איך נראים צמחים על כוכבי לכת אחרים?

2024 מְחַבֵּר: Seth Attwood | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-16 16:05

החיפוש אחר חיים מחוץ לכדור הארץ אינו עוד נחלתם של מדע בדיוני או ציידי עב מים. אולי הטכנולוגיות המודרניות עדיין לא הגיעו לרמה הנדרשת, אבל בעזרתן אנחנו כבר מסוגלים לזהות את הביטויים הפיזיקליים והכימיים של התהליכים הבסיסיים שבבסיס היצורים החיים.

אסטרונומים גילו יותר מ-200 כוכבי לכת המקיפים כוכבים מחוץ למערכת השמש. עד כה איננו יכולים לתת תשובה חד משמעית לגבי הסבירות לקיומם של חיים עליהם, אבל זה רק עניין של זמן. ביולי 2007, לאחר ניתוח אור הכוכבים שעבר באטמוספירה של כוכב הלכת האקזו-כוכבי, אסטרונומים אישרו את נוכחותם של מים עליו. כעת מפתחים טלסקופים שיאפשרו לחפש עקבות חיים בכוכבי לכת כמו כדור הארץ לפי הספקטרום שלהם.

אחד הגורמים החשובים המשפיעים על ספקטרום האור המוחזר על ידי כוכב לכת עשוי להיות תהליך הפוטוסינתזה. אבל האם זה אפשרי בעולמות אחרים? דַי! על פני כדור הארץ, הפוטוסינתזה היא הבסיס כמעט לכל היצורים החיים. למרות העובדה שחלק מהאורגניזמים למדו לחיות בטמפרטורות גבוהות במתאן ובפתחי אוורור הידרותרמיים באוקיינוסים, אנו חייבים את עושר המערכות האקולוגיות על פני כדור הארץ שלנו לאור השמש.

מצד אחד, בתהליך הפוטוסינתזה נוצר חמצן, שיחד עם האוזון הנוצר ממנו ניתן למצוא באטמוספירה של כוכב הלכת. מצד שני, צבעו של כוכב לכת עשוי להעיד על נוכחותם של פיגמנטים מיוחדים, כמו כלורופיל, על פני השטח שלו. לפני כמעט מאה שנה, לאחר שהבחינו בהחשכה העונתית של פני השטח של מאדים, חשדו אסטרונומים בנוכחות צמחים עליו. נעשו ניסיונות לזהות סימנים של צמחים ירוקים בספקטרום האור המוחזר מפני השטח של כוכב הלכת. אבל את הספק של גישה זו ראה אפילו הסופר הרברט וולס, אשר ב"מלחמת העולמות" שלו העיר: "ברור שלממלכת הירקות של מאדים, בניגוד לזו הארצית, שבה הירוק שולט, יש דם- צבע אדום." כעת אנו יודעים שאין צמחים על מאדים, והמראה של אזורים כהים יותר על פני השטח קשורה לסופות אבק. וולס עצמו היה משוכנע שצבעו של מאדים נקבע לא מעט על ידי הצמחים המכסים את פני השטח שלו.

אפילו בכדור הארץ, אורגניזמים פוטוסינתטיים אינם מוגבלים לירוק: לצמחים מסוימים יש עלים אדומים, ואצות שונות וחיידקים פוטוסינתטיים מנצנצים בכל צבעי הקשת. וחיידקים סגולים משתמשים בקרינה אינפרא אדומה מהשמש בנוסף לאור הנראה. אז מה ישרור על כוכבי לכת אחרים? ואיך אנחנו יכולים לראות את זה? התשובה תלויה במנגנונים שבאמצעותם הפוטוסינתזה החייזרית מטמיעה את אור הכוכב שלה, השונה באופי הקרינה מהשמש. בנוסף, הרכב שונה של האטמוספירה משפיע גם על ההרכב הספקטרלי של קרינת הקרינה על פני כדור הארץ.

כוכבים בדרגה ספקטרלית M (גמדים אדומים) זוהרים בחלשות, ולכן צמחים על כוכבי לכת דמויי כדור הארץ בקרבתם חייבים להיות שחורים כדי לספוג אור ככל האפשר. כוכבי M צעירים חורכים את פני השטח של כוכבי לכת עם התלקחויות אולטרה סגולות, כך שאורגניזמים שם חייבים להיות מימיים. השמש שלנו היא סוג G. וליד כוכבים מסוג F, צמחים מקבלים יותר מדי אור וחייבים לשקף חלק משמעותי ממנו.

כדי לדמיין איך תיראה הפוטוסינתזה בעולמות אחרים, תחילה עליך להבין כיצד צמחים מבצעים אותה על פני כדור הארץ.לספקטרום האנרגיה של אור השמש יש שיא באזור הכחול-ירוק, מה שגרם למדענים לתהות במשך זמן רב מדוע צמחים אינם סופגים את האור הירוק הזמין ביותר, אלא להיפך, משקפים אותו? התברר שתהליך הפוטוסינתזה תלוי לא כל כך בכמות האנרגיה הסולארית הכוללת, אלא באנרגיה של פוטונים בודדים ובמספר הפוטונים המרכיבים את האור.

כל פוטון כחול נושא יותר אנרגיה מאדום, אבל השמש פולטת בעיקר אנרגיה אדומים. צמחים משתמשים בפוטונים כחולים בגלל איכותם, ובאדומים בגלל כמותם. אורך הגל של האור הירוק נמצא בדיוק בין אדום לכחול, אך הפוטונים הירוקים אינם נבדלים בזמינותם או באנרגיה, ולכן הצמחים אינם משתמשים בהם.

במהלך פוטוסינתזה לקיבוע אטום פחמן אחד (שמקורו בפחמן דו חמצני, CO₂) במולקולת סוכר, נדרשים לפחות שמונה פוטונים, ולביקוע קשר מימן-חמצן במולקולת מים (H₂O) - רק אחד. במקרה זה, מופיע אלקטרון חופשי, אשר הכרחי לתגובה נוספת. בסך הכל, ליצירת מולקולת חמצן אחת (O₂) צריך לפרק ארבעה קשרים כאלה. כדי שהתגובה השנייה תיצור מולקולת סוכר, נדרשים לפחות ארבעה פוטונים נוספים. יש לציין שפוטון חייב להיות בעל אנרגיה מינימלית על מנת לקחת חלק בפוטוסינתזה.

האופן שבו צמחים סופגים את אור השמש הוא באמת אחד מפלאי הטבע. פיגמנטים פוטוסינתטיים אינם מתרחשים כמולקולות בודדות. הם יוצרים צבירים המורכבים, כביכול, מאנטנות רבות, שכל אחת מהן מכוונת לקלוט פוטונים באורך גל מסוים. הכלורופיל סופג בעיקר אור אדום וכחול, בעוד שהפיגמנטים הקרוטנואידים שנותנים עלווה שלכת אדום וצהוב תופסים גוון שונה של כחול. כל האנרגיה הנאספת על ידי פיגמנטים אלו מועברת למולקולת הכלורופיל הממוקמת במרכז התגובה, שם מתפצלים מים ליצירת חמצן.

קומפלקס של מולקולות במרכז תגובה יכול לבצע תגובות כימיות רק אם הוא מקבל פוטונים אדומים או כמות שווה של אנרגיה בצורה אחרת. כדי להשתמש בפוטונים הכחולים, פיגמנטים של אנטנה ממירים את האנרגיה הגבוהה שלהם לאנרגיה נמוכה יותר, בדיוק כפי שסדרה של שנאים יורדים מפחיתים 100,000 וולט של קו מתח לשקע 220 וולט בקיר. התהליך מתחיל כאשר פוטון כחול פוגע בפיגמנט שסופג אור כחול ומעביר אנרגיה לאחד האלקטרונים במולקולה שלו. כאשר אלקטרון חוזר למצבו המקורי, הוא פולט את האנרגיה הזו, אבל בגלל הפסדי חום ורטט, פחות ממה שספגה.

עם זאת, מולקולת הפיגמנט מוותרת על האנרגיה המתקבלת לא בצורה של פוטון, אלא בצורה של אינטראקציה חשמלית עם מולקולת פיגמנט אחרת, המסוגלת לספוג אנרגיה של רמה נמוכה יותר. בתורו, הפיגמנט השני משחרר אפילו פחות אנרגיה, ותהליך זה נמשך עד שהאנרגיה של הפוטון הכחול המקורי יורדת לרמה של אדום.

מרכז התגובה, כקצה הקולט של המפל, מותאם לקליטת פוטונים זמינים במינימום אנרגיה. על פני כוכב הלכת שלנו, הפוטונים האדומים הם הרבים ביותר ובו בזמן הם בעלי האנרגיה הנמוכה ביותר מבין הפוטונים בספקטרום הנראה.

אבל עבור פוטוסינתסייזרים תת-מימיים, הפוטונים האדומים לא חייבים להיות הכי שופעים. אזור האור המשמש לפוטוסינתזה משתנה עם העומק כמו מים, חומרים מומסים בהם, ואורגניזמים בשכבות העליונות מסננים את האור. התוצאה היא ריבוד ברור של צורות חיות בהתאם לקבוצת הפיגמנטים שלהן. לאורגניזמים משכבות עמוקות יותר של מים יש פיגמנטים המכוונים לאור של אותם צבעים שלא נספגו בשכבות שמעל. למשל, לאצות ולציאנה יש את הפיגמנטים phycocyanin ו- phycoerythrin, הסופגים פוטונים ירוקים וצהובים. ב-anoxygenic (כלומר.חיידקים שאינם מייצרים חמצן) הם בקטריוכלורופיל, הסופג אור מהאזורים האדומים הרחוקים והקרוב לאינפרא אדום (IR), אשר מסוגל לחדור רק למעמקים הקודרים של המים.

אורגניזמים שהסתגלו לאור חלש נוטים לגדול לאט יותר מכיוון שהם צריכים לעבוד קשה יותר כדי לספוג את כל האור העומד לרשותם. על פני השטח של כוכב הלכת, שם יש אור בשפע, יהיה זה חסרון לצמחים לייצר עודף פיגמנטים, ולכן הם משתמשים בצבעים באופן סלקטיבי. אותם עקרונות אבולוציוניים צריכים לעבוד גם במערכות פלנטריות אחרות.

כשם שיצורים מימיים הסתגלו לאור המסונן על ידי מים, תושבי היבשה הסתגלו לאור המסונן על ידי גזים אטמוספריים. בחלק העליון של האטמוספירה של כדור הארץ, הפוטונים השכיחים ביותר הם צהובים, עם אורך גל של 560-590 ננומטר. מספר הפוטונים יורד בהדרגה לקראת גלים ארוכים ומתנתק בפתאומיות לעבר גלים קצרים. כאשר אור השמש עובר דרך האטמוספרה העליונה, אדי מים סופגים IR בכמה פסים ארוכות מ-700 ננומטר. חמצן מייצר טווח צר של קווי ספיגה ליד 687 ו-761 ננומטר. כולם יודעים שהאוזון (הו₃) בסטרטוספירה סופג באופן פעיל אור אולטרה סגול (UV), אך הוא גם סופג מעט באזור הנראה של הספקטרום.

אז, האטמוספרה שלנו משאירה חלונות שדרכם יכולה קרינה להגיע לפני השטח של כדור הארץ. טווח הקרינה הנראית מוגבלת בצד הכחול על ידי ניתוק חד של ספקטרום השמש באזור אורך הגל הקצר וספיגת UV על ידי אוזון. הגבול האדום מוגדר על ידי קווי ספיגת חמצן. שיא מספר הפוטונים מוסט מצהוב לאדום (כ-685 ננומטר) עקב ספיגה נרחבת של אוזון באזור הנראה.

צמחים מותאמים לספקטרום זה, שנקבע בעיקר על ידי חמצן. אבל יש לזכור שהצמחים עצמם מספקים חמצן לאטמוספירה. כאשר הופיעו האורגניזמים הפוטוסינתטיים הראשונים על פני כדור הארץ, היה מעט חמצן באטמוספירה, ולכן הצמחים נאלצו להשתמש בפיגמנטים שאינם כלורופיל. רק לאחר חלוף זמן, כאשר הפוטוסינתזה שינתה את הרכב האטמוספירה, הכלורופיל הפך לפיגמנט האופטימלי.

עדויות מאובנים מהימנות לפוטוסינתזה הן בנות כ-3.4 מיליארד שנים, אך שרידי מאובנים מוקדמים יותר מראים סימנים לתהליך זה. האורגניזמים הפוטוסינתטיים הראשונים היו צריכים להיות מתחת למים, בין השאר בגלל שמים הם ממס טוב לתגובות ביוכימיות, וגם בגלל שהם מספקים הגנה מפני קרינת UV סולארית, שהייתה חשובה בהיעדר שכבת אוזון אטמוספרית. אורגניזמים כאלה היו חיידקים תת-מימיים שקלטו פוטונים אינפרא אדום. התגובות הכימיות שלהם כללו מימן, מימן גופרתי, ברזל, אך לא מים; לכן, הם לא פלטו חמצן. ורק לפני 2, 7 מיליארד שנים, ציאנובקטריות באוקיינוסים החלו בפוטוסינתזה חמצנית עם שחרור חמצן. כמות החמצן ושכבת האוזון עלו בהדרגה, מה שאפשר לאצות אדומות וחומות לעלות אל פני השטח. וכאשר מפלס המים במים רדודים היה מספיק כדי להגן מפני UV, הופיעו אצות ירוקות. היו להם מעט phycobiliproteins והם היו מותאמים יותר לאור בהיר ליד פני המים. 2 מיליארד שנים לאחר שהחל להצטבר חמצן באטמוספרה, הופיעו צאצאים של אצות ירוקות - צמחים - על היבשה.

הצמחייה עברה שינויים משמעותיים - מגוון הצורות גדל במהירות: מטחבים ועצי כבד ועד לצמחי כלי דם בעלי כתרים גבוהים, הבולטים יותר אור ומותאמים לאזורי אקלים שונים. הכתרים החרוטיים של עצים מחטניים סופגים ביעילות אור בקווי רוחב גבוהים, שבהם השמש כמעט ולא עולה מעל האופק. צמחים חובבי צל מייצרים אנתוציאנין כדי להגן מפני אור בהיר. כלורופיל ירוק לא רק מותאם היטב להרכב המודרני של האטמוספירה, אלא גם עוזר לשמור עליו, שומר על הכוכב שלנו ירוק.ייתכן שהשלב הבא באבולוציה ייתן יתרון לאורגניזם שחי בצל מתחת לכתרים של עצים ומשתמש בפיקובלינים כדי לספוג אור ירוק וצהוב. אבל תושבי השכבה העליונה, ככל הנראה, יישארו ירוקים.

צובעים את העולם באדום

בזמן חיפוש אחר פיגמנטים פוטוסינתטיים על כוכבי לכת במערכות כוכבים אחרות, אסטרונומים צריכים לזכור שעצמים אלה נמצאים בשלבי אבולוציה שונים. לדוגמה, הם עשויים להיתקל בכוכב הלכת הדומה לכדור הארץ, נניח, לפני 2 מיליארד שנים. כמו כן, יש לזכור כי לאורגניזמים פוטוסינתטיים זרים עשויים להיות תכונות שאינן אופייניות ל"קרובי משפחה" הארציים שלהם. לדוגמה, הם מסוגלים לפצל מולקולות מים באמצעות פוטונים באורך גל ארוך יותר.

האורגניזם באורך הגל הארוך ביותר על פני כדור הארץ הוא החיידק האנוקסגני הסגול, המשתמש בקרינה אינפרא אדומה באורך גל של כ-1015 ננומטר. בעלי השיא בין אורגניזמים חמצניים הם ציאנובקטריות ימיות, הנספגות ב-720 ננומטר. אין גבול עליון לאורך הגל שנקבע על ידי חוקי הפיזיקה. רק שמערכת הפוטוסינתזה צריכה להשתמש במספר גדול יותר של פוטונים באורך גל ארוך בהשוואה לאלה באורך גל קצר.

הגורם המגביל אינו מגוון הפיגמנטים, אלא ספקטרום האור המגיע לפני השטח של כוכב הלכת, אשר בתורו תלוי בסוג הכוכב. אסטרונומים מסווגים כוכבים על סמך צבעם, בהתאם לטמפרטורה, גודלם וגילם. לא כל הכוכבים קיימים מספיק זמן כדי שהחיים יתעוררו ויתפתחו על כוכבי לכת שכנים. הכוכבים הם בעלי חיים ארוכים (לפי סדר הטמפרטורה היורדת) של מחלקות ספקטרליות F, G, K ו-M. השמש שייכת לדרגת G. כוכבים מסוג F גדולים ובהירים יותר מהשמש, הם בוערים, פולטים בהיר יותר אור כחול ונשרף תוך כ-2 מיליארד שנים. כוכבי Class K ו-M הם קטנים יותר בקוטר, קלושים יותר, אדומים יותר ומסווגים כמאריכים חיים.

מסביב לכל כוכב יש מה שנקרא "אזור חיים" - טווח של מסלולים, בהיותם לכוכבי הלכת יש את הטמפרטורה הדרושה לקיומם של מים נוזליים. במערכת השמש, אזור כזה הוא טבעת התחום על ידי מסלולי מאדים וכדור הארץ. לכוכבי F חמים יש אזור חיים רחוק יותר מהכוכב, בעוד שכוכבי K ו-M קרירים יותר קרובים אליו. כוכבי לכת באזור החיים של כוכבי F, G ו-K מקבלים בערך את אותה כמות אור נראה כמו שכדור הארץ מקבל מהשמש. סביר להניח שחיים יכולים להתעורר עליהם בהתבסס על אותה פוטוסינתזה חמצנית כמו על כדור הארץ, אם כי צבע הפיגמנטים עשוי להשתנות בטווח הנראה.

כוכבים מסוג M, מה שנקרא ננסים אדומים, מעניינים במיוחד מדענים מכיוון שהם סוג הכוכבים הנפוץ ביותר בגלקסיה שלנו. הם פולטים פחות אור גלוי באופן ניכר מהשמש: שיא העוצמה בספקטרום שלהם מתרחש ב-IR הקרוב. ג'ון רייבן, ביולוג מאוניברסיטת דנדי בסקוטלנד, וריי וולסטנקרופט, אסטרונום במצפה הכוכבים המלכותי באדינבורו, הציעו שפוטוסינתזה חמצן אפשרית תיאורטית באמצעות פוטונים קרובים לאינפרא אדום. במקרה זה, אורגניזמים יצטרכו להשתמש בשלושה או אפילו בארבעה פוטונים IR כדי לשבור מולקולת מים, בעוד שצמחים יבשתיים משתמשים רק בשני פוטונים, אותם ניתן להשוות למדרגות של רקטה המעניקים אנרגיה לאלקטרון כדי לבצע כימיקל. תְגוּבָה.

כוכבי M צעירים מציגים התלקחויות UV עוצמתיות שניתן להימנע מהן רק מתחת למים. אבל עמודת המים סופגת גם חלקים אחרים של הספקטרום, כך שלאורגניזמים הממוקמים בעומק יהיה חסר מאוד אור. אם כן, ייתכן שפוטוסינתזה על כוכבי הלכת הללו לא תתפתח. ככל שכוכב ה-M מזדקן, כמות הקרינה האולטרה סגולה הנפלטת פוחתת, בשלבים המאוחרים יותר של האבולוציה היא הופכת לפחות ממה שהשמש שלנו פולטת.בתקופה זו, אין צורך בשכבת אוזון מגינה, והחיים על פני כוכבי הלכת יכולים לפרוח גם אם אינם מייצרים חמצן.

לפיכך, אסטרונומים צריכים לשקול ארבעה תרחישים אפשריים בהתאם לסוג וגיל הכוכב.

חיי אוקיינוס אנאירוביים.כוכב במערכת הפלנטרית הוא צעיר, מכל סוג שהוא. אורגניזמים עשויים שלא לייצר חמצן. האטמוספרה יכולה להיות מורכבת מגזים אחרים כמו מתאן.

חיי אוקיינוס אירובי. הכוכב כבר לא צעיר, מכל סוג שהוא. מספיק זמן חלף מאז תחילת הפוטוסינתזה החמצנית להצטברות חמצן באטמוספירה.

חיי אדמה אירוביים. הכוכב בוגר, מכל סוג שהוא. האדמה מכוסה בצמחים. החיים על פני כדור הארץ נמצאים רק בשלב הזה.

חיי אדמה אנאירוביים. כוכב M חלש עם קרינת UV חלשה. צמחים מכסים את האדמה אך עשויים שלא לייצר חמצן.

באופן טבעי, הביטויים של אורגניזמים פוטוסינתטיים בכל אחד מהמקרים הללו יהיו שונים. הניסיון של ירי כוכב הלכת שלנו מלוויינים מעיד על כך שאי אפשר לזהות חיים במעמקי האוקיינוס באמצעות טלסקופ: שני התרחישים הראשונים אינם מבטיחים לנו סימני חיים צבעוניים. הסיכוי היחיד למצוא אותו הוא לחפש גזים אטמוספריים ממקור אורגני. לכן, חוקרים המשתמשים בשיטות צבע כדי לחפש חיים זרים יצטרכו להתמקד בחקר צמחי יבשה עם פוטוסינתזה חמצנית על כוכבי לכת ליד כוכבי F, G ו-K, או על כוכבי לכת של כוכבי M, אך עם כל סוג של פוטוסינתזה.

סימני חיים

חומרים שבנוסף לצבע הצמחים יכולים להוות סימן לנוכחות חיים

חמצן (O₂) ומים (ח₂O) … אפילו על כוכב לכת חסר חיים, האור מכוכב האם הורס מולקולות אדי מים ומייצר כמות קטנה של חמצן באטמוספירה. אבל הגז הזה מתמוסס במהירות במים וגם מחמצן סלעים וגזים געשיים. לכן, אם רואים הרבה חמצן על כוכב לכת עם מים נוזליים, זה אומר שמקורות נוספים מייצרים אותו, ככל הנראה פוטוסינתזה.

אוזון (O₃) … בסטרטוספירה של כדור הארץ, אור אולטרה סגול הורס מולקולות חמצן, אשר בשילובן יוצרות אוזון. יחד עם מים נוזליים, אוזון הוא אינדיקטור חשוב לחיים. בעוד חמצן נראה בספקטרום הנראה, האוזון נראה באינפרא אדום, שקל יותר לזהות באמצעות טלסקופים מסוימים.

מתאן (CH₄) בתוספת חמצן, או מחזורים עונתיים … קשה להשיג את השילוב של חמצן ומתאן ללא פוטוסינתזה. גם תנודות עונתיות בריכוז המתאן הן סימן חיים בטוח. ובכוכב מת, ריכוז המתאן כמעט קבוע: הוא יורד לאט רק כאשר אור השמש מפרק מולקולות

כלורומתאן (CH₃Cl) … על פני כדור הארץ, גז זה נוצר על ידי שריפת צמחים (בעיקר בשריפות יער) ועל ידי חשיפה לאור השמש על פלנקטון וכלור במי ים. חמצון הורס אותו. אבל הפליטה החלשה יחסית של כוכבי M יכולה לאפשר לגז הזה להצטבר בכמות זמינה לרישום.

תחמוצת החנקן (N₂O) … כאשר אורגניזמים מתכלים, חנקן משתחרר בצורה של תחמוצת. מקורות לא ביולוגיים של גז זה זניחים.

שחור הוא הירוק החדש

ללא קשר למאפיינים של כוכב הלכת, פיגמנטים פוטוסינתטיים חייבים לעמוד באותן דרישות כמו בכדור הארץ: לספוג פוטונים עם אורך הגל הקצר ביותר (אנרגיה גבוהה), עם אורך הגל הארוך ביותר (שמרכז התגובה משתמש בו), או הזמין ביותר. כדי להבין כיצד סוג הכוכב קובע את צבע הצמחים, היה צורך לשלב מאמצים של חוקרים מתחומים שונים.

אור כוכבים חולף

צבעם של צמחים תלוי בספקטרום של אור הכוכבים, שאסטרונומים יכולים לצפות בו בקלות, ובבליעת האור באוויר ובמים, שהמחברת ועמיתיה דגלו על סמך ההרכב הסביר של האטמוספרה ותכונות החיים. תמונה "בעולם המדע"

מרטין כהן, אסטרונום מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, אסף נתונים על כוכב F (בוטס סיגמא), כוכב K (אפסילון ארידאני), כוכב M מתלקח באופן פעיל (אריה AD) ו-M רגוע היפותטי. -כוכב עם טמפרטורה של 3100 מעלות צלזיוס. האסטרונומית אנטיגונה סגורה מהאוניברסיטה הלאומית האוטונומית במקסיקו סיטי ביצעה הדמיות ממוחשבות של התנהגותם של כוכבי לכת דמויי כדור הארץ באזור החיים סביב הכוכבים הללו. תוך שימוש במודלים של אלכסנדר פבלוב מאוניברסיטת אריזונה וג'יימס קסטינג מאוניברסיטת פנסילבניה, חקרה סגורה את האינטראקציה של קרינה מכוכבים עם הרכיבים הסבירים של האטמוספרות הפלנטריות (בהנחה שהרי געש פולטים עליהם את אותם גזים כמו על כדור הארץ), תוך ניסיון להבין את אטמוספירות ההרכב הכימי הן חסרות חמצן והן עם תכולתה קרובה לזו של כדור הארץ.

בעזרת התוצאות של סגורה, הפיזיקאית ג'ובאנה טינטי מאוניברסיטת קולג' בלונדון חישבה את בליעת הקרינה באטמוספרות פלנטריות באמצעות המודל של דייוויד קריספ במעבדת ההנעה הסילון בפסדינה, קליפורניה, ששימש להערכת הארה של פאנלים סולאריים על רובי מאדים. פירוש החישובים הללו דרש מאמצים משולבים של חמישה מומחים: המיקרוביולוגית ג'נט סיפרט מאוניברסיטת רייס, הביוכימאים רוברט בלנקנשיפ מאוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס, וגובינדי מאוניברסיטת אילינוי באורבנה, פלנטולוגית ושמפיין. (ויקטוריה מדוז) מאוניברסיטת וושינגטון סטייט. ואני, ביו-מטאורולוג ממכון חקר החלל גודארד של נאס א.

הגענו למסקנה שקרניים כחולות עם שיא של 451 ננומטר מגיעות לרוב לפני השטח של כוכבי לכת ליד כוכבים מסוג F. ליד כוכבי K, הפסגה ממוקמת ב-667 ננומטר, זהו האזור האדום של הספקטרום, הדומה למצב על פני כדור הארץ. במקרה זה, לאוזון תפקיד חשוב, מה שהופך את האור של כוכבי F לכחול יותר, ואת האור של כוכבי K לאדום יותר ממה שהוא בפועל. מסתבר שקרינה המתאימה לפוטוסינתזה במקרה זה נמצאת באזור הנראה של הספקטרום, כמו בכדור הארץ.

לפיכך, צמחים על כוכבי לכת ליד כוכבי F ו-K יכולים להיות בעלי צבע כמעט זהה לאלו שעל כדור הארץ. אבל בכוכבי F, השטף של פוטונים כחולים עשירים באנרגיה הוא עז מדי, ולכן על הצמחים לשקף אותם לפחות חלקית באמצעות פיגמנטים מגנים כמו אנתוציאנין, שיעניקו לצמחים צבע כחלחל. עם זאת, הם יכולים להשתמש רק בפוטונים כחולים לפוטוסינתזה. במקרה זה, כל האור בטווח מירוק לאדום צריך להשתקף. זה יביא לחתוך כחול ייחודי בספקטרום האור המוחזר שניתן לזהות בקלות באמצעות טלסקופ.

טווח הטמפרטורות הרחב של כוכבי M מציע מגוון צבעים לכוכבי הלכת שלהם. כוכב הלכת מקיף כוכב M רגוע ומקבל מחצית מהאנרגיה שכדור הארץ מקבל מהשמש. ולמרות שזה, באופן עקרוני, מספיק לחיים - זה פי 60 יותר ממה שנדרש לצמחים חובבי צל בכדור הארץ - רוב הפוטונים המגיעים מכוכבים אלו שייכים לאזור הקרוב ל-IR של הספקטרום. אבל האבולוציה צריכה להוביל להופעתם של מגוון פיגמנטים שיכולים לתפוס את כל הספקטרום של האור הנראה והאינפרא אדום. צמחים שסופגים כמעט את כל הקרינה שלהם עשויים אפילו להיראות שחורים.

נקודה סגולה קטנה

ההיסטוריה של החיים על פני כדור הארץ מראה שאורגניזמים פוטוסינתטיים ימיים מוקדמים על כוכבי הלכת ליד כוכבי כיתה F, G ו-K יכולים לחיות באטמוספרה נטולת חמצן ראשונית ולפתח מערכת של פוטוסינתזה חמצנית, אשר תוביל מאוחר יותר להופעת צמחים יבשתיים.. המצב עם כוכבים בדרגת M מסובך יותר. תוצאות החישובים שלנו מצביעות על כך שהמקום האופטימלי לפוטוסינתזה הוא 9 מ' מתחת למים: שכבה בעומק זה לוכדת אור אולטרה סגול הרסני, אך מאפשרת לעבור מספיק אור נראה. כמובן, לא נבחין באורגניזמים האלה בטלסקופים שלנו, אבל הם עלולים להפוך לבסיס לחיי האדמה.באופן עקרוני, על כוכבי לכת ליד כוכבי M, חיי הצומח, תוך שימוש בפיגמנטים שונים, יכולים להיות מגוונים כמעט כמו בכדור הארץ.

אך האם טלסקופי חלל עתידיים יאפשרו לנו לראות עקבות חיים על כוכבי הלכת הללו? התשובה תלויה מה יהיה היחס בין פני המים לנחיתה על הפלנטה. בטלסקופים מהדור הראשון כוכבי הלכת ייראו כמו נקודות, ומחקר מפורט של פני השטח שלהם לא בא בחשבון. כל מה שמדענים יקבלו הוא הספקטרום הכולל של האור המוחזר. בהתבסס על החישובים שלו, טינטי טוען שלפחות 20% משטח כדור הארץ חייבים להיות אדמה יבשה מכוסה בצמחים ולא מכוסה בעננים כדי לזהות צמחים בספקטרום זה. מצד שני, ככל ששטח הים גדול יותר, כך הפוטוסינתיזיזרים הימיים משחררים יותר חמצן לאטמוספירה. לכן, ככל שהאינדיקטורים הביולוגיים של הפיגמנטים בולטים יותר, כך קשה יותר להבחין בביואינדיקטורים של חמצן, ולהיפך. אסטרונומים יוכלו לזהות את זה או את זה, אבל לא את שניהם.

מחפשי כוכבי לכת

סוכנות החלל האירופית (ESA) מתכננת לשגר את חללית דארווין בעשר השנים הקרובות כדי לחקור את הספקטרום של כוכבי לכת יבשתיים. מחפש כוכבי הלכת דמויי כדור הארץ של נאס"א יעשה את אותו הדבר אם הסוכנות תקבל מימון. החללית COROT, ששוגרה על ידי ESA בדצמבר 2006, וחללית קפלר, שתוכננה על ידי נאס"א לשיגור ב-2009, נועדו לחפש ירידות קלות בבהירות הכוכבים כאשר כוכבי לכת דמויי כדור הארץ חולפים לפניהם. חללית ה-SIM של נאס"א תחפש תנודות קלות של כוכבים בהשפעת כוכבי לכת.

נוכחותם של חיים על כוכבי לכת אחרים - חיים אמיתיים, לא רק מאובנים או חיידקים שבקושי שורדים בתנאים קיצוניים - עשויה להתגלות בעתיד הקרוב מאוד. אבל אילו כוכבים עלינו ללמוד קודם? האם נוכל לרשום את הספקטרום של כוכבי הלכת הממוקמים קרוב לכוכבים, מה שחשוב במיוחד במקרה של כוכבי M? באילו טווחים ובאיזה רזולוציה צריכים הטלסקופים שלנו לצפות? הבנת היסודות של פוטוסינתזה תעזור לנו ליצור מכשירים חדשים ולפרש את הנתונים שאנו מקבלים. ניתן לפתור בעיות בעלות מורכבות כזו רק בצומת של מדעים שונים. בינתיים אנחנו רק בתחילת הדרך. עצם האפשרות לחפש חיים מחוץ לכדור הארץ תלויה עד כמה אנו מבינים את יסודות החיים כאן על כדור הארץ.