoa, mutta niiden avulla pystymme jo havaitsemaan elävien asioiden taustalla olevien perusprosessien fysikaaliset ja kemialliset ilmenemismuodot.

Tähtitieteilijät ovat löytäneet yli 200 planeettaa, jotka kiertävät tähtiä aurinkokunnan ulkopuolelta. Toistaiseksi emme voi antaa yksiselitteistä vastausta elämän olemassaolon todennäköisyydestä niillä, mutta tämä on vain ajan kysymys. Heinäkuussa 2007, analysoituaan eksoplaneetan ilmakehän läpi kulkeneen tähtien valon, tähtitieteilijät vahvistivat veden läsnäolon siinä. Nyt kehitetään teleskooppeja, joiden avulla on mahdollista etsiä elämän jälkiä planeetoilta, kuten Maan spektreistä.

Yksi tärkeimmistä planeetan heijastaman valon spektriin vaikuttavista tekijöistä voi olla fotosynteesiprosessi. Mutta onko tämä mahdollista muissa maailmoissa? Melko! Maapallolla fotosynteesi on perusta lähes kaikille eläville olennoille. Huolimatta siitä, että jotkut organismit ovat oppineet elämään kohonneissa lämpötiloissa metaanissa ja valtamerten hydrotermisissä aukoissa, olemme planeettamme pinnalla olevien ekosysteemien rikkauden velkaa auringonvaloon.

Toisaalta fotosynteesin prosessissa syntyy happea, joka yhdessä siitä muodostuneen otsonin kanssa löytyy planeetan ilmakehästä. Toisaalta planeetan väri voi viitata erityisten pigmenttien, kuten klorofyllin, esiintymiseen sen pinnalla. Lähes sata vuotta sitten, kun tähtitieteilijät havaitsivat Marsin pinnan kausiluontoisen tummumisen, he epäilivät kasvien esiintymistä siinä. Vihreiden kasvien merkkejä on yritetty havaita planeetan pinnalta heijastuvan valon spektristä. Mutta tämän lähestymistavan epäilyksen näki jopa kirjailija Herbert Wells, joka huomautti "Maailmoiden sodassa": "Ilmeisestikin Marsin kasvisvaltakunnassa, toisin kuin maallisessa, jossa vihreä hallitsee, on veri- punainen väri." Tiedämme nyt, että Marsissa ei ole kasveja, ja tummempien alueiden ilmestyminen pinnalle liittyy pölymyrskyihin. Wells itse oli vakuuttunut siitä, että Marsin värin määräävät vähiten sen pintaa peittävät kasvit.

Jopa maapallolla fotosynteettiset organismit eivät rajoitu vihreään: joissakin kasveissa on punaiset lehdet, ja erilaiset levät ja fotosynteettiset bakteerit hohtavat kaikilla sateenkaaren väreillä. Ja purppurabakteerit käyttävät Auringon infrapunasäteilyä näkyvän valon lisäksi. Mikä sitten vallitsee muilla planeetoilla? Ja miten voimme nähdä tämän? Vastaus riippuu mekanismeista, joilla muukalainen fotosynteesi omaksuu tähtensä valon, joka eroaa Auringosta tulevan säteilyn luonteeltaan. Lisäksi erilainen ilmakehän koostumus vaikuttaa myös planeetan pinnalle tulevan säteilyn spektrikoostumukseen.

Spektriluokan M tähdet (punaiset kääpiöt) loistavat heikosti, joten niiden lähellä olevien Maan kaltaisten planeettojen kasvien on oltava mustia, jotta ne imevät mahdollisimman paljon valoa. Nuoret M-tähdet polttavat planeettojen pintaa ultraviolettileikkauksilla, joten organismien on oltava vedessä. Aurinkomme on luokkaa G. F-luokan tähtien lähellä kasvit saavat liikaa valoa ja niiden on heijastettava siitä merkittävä osa.

Jos haluat kuvitella, millaista fotosynteesi tulee olemaan muissa maailmoissa, sinun on ensin ymmärrettävä, kuinka kasvit suorittavat sen maan päällä. Auringonvalon energiaspektrin huippu on sinivihreällä alueella, mikä sai tutkijat ihmettelemään pitkään, miksi kasvit eivät absorboi saatavilla olevaa vihreää valoa, vaan päinvastoin heijastavat sitä? Kävi ilmi, että fotosynteesiprosessi ei riipu niinkään aurinkoenergian kokonaismäärästä, vaan yksittäisten fotonien energiasta ja valon muodostavien fotonien lukumäärästä.

Kuva
Kuva

Jokainen sininen fotoni kuljettaa enemmän energiaa kuin punainen, mutta aurinko säteilee pääasiassa punaisia. Kasvit käyttävät sinisiä fotoneja niiden laadun vuoksi ja punaisia niiden määrän vuoksi. Vihreän valon aallonpituus on täsmälleen punaisen ja sinisen välillä, mutta vihreät fotonit eivät eroa saatavuudesta tai energiasta, joten kasvit eivät käytä niitä.

Fotosynteesin aikana kiinnittää yksi hiiliatomi (johdettu hiilidioksidista, CO2) sokerimolekyylissä tarvitaan vähintään kahdeksan fotonia ja vety-happi -sidoksen katkeamiseen vesimolekyylissä (H2O) - vain yksi. Tässä tapauksessa ilmaantuu vapaa elektroni, joka on välttämätön jatkoreaktiolle. Yhteensä yhden happimolekyylin muodostamiseksi (O2) neljä tällaista sidettä on katkaistava. Jotta toinen reaktio muodostaa sokerimolekyylin, tarvitaan vähintään neljä fotonia lisää. On huomattava, että fotonilla on oltava jonkin verran vähimmäisenergiaa voidakseen osallistua fotosynteesiin.

Tapa, jolla kasvit imevät auringonvaloa, on todella yksi luonnon ihmeistä. Fotosynteettiset pigmentit eivät esiinny yksittäisinä molekyyleinä. Ne muodostavat klustereita, jotka koostuvat ikään kuin useista antenneista, joista jokainen on viritetty havaitsemaan tietyn aallonpituuden fotoneja. Klorofylli imee ensisijaisesti punaista ja sinistä valoa, kun taas syksyn lehdille punaisen ja keltaisen antavat karotenoidipigmentit havaitsevat erilaisen sinisen sävyn. Kaikki näiden pigmenttien keräämä energia toimitetaan reaktiokeskuksessa sijaitsevaan klorofyllimolekyyliin, jossa vesi hajoaa muodostaen happea.

Reaktiokeskuksessa oleva molekyylikompleksi voi suorittaa kemiallisia reaktioita vain, jos se vastaanottaa punaisia fotoneja tai vastaavan määrän energiaa jossain muussa muodossa. Sinisten fotonien käyttämiseksi antennipigmentit muuttavat korkean energiansa pienemmäksi energiaksi, aivan kuten sarja alaspäin laskettuja muuntajia vähentävät 100 000 volttia sähköjohdosta 220 voltin seinäpistorasiaan. Prosessi alkaa, kun sininen fotoni osuu pigmenttiin, joka absorboi sinistä valoa ja siirtää energiaa johonkin sen molekyylissä olevista elektroneista. Kun elektroni palaa alkuperäiseen tilaansa, se emittoi tätä energiaa, mutta lämpö- ja värähtelyhäviöiden vuoksi vähemmän kuin se absorboi.

Pigmenttimolekyyli ei kuitenkaan luovuta vastaanotettua energiaa fotonin muodossa, vaan sähköisen vuorovaikutuksen muodossa toisen pigmenttimolekyylin kanssa, joka pystyy absorboimaan alemman tason energiaa. Toinen pigmentti puolestaan vapauttaa vielä vähemmän energiaa, ja tämä prosessi jatkuu, kunnes alkuperäisen sinisen fotonin energia laskee punaiselle tasolle.

Reaktiokeskus, joka on kaskadin vastaanottava pää, on sovitettu absorboimaan saatavilla olevia fotoneja minimaalisella energialla. Planeettamme pinnalla punaisia fotoneja on eniten, ja samalla niillä on alhaisin energia näkyvän spektrin fotoneista.

Mutta vedenalaisissa fotosyntetisaattoreissa punaisten fotonien ei tarvitse olla runsain. Fotosynteesiin käytettävä valoalue muuttuu syvyyden mukaan, kun vesi, siihen liuenneet aineet ja ylemmissä kerroksissa olevat organismit suodattavat valoa. Tuloksena on elävien muotojen selkeä kerrostuminen niiden pigmenttijoukon mukaisesti. Syvempien vesikerrosten eliöissä on pigmenttejä, jotka on viritetty niiden värien valoon, joita yllä olevat kerrokset eivät absorboineet. Esimerkiksi levissä ja syaanissa on pigmenttejä fykosyaniini ja fykoerytriini, jotka imevät vihreitä ja keltaisia fotoneja. Happittomassa (ts.happea tuottamattomat) bakteerit ovat bakterioklorofylliä, joka absorboi valoa kaukaa punaisista ja lähi-infrapuna-alueista (IR), joka pystyy tunkeutumaan vain synkkään veden syvyyteen.

Heikkoon valoon sopeutuneilla organismeilla on taipumus kasvaa hitaammin, koska niiden on työskenneltävä kovemmin absorboidakseen kaiken käytettävissä olevan valon. Planeetan pinnalla, jossa valoa on runsaasti, kasvien olisi haitallista tuottaa ylimääräisiä pigmenttejä, joten ne käyttävät valikoivasti värejä. Samojen evoluution periaatteiden pitäisi toimia myös muissa planeettajärjestelmissä.

Aivan kuten vesieläimet ovat sopeutuneet veden suodattamaan valoon, maan asukkaat ovat sopeutuneet ilmakehän kaasujen suodattamaan valoon. Maan ilmakehän yläosassa runsaimmat fotonit ovat keltaisia, joiden aallonpituus on 560-590 nm. Fotonien määrä vähenee vähitellen pitkiä aaltoja kohti ja katkeaa äkillisesti kohti lyhyitä aaltoja. Kun auringonvalo kulkee yläilmakehän läpi, vesihöyry absorboi infrapunasäteilyä useissa yli 700 nm:n pituisissa vyöhykkeissä. Happi tuottaa kapean alueen absorptioviivoja lähellä 687 ja 761 nm. Kaikki tietävät sen otsonin (Oh3) stratosfäärissä absorboi aktiivisesti ultraviolettivaloa (UV), mutta se absorboi myös hieman spektrin näkyvällä alueella.

Joten ilmakehämme jättää ikkunat, joiden kautta säteily voi saavuttaa planeetan pinnan. Näkyvän säteilyn aluetta rajoittaa sinisellä puolella auringon spektrin terävä katkaisu lyhyen aallonpituuden alueella ja otsonin UV-absorptio. Punaisen rajan määrittelevät hapen absorptioviivat. Fotonien lukumäärän huippu on siirtynyt keltaisesta punaiseksi (noin 685 nm) johtuen otsonin laajasta absorptiosta näkyvällä alueella.

Kasvit ovat sopeutuneet tähän spektriin, jonka määrää pääasiassa happi. Mutta on muistettava, että kasvit itse toimittavat happea ilmakehään. Kun ensimmäiset fotosynteettiset organismit ilmestyivät Maahan, ilmakehässä oli vähän happea, joten kasvien oli käytettävä muita pigmenttejä kuin klorofylliä. Vasta ajan kuluttua, kun fotosynteesi muutti ilmakehän koostumusta, klorofyllistä tuli optimaalinen pigmentti.

Luotettavat fossiiliset todisteet fotosynteesistä ovat noin 3,4 miljardia vuotta vanhoja, mutta aikaisemmat fossiilijäännökset osoittavat merkkejä tästä prosessista. Ensimmäisten fotosynteettisten organismien täytyi olla veden alla, osittain siksi, että vesi on hyvä liuotin biokemiallisiin reaktioihin, ja myös siksi, että se suojaa auringon UV-säteilyltä, mikä oli tärkeää ilmakehän otsonikerroksen puuttuessa. Tällaiset organismit olivat vedenalaisia bakteereja, jotka absorboivat infrapunafotoneja. Heidän kemiallisiin reaktioihinsa kuuluivat vety, rikkivety, rauta, mutta ei vesi; siksi ne eivät vapauttaneet happea. Ja vain 2,7 miljardia vuotta sitten valtamerten syanobakteerit aloittivat happifotosynteesin vapauttamalla happea. Hapen määrä ja otsonikerros kasvoivat vähitellen, jolloin punaiset ja ruskeat levät pääsivät nousemaan pintaan. Ja kun vedenpinta matalissa vesissä oli riittävä suojaamaan UV:ltä, ilmaantui viherleviä. Niissä oli vähän fykobiliproteiineja ja ne sopeutuivat paremmin kirkkaaseen valoon lähellä veden pintaa. 2 miljardia vuotta sen jälkeen, kun happea alkoi kertyä ilmakehään, viherlevien jälkeläiset - kasvit - ilmestyivät maalle.

Kasvisto on kokenut merkittäviä muutoksia - muotojen monimuotoisuus on lisääntynyt nopeasti: sammalista ja maksamaista korkeakruunuisiin verisuonikasveihin, jotka imevät enemmän valoa ja ovat sopeutuneet erilaisiin ilmastovyöhykkeisiin. Havupuiden kartiomaiset latvut imevät valoa tehokkaasti korkeilla leveysasteilla, joissa aurinko tuskin nouse horisontin yläpuolelle. Varjoa rakastavat kasvit tuottavat antosyaania suojaamaan kirkkaalta valolta. Vihreä klorofylli ei vain sopeudu hyvin nykyaikaiseen ilmakehän koostumukseen, vaan auttaa myös ylläpitämään sitä pitäen planeettamme vihreänä. On mahdollista, että evoluution seuraava askel antaa edun organismille, joka elää varjossa puiden latvujen alla ja käyttää fykobiliinia absorboimaan vihreää ja keltaista valoa. Mutta ylemmän tason asukkaat pysyvät ilmeisesti vihreinä.

Maalaa maailman punaiseksi

Kun tähtitieteilijät etsivät fotosynteettisiä pigmenttejä planeetoilta muissa tähtijärjestelmissä, heidän tulee muistaa, että nämä esineet ovat evoluution eri vaiheissa. He voivat esimerkiksi kohdata planeetan, joka on samanlainen kuin Maa, vaikkapa 2 miljardia vuotta sitten. On myös pidettävä mielessä, että vierailla fotosynteettisillä organismeilla voi olla ominaisuuksia, jotka eivät ole ominaisia niiden maanpäällisille "sukulaisille". He pystyvät esimerkiksi jakamaan vesimolekyylejä käyttämällä pidemmän aallonpituuden fotoneja.

Maapallon pisimmän aallonpituuden omaava organismi on purppura happipitoinen bakteeri, joka käyttää infrapunasäteilyä, jonka aallonpituus on noin 1015 nm. Happiorganismien ennätyksiä ovat meren syanobakteerit, jotka absorboivat aallonpituudella 720 nm. Fysiikan lakien määräämälle aallonpituudelle ei ole ylärajaa. Se on vain, että fotosyntetisoiva järjestelmä joutuu käyttämään suurempaa määrää pitkän aallonpituisia fotoneja verrattuna lyhytaaltoisiin.

Rajoittava tekijä ei ole pigmenttien monimuotoisuus, vaan planeetan pinnalle pääsevän valon spektri, joka puolestaan riippuu tähden tyypistä. Tähtitieteilijät luokittelevat tähdet niiden värin perusteella niiden lämpötilan, koon ja iän mukaan. Kaikki tähdet eivät ole olemassa tarpeeksi kauan, jotta elämä syntyisi ja kehittyisi naapuriplaneetoilla. Tähdet ovat pitkäikäisiä (lämpötilojen laskevassa järjestyksessä) spektriluokissa F, G, K ja M. Aurinko kuuluu luokkaan G. F-luokan tähdet ovat suurempia ja kirkkaampia kuin Aurinko, ne palavat ja lähettävät kirkkaampaa sinistä valoa ja palaa noin 2 miljardissa vuodessa. Luokkien K ja M tähdet ovat halkaisijaltaan pienempiä, himmeämpiä, punaisempia ja luokiteltu pitkäikäisiksi.

Jokaisen tähden ympärillä on niin kutsuttu "elämävyöhyke" - kiertoradat, joilla planeetoilla on nestemäisen veden olemassaoloon tarvittava lämpötila. Aurinkokunnassa tällainen vyöhyke on rengas, jota rajoittavat Marsin ja Maan kiertoradat. Kuumilla F-tähdillä on elämävyöhyke kauempana tähdestä, kun taas kylmemmillä K- ja M-tähdillä on se lähempänä. F-, G- ja K-tähtien elämänvyöhykkeellä olevat planeetat saavat suunnilleen saman määrän näkyvää valoa kuin Maa saa Auringosta. On todennäköistä, että niissä voisi syntyä elämää saman happifotosynteesin pohjalta kuin maan päällä, vaikka pigmenttien väri saattaakin siirtyä näkyvän alueen sisällä.

M-tyypin tähdet, niin sanotut punaiset kääpiöt, kiinnostavat erityisesti tutkijoita, koska ne ovat galaksissamme yleisin tähtityyppi. Ne säteilevät huomattavasti vähemmän näkyvää valoa kuin Aurinko: niiden spektrin intensiteettihuippu on lähellä infrapunasäteilyä. John Raven, biologi Dundeen yliopistosta Skotlannista, ja Ray Wolstencroft, tähtitieteilijä Edinburghin kuninkaallisesta observatoriosta, ovat ehdottaneet, että happifotosynteesi on teoriassa mahdollista käyttämällä lähi-infrapunafotoneja. Tässä tapauksessa organismien on käytettävä kolmea tai jopa neljää IR-fotonia rikkoakseen vesimolekyylin, kun taas maanpäälliset kasvit käyttävät vain kahta fotonia, joita voidaan verrata raketin vaiheisiin, jotka välittävät energiaa elektronille kemikaalin suorittamiseksi. reaktio.

Nuoret M-tähdet osoittavat voimakkaita UV-soihduksia, jotka voidaan välttää vain veden alla. Mutta vesipatsas absorboi myös muita spektrin osia, joten syvyydessä sijaitsevilta organismeilta puuttuu kovasti valoa. Jos näin on, fotosynteesi ei ehkä kehitty näillä planeetoilla. M-tähden ikääntyessä emittoidun ultraviolettisäteilyn määrä vähenee, evoluution myöhemmissä vaiheissa siitä tulee vähemmän kuin aurinkomme säteilee. Tänä aikana suojaavaa otsonikerrosta ei tarvita, ja elämä planeettojen pinnalla voi kukoistaa, vaikka se ei tuota happea.

Siksi tähtitieteilijöiden tulisi harkita neljää mahdollista skenaariota tähden tyypistä ja iästä riippuen.

Anaerobinen valtameren elämä. Planeettajärjestelmän tähti on nuori, minkä tyyppinen tahansa. Organismit eivät välttämättä tuota happea. Ilmakehä voi koostua muista kaasuista, kuten metaanista.

Aerobinen valtameren elämä. Tähti ei ole enää nuori, minkään tyyppinen. Happifotosynteesin alkamisesta on kulunut tarpeeksi aikaa hapen kerääntymiseksi ilmakehään.

Aerobinen elämä maalla. Tähti on kypsä, minkä tyyppinen tahansa. Maa on kasvien peitossa. Elämä maapallolla on vasta tässä vaiheessa.

Anaerobinen elämä maalla. Vaalea M-tähti, jossa on heikko UV-säteily. Kasvit peittävät maan, mutta eivät välttämättä tuota happea.

Luonnollisesti fotosynteettisten organismien ilmenemismuodot kussakin näistä tapauksista ovat erilaisia. Kokemus planeettamme kuvaamisesta satelliiteista viittaa siihen, että elämää valtameren syvyyksistä on mahdotonta havaita kaukoputken avulla: kaksi ensimmäistä skenaariota eivät lupaa meille värillisiä elämän merkkejä. Ainoa mahdollisuus löytää se on etsiä orgaanista alkuperää olevia ilmakehän kaasuja. Siksi tutkijoiden, jotka käyttävät värimenetelmiä muukalaiselämän etsimiseen, on keskityttävä tutkimaan maakasveja, joissa on happifotosynteesi planeetoilla lähellä F-, G- ja K-tähtiä tai M-tähtien planeettoja, mutta missä tahansa fotosynteesiä.

Elämän merkkejä

Aineet, jotka kasvien värin lisäksi voivat olla merkki elämän olemassaolosta

Happi (O2) ja vettä (H2O) … Jopa elottomalla planeetalla emotähden valo tuhoaa vesihöyrymolekyylejä ja tuottaa pienen määrän happea ilmakehään. Mutta tämä kaasu liukenee nopeasti veteen ja hapettaa myös kiviä ja vulkaanisia kaasuja. Siksi, jos paljon happea nähdään planeetalla, jossa on nestemäistä vettä, se tarkoittaa, että lisälähteet tuottavat sitä, todennäköisesti fotosynteesi.

Otsoni (O3) … Maan stratosfäärissä ultraviolettivalo tuhoaa happimolekyylejä, jotka yhdessä muodostavat otsonia. Yhdessä nestemäisen veden kanssa otsoni on tärkeä elämän indikaattori. Vaikka happi näkyy näkyvässä spektrissä, otsoni näkyy infrapunassa, mikä on helpompi havaita joillakin kaukoputkilla.

Metaani (CH4) plus happi tai kausivaihtelut … Hapen ja metaanin yhdistelmää on vaikea saada ilman fotosynteesiä. Myös metaanipitoisuuden kausivaihtelut ovat varma elämän merkki. Ja kuolleella planeetalla metaanin pitoisuus on lähes vakio: se vain vähenee hitaasti, kun auringonvalo hajottaa molekyylejä

Kloorimetaani (CH3Cl) … Maapallolla tätä kaasua muodostuu palamalla kasveja (pääasiassa metsäpaloissa) ja altistumalla auringonvalolle planktonille ja meriveden kloorille. Hapetus tuhoaa sen. Mutta suhteellisen heikko M-tähtien päästö voi mahdollistaa tämän kaasun kerääntymisen rekisteröitäväksi.

Dityppioksidi (N2O) … Kun organismit hajoavat, typpeä vapautuu oksidina. Tämän kaasun ei-biologiset lähteet ovat merkityksettömiä.

Musta on uusi vihreä

Huolimatta planeetan ominaisuuksista, fotosynteettisten pigmenttien on täytettävä samat vaatimukset kuin maan päällä: absorboimaan fotoneja, joilla on lyhyin aallonpituus (korkeaenergia), pisimmällä aallonpituudella (jota reaktiokeskus käyttää) tai kaikkein saatavilla. Ymmärtääkseen, kuinka tähtityyppi määrittää kasvien värin, oli tarpeen yhdistää eri erikoisalojen tutkijoiden ponnistelut.

Kuva
Kuva

Tähtien valo ohi

Kasvien väri riippuu tähtien valon spektristä, jonka tähtitieteilijät voivat helposti havaita, sekä ilman ja veden absorptiosta, jonka kirjoittaja ja hänen kollegansa mallinsivat ilmakehän todennäköisen koostumuksen ja elämän ominaisuuksien perusteella. Kuva "tieteen maailmassa"

Martin Cohen, Kalifornian yliopiston Berkeleyn tähtitieteilijä, keräsi tietoja F-tähdestä (Bootes sigma), K-tähdestä (epsilon Eridani), aktiivisesti leijahtavasta M-tähdestä (AD Leo) ja hypoteettisesta rauhallisesta M-tähdestä. -tähti, jonka lämpötila on 3100 °C. Mexico Cityn kansallisen autonomisen yliopiston tähtitieteilijä Antigona Segura on suorittanut tietokonesimulaatioita maapallon kaltaisten planeettojen käyttäytymisestä näitä tähtiä ympäröivällä elämävyöhykkeellä. Segura tutki Arizonan yliopiston Alexander Pavlovin ja Pennsylvanian yliopiston James Kastingin mallien avulla tähtien säteilyn vuorovaikutusta planeettojen ilmakehän todennäköisten komponenttien kanssa (olettaen, että tulivuoret lähettävät niihin samoja kaasuja kuin Maahan). selvittää ilmakehän kemiallinen koostumus, jossa ei ole happea ja joiden pitoisuus on lähellä maan pitoisuutta.

University College Londonin fyysikko Giovanna Tinetti laski Seguran tuloksia käyttäen säteilyn absorption planeettojen ilmakehissä käyttämällä David Crispin mallia Jet Propulsion Laboratoryssa Kalifornian Pasadenassa, jota käytettiin arvioimaan Mars-kulkijoilla olevien aurinkopaneelien valaistusta. Näiden laskelmien tulkitseminen vaati viiden asiantuntijan yhteisiä ponnisteluja: mikrobiologi Janet Siefert Ricen yliopistosta, biokemistit Robert Blankenship Washingtonin yliopistossa St. Louisissa ja Govindjee Illinoisin yliopistossa Urbanassa, planetologi ja Champaigne. (Victoria Meadows) Washingtonin osavaltion yliopistosta ja minä, biometeorologi NASAn Goddard Space Research Institutesta.

Päätimme, että siniset säteet, joiden huippu on 451 nm, saavuttavat enimmäkseen planeettojen pinnat lähellä F-luokan tähtiä. K-tähtien lähellä huippu sijaitsee 667 nm:ssä, tämä on spektrin punainen alue, joka muistuttaa maan tilannetta. Tässä tapauksessa otsonilla on tärkeä rooli, mikä tekee F-tähtien valosta sinisemmän ja K-tähtien valosta punaisemman kuin se todellisuudessa on. Osoittautuu, että fotosynteesiin sopiva säteily on tässä tapauksessa spektrin näkyvällä alueella, kuten maan päällä.

Näin ollen F- ja K-tähtien lähellä sijaitsevien planeettojen kasveilla voi olla melkein sama väri kuin maan päällä. Mutta F-tähdissä energiarikkaiden sinisten fotonien virta on liian voimakasta, joten kasvien on ainakin osittain heijastettava niitä käyttämällä suojapigmenttejä, kuten antosyaania, mikä antaa kasveille sinertävän värin. He voivat kuitenkin käyttää vain sinisiä fotoneja fotosynteesiin. Tässä tapauksessa kaiken valon alueella vihreästä punaiseen tulee heijastua. Tämä johtaa erottuvaan siniseen rajaan heijastuneen valon spektrissä, joka voidaan helposti havaita kaukoputkella.

M-tähden laaja lämpötila-alue ehdottaa erilaisia värejä niiden planeetoille. Rauhallista M-tähteä kiertävä planeetta saa puolet maapallon energiasta Auringosta. Ja vaikka tämä periaatteessa riittää elämään - tämä on 60 kertaa enemmän kuin varjoa rakastaville kasveille maapallolla tarvitaan - suurin osa näistä tähdistä tulevista fotoneista kuuluu spektrin lähi-IR-alueelle. Mutta evoluution pitäisi johtaa useiden pigmenttien syntymiseen, jotka voivat havaita koko näkyvän ja infrapunavalon spektrin. Kasvit, jotka absorboivat käytännössä kaiken säteilynsä, voivat jopa näyttää mustilta.

Pieni violetti piste

Kuva
Kuva

Maapallon elämänhistoria osoittaa, että varhaiset meren fotosynteettiset organismit planeetoilla, jotka sijaitsevat lähellä luokkien F, G ja K tähtiä, saattoivat elää ensisijaisessa hapettomassa ilmakehässä ja kehittää happipitoisen fotosynteesijärjestelmän, joka myöhemmin johtaisi maakasvien ilmestymiseen.. M-luokan tähtien tilanne on monimutkaisempi. Laskelmiemme tulokset osoittavat, että optimaalinen paikka fotosyntetisaattoreille on 9 metriä veden alla: tämän syvyyden kerros vangitsee tuhoavan ultraviolettivalon, mutta päästää läpi riittävästi näkyvää valoa. Emme tietenkään huomaa näitä organismeja kaukoputkessamme, mutta niistä voi tulla maaelämän perusta. Periaatteessa M-tähden lähellä olevilla planeetoilla kasvisto voi erilaisia pigmenttejä käyttäen olla lähes yhtä monimuotoista kuin maan päällä.

Mutta mahdollistavatko tulevat avaruusteleskoopit meidän nähdä jälkiä elämästä näillä planeetoilla? Vastaus riippuu siitä, mikä on planeetan veden pinnan ja maan välinen suhde. Ensimmäisen sukupolven teleskoopeissa planeetat näyttävät pisteiltä, eikä niiden pinnan yksityiskohtainen tutkiminen tule kysymykseen. Kaikki, mitä tiedemiehet saavat, on heijastuneen valon kokonaisspektri. Laskelmiensa perusteella Tinetti väittää, että vähintään 20 % planeetan pinnasta on oltava kuivaa maata, joka on peitetty kasveilla eikä pilvien peittämä, jotta tämän spektrin kasvit voidaan tunnistaa. Toisaalta mitä suurempi merialue, sitä enemmän meren fotosyntetisaattorit vapauttavat happea ilmakehään. Siksi mitä voimakkaampia pigmentin bioindikaattoreita on, sitä vaikeampaa on havaita happibioindikaattoreita ja päinvastoin. Tähtitieteilijät pystyvät havaitsemaan joko toisen tai toisen, mutta eivät molempia.

Planeetan etsijät

Kuva
Kuva

Euroopan avaruusjärjestö ESA aikoo laukaista Darwin-avaruusaluksen seuraavan 10 vuoden aikana tutkiakseen maanpäällisten eksoplaneettojen spektrejä. NASAn Earth-Like Planet Seeker tekee samoin, jos virasto saa rahoitusta. ESA:n joulukuussa 2006 laukaisema COROT-avaruusalus ja NASA:n vuonna 2009 laukaisuksi suunnittelema Kepler-avaruusalus on suunniteltu etsimään heikkoja tähtien kirkkauden alenemista, kun Maan kaltaiset planeetat kulkevat niiden edestä. NASAn SIM-avaruusalus etsii planeettojen vaikutuksen alaisia tähtien heikkoja värähtelyjä.

Elämää muilla planeetoilla - todellista elämää, ei vain fossiileja tai mikrobeja, jotka tuskin selviytyvät äärimmäisissä olosuhteissa - voidaan havaita hyvin lähitulevaisuudessa. Mutta mitä tähtiä meidän pitäisi tutkia ensin? Pystymmekö rekisteröimään tähtien lähellä sijaitsevien planeettojen spektrit, mikä on erityisen tärkeää M-tähden tapauksessa? Millä etäisyyksillä ja millä resoluutiolla kaukoputkiemme tulisi tarkkailla? Fotosynteesin perusteiden ymmärtäminen auttaa meitä luomaan uusia instrumentteja ja tulkitsemaan saamaamme dataa. Tällaiset monimutkaiset ongelmat voidaan ratkaista vain eri tieteiden risteyksessä. Toistaiseksi olemme vasta polun alussa. Mahdollisuus etsiä maan ulkopuolista elämää riippuu siitä, kuinka syvästi ymmärrämme elämän perusteet täällä maan päällä.

Suositeltava: