როგორ გამოიყურებიან მცენარეები სხვა ეგზოპლანეტებზე?

2024 ავტორი: Seth Attwood | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2023-12-16 16:09

არამიწიერი სიცოცხლის ძიება აღარ არის სამეცნიერო ფანტასტიკის ან უცხოპლანეტელებზე მონადირეების სფერო. შესაძლოა, თანამედროვე ტექნოლოგიებმა ჯერ ვერ მიაღწიეს საჭირო დონეს, მაგრამ მათი დახმარებით უკვე შეგვიძლია აღმოვაჩინოთ ცოცხალი არსებების ძირითადი პროცესების ფიზიკური და ქიმიური გამოვლინებები.

ასტრონომებმა აღმოაჩინეს 200-ზე მეტი პლანეტა, რომლებიც მზის სისტემის გარეთ ბრუნავს ვარსკვლავებს. ჯერჯერობით ცალსახა პასუხის გაცემა არ შეგვიძლია მათზე სიცოცხლის არსებობის ალბათობაზე, მაგრამ ეს მხოლოდ დროის საკითხია. 2007 წლის ივლისში, ეგზოპლანეტის ატმოსფეროში გავლილი ვარსკვლავების შუქის ანალიზის შემდეგ, ასტრონომებმა დაადასტურეს მასზე წყლის არსებობა. ახლა მუშავდება ტელესკოპები, რომლებიც შესაძლებელს გახდის სიცოცხლის კვალის ძიებას პლანეტებზე, როგორიცაა დედამიწა, მათი სპექტრით.

ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი ფაქტორი, რომელიც გავლენას ახდენს პლანეტის მიერ არეკლილი სინათლის სპექტრზე, შეიძლება იყოს ფოტოსინთეზის პროცესი. მაგრამ შესაძლებელია თუ არა ეს სხვა სამყაროში? საკმაოდ! დედამიწაზე ფოტოსინთეზი თითქმის ყველა ცოცხალი არსების საფუძველია. იმისდა მიუხედავად, რომ ზოგიერთმა ორგანიზმმა ისწავლა მეთანში და ოკეანის ჰიდროთერმულ სავენტილაციო ნაკადებში ამაღლებულ ტემპერატურაზე ცხოვრება, ჩვენი პლანეტის ზედაპირზე ეკოსისტემების სიმდიდრე მზის შუქს გვმართებს.

ერთის მხრივ, ფოტოსინთეზის პროცესში წარმოიქმნება ჟანგბადი, რომელიც მისგან წარმოქმნილ ოზონთან ერთად შეიძლება მოიძებნოს პლანეტის ატმოსფეროში. მეორეს მხრივ, პლანეტის ფერი შეიძლება მიუთითებდეს მის ზედაპირზე სპეციალური პიგმენტების, როგორიცაა ქლოროფილის არსებობა. თითქმის ერთი საუკუნის წინ, როდესაც შენიშნეს მარსის ზედაპირის სეზონური დაბნელება, ასტრონომებმა მასზე მცენარეების არსებობა ეჭვობდნენ. პლანეტის ზედაპირიდან არეკლილი სინათლის სპექტრში ცდილობდნენ მწვანე მცენარეების ნიშნების აღმოჩენას. მაგრამ ამ მიდგომის საეჭვოობა დაინახა მწერალმა ჰერბერტ უელსმაც კი, რომელიც თავის „სამყაროების ომში“აღნიშნავდა: „ცხადია, მარსის მცენარეულ სამეფოს, მიწიერისგან განსხვავებით, სადაც მწვანე ჭარბობს, სისხლიანია. წითელი ფერი. ახლა ჩვენ ვიცით, რომ მარსზე მცენარეები არ არის და ზედაპირზე მუქი უბნების გამოჩენა დაკავშირებულია მტვრის შტორმებთან. თავად უელსი დარწმუნებული იყო, რომ მარსის ფერს არანაკლებ მცენარეები განსაზღვრავენ, რომლებიც ფარავს მის ზედაპირს.

დედამიწაზეც კი, ფოტოსინთეზური ორგანიზმები არ შემოიფარგლება მხოლოდ მწვანეთ: ზოგიერთ მცენარეს აქვს წითელი ფოთლები, სხვადასხვა წყალმცენარეები და ფოტოსინთეზური ბაქტერიები ცისარტყელას ყველა ფერში ანათებს. და მეწამული ბაქტერიები ხილული სინათლის გარდა მზის ინფრაწითელ გამოსხივებას იყენებენ. მაშ რა გაიმარჯვებს სხვა პლანეტებზე? და როგორ დავინახოთ ეს? პასუხი დამოკიდებულია მექანიზმებზე, რომლითაც უცხოპლანეტელი ფოტოსინთეზი ითვისებს მისი ვარსკვლავის შუქს, რომელიც განსხვავდება მზისგან გამოსხივების ბუნებით. გარდა ამისა, ატმოსფეროს განსხვავებული შემადგენლობა ასევე მოქმედებს პლანეტის ზედაპირზე რადიაციის ინციდენტის სპექტრულ შემადგენლობაზე.

სპექტრული M კლასის ვარსკვლავები (წითელი ჯუჯები) სუსტად ანათებენ, ამიტომ მათ მახლობლად დედამიწის მსგავს პლანეტებზე მცენარეები შავი უნდა იყოს, რათა რაც შეიძლება მეტი სინათლე შთანთქას. ახალგაზრდა M ვარსკვლავები წვავს პლანეტების ზედაპირს ულტრაიისფერი ელვარებით, ამიტომ ორგანიზმები იქ უნდა იყოს წყლის. ჩვენი მზე არის კლასის G. ხოლო F-კლასის ვარსკვლავებთან ახლოს, მცენარეები იღებენ ძალიან ბევრ შუქს და უნდა აირეკლონ მისი მნიშვნელოვანი ნაწილი.

იმისთვის, რომ წარმოიდგინოთ, როგორი იქნება ფოტოსინთეზი სხვა სამყაროებში, ჯერ უნდა გესმოდეთ, როგორ ახორციელებენ მას მცენარეები დედამიწაზე.მზის სინათლის ენერგეტიკულ სპექტრს აქვს პიკი ლურჯ-მწვანე რეგიონში, რამაც მეცნიერებს დიდი ხნის განმავლობაში აინტერესებდა, რატომ არ შთანთქავენ მცენარეები ყველაზე ხელმისაწვდომ მწვანე შუქს, არამედ, პირიქით, ასახავს მას? აღმოჩნდა, რომ ფოტოსინთეზის პროცესი დამოკიდებულია არა იმდენად მზის ენერგიის მთლიან რაოდენობაზე, არამედ ცალკეული ფოტონების ენერგიასა და სინათლის შემადგენელი ფოტონების რაოდენობაზე.

თითოეული ცისფერი ფოტონი უფრო მეტ ენერგიას ატარებს, ვიდრე წითელი, მაგრამ მზე უპირატესად წითელს ასხივებს. მცენარეები იყენებენ ლურჯ ფოტონებს მათი ხარისხის გამო, ხოლო წითელს მათი რაოდენობის გამო. მწვანე სინათლის ტალღის სიგრძე ზუსტად წითელსა და ლურჯს შორისაა, მაგრამ მწვანე ფოტონები არ განსხვავდებიან ხელმისაწვდომობით ან ენერგიით, ამიტომ მცენარეები მათ არ იყენებენ.

ფოტოსინთეზის დროს ნახშირბადის ერთი ატომის დასაფიქსირებლად (ნახშირორჟანგი, CO₂) შაქრის მოლეკულაში საჭიროა მინიმუმ რვა ფოტონი, ხოლო წყალბად-ჟანგბადის ბმის გაწყვეტისთვის წყლის მოლეკულაში (H₂ო) - მხოლოდ ერთი. ამ შემთხვევაში ჩნდება თავისუფალი ელექტრონი, რომელიც აუცილებელია შემდგომი რეაქციისთვის. საერთო ჯამში, ერთი ჟანგბადის მოლეკულის ფორმირებისთვის (O₂) ოთხი ასეთი ბმა უნდა დაირღვეს. შაქრის მოლეკულის წარმოქმნის მეორე რეაქციისთვის საჭიროა მინიმუმ ოთხი ფოტონი. უნდა აღინიშნოს, რომ ფოტონს უნდა ჰქონდეს გარკვეული მინიმალური ენერგია, რათა მონაწილეობა მიიღოს ფოტოსინთეზში.

მცენარეების მიერ მზის შუქის შთანთქმა ნამდვილად ბუნების ერთ-ერთი საოცრებაა. ფოტოსინთეზური პიგმენტები არ გვხვდება როგორც ცალკეული მოლეკულები. ისინი ქმნიან კლასტერებს, რომლებიც შედგება, როგორც ეს იყო, მრავალი ანტენისგან, რომელთაგან თითოეული მორგებულია გარკვეული ტალღის სიგრძის ფოტონების აღქმაზე. ქლოროფილი ძირითადად შთანთქავს წითელ და ლურჯ შუქს, ხოლო კაროტინოიდური პიგმენტები, რომლებიც შემოდგომის ფოთლებს წითელ და ყვითელს აძლევს, აღიქვამენ ლურჯის განსხვავებულ ელფერს. ამ პიგმენტებით შეგროვებული მთელი ენერგია მიეწოდება ქლოროფილის მოლეკულას, რომელიც მდებარეობს რეაქციის ცენტრში, სადაც წყალი იშლება ჟანგბადის წარმოქმნით.

რეაქციის ცენტრში მოლეკულების კომპლექსს შეუძლია ქიმიური რეაქციების განხორციელება მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ იგი მიიღებს წითელ ფოტონებს ან ენერგიის ექვივალენტურ რაოდენობას სხვა ფორმით. ცისფერი ფოტონების გამოსაყენებლად, ანტენის პიგმენტები გარდაქმნის მათ მაღალ ენერგიას დაბალ ენერგიად, ისევე როგორც დაღმავალი ტრანსფორმატორების სერია ამცირებს ელექტროგადამცემი ხაზის 100000 ვოლტს 220 ვოლტ კედელზე. პროცესი იწყება მაშინ, როდესაც ლურჯი ფოტონი ეჯახება პიგმენტს, რომელიც შთანთქავს ლურჯ შუქს და გადასცემს ენერგიას მისი მოლეკულის ერთ-ერთ ელექტრონს. როდესაც ელექტრონი უბრუნდება საწყის მდგომარეობას, ის გამოყოფს ამ ენერგიას, მაგრამ სითბოს და ვიბრაციული დანაკარგების გამო, იმაზე ნაკლებს, ვიდრე შთანთქავს.

ამასთან, პიგმენტის მოლეკულა თმობს მიღებულ ენერგიას არა ფოტონის სახით, არამედ სხვა პიგმენტის მოლეკულასთან ელექტრული ურთიერთქმედების სახით, რომელსაც შეუძლია ქვედა დონის ენერგიის შთანთქმა. თავის მხრივ, მეორე პიგმენტი გამოყოფს კიდევ უფრო ნაკლებ ენერგიას და ეს პროცესი გრძელდება მანამ, სანამ ორიგინალური ცისფერი ფოტონის ენერგია წითელ დონემდე დაეცემა.

რეაქციის ცენტრი, როგორც კასკადის მიმღები, ადაპტირებულია ხელმისაწვდომი ფოტონების შთანთქმისთვის მინიმალური ენერგიით. ჩვენი პლანეტის ზედაპირზე წითელი ფოტონები ყველაზე მრავალრიცხოვანია და ამავდროულად ყველაზე დაბალი ენერგია აქვთ ხილული სპექტრის ფოტონებს შორის.

მაგრამ წყალქვეშა ფოტოსინთეზატორებისთვის წითელი ფოტონები არ უნდა იყოს ყველაზე უხვი. სინათლის არე, რომელიც გამოიყენება ფოტოსინთეზისთვის, იცვლება სიღრმით, რადგან წყალი, მასში გახსნილი ნივთიერებები და ზედა ფენებში მყოფი ორგანიზმები ფილტრავენ სინათლეს. შედეგი არის ცოცხალი ფორმების მკაფიო სტრატიფიკაცია მათი პიგმენტების ნაკრების შესაბამისად. წყლის ღრმა ფენების ორგანიზმებს აქვთ პიგმენტები, რომლებიც მორგებულია იმ ფერების შუქზე, რომლებიც არ შეიწოვება ზემოთ ფენების მიერ. მაგალითად, წყალმცენარეებსა და ციანეას აქვთ პიგმენტები ფიკოციანინი და ფიკოერიტრინი, რომლებიც შთანთქავენ მწვანე და ყვითელ ფოტონებს. ანოქსიგენურში (ე.ი.არაჟანგბადის წარმომქმნელი ბაქტერიები არის ბაქტერიოქლოროფილი, რომელიც შთანთქავს სინათლეს შორეული წითელი და ახლო ინფრაწითელი (IR) რეგიონებიდან, რომელსაც შეუძლია შეაღწიოს მხოლოდ წყლის პირქუშ სიღრმეში.

ორგანიზმები, რომლებიც ადაპტირებულნი არიან დაბალ განათებასთან, უფრო ნელა იზრდებიან, რადგან მათ უფრო მეტი შრომა უწევთ იმისათვის, რომ აითვისონ მათთვის ხელმისაწვდომი შუქი. პლანეტის ზედაპირზე, სადაც სინათლე უხვადაა, მცენარეებისთვის არახელსაყრელი იქნება ჭარბი პიგმენტების გამომუშავება, ამიტომ ისინი შერჩევით იყენებენ ფერებს. იგივე ევოლუციური პრინციპები უნდა მუშაობდეს სხვა პლანეტურ სისტემებშიც.

ისევე, როგორც წყლის არსებები ადაპტირდნენ წყლის მიერ გაფილტრულ სინათლეს, მიწის მაცხოვრებლები ადაპტირდნენ ატმოსფერული გაზებით გაფილტრულ სინათლეს. დედამიწის ატმოსფეროს ზედა ნაწილში ყველაზე უხვი ფოტონები ყვითელია, ტალღის სიგრძე 560-590 ნმ. ფოტონების რაოდენობა თანდათან მცირდება გრძელი ტალღებისკენ და მკვეთრად იშლება მოკლე ტალღებისკენ. როდესაც მზის შუქი გადის ზედა ატმოსფეროში, წყლის ორთქლი შთანთქავს IR 700 ნმ-ზე მეტ ზოლში. ჟანგბადი აწარმოებს შთანთქმის ხაზების ვიწრო დიაპაზონს 687 და 761 ნმ. ყველამ იცის, რომ ოზონი (ოჰ₃) სტრატოსფეროში აქტიურად შთანთქავს ულტრაიისფერ (UV) სინათლეს, მაგრამ ასევე ოდნავ შთანთქავს სპექტრის ხილულ რეგიონში.

ასე რომ, ჩვენი ატმოსფერო ტოვებს ფანჯრებს, რომლებითაც რადიაცია აღწევს პლანეტის ზედაპირს. ხილული გამოსხივების დიაპაზონი ლურჯ მხარეს შემოიფარგლება მზის სპექტრის მკვეთრი შეწყვეტით მოკლე ტალღის სიგრძის რეგიონში და ულტრაიისფერი შთანთქმის ოზონით. წითელი საზღვარი განისაზღვრება ჟანგბადის შთანთქმის ხაზებით. ფოტონების რაოდენობის პიკი ყვითელიდან წითელზე გადადის (დაახლოებით 685 ნმ) ხილულ რეგიონში ოზონის ფართო შთანთქმის გამო.

მცენარეები ადაპტირებულია ამ სპექტრთან, რომელიც ძირითადად განისაზღვრება ჟანგბადით. მაგრამ უნდა გვახსოვდეს, რომ მცენარეები თავად ამარაგებენ ატმოსფეროს ჟანგბადს. როდესაც დედამიწაზე პირველი ფოტოსინთეზური ორგანიზმები გამოჩნდნენ, ატმოსფეროში ჟანგბადი ცოტა იყო, ამიტომ მცენარეებს ქლოროფილის გარდა სხვა პიგმენტების გამოყენება მოუწიათ. მხოლოდ დროის გასვლის შემდეგ, როდესაც ფოტოსინთეზმა შეცვალა ატმოსფეროს შემადგენლობა, ქლოროფილი გახდა ოპტიმალური პიგმენტი.

ფოტოსინთეზის სანდო ნამარხი მტკიცებულება დაახლოებით 3,4 მილიარდი წლისაა, მაგრამ ადრე ნამარხი ნაშთები ამ პროცესის ნიშნებს აჩვენებენ. პირველი ფოტოსინთეზური ორგანიზმები წყალქვეშ უნდა ყოფილიყო, ნაწილობრივ იმიტომ, რომ წყალი კარგი გამხსნელია ბიოქიმიური რეაქციებისთვის და ასევე იმიტომ, რომ ის უზრუნველყოფს მზის UV გამოსხივებისგან დაცვას, რაც მნიშვნელოვანი იყო ატმოსფერული ოზონის შრის არარსებობის შემთხვევაში. ასეთი ორგანიზმები იყო წყალქვეშა ბაქტერიები, რომლებიც შთანთქავდნენ ინფრაწითელ ფოტონებს. მათი ქიმიური რეაქციები მოიცავდა წყალბადს, წყალბადის სულფიდს, რკინას, მაგრამ არა წყალს; ამიტომ ისინი არ ასხივებდნენ ჟანგბადს. და მხოლოდ 2, 7 მილიარდი წლის წინ, ოკეანეებში ციანობაქტერიებმა დაიწყეს ჟანგბადის ფოტოსინთეზი ჟანგბადის გამოყოფით. თანდათან გაიზარდა ჟანგბადის და ოზონის შრის რაოდენობა, რაც საშუალებას აძლევდა წითელ და ყავისფერ წყალმცენარეებს ამოსულიყვნენ ზედაპირზე. და როდესაც არაღრმა წყლებში წყლის დონე საკმარისი იყო ულტრაიისფერი სხივებისგან დასაცავად, გაჩნდა მწვანე წყალმცენარეები. მათ ჰქონდათ რამდენიმე ფიკობილიპროტეინი და უკეთესად იყვნენ ადაპტირებული ნათელ შუქზე წყლის ზედაპირთან ახლოს. ატმოსფეროში ჟანგბადის დაგროვების დაწყებიდან 2 მილიარდი წლის შემდეგ, ხმელეთზე მწვანე წყალმცენარეების - მცენარეების შთამომავლები გამოჩნდნენ.

ფლორამ მნიშვნელოვანი ცვლილებები განიცადა - ფორმების მრავალფეროვნება სწრაფად გაიზარდა: ხავსებიდან და ღვიძლიდან დამთავრებული სისხლძარღვოვანი მცენარეებით მაღალი გვირგვინებით, რომლებიც შთანთქავენ მეტ შუქს და ადაპტირებულნი არიან სხვადასხვა კლიმატურ ზონებში. წიწვოვანი ხეების კონუსური გვირგვინები ეფექტურად შთანთქავს სინათლეს მაღალ განედებში, სადაც მზე თითქმის არ ამოდის ჰორიზონტზე. ჩრდილების მოყვარული მცენარეები აწარმოებენ ანტოციანინს, რათა დაიცვან ნათელი სინათლისგან. მწვანე ქლოროფილი არა მხოლოდ კარგად არის ადაპტირებული ატმოსფეროს თანამედროვე შემადგენლობასთან, არამედ ხელს უწყობს მის შენარჩუნებას, ჩვენი პლანეტის გამწვანებას.შესაძლებელია, რომ ევოლუციის შემდეგი ნაბიჯი უპირატესობას ანიჭებს ორგანიზმს, რომელიც ცხოვრობს ჩრდილში ხეების გვირგვინების ქვეშ და იყენებს ფიკობილინს მწვანე და ყვითელი სინათლის შთანთქმისთვის. მაგრამ ზედა იარუსის მაცხოვრებლები, როგორც ჩანს, მწვანე დარჩებიან.

სამყაროს წითლად ხატვა

სხვა ვარსკვლავური სისტემების პლანეტებზე ფოტოსინთეზური პიგმენტების ძიებისას ასტრონომებმა უნდა ახსოვდეს, რომ ეს ობიექტები ევოლუციის სხვადასხვა სტადიაზე იმყოფებიან. მაგალითად, ისინი შეიძლება შეხვდნენ დედამიწის მსგავს პლანეტას, ვთქვათ, 2 მილიარდი წლის წინ. გასათვალისწინებელია ისიც, რომ უცხო ფოტოსინთეზურ ორგანიზმებს შეიძლება ჰქონდეთ ისეთი თვისებები, რომლებიც არ არის დამახასიათებელი მათი ხმელეთის „ნათესავებისთვის“. მაგალითად, მათ შეუძლიათ წყლის მოლეკულების გაყოფა უფრო გრძელი ტალღის სიგრძის ფოტონების გამოყენებით.

დედამიწაზე ყველაზე გრძელი ტალღის ორგანიზმი არის მეწამული ანოქსიგენური ბაქტერია, რომელიც იყენებს ინფრაწითელ გამოსხივებას ტალღის სიგრძით დაახლოებით 1015 ნმ. ჟანგბადის შემცველ ორგანიზმებს შორის რეკორდსმენები არიან ზღვის ციანობაქტერიები, რომლებიც შთანთქავენ 720 ნმ. არ არსებობს ტალღის სიგრძის ზედა ზღვარი, რომელიც განისაზღვრება ფიზიკის კანონებით. უბრალოდ, ფოტოსინთეზის სისტემამ უნდა გამოიყენოს უფრო დიდი რაოდენობის გრძელტალღოვანი ფოტონები მოკლე ტალღის სიგრძის ფოტოებთან შედარებით.

შემზღუდველი ფაქტორი არ არის პიგმენტების მრავალფეროვნება, არამედ პლანეტის ზედაპირამდე მიმავალი სინათლის სპექტრი, რაც თავის მხრივ დამოკიდებულია ვარსკვლავის ტიპზე. ასტრონომები კლასიფიცირებენ ვარსკვლავებს მათი ფერის მიხედვით, მათი ტემპერატურის, ზომისა და ასაკის მიხედვით. ყველა ვარსკვლავი არ არსებობს იმდენი ხანი, რომ სიცოცხლე წარმოიქმნას და განვითარდეს მეზობელ პლანეტებზე. ვარსკვლავები გრძელვადიანია (ტემპერატურის კლების მიხედვით) სპექტრული კლასებიდან F, G, K და M. მზე მიეკუთვნება G კლასს. F კლასის ვარსკვლავები მზეზე დიდი და კაშკაშაა, ისინი იწვიან, ასხივებენ უფრო კაშკაშას. ლურჯი ნათება და დაიწვება დაახლოებით 2 მილიარდ წელიწადში. K და M კლასის ვარსკვლავები დიამეტრით უფრო მცირეა, უფრო მკრთალი, წითელი და კლასიფიცირებულია როგორც გრძელვადიანი.

ყოველი ვარსკვლავის გარშემო არის ეგრეთ წოდებული „სიცოცხლის ზონა“- ორბიტების დიაპაზონი, რომლებზეც პლანეტებს აქვთ თხევადი წყლის არსებობისთვის საჭირო ტემპერატურა. მზის სისტემაში ასეთი ზონაა მარსის და დედამიწის ორბიტებით შემოსაზღვრული რგოლი. ცხელ F ვარსკვლავებს აქვთ სიცოცხლის ზონა ვარსკვლავისგან უფრო შორს, ხოლო უფრო გრილი K და M ვარსკვლავები უფრო ახლოს არიან. F-, G- და K-ვარსკვლავების სიცოცხლის ზონაში მყოფი პლანეტები დაახლოებით იმავე რაოდენობის ხილულ შუქს იღებენ, რასაც დედამიწა მზისგან იღებს. სავარაუდოა, რომ მათზე სიცოცხლე შეიძლება წარმოიშვას იმავე ჟანგბადის ფოტოსინთეზის საფუძველზე, როგორც დედამიწაზე, თუმცა პიგმენტების ფერი შეიძლება შეიცვალოს ხილულ დიაპაზონში.

M ტიპის ვარსკვლავები, ეგრეთ წოდებული წითელი ჯუჯები, განსაკუთრებით საინტერესოა მეცნიერებისთვის, რადგან ისინი ყველაზე გავრცელებული ტიპის ვარსკვლავებია ჩვენს გალაქტიკაში. ისინი ასხივებენ შესამჩნევად ნაკლებ ხილულ შუქს, ვიდრე მზე: ინტენსივობის პიკი მათ სპექტრში ხდება ახლო IR-ში. ჯონ რავენი, შოტლანდიის დანდის უნივერსიტეტის ბიოლოგი და რეი ვოლსტენკროფი, ედინბურგის სამეფო ობსერვატორიის ასტრონომი, ვარაუდობენ, რომ ჟანგბადის ფოტოსინთეზი თეორიულად შესაძლებელია ახლო ინფრაწითელი ფოტონების გამოყენებით. ამ შემთხვევაში, ორგანიზმებს მოუწევთ გამოიყენონ სამი ან თუნდაც ოთხი IR ფოტონი წყლის მოლეკულის გასატეხად, ხოლო ხმელეთის მცენარეები იყენებენ მხოლოდ ორ ფოტონს, რაც შეიძლება შევადაროთ რაკეტის საფეხურებს, რომლებიც ენერგიას აწვდიან ელექტრონს ქიმიური ნივთიერების განსახორციელებლად. რეაქცია.

ახალგაზრდა M ვარსკვლავები ავლენენ ძლიერ ულტრაიისფერი სხივებს, რომელთა თავიდან აცილება მხოლოდ წყალქვეშაა შესაძლებელი. მაგრამ წყლის სვეტი ასევე შთანთქავს სპექტრის სხვა ნაწილებს, ამიტომ სიღრმეში მდებარე ორგანიზმებს სინათლე ძალიან აკლიათ. თუ ასეა, მაშინ ამ პლანეტებზე ფოტოსინთეზი შეიძლება არ განვითარდეს. როგორც M-ვარსკვლავი დაბერდება, გამოსხივებული ულტრაიისფერი გამოსხივების რაოდენობა მცირდება, ევოლუციის შემდგომ ეტაპებზე ის უფრო ნაკლები ხდება ვიდრე ჩვენი მზე ასხივებს.ამ პერიოდში ოზონის დამცავი შრის საჭიროება არ არის და პლანეტების ზედაპირზე სიცოცხლე შეიძლება აყვავდეს მაშინაც კი, თუ ის არ გამოიმუშავებს ჟანგბადს.

ამრიგად, ასტრონომებმა უნდა განიხილონ ოთხი შესაძლო სცენარი, რომელიც დამოკიდებულია ვარსკვლავის ტიპსა და ასაკზე.

ანაერობული ოკეანის ცხოვრება.პლანეტარული სისტემის ვარსკვლავი ახალგაზრდაა, ნებისმიერი ტიპის. ორგანიზმებმა შეიძლება არ გამოიმუშაონ ჟანგბადი. ატმოსფერო შეიძლება შედგებოდეს სხვა გაზებისგან, როგორიცაა მეთანი.

აერობული ოკეანის ცხოვრება. ვარსკვლავი აღარ არის ახალგაზრდა, ნებისმიერი ტიპის. ჟანგბადის ფოტოსინთეზის დაწყებიდან საკმარისი დრო გავიდა ატმოსფეროში ჟანგბადის დაგროვებისთვის.

აერობული სახმელეთო ცხოვრება. ვარსკვლავი მომწიფებულია, ნებისმიერი ტიპის. მიწა დაფარულია მცენარეებით. დედამიწაზე სიცოცხლე სწორედ ამ ეტაპზეა.

ანაერობული სახმელეთო ცხოვრება. სუსტი M ვარსკვლავი სუსტი ულტრაიისფერი გამოსხივებით. მცენარეები ფარავს მიწას, მაგრამ შეიძლება არ გამოიმუშაოს ჟანგბადი.

ბუნებრივია, ფოტოსინთეზური ორგანიზმების გამოვლინებები თითოეულ ამ შემთხვევაში განსხვავებული იქნება. ჩვენი პლანეტის თანამგზავრებიდან სროლის გამოცდილება გვაფიქრებინებს, რომ ტელესკოპის გამოყენებით ოკეანის სიღრმეში სიცოცხლის აღმოჩენა შეუძლებელია: პირველი ორი სცენარი სიცოცხლის ფერად ნიშანს არ გვპირდება. მისი პოვნის ერთადერთი შანსი არის ორგანული წარმოშობის ატმოსფერული აირების ძიება. ამიტომ, მკვლევარებს, რომლებიც იყენებენ ფერთა მეთოდებს უცხო სიცოცხლის მოსაძებნად, ყურადღება უნდა გაამახვილონ ჟანგბადის ფოტოსინთეზის მქონე ხმელეთის მცენარეების შესწავლაზე F-, G- და K-ვარსკვლავებთან ახლოს, ან M-ვარსკვლავების პლანეტებზე, მაგრამ ნებისმიერი ტიპის ფოტოსინთეზით.

სიცოცხლის ნიშნები

ნივთიერებები, რომლებიც, გარდა მცენარეთა ფერისა, შეიძლება სიცოცხლის არსებობის ნიშანი იყოს

ჟანგბადი (O₂) და წყალი (H₂ო) … უსიცოცხლო პლანეტაზეც კი, დედა ვარსკვლავის შუქი ანადგურებს წყლის ორთქლის მოლეკულებს და წარმოქმნის მცირე რაოდენობით ჟანგბადს ატმოსფეროში. მაგრამ ეს გაზი სწრაფად იხსნება წყალში და ასევე აჟანგებს ქანებს და ვულკანურ აირებს. ამიტომ, თუ პლანეტაზე თხევადი წყლის მქონე პლანეტაზე ბევრი ჟანგბადი ჩანს, ეს ნიშნავს, რომ მას დამატებითი წყაროები წარმოქმნის, სავარაუდოდ ფოტოსინთეზი.

ოზონი (O₃) … დედამიწის სტრატოსფეროში ულტრაიისფერი შუქი ანადგურებს ჟანგბადის მოლეკულებს, რომლებიც შერწყმისას წარმოქმნიან ოზონს. თხევად წყალთან ერთად ოზონი სიცოცხლის მნიშვნელოვანი მაჩვენებელია. მიუხედავად იმისა, რომ ჟანგბადი ჩანს ხილულ სპექტრში, ოზონი ჩანს ინფრაწითელში, რაც უფრო ადვილია გამოვლენილი ზოგიერთი ტელესკოპით.

მეთანი (CH₄) პლუს ჟანგბადი, ან სეზონური ციკლები … ჟანგბადისა და მეთანის კომბინაცია ფოტოსინთეზის გარეშე ძნელია. მეთანის კონცენტრაციის სეზონური რყევები ასევე სიცოცხლის დარწმუნებული ნიშანია. მკვდარ პლანეტაზე კი მეთანის კონცენტრაცია თითქმის მუდმივია: ის მხოლოდ ნელა მცირდება, რადგან მზის შუქი ანადგურებს მოლეკულებს.

ქლორმეთანი (CH₃Cl) … დედამიწაზე ეს გაზი წარმოიქმნება მცენარეების დაწვით (ძირითადად ტყის ხანძრის დროს) და მზის სხივების ზემოქმედებით პლანქტონზე და ქლორზე ზღვის წყალში. დაჟანგვა ანადგურებს მას. მაგრამ M-ვარსკვლავების შედარებით სუსტ ემისიას შეუძლია ამ გაზის დაგროვების საშუალება მისცეს რეგისტრაციისთვის ხელმისაწვდომი რაოდენობით.

აზოტის ოქსიდი (N₂ო) … როდესაც ორგანიზმები იშლება, აზოტი გამოიყოფა ოქსიდის სახით. ამ გაზის არაბიოლოგიური წყაროები უმნიშვნელოა.

შავი არის ახალი მწვანე

პლანეტის მახასიათებლების მიუხედავად, ფოტოსინთეზური პიგმენტები უნდა აკმაყოფილებდეს იმავე მოთხოვნებს, როგორც დედამიწაზე: შთანთქავს ფოტონებს უმოკლეს ტალღის სიგრძით (მაღალი ენერგია), ყველაზე გრძელი ტალღის სიგრძით (რასაც იყენებს რეაქციის ცენტრი) ან ყველაზე ხელმისაწვდომი. იმის გასაგებად, თუ როგორ განსაზღვრავს ვარსკვლავის ტიპი მცენარეების ფერს, საჭირო იყო სხვადასხვა სპეციალობის მკვლევართა ძალისხმევის გაერთიანება.

ვარსკვლავის შუქი გადის

მცენარეების ფერი დამოკიდებულია ვარსკვლავური შუქის სპექტრზე, რომელსაც ასტრონომები ადვილად აკვირდებიან, და ჰაერისა და წყლის მიერ სინათლის შთანთქმაზე, რომელიც ავტორმა და მისმა კოლეგებმა შექმნეს ატმოსფეროს სავარაუდო შემადგენლობისა და სიცოცხლის თვისებების მიხედვით. სურათი "მეცნიერების სამყაროში"

მარტინ კოენმა, კალიფორნიის უნივერსიტეტის ასტრონომმა, ბერკლიში, შეაგროვა მონაცემები F-ვარსკვლავის (Bootes sigma), K-ვარსკვლავის (epsilon Eridani), აქტიურად ანთებული M-ვარსკვლავის (AD Leo) და ჰიპოთეტური მშვიდი M-ის შესახებ. -ვარსკვლავი 3100 °C ტემპერატურით. მეხიკოს ეროვნული ავტონომიური უნივერსიტეტის ასტრონომმა ანტიგონა სეგურამ ჩაატარა დედამიწის მსგავსი პლანეტების ქცევის კომპიუტერული სიმულაციები ამ ვარსკვლავების გარშემო სიცოცხლის ზონაში. არიზონას უნივერსიტეტის ალექსანდრე პავლოვისა და პენსილვანიის უნივერსიტეტის ჯეიმს კასტინგის მოდელების გამოყენებით, სეგურამ შეისწავლა ვარსკვლავების რადიაციის ურთიერთქმედება პლანეტარული ატმოსფეროს სავარაუდო კომპონენტებთან (დავარაუდეთ, რომ ვულკანები მათზე იმავე გაზებს ასხივებენ, როგორც დედამიწაზე). გაერკვია ატმოსფეროს ქიმიური შემადგენლობით, რომელსაც აკლია ჟანგბადი და მისი შემცველობა დედამიწასთან ახლოს.

Segura-ს შედეგების გამოყენებით, ლონდონის საუნივერსიტეტო კოლეჯის ფიზიკოსმა ჯოვანა ტინეტიმ გამოთვალა რადიაციის შთანთქმა პლანეტურ ატმოსფეროში დევიდ კრისპის მოდელის გამოყენებით პასადენაში, კალიფორნიაში, რეაქტიული ძრავის ლაბორატორიაში, რომელიც გამოიყენებოდა მარსის როვერებზე მზის პანელების განათების შესაფასებლად. ამ გამოთვლების ინტერპრეტაციას მოითხოვდა ხუთი ექსპერტის ერთობლივი ძალისხმევა: მიკრობიოლოგი ჯანეტ ზიფერტი რაისის უნივერსიტეტიდან, ბიოქიმიკოსები რობერტ ბლანკენშიპი ვაშინგტონის უნივერსიტეტიდან სენტ-ლუისში და გოვინჯიე ილინოისის უნივერსიტეტიდან ურბანაში, პლანეტოლოგი და შამპანი (ვიქტორია მედოუსი) ვაშინგტონის სახელმწიფო უნივერსიტეტიდან. და მე, ნასას გოდარდის კოსმოსური კვლევის ინსტიტუტის ბიომეტეოროლოგი.

ჩვენ დავასკვენით, რომ ლურჯი სხივები, რომელთა პიკი 451 ნმ-ზეა, ძირითადად აღწევს პლანეტების ზედაპირებს F კლასის ვარსკვლავებთან. K-ვარსკვლავების მახლობლად, პიკი მდებარეობს 667 ნმ, ეს არის სპექტრის წითელი რეგიონი, რომელიც ჰგავს დედამიწაზე არსებულ ვითარებას. ამ შემთხვევაში ოზონი მნიშვნელოვან როლს ასრულებს, რაც F-ვარსკვლავების შუქს უფრო ცისფერს ხდის, ხოლო K-ვარსკვლავების შუქს უფრო წითელს, ვიდრე სინამდვილეშია. გამოდის, რომ ფოტოსინთეზისთვის შესაფერისი გამოსხივება ამ შემთხვევაში დევს სპექტრის ხილულ რეგიონში, როგორც დედამიწაზე.

ამრიგად, F და K ვარსკვლავებთან ახლოს მდებარე პლანეტებზე მცენარეებს შეიძლება ჰქონდეთ თითქმის იგივე ფერი, რაც დედამიწაზე. მაგრამ F ვარსკვლავებში ენერგიით მდიდარი ცისფერი ფოტონების ნაკადი ძალიან ინტენსიურია, ამიტომ მცენარეებმა ნაწილობრივ მაინც უნდა აირეკლონ ისინი დამცავი პიგმენტების გამოყენებით, როგორიცაა ანტოციანინი, რაც მცენარეებს მოლურჯო შეფერილობას მისცემს. თუმცა, მათ შეუძლიათ მხოლოდ ლურჯი ფოტონების გამოყენება ფოტოსინთეზისთვის. ამ შემთხვევაში, მთელი სინათლე მწვანედან წითელ დიაპაზონში უნდა აისახოს. ეს გამოიწვევს არეკლილი სინათლის სპექტრის გამორჩეულ ლურჯ ნაწილს, რომელიც ადვილად შეიძლება დაინიშნოს ტელესკოპით.

M ვარსკვლავების ტემპერატურის ფართო დიაპაზონი ვარაუდობს მათი პლანეტების ფერთა მრავალფეროვნებას. მშვიდი M ვარსკვლავის გარშემო ბრუნავს პლანეტა იმ ენერგიის ნახევარს, რასაც დედამიწა მზისგან იღებს. და მიუხედავად იმისა, რომ ეს, პრინციპში, საკმარისია სიცოცხლისთვის - ეს 60-ჯერ მეტია, ვიდრე საჭიროა დედამიწაზე ჩრდილის მოყვარული მცენარეებისთვის - ამ ვარსკვლავებიდან მომდინარე ფოტონების უმეტესობა მიეკუთვნება სპექტრის ახლო IR რეგიონს. მაგრამ ევოლუციამ უნდა გამოიწვიოს სხვადასხვა პიგმენტების გაჩენა, რომლებსაც შეუძლიათ ხილული და ინფრაწითელი სინათლის მთელი სპექტრის აღქმა. მცენარეები, რომლებიც შთანთქავენ პრაქტიკულად მთელ რადიაციას, შესაძლოა შავიც კი გამოჩნდნენ.

პატარა მეწამული წერტილი

დედამიწაზე სიცოცხლის ისტორია გვიჩვენებს, რომ ადრეული საზღვაო ფოტოსინთეზური ორგანიზმები პლანეტებზე F, G და K კლასის ვარსკვლავებთან ახლოს ცხოვრობდნენ ჟანგბადისგან თავისუფალ ატმოსფეროში და განავითარებდნენ ჟანგბადის ფოტოსინთეზის სისტემას, რაც მოგვიანებით გამოიწვევს ხმელეთის მცენარეების გამოჩენას.. M-კლასის ვარსკვლავებთან სიტუაცია უფრო რთულია. ჩვენი გამოთვლების შედეგები მიუთითებს, რომ ფოტოსინთეზატორებისთვის ოპტიმალური ადგილია 9 მ წყლის ქვეშ: ამ სიღრმის ფენა იჭერს დესტრუქციულ ულტრაიისფერ შუქს, მაგრამ საშუალებას აძლევს საკმარის ხილულ შუქს გაიაროს. რა თქმა უნდა, ჩვენ ვერ შევამჩნევთ ამ ორგანიზმებს ჩვენს ტელესკოპებში, მაგრამ ისინი შეიძლება გახდეს მიწის სიცოცხლის საფუძველი.პრინციპში, M ვარსკვლავების მახლობლად მდებარე პლანეტებზე, მცენარეული სიცოცხლე, სხვადასხვა პიგმენტების გამოყენებით, შეიძლება იყოს თითქმის ისეთივე მრავალფეროვანი, როგორც დედამიწაზე.

მაგრამ მომავალი კოსმოსური ტელესკოპები საშუალებას მოგვცემს დავინახოთ სიცოცხლის კვალი ამ პლანეტებზე? პასუხი დამოკიდებულია იმაზე, თუ როგორი იქნება წყლის ზედაპირის თანაფარდობა პლანეტაზე მიწასთან. პირველი თაობის ტელესკოპებში პლანეტები წერტილებს დაემსგავსებიან და მათი ზედაპირის დეტალური შესწავლა გამორიცხულია. ყველაფერი, რასაც მეცნიერები მიიღებენ, არის არეკლილი სინათლის მთლიანი სპექტრი. თავის გამოთვლებზე დაყრდნობით, ტინეტი ამტკიცებს, რომ პლანეტის ზედაპირის მინიმუმ 20% უნდა იყოს მშრალი მიწა, დაფარული მცენარეებით და არა ღრუბლებით დაფარული, რათა ამ სპექტრის მცენარეების იდენტიფიცირება მოხდეს. მეორეს მხრივ, რაც უფრო დიდია ზღვის ფართობი, მით მეტ ჟანგბადს გამოყოფს საზღვაო ფოტოსინთეზატორები ატმოსფეროში. ამიტომ, რაც უფრო გამოხატულია პიგმენტური ბიოინდიკატორები, მით უფრო რთულია ჟანგბადის ბიოინდიკატორების შემჩნევა და პირიქით. ასტრონომები შეძლებენ აღმოაჩინონ ან ერთი ან მეორე, მაგრამ არა ორივე.

პლანეტის მაძიებლები

ევროპის კოსმოსური სააგენტო (ESA) უახლოეს 10 წელიწადში გეგმავს კოსმოსური ხომალდის დარვინის გაშვებას ხმელეთის ეგზოპლანეტების სპექტრის შესასწავლად. NASA-ს დედამიწის მსგავსი პლანეტების მაძიებელი იგივეს გააკეთებს, თუ სააგენტო დაფინანსებას მიიღებს. COROT კოსმოსური ხომალდი, რომელიც ESA-მ 2006 წლის დეკემბერში გაუშვა და კოსმოსური ხომალდი Kepler, რომელიც NASA-მ დაგეგმა 2009 წელს, შექმნილია ვარსკვლავების სიკაშკაშის სუსტი შემცირების მოსაძებნად, როდესაც დედამიწის მსგავსი პლანეტები გადიან მათ წინ. NASA-ს SIM კოსმოსური ხომალდი პლანეტების გავლენის ქვეშ ვარსკვლავების სუსტ ვიბრაციას დაეძებს.

სხვა პლანეტებზე სიცოცხლის არსებობა - რეალური სიცოცხლე და არა მხოლოდ ნამარხები ან მიკრობები, რომლებიც ძლივს გადარჩებიან ექსტრემალურ პირობებში - შესაძლოა უახლოეს მომავალში აღმოაჩინონ. მაგრამ რომელი ვარსკვლავები უნდა შევისწავლოთ პირველ რიგში? შევძლებთ თუ არა ვარსკვლავებთან ახლოს მდებარე პლანეტების სპექტრის რეგისტრაციას, რაც განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია M ვარსკვლავების შემთხვევაში? რა დიაპაზონში და რა გარჩევადობით უნდა დააკვირდნენ ჩვენს ტელესკოპებს? ფოტოსინთეზის საფუძვლების გაგება დაგვეხმარება ახალი ინსტრუმენტების შექმნასა და მიღებული მონაცემების ინტერპრეტაციაში. ასეთი სირთულის პრობლემების გადაჭრა შესაძლებელია მხოლოდ სხვადასხვა მეცნიერების კვეთაზე. ჯერჯერობით მხოლოდ გზის დასაწყისში ვართ. არამიწიერი სიცოცხლის ძიების შესაძლებლობა დამოკიდებულია იმაზე, თუ რამდენად ღრმად გვესმის დედამიწაზე სიცოცხლის საფუძვლები.