گیاهان در دیگر سیارات فراخورشیدی چگونه به نظر می رسند؟

2024 نویسنده: Seth Attwood | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-16 16:03

جستجوی حیات فرازمینی دیگر حوزه علمی تخیلی یا شکارچیان بشقاب پرنده نیست. شاید فناوری‌های مدرن هنوز به سطح مورد نیاز نرسیده‌اند، اما با کمک آن‌ها می‌توانیم جلوه‌های فیزیکی و شیمیایی فرآیندهای اساسی موجودات زنده را تشخیص دهیم.

ستاره شناسان بیش از 200 سیاره را کشف کرده اند که در خارج از منظومه شمسی به دور ستاره ها می چرخند. تا اینجا ما نمی توانیم پاسخ روشنی در مورد احتمال وجود حیات بر روی آنها بدهیم، اما این فقط یک موضوع زمان است. در ژوئیه 2007، پس از تجزیه و تحلیل نور ستاره ای که از جو سیاره فراخورشیدی می گذشت، ستاره شناسان وجود آب در آن را تأیید کردند. اکنون تلسکوپ هایی در حال توسعه هستند که امکان جستجوی آثار حیات در سیاراتی مانند زمین را با استفاده از طیف آنها فراهم می کنند.

یکی از عوامل مهمی که بر طیف نور منعکس شده توسط یک سیاره تأثیر می گذارد، ممکن است فرآیند فتوسنتز باشد. اما آیا این در جهان های دیگر امکان پذیر است؟ کاملا! روی زمین، فتوسنتز اساس تقریباً همه موجودات زنده است. علیرغم این واقعیت که برخی از موجودات زنده یاد گرفته اند در دمای بالا در متان و در منافذ هیدروترمال اقیانوسی زندگی کنند، ما غنای اکوسیستم های سطح سیاره خود را مدیون نور خورشید هستیم.

از یک طرف، در فرآیند فتوسنتز، اکسیژن تولید می شود که همراه با ازن تشکیل شده از آن، در جو سیاره یافت می شود. از سوی دیگر، رنگ یک سیاره ممکن است نشان دهنده وجود رنگدانه های خاصی مانند کلروفیل در سطح آن باشد. تقریباً یک قرن پیش، ستاره شناسان با مشاهده تاریک شدن فصلی سطح مریخ، به وجود گیاهان در آن مشکوک شدند. تلاش هایی برای شناسایی نشانه هایی از گیاهان سبز در طیف نور منعکس شده از سطح سیاره انجام شده است. اما مشکوک بودن این رویکرد را حتی نویسنده هربرت ولز مشاهده کرد که در «جنگ دنیاها» اظهار داشت: «بدیهی است که پادشاهی گیاهی مریخ، بر خلاف زمینی که سبز در آن غالب است، خونی دارد. رنگ قرمز. اکنون می دانیم که هیچ گیاهی در مریخ وجود ندارد و ظهور نواحی تیره تر روی سطح با طوفان های گرد و غبار همراه است. خود ولز متقاعد شده بود که رنگ مریخ حداقل توسط گیاهانی که سطح آن را می پوشانند تعیین می کند.

حتی در زمین، موجودات فتوسنتزی به رنگ سبز محدود نمی شوند: برخی از گیاهان دارای برگ های قرمز هستند و جلبک ها و باکتری های فتوسنتزی مختلف با تمام رنگ های رنگین کمان می درخشند. و باکتری های بنفش علاوه بر نور مرئی از تابش مادون قرمز خورشید نیز استفاده می کنند. بنابراین چه چیزی در سیارات دیگر غالب خواهد شد؟ و چگونه می توانیم این را ببینیم؟ پاسخ به مکانیسم هایی بستگی دارد که فتوسنتز بیگانه نور ستاره خود را که در ماهیت تابش خورشید متفاوت است جذب می کند. علاوه بر این، ترکیب متفاوت جو نیز بر ترکیب طیفی تشعشعات وارده بر سطح سیاره تأثیر می گذارد.

ستاره‌های کلاس طیفی M (کوتوله‌های قرمز) کم‌نور می‌درخشند، بنابراین گیاهان روی سیاره‌های زمین مانند در نزدیکی آنها باید سیاه باشند تا حداکثر نور را جذب کنند. ستاره های جوان M سطح سیارات را با شعله های فرابنفش می سوزانند، بنابراین موجودات موجود در آنجا باید آبزی باشند. خورشید ما از کلاس G است. و در نزدیکی ستاره های کلاس F، گیاهان نور زیادی دریافت می کنند و باید بخش قابل توجهی از آن را منعکس کنند.

برای تصور اینکه فتوسنتز در دنیاهای دیگر چگونه خواهد بود، ابتدا باید بدانید که گیاهان چگونه آن را روی زمین انجام می دهند.طیف انرژی نور خورشید در منطقه سبز آبی به اوج خود رسیده است، که دانشمندان را برای مدت طولانی متعجب کرد که چرا گیاهان بیشترین نور سبز موجود را جذب نمی کنند، بلکه برعکس، آن را منعکس می کنند؟ معلوم شد که فرآیند فتوسنتز نه به مقدار کل انرژی خورشیدی، بلکه به انرژی فوتون های منفرد و تعداد فوتون هایی که نور را تشکیل می دهند بستگی دارد.

هر فوتون آبی انرژی بیشتری نسبت به یک فوتون قرمز دارد، اما خورشید عمدتاً فوتون های قرمز را ساطع می کند. گیاهان به دلیل کیفیت از فوتون های آبی و به دلیل کمیت از فوتون های قرمز استفاده می کنند. طول موج نور سبز دقیقاً بین قرمز و آبی قرار دارد، اما فوتون های سبز از نظر در دسترس بودن یا انرژی تفاوتی ندارند، بنابراین گیاهان از آنها استفاده نمی کنند.

در طول فتوسنتز برای تثبیت یک اتم کربن (مشتق شده از دی اکسید کربن، CO₂در یک مولکول قند، حداقل هشت فوتون مورد نیاز است، و برای شکستن پیوند هیدروژن-اکسیژن در یک مولکول آب (H)₂O) - فقط یک. در این حالت، یک الکترون آزاد ظاهر می شود که برای واکنش بیشتر ضروری است. در مجموع، برای تشکیل یک مولکول اکسیژن (O₂) چهار چنین پیوندی باید شکسته شود. برای واکنش دوم برای تشکیل یک مولکول قند، حداقل چهار فوتون دیگر مورد نیاز است. لازم به ذکر است که یک فوتون باید مقداری حداقل انرژی داشته باشد تا بتواند در فتوسنتز شرکت کند.

نحوه جذب نور خورشید توسط گیاهان واقعاً یکی از شگفتی های طبیعت است. رنگدانه های فتوسنتزی به عنوان مولکول های منفرد وجود ندارند. آنها خوشه‌هایی را تشکیل می‌دهند که از آنتن‌های زیادی تشکیل شده‌اند که هر کدام برای درک فوتون‌هایی با طول موج مشخص تنظیم شده‌اند. کلروفیل در درجه اول نور قرمز و آبی را جذب می کند، در حالی که رنگدانه های کاروتنوئیدی که به شاخ و برگ های پاییزی قرمز و زرد می دهند سایه متفاوتی از آبی را درک می کنند. تمام انرژی جمع‌آوری‌شده توسط این رنگدانه‌ها به مولکول کلروفیل واقع در مرکز واکنش تحویل داده می‌شود، جایی که آب برای تشکیل اکسیژن شکافته می‌شود.

مجموعه‌ای از مولکول‌ها در مرکز واکنش تنها در صورتی می‌توانند واکنش‌های شیمیایی را انجام دهند که فوتون‌های قرمز یا مقدار معادل انرژی را به شکل دیگری دریافت کنند. برای استفاده از فوتون‌های آبی، رنگدانه‌های آنتن انرژی بالای خود را به انرژی کمتر تبدیل می‌کنند، همانطور که یک سری ترانسفورماتورهای کاهنده 100000 ولت از یک خط برق را به یک پریز دیواری 220 ولت کاهش می‌دهند. این فرآیند زمانی شروع می شود که یک فوتون آبی به رنگدانه ای برخورد می کند که نور آبی را جذب می کند و انرژی را به یکی از الکترون های مولکول خود منتقل می کند. هنگامی که یک الکترون به حالت اولیه خود باز می گردد، این انرژی را ساطع می کند، اما به دلیل تلفات گرما و ارتعاش، کمتر از چیزی که جذب کرده است.

با این حال، مولکول رنگدانه انرژی دریافتی را نه به صورت فوتون، بلکه در قالب یک برهمکنش الکتریکی با مولکول رنگدانه دیگری که قادر به جذب انرژی سطح پایین‌تری است، می‌دهد. به نوبه خود، رنگدانه دوم حتی انرژی کمتری آزاد می کند و این روند تا زمانی ادامه می یابد که انرژی فوتون آبی اصلی به سطح قرمز کاهش یابد.

مرکز واکنش، به عنوان انتهای دریافت کننده آبشار، برای جذب فوتون های موجود با حداقل انرژی سازگار است. در سطح سیاره ما، فوتون های قرمز بیشترین تعداد و در عین حال کمترین انرژی را در بین فوتون های طیف مرئی دارند.

اما برای فتوسنتز کننده های زیر آب، فوتون های قرمز نباید فراوان ترین باشند. ناحیه نوری که برای فتوسنتز استفاده می شود با عمق تغییر می کند زیرا آب، مواد محلول در آن و موجودات موجود در لایه های بالایی نور را فیلتر می کنند. نتیجه یک طبقه بندی واضح اشکال زنده مطابق با مجموعه رنگدانه های آنها است. ارگانیسم‌های لایه‌های عمیق‌تر آب دارای رنگدانه‌هایی هستند که با نور آن رنگ‌هایی تنظیم می‌شوند که توسط لایه‌های بالا جذب نمی‌شوند. به عنوان مثال، جلبک ها و سیانیا دارای رنگدانه های فیکوسیانین و فیکواریترین هستند که فوتون های سبز و زرد را جذب می کنند. در حالت بدون اکسیژن (به عنوان مثالباکتری های غیر تولید کننده اکسیژن، باکتری کلروفیل هستند که نور را از نواحی قرمز دور و مادون قرمز نزدیک (IR) جذب می کنند، که فقط قادر به نفوذ به اعماق تاریک آب است.

ارگانیسم هایی که با نور کم سازگار شده اند، آهسته تر رشد می کنند، زیرا باید سخت تر کار کنند تا تمام نور در دسترس خود را جذب کنند. در سطح سیاره، جایی که نور فراوان است، تولید رنگدانه های اضافی برای گیاهان مضر است، بنابراین آنها به طور انتخابی از رنگ ها استفاده می کنند. همان اصول تکاملی باید در سایر منظومه های سیاره ای نیز کار کند.

همانطور که موجودات آبزی با نور فیلتر شده توسط آب سازگار شده اند، ساکنان خشکی نیز با نور فیلتر شده توسط گازهای جوی سازگار شده اند. در قسمت بالایی جو زمین، فراوان ترین فوتون ها زرد رنگ هستند که طول موج آنها 560-590 نانومتر است. تعداد فوتون ها به تدریج به سمت امواج بلند کاهش می یابد و به طور ناگهانی به سمت امواج کوتاه می شکند. همانطور که نور خورشید از اتمسفر بالایی عبور می کند، بخار آب IR را در چندین باند طولانی تر از 700 نانومتر جذب می کند. اکسیژن محدوده باریکی از خطوط جذب نزدیک به ۶۸۷ و ۷۶۱ نانومتر تولید می کند. همه می دانند که ازن (اوه₃در استراتوسفر به طور فعال نور ماوراء بنفش (UV) را جذب می کند، اما در ناحیه مرئی طیف نیز کمی جذب می کند.

بنابراین، اتمسفر ما پنجره‌هایی را بر جای می‌گذارد که از طریق آن تشعشعات می‌توانند به سطح سیاره برسد. محدوده تابش مرئی در سمت آبی به دلیل قطع شدید طیف خورشیدی در ناحیه طول موج کوتاه و جذب UV توسط ازن محدود شده است. مرز قرمز با خطوط جذب اکسیژن مشخص می شود. اوج تعداد فوتون ها از زرد به قرمز (حدود 685 نانومتر) به دلیل جذب گسترده ازن در ناحیه مرئی تغییر می کند.

گیاهان با این طیف سازگار هستند که عمدتاً توسط اکسیژن تعیین می شود. اما باید به خاطر داشت که خود گیاهان اکسیژن جو را تامین می کنند. هنگامی که اولین موجودات فتوسنتزی بر روی زمین ظاهر شدند، اکسیژن کمی در جو وجود داشت، بنابراین گیاهان مجبور بودند از رنگدانه های دیگری غیر از کلروفیل استفاده کنند. تنها پس از گذشت زمان، زمانی که فتوسنتز ترکیب جو را تغییر داد، کلروفیل رنگدانه بهینه شد.

شواهد فسیلی قابل اعتماد از فتوسنتز حدود 3.4 میلیارد سال قدمت دارند، اما بقایای فسیلی قبلی نشانه هایی از این فرآیند را نشان می دهد. اولین موجودات فتوسنتزی باید زیر آب باشند، تا حدی به این دلیل که آب حلال خوبی برای واکنش‌های بیوشیمیایی است، و همچنین به این دلیل که از تابش اشعه ماوراء بنفش خورشیدی محافظت می‌کند، که در غیاب لایه ازن اتمسفر مهم بود. چنین موجوداتی باکتری های زیر آب بودند که فوتون های مادون قرمز را جذب می کردند. واکنش های شیمیایی آنها شامل هیدروژن، سولفید هیدروژن، آهن، اما نه آب بود. بنابراین، آنها اکسیژن منتشر نمی کردند. و تنها 2،7 میلیارد سال پیش، سیانوباکتری ها در اقیانوس ها فتوسنتز اکسیژنی را با آزاد شدن اکسیژن آغاز کردند. مقدار اکسیژن و لایه اوزون به تدریج افزایش یافت و به جلبک های قرمز و قهوه ای اجازه داد تا به سطح بروند. و هنگامی که سطح آب در آب های کم عمق برای محافظت در برابر UV کافی بود، جلبک های سبز ظاهر شدند. آنها فیکوبیلیپروتئین کمی داشتند و بهتر با نور روشن نزدیک سطح آب سازگار بودند. 2 میلیارد سال پس از شروع انباشته شدن اکسیژن در جو، نوادگان جلبک های سبز - گیاهان - در خشکی ظاهر شدند.

فلور دستخوش تغییرات قابل توجهی شده است - تنوع اشکال به سرعت افزایش یافته است: از خزه و جگر گرفته تا گیاهان آوندی با تاج های بلند که نور بیشتری جذب می کنند و با مناطق مختلف آب و هوایی سازگار هستند. تاج های مخروطی درختان مخروطی به طور موثر نور را در عرض های جغرافیایی بالا جذب می کنند، جایی که خورشید به سختی از افق طلوع می کند. گیاهان سایه دوست برای محافظت در برابر نور شدید آنتوسیانین تولید می کنند. کلروفیل سبز نه تنها به خوبی با ترکیب مدرن جو سازگار است، بلکه به حفظ آن کمک می کند و سیاره ما را سبز نگه می دارد.ممکن است مرحله بعدی تکامل به ارگانیسمی که در سایه زیر تاج درختان زندگی می کند و از فیکوبیلین ها برای جذب نور سبز و زرد استفاده می کند، مزیت بدهد. اما ظاهراً ساکنان ردیف بالا سبز باقی خواهند ماند.

رنگ آمیزی جهان به رنگ قرمز

هنگام جستجوی رنگدانه های فتوسنتزی در سیارات در سایر منظومه های ستاره ای، ستاره شناسان باید به خاطر داشته باشند که این اجرام در مراحل مختلف تکامل هستند. به عنوان مثال، آنها ممکن است مثلاً 2 میلیارد سال پیش با سیاره ای مشابه زمین روبرو شوند. همچنین باید در نظر داشت که موجودات فتوسنتزی بیگانه ممکن است ویژگی هایی داشته باشند که ویژگی "بستگان" زمینی آنها نیست. به عنوان مثال، آنها می توانند مولکول های آب را با استفاده از فوتون های با طول موج بلندتر تقسیم کنند.

طولانی ترین موجود زنده روی زمین، باکتری بی اکسیژن بنفش است که از تابش مادون قرمز با طول موج حدود 1015 نانومتر استفاده می کند. دارندگان رکورد در میان موجودات اکسیژن دار سیانوباکتری های دریایی هستند که در طول موج 720 نانومتر جذب می شوند. هیچ حد بالایی برای طول موجی که توسط قوانین فیزیک تعیین می شود وجود ندارد. فقط این است که سیستم فتوسنتز باید از تعداد بیشتری فوتون با طول موج بلند در مقایسه با فوتون های با طول موج کوتاه استفاده کند.

عامل محدود کننده تنوع رنگدانه ها نیست، بلکه طیف نوری است که به سطح سیاره می رسد که به نوبه خود به نوع ستاره بستگی دارد. ستاره شناسان ستارگان را بر اساس رنگ آنها، بسته به دما، اندازه و سن آنها طبقه بندی می کنند. همه ستارگان به اندازه کافی وجود ندارند که حیات در سیارات همسایه ایجاد و توسعه یابد. ستارگان دارای عمر طولانی (به ترتیب کاهش دما) از کلاس های طیفی F، G، K و M هستند. خورشید متعلق به کلاس G است. ستارگان کلاس F بزرگتر و درخشان تر از خورشید هستند، آنها می سوزند و نور درخشان تری ساطع می کنند. نور آبی می شود و در حدود 2 میلیارد سال می سوزد. ستارگان کلاس K و M از نظر قطر کوچکتر، کم نورتر، قرمزتر و با عمر طولانی طبقه بندی می شوند.

در اطراف هر ستاره یک به اصطلاح "منطقه حیات" وجود دارد - طیفی از مدارها که در آن سیارات دمای لازم برای وجود آب مایع را دارند. در منظومه شمسی، چنین منطقه ای حلقه ای است که توسط مدارهای مریخ و زمین محدود شده است. ستارگان داغ F دارای منطقه حیات دورتر از ستاره هستند، در حالی که ستارگان سردتر K و M آن را نزدیکتر دارند. سیارات در منطقه حیات ستارگان F، G و K تقریباً همان مقدار نور مرئی دریافت می کنند که زمین از خورشید دریافت می کند. این احتمال وجود دارد که حیات بر اساس همان فتوسنتز اکسیژنی که در زمین وجود دارد، روی آن‌ها ایجاد شود، اگرچه رنگ رنگدانه‌ها ممکن است در محدوده مرئی تغییر کند.

ستاره‌های نوع M، به اصطلاح کوتوله‌های قرمز، مورد توجه دانشمندان هستند زیرا رایج‌ترین نوع ستارگان در کهکشان ما هستند. آنها نور مرئی کمتری نسبت به خورشید ساطع می کنند: اوج شدت در طیف آنها در نزدیکی IR رخ می دهد. جان ریون، زیست شناس دانشگاه داندی در اسکاتلند، و ری وولستنکرافت، ستاره شناس رصدخانه سلطنتی ادینبورگ، پیشنهاد کرده اند که فتوسنتز اکسیژنی از نظر تئوری با استفاده از فوتون های مادون قرمز نزدیک امکان پذیر است. در این حالت، موجودات زنده باید از سه یا حتی چهار فوتون IR برای شکستن یک مولکول آب استفاده کنند، در حالی که گیاهان زمینی فقط از دو فوتون استفاده می کنند که می تواند به مراحل موشکی که برای انجام یک ماده شیمیایی به الکترون انرژی می دهد تشبیه کند. واکنش.

ستاره های جوان M شعله های UV قدرتمندی را نشان می دهند که فقط در زیر آب می توان از آنها اجتناب کرد. اما ستون آب سایر بخش‌های طیف را نیز جذب می‌کند، بنابراین ارگانیسم‌هایی که در عمق قرار دارند به شدت کمبود نور خواهند داشت. اگر چنین است، پس فتوسنتز در این سیارات ممکن است توسعه نیابد. با بالا رفتن سن ستاره M، میزان پرتو فرابنفش ساطع شده کاهش می یابد، در مراحل بعدی تکامل کمتر از خورشید ما می شود.در این دوره نیازی به لایه اوزون محافظ نیست و زندگی در سطح سیارات حتی اگر اکسیژن تولید نکند می تواند شکوفا شود.

بنابراین، اخترشناسان باید چهار سناریوی ممکن را بسته به نوع و سن ستاره در نظر بگیرند.

حیات اقیانوسی بی هوازی یک ستاره در منظومه سیاره ای جوان است، از هر نوع. موجودات زنده ممکن است اکسیژن تولید نکنند. جو می تواند از گازهای دیگری مانند متان تشکیل شده باشد.

زندگی اقیانوسی هوازی ستاره دیگر جوان نیست، از هر نوع. زمان کافی از شروع فتوسنتز اکسیژنی برای تجمع اکسیژن در جو می گذرد.

زندگی زمینی هوازی ستاره بالغ است، از هر نوع. زمین پوشیده از گیاهان است. زندگی روی زمین دقیقاً در این مرحله است.

زندگی زمینی بی هوازی یک ستاره کم نور M با اشعه UV ضعیف. گیاهان زمین را می پوشانند اما ممکن است اکسیژن تولید نکنند.

طبیعتاً تظاهرات موجودات فتوسنتزی در هر یک از این موارد متفاوت خواهد بود. تجربه عکسبرداری از سیاره ما از ماهواره نشان می دهد که تشخیص حیات در اعماق اقیانوس با استفاده از تلسکوپ غیرممکن است: دو سناریو اول به ما نشانه های رنگی حیات را نوید نمی دهند. تنها شانس یافتن آن جستجوی گازهای جوی با منشاء آلی است. بنابراین، محققانی که از روش‌های رنگی برای جستجوی حیات بیگانه استفاده می‌کنند، باید روی مطالعه گیاهان خشکی با فتوسنتز اکسیژن در سیارات نزدیک به ستاره‌های F، G و K، یا در سیارات ستاره‌های M، اما با هر نوع فتوسنتز تمرکز کنند.

نشانه های زندگی

موادی که علاوه بر رنگ گیاهان می تواند نشانه ای از وجود حیات باشد

اکسیژن (O₂) و آب (H₂O) … حتی در یک سیاره بی جان، نور ستاره مادر، مولکول های بخار آب را از بین می برد و مقدار کمی اکسیژن در جو تولید می کند. اما این گاز به سرعت در آب حل می شود و سنگ ها و گازهای آتشفشانی را نیز اکسید می کند. بنابراین، اگر اکسیژن زیادی در سیاره ای با آب مایع دیده شود، به این معنی است که منابع اضافی آن را تولید می کنند، به احتمال زیاد فتوسنتز.

ازن (O₃) … در استراتوسفر زمین، نور فرابنفش مولکول‌های اکسیژن را از بین می‌برد که در صورت ترکیب، ازن را تشکیل می‌دهند. ازن همراه با آب مایع، شاخص مهم زندگی است. در حالی که اکسیژن در طیف مرئی قابل مشاهده است، ازن در مادون قرمز قابل مشاهده است که با برخی از تلسکوپ ها راحت تر قابل تشخیص است.

متان (CH₄) به علاوه اکسیژن یا چرخه های فصلی … ترکیب اکسیژن و متان بدون فتوسنتز دشوار است. نوسانات فصلی غلظت متان نیز نشانه مطمئنی از حیات است. و در سیاره‌ای مرده، غلظت متان تقریباً ثابت است: با شکسته شدن مولکول‌ها توسط نور خورشید، به آرامی کاهش می‌یابد.

کلرومتان (CH₃Cl) … در زمین، این گاز با سوزاندن گیاهان (عمدتا در آتش سوزی های جنگلی) و قرار گرفتن در معرض نور خورشید بر روی پلانکتون ها و کلر موجود در آب دریا تشکیل می شود. اکسیداسیون آن را از بین می برد. اما انتشار نسبتا ضعیف ستاره‌های M می‌تواند به این گاز اجازه دهد تا مقداری که برای ثبت در دسترس است جمع شود.

اکسید نیتروژن (N₂O) … هنگامی که موجودات زنده تجزیه می شوند، نیتروژن به شکل اکسید آزاد می شود. منابع غیر بیولوژیکی این گاز ناچیز است.

مشکی رنگ سبز جدید است

صرف نظر از ویژگی‌های سیاره، رنگدانه‌های فتوسنتزی باید همان الزامات روی زمین را برآورده کنند: فوتون‌هایی را با کوتاه‌ترین طول موج (پر انرژی)، با طولانی‌ترین طول موج (که مرکز واکنش از آن استفاده می‌کند)، یا بیشترین در دسترس را جذب کند. برای درک اینکه چگونه نوع ستاره رنگ گیاهان را تعیین می کند، لازم بود تلاش های محققان از تخصص های مختلف ترکیب شود.

عبور نور ستاره

رنگ گیاهان به طیف نور ستارگان بستگی دارد که اخترشناسان به راحتی می توانند آن را مشاهده کنند و جذب نور توسط هوا و آب که نویسنده و همکارانش بر اساس ترکیب احتمالی جو و ویژگی های حیات مدل سازی کردند. تصویر "در دنیای علم"

مارتین کوهن، ستاره شناس دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، داده هایی را در مورد یک ستاره F (Bootes sigma)، یک ستاره K (epsilon Eridani)، یک ستاره M در حال شعله ور شدن فعال (AD Leo)، و یک M-ستاره آرام فرضی جمع آوری کرد. -ستاره با دمای 3100 درجه سانتیگراد. ستاره شناس آنتیگونا سگورا از دانشگاه ملی خودمختار مکزیکو سیتی شبیه سازی های کامپیوتری از رفتار سیارات مشابه زمین در منطقه حیات اطراف این ستارگان انجام داده است. سگورا با استفاده از مدل‌های الکساندر پاولوف از دانشگاه آریزونا و جیمز کاستینگ از دانشگاه پنسیلوانیا، برهمکنش تابش ستارگان را با اجزای احتمالی جو سیاره‌ای (با فرض اینکه آتشفشان‌ها گازهایی مشابه روی زمین از خود منتشر می‌کنند) مورد مطالعه قرار داد. برای پی بردن به ترکیب شیمیایی اتمسفرهای فاقد اکسیژن و با محتوای آن نزدیک به زمین.

با استفاده از نتایج Segura، فیزیکدان کالج دانشگاهی لندن، جووانا تینتی، جذب تابش در جو سیاره‌ها را با استفاده از مدل دیوید کریسپ در آزمایشگاه پیشرانه جت در پاسادنا، کالیفرنیا، محاسبه کرد، که برای تخمین روشنایی صفحات خورشیدی در مریخ‌نوردها استفاده شد. تفسیر این محاسبات به تلاش مشترک پنج متخصص نیاز داشت: جانت سیفرت، میکروبیولوژیست از دانشگاه رایس، بیوشیمیدان رابرت بلانکنشیپ در دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس، و گوویندجی از دانشگاه ایلینوی در اوربانا، سیاره شناس و شامپین (ویکتوریا میدوز) از دانشگاه ایالتی واشنگتن. و من، زیست هواشناسی از موسسه تحقیقات فضایی گودارد ناسا.

ما به این نتیجه رسیدیم که پرتوهای آبی با اوج 451 نانومتر بیشتر به سطوح سیارات نزدیک به ستاره های کلاس F می رسند. در نزدیکی ستاره های K، قله در 667 نانومتر قرار دارد، این ناحیه قرمز طیف است که شبیه وضعیت روی زمین است. در این مورد، ازن نقش مهمی ایفا می کند و نور ستاره های F را آبی تر و نور ستاره های K را قرمزتر از آنچه هست می کند. به نظر می رسد که تابش مناسب برای فتوسنتز در این مورد در ناحیه مرئی طیف قرار دارد، مانند زمین.

بنابراین، گیاهان روی سیارات نزدیک به ستاره‌های F و K می‌توانند تقریباً رنگی مشابه با گیاهان روی زمین داشته باشند. اما در ستارگان F، شار فوتون های آبی غنی از انرژی بسیار شدید است، بنابراین گیاهان باید حداقل تا حدی آنها را با استفاده از رنگدانه های محافظ مانند آنتوسیانین منعکس کنند، که به گیاهان رنگ آبی می دهد. با این حال، آنها فقط می توانند از فوتون های آبی برای فتوسنتز استفاده کنند. در این حالت، تمام نور در محدوده سبز تا قرمز باید منعکس شود. این منجر به یک بریدگی آبی متمایز در طیف نور بازتابی می شود که به راحتی با تلسکوپ قابل مشاهده است.

محدوده دمایی گسترده برای ستارگان M، رنگ‌های متنوعی را برای سیارات آنها نشان می‌دهد. این سیاره که به دور یک ستاره M آرام می چرخد، نیمی از انرژی زمین را از خورشید دریافت می کند. و اگرچه این در اصل برای زندگی کافی است - این 60 برابر بیشتر از نیاز گیاهان سایه دوست روی زمین است - بیشتر فوتون هایی که از این ستارگان می آیند به منطقه نزدیک به IR طیف تعلق دارند. اما تکامل باید به پیدایش انواع رنگدانه ها منجر شود که می توانند کل طیف نور مرئی و مادون قرمز را درک کنند. حتی ممکن است گیاهانی که تقریباً تمام تشعشعات خود را جذب می کنند سیاه به نظر برسند.

نقطه بنفش کوچک

تاریخچه حیات بر روی زمین نشان می دهد که موجودات فتوسنتزی دریایی اولیه در سیارات نزدیک به ستارگان کلاس F، G و K می توانند در یک جو اولیه بدون اکسیژن زندگی کنند و سیستمی از فتوسنتز اکسیژن ایجاد کنند که بعداً منجر به ظهور گیاهان خشکی می شود.. وضعیت ستاره های کلاس M پیچیده تر است. نتایج محاسبات ما نشان می دهد که مکان بهینه برای فتوسنتز کننده ها 9 متر زیر آب است: لایه ای از این عمق نور مخرب فرابنفش را به دام می اندازد، اما اجازه می دهد تا نور مرئی کافی از آن عبور کند. البته، ما متوجه این موجودات در تلسکوپ‌هایمان نخواهیم شد، اما آنها می‌توانند اساس حیات خشکی شوند.در اصل، در سیارات نزدیک به ستاره های M، حیات گیاهی با استفاده از رنگدانه های مختلف می تواند تقریباً به اندازه زمین متنوع باشد.

اما آیا تلسکوپ‌های فضایی آینده به ما اجازه می‌دهند تا آثار حیات را در این سیارات ببینیم؟ پاسخ به این بستگی دارد که نسبت سطح آب به زمین در این سیاره چقدر خواهد بود. در تلسکوپ های نسل اول، سیارات مانند نقاطی به نظر می رسند و مطالعه دقیق سطح آنها قابل بحث نیست. تمام چیزی که دانشمندان به دست خواهند آورد، طیف کل نور بازتابی است. بر اساس محاسبات خود، تینتی استدلال می کند که حداقل 20 درصد از سطح سیاره باید زمین های خشک پوشیده از گیاهان باشد و توسط ابرها پوشیده نشود تا بتوان گیاهان در این طیف را شناسایی کرد. از طرف دیگر، هر چه مساحت دریا بزرگتر باشد، فتوسنتز کننده های دریایی اکسیژن بیشتری را در جو آزاد می کنند. بنابراین، هر چه شاخص‌های زیستی رنگدانه بارزتر باشند، تشخیص بیواندیکاتورهای اکسیژن دشوارتر است و بالعکس. ستاره شناسان قادر خواهند بود یکی یا دیگری را تشخیص دهند، اما نه هر دو را.

جویندگان سیاره

آژانس فضایی اروپا (ESA) قصد دارد تا 10 سال آینده فضاپیمای داروین را برای مطالعه طیف سیارات فراخورشیدی به فضا پرتاب کند. جستجوگر سیاره شبیه به زمین ناسا همین کار را در صورت دریافت بودجه توسط آژانس انجام خواهد داد. فضاپیمای COROT، که توسط ESA در دسامبر 2006 پرتاب شد، و فضاپیمای کپلر، که توسط ناسا برای پرتاب در سال 2009 برنامه ریزی شده بود، برای جستجوی کاهش ضعیف در روشنایی ستارگان در هنگام عبور سیارات زمین مانند از مقابل آنها طراحی شده اند. فضاپیمای سیم کارت ناسا به دنبال ارتعاشات ضعیف ستارگان تحت تأثیر سیارات خواهد بود.

حضور حیات در سیارات دیگر - زندگی واقعی، نه فقط فسیل ها یا میکروب هایی که به سختی در شرایط شدید زنده می مانند - ممکن است در آینده ای بسیار نزدیک کشف شود. اما کدام ستاره ها را ابتدا باید مطالعه کنیم؟ آیا می‌توانیم طیف سیارات واقع در نزدیکی ستاره‌ها را که مخصوصاً در مورد ستاره‌های M اهمیت دارد، ثبت کنیم؟ تلسکوپ های ما در چه محدوده ها و با چه وضوحی باید رصد کنند؟ درک اصول اولیه فتوسنتز به ما کمک می کند ابزار جدیدی ایجاد کنیم و داده هایی را که دریافت می کنیم تفسیر کنیم. مشکلاتی با چنین پیچیدگی فقط در تقاطع علوم مختلف قابل حل است. تا اینجای کار فقط در ابتدای راه هستیم. خود امکان جستجوی حیات فرازمینی بستگی به این دارد که تا چه حد ما اصول اولیه حیات در این زمین را درک کنیم.