Ранее я публиковал на Хабре относительно успешную статью «Негостеприимные красные карлики. Об ультрафиолетовой зоне обитаемости». В ней я упоминал, почему поблизости от многочисленных звёзд спектрального класса М (красных карликов) маловероятно возникновение жизни земного типа (на основе нуклеиновых кислот), поскольку высокая и нерегулярная активность звезды в ультрафиолетовом спектре не оставляет окна для образования клеточных организмов. Сегодня вернёмся к этой теме и поговорим о некоторых интересных опытах, которые указывают на относительную благоприятность звёзд спектрального класса K (оранжевых карликов) для развития фотосинтеза и, соответственно, инопланетной флоры. Цвет подобной гипотетической растительности едва ли будет зелёным, но долговременное существование растительного покрова на скалистой планете близ оранжевого карлика кажется вполне реалистичной картиной. Давайте обсудим эти модели подробнее.
Как известно, наше Солнце относится к спектральному классу G, такие звёзды называются «жёлтыми карликами». Звёзды такого типа довольно редки; в галактике Млечный Путь к ним принадлежит всего 3,5-5% всех светил.
Впрочем, дело в том, что абсолютное большинство звёзд — это красные карлики. На их фоне все прочие звёзды являются редкостью. Соответственно, скалистые планеты, расположенные у более холодных звёзд, должны были формироваться в существенно иных температурных условиях и при ином уровне инсоляции, чем существует сейчас на Земле. При этом на заре развития само Солнце только разгоралось, и условия на нашей планете, вероятно, были гораздо более суровыми, чем сейчас. Ранее я обращался к этим темам в публикациях «Земля-снежок — ретроспектива и перспектива» и «Как может быть разрешим парадокс слабого молодого Солнца».
По мере того, как телескопы Kepler и TESS находили всё больше потенциальных и подтверждённых экзопланет в системах красных карликов, мы стали всё пристальнее присматриваться к оранжевым карликам — звёздам спектрального класса K. Масса такой звезды составляет от 50% до 80% от солнечной. Они не только многочисленнее, чем жёлтые карлики типа Солнца, но и обладают более стабильной светимостью. Солнце проведёт в Главной последовательности около 10 миллиардов лет, тогда как оранжевый карлик может оставаться в ней до 70 миллиардов лет. Поскольку орбиты планет в системе оранжевого карлика должны пролегать на большем отдалении, чем в системе красного карлика, они не столь рискуют пострадать от звёздных факелов или попасть в приливный захват.
Цвета флоры
Напомню, что в конце XIX века практически не подвергалось сомнению, что Марс должен быть обитаем. Ещё в конце XVIII века знаменитый астроном Уильям Гершель, открывший планету Уран, обнаружил сезонное потемнение равнин на Марсе и счёл, что наблюдает бурную вегетацию (весеннее пробуждение) на Марсе.
Учитывая, что основным источником энергии в звёздной системе является звезда, фотосинтез представляется наиболее универсальным механизмом преобразования лучистой энергии звезды в (био)химическую энергию для поддержания жизни в условиях хотя бы минимального содержания кислорода сначала в гидросфере, а затем и в атмосфере. Совсем недавно уважаемый @wmlab опубликовал на Хабре отличный материал «Мир, который сгорел», в котором рассказал, каким образом фотосинтез обеспечил переход от аэробной жизни к аэробной. Но фотосинтез (и обеспечивающие его пигменты) должны отличаться в зависимости от спектра излучения, улавливаемого организмами, с физической точки зрения – от преобладающей длины волны. Теоретически, в экстремальной экосистеме фотосинтез может идти даже с участием гамма-излучения (радиосинтез) — в таком случае, речь идёт об укорачивании волны, используемой при фотосинтезе. Если же волна удлиняется, как в случае с проникновением света сквозь толщу воды, то естественный отбор поддерживает водоросли, приобретающие красные оттенки — таковы, например, багрянки.
Такой цвет обусловлен фикоэритрином — вспомогательным фотосинтезирующим пигментом, которым красные водоросли обзавелись дополнительно к хлорофиллу. Багрянки кажутся красными, так как фикоэритрин поглощает в основном жёлто-зелёный свет, а отражает красный. Хлорофилл, в свою очередь, поглощает в основном цвет синих и фиолетовых оттенков с длиной волны от 400 до 500 нм, а отражает в жёлто-зелёном спектре. Вот основные пигменты, при помощи которых улавливают солнечную энергию растения и цианобактерии.
Гипотетическому марсианскому фотосинтезу уделял внимание Герберт Уэллс в знаменитом романе «Война миров». Он упоминал о «красной траве», которую марсиане занесли с собой на Землю:
Очевидно, растительное царство Марса вместо преобладающего зеленого цвета имеет яркую кроваво-красную окраску. Во всяком случае, те семена, которые марсиане намеренно или случайно привезли с собою, давали ростки красного цвета. Впрочем, в борьбе с земными формами только всем известная красная трава достигла некоторого развития; красный вьюн скоро засох, и только немногие его видели. Что же касается красной травы, то некоторое время она росла удивительно быстро. Она появилась на краях ямы на третий или четвертый день нашего заключения, и ее побеги, сходные с отростками кактуса, образовали карминовую бахрому вокруг нашего треугольного окна. После я видел ее в изобилии по всей стране, особенно около воды.
Роман был написан в 1897 году, но уже в 1908 году в мартовском номере журнала «Cosmopolitan» вышла статья Уэллса о гипотетической биосфере Марса. В оригинале эта статья выложена здесь, а в русском переводе была опубликована в декабрьском номере журнала «Техника — молодёжи» в 1992 году. Процитирую отрывок и из неё:
Задумаемся, каким образом первый из двух названных критериев заставит ее быть иной. Сила тяжести на поверхности планеты составляет всего лишь три восьмых нашей, земной; фунт чего-то на Земле потянул бы на Марсе всего лишь на шесть унций. Поэтому ствол или стебель, несущий листья и цветы земного растения, оказался бы на Марсе бесполезно и расточительно толстым и прочным. Все марсианские стволы и стебли будут тоньше и изящнее, а само строение растения — более слабым. У земных растений предел высоты и величины, по-видимому, определяется в основном той работой, которая необходима, чтобы поднять питательные соки от корней в самые верхние точки. Это усилие на Марсе уменьшается настолько, что разумно ожидать там более высоких растений, чем любое из известных на Земле.
Выше, стройнее, тоньше — можно ли что-нибудь к этому добавить? Да, поскольку мы обязаны учесть и различия атмосфер. На Марсе она разреженнее, чем на Земле, и содержит меньше влаги; мы практически не видим там густых облаков, а дождь, должно быть, выпадает не часто. Снег встречается круглый год почти повсюду, но наиболее обыденными осадками для Марса представляются роса и иней. Какие выводы отсюда следуют? Формы листьев, которые нам лучше всего знакомы, в значительной степени заданы дождем, необходимостью выдерживать барабанную дробь дождевых капель и направлять влагу вниз и наружу — к корням. Этим главным потребностям мы обязаны напоминающим кисть руки строением листа клена и каштана, красивым узором жилок, образующих их каркас. Такие листья великолепны в дождь, но беззащитны перед снегом и морозом: снег придавливает их, холод уничтожает, и с приходом зимы деревья теряют листву. Лист же марсианского дерева окажется стойким к снегопадам, возможно, остроконечным, наподобие сосновой иголки.
Только в отличие от сосны ему нужно противостоять зиме не снежной, а сухой и бессолнечной, с лютыми морозами, в какую даже хвоя, вероятно, съежилась бы и опала. А поскольку при сухом воздухе для растения наиболее опасно высушивание, мы вправе ожидать, что кожа марсианской листвы толстая, как у кактуса. Более того, раз влага поступает в растение в основном снизу, за счет сезонных наводнений от таяния снежных шапок, а не сверху, в виде дождя, то типичное для Марса растение будет, вероятно, высоким, лишенным ветвей, с пучками и гроздьями пикообразных синевато-зеленых листьев на устремленных в небо тонких стволах.
Разумеется, на Марсе обнаружится бесконечное разнообразие видов растений, как и на Земле, но общие характеристики растительности будут именно такими
Научное моделирование вероятного цвета инопланетной флоры в зависимости от спектрального класса звезды активизировалось в начале XXI века, когда стали накапливаться сведения о существовании экзопланет у далёких звезд. В 2007 году астроном Шиладитья Дас Сарма предложил гипотезу пурпурной Земли, согласно которой ещё до начала великого окисления (GOE, «Great Oxidation Event»), развернувшегося около 2,5 миллиарда лет назад, древние галоархеи развили аналогичный процесс на основе ретиналя, пигмента, действующего по тому же принципу, что и хлорофилл. В настоящее время галоархеи сохранились в солёных озёрах, вот какой цвет эти организмы придают раствору:
Что же изменилось, и почему зелёные растения на Земле оказались успешнее других фотосинтезирующих организмов? Чтобы ответить на этот вопрос, пролистайте статью немного выше, к рисунку, на котором я показал спектры поглощения света. Как видите, хлорофилл a и b, в отличие от других пигментов, имеют второй всплеск поглощения ближе к красной области спектра. На суше растения поглощают свет из сине-фиолетовой части спектра, поскольку эти фотоны высокоэнергетические, а из красной — поскольку этих фотонов много, особенно в сумерках. Соответственно, фотоны из жёлто-зелёной части спектра растения отражают, потому флора и окрашена преимущественно в эти оттенки.
Ранее я писал на Хабре о влиянии кислорода на формирование земной атмосферы и о ложноположительных свойствах экзопланет, из-за которых они могут казаться жизнепригодными, а на самом деле будут совершенно безжизненными. Однако в составе земной атмосферы есть два следовых компонента, во многом определивших как спектр излучения, поглощаемого растениями, так и силу парникового эффекта на нашей планете. Это озон и водяной пар. Озон блокирует жёсткое ультрафиолетовое излучение, смертельно опасное для живых организмов, а водяной пар одновременно повышает температуру приповерхностных слоёв атмосферы и увеличивает отражательную способность Земли, поскольку скапливается в белые облака. Соответственно, оба этих фактора коренным образом изменятся, если изменится состав атмосферы, светимость звезды и её активность в ультрафиолетовом спектре; особенно это касается солнечных факелов.
Фотосинтез с точки зрения астробиологии
Исследования фотосинтеза как биосигнатуры, а также моделирование условий, располагающих к фотосинтезу земного типа, начали давать первые результаты где-то в конце 2000-х и связаны с именем Викки Медоуз из Виртуальной Планетарной Лаборатории при Вашингтонском университете, а также Нэнси Кианг, опубликовавшей в 2008 году в журнале «Scientific American» научно-популярную статью «Разноцветные миры». Медоуз с коллегами разрабатывали компьютерные симуляции, призванные показать, как должна выглядеть из космоса планета с различными вариантами фотосинтеза.
Например, орбитальные наблюдения показывают, что земная флора отражает в атмосферу не только жёлто-зелёный, но и ближний инфракрасный спектр. Это явление называется «красный барьер» (красный край) фотосинтеза и хорошо заметно из космоса, а также с дронов с инфракрасными сенсорами.
Спектральные модели позволяют спрогнозировать, какой цвет должна иметь флора, если подобный «отсвет» окажется в другой части спектра. Насколько мы понимаем биохимию хлорофилла, он может возобладать в биосфере только при постепенном нарастании дозы атмосферного кислорода, который сам является побочным продуктом фотосинтеза. Соответственно, нужно попробовать учесть, как связаны спектр звезды и вероятность «великого окисления». Вероятно, читатели также слышали другое название этого периода в истории Земли — «кислородная катастрофа». Действительно, кислород чрезвычайно губителен для анаэробных организмов, которые сохранились до наших дней лишь в виде крайне примитивных простейших. В свою очередь, анаэробные бактерии для человека чрезвычайно опасны – например, клостридии вызывают у человека газовую гангрену и ботулизм.
Насколько известно из геологической летописи, наполнять земные водоёмы, а в дальнейшем и атмосферу кислородом начали не зелёные водоросли, а цианобактерии, в изобилии сохранившиеся до наших дней. Цианобактерии выживают в значительно более суровых условиях, чем высшие растения и фитопланктон, например, бурно размножаются в сточных водах, вызывая их «цветение».
Великое окисление началось примерно 2,3 миллиарда лет назад, но до этого потребовалось ещё около 2 миллиардов лет, чтобы на Земле накопилась «стартовая» массовая доля кислорода, достаточная для возникновения сложной жизни. Свободный кислород в атмосфере, в свою очередь привёл к кембрийскому взрыву — резкому росту биоразнообразия и, прежде всего, развитию многоклеточных организмов. Современная биосфера берёт начало именно во времена Кембрийского взрыва, случившегося около 550 миллионов лет назад.
В истории Земли эти ранние этапы эволюции понятны и хорошо уложены на шкале времени, но имеющихся данных недостаточно, чтобы судить: а может ли Великое окисление начаться на планете в системе красного карлика? Не будет ли на скалистой системе в такой системе настолько сумрачно, что фотосинтез просто не даст эволюционного преимущества?
При этом, в условиях низкой освещённости некоторые бактерии всё-таки могут фотосинтезировать (они поддерживают метаболизм за счёт солнечной энергии), но при этом не выделяют кислород. Эти бактерии используют ближний инфракрасный спектр с длиной волны до 1100 нм. Как было указано выше, даже у зелёных растений наблюдается всплеск фотосинтетической активности ближе к границе между красным и инфракрасным, поскольку фотоны из этой области спектра пусть и низкоэнергетические, зато многочисленные.
На планете красного карлика этот перевес в сторону «красных» фотонов был бы ещё выше, поэтому организмы, фотосинтезирующие за счёт сине-фиолетовой части спектра, не получили бы эволюционного преимущества. С другой стороны, всплески ультрафиолетовой активности у звезды класса M могли бы располагать к формированию сразу двух биосфер, пользующихся в качестве источника энергии каждая своей областью спектра.
На этой инфографике показана примерная ширина зоны обитаемости у красного, оранжевого и жёлтого карлика, а также относительное изобилие представителей каждого спектрального класса в Млечном Пути и длительность пребывания звезды в стабильном состоянии. Как видите, оранжевый карлик оставляет для биологической эволюции примерно в десять раз больше времени, чем жёлтый. В свою очередь, его зона обитаемости значительно шире, чем у красного карлика. Если в зоне обитаемости красного карлика ультрафиолетовое излучение будет в 80-500 раз выше, чем на Земле, то у оранжевого карлика этот показатель был бы всего в 5-25 раз выше. При этом светимость зрелого красного карлика составляет от 0,15 до 0,4 от солнечной. По некоторым оценкам, светимость слабого молодого Солнца была на 20-25% ниже, чем у современного, но эта разница, вероятно, оставляет окно для возникновения фотосинтеза с учётом того, что оранжевый карлик горит гораздо дольше Солнца. Сравнительное исследование оранжевых и жёлтых карликов (с привлечением компьютерного моделирования) выполнили в 2016 году астрофизики М. Кунц и Э. Гуинан, представляющие, соответственно Техасский университет в Арлингтоне и университет Вилланова в Пенсильвании. Согласно выкладкам, приведённым в их статье «About Exobiology: The Case For K Dwarf Stars», условия для запуска фотосинтеза в системе оранжевого карлика могут быть даже более благоприятными, чем в Солнечной системе, поскольку оранжевый карлик разгорается медленнее жёлтого, и насыщение его атмосферы кислородом может протекать плавно, не переходя в «катастрофу».
Наконец, остановлюсь ещё на одном исследовании, максимально приближённом к «реальной обстановке» на планете оранжевого карлика. В 2024 году немецкие астробиологи Ида Вилович, Дирк Шульце-Макух и Рене Геллер, работающие в университетах Берлина, Потсдама и Гёттингена, опубликовали статью, в которой представили результаты проращивания семян кресс-салата под «солнечным светом», «светом оранжевого карлика» и в темноте. Вот что у них получилось:
Фактическая поверхностная температура у звёзд, смоделированных в первом и втором опыте, составила бы 5800 и 4300 кельвинов соответственно. Под светом оранжевого карлика кресс-салат прорезался примерно на двое суток раньше, стебель растения получился выше, а листья у него были крупнее. Кроме того, под светом оранжевого карлика растение потребляло больше воды, его стебель получился немного более рыхлым, чем под солнечным светом.
Авторы указали, что основной недостаток исследования заключался в применении ровного круглосуточного освещения, без суточных колебаний. Кроме того, образцы выращивали в обычной почве, то есть, с участием типичных земных бактерий. Однако с биохимической точки зрения эффективность фотосинтеза в экосистеме жёлтого и оранжевого карлика оказалась практически одинаковой.
Заключение
На мой взгляд, приведённые данные позволяют считать альтернативные формы фотосинтеза, как минимум, реалистичными, а системы оранжевых карликов – условно жизнепригодными. Здесь я не стал вдаваться в выкладки о потенциальной жизнепригодности планет в системах красных карликов, потому, что ранее уже разбирал эту тему на Хабре. Кроме светимости звезды и состава атмосферы на скалистых планетах, вероятно, важна сезонность климатических изменений. Эту тему я ранее также разбирал на Хабре в статье «» Для интересующихся — этой теме посвящена подробная статья в Википедии, однако мне кажется убедительной аргументация знаменитого астрофизика Бориса Штерна, объясняющего, почему красные карлики плохо подходят для жизни. Об этом он рассказывает, например, здесь, начиная с 4.00. При этом можно надеяться, что системы оранжевых карликов по мере старения такой звезды становятся всё более пригодными для жизни и вполне допускают акклиматизацию жизни земного типа, а также длительное существование жидкой воды. Поскольку сам оранжевый карлик намного тусклее Солнца, можно надеяться, что обнаружить на его планетах биосигнатуры удастся при помощи космических телескопов, ненамного более совершенных, чем современные. Наконец, хочу поблагодарить за идею этой статьи уважаемого Александра Тарлаковского @tarlakovsky, благодаря переводу которого «Обнаружены явные признаки биологической активности за пределами Солнечной системы» (оригинал) я взялся разбираться в этой теме.
ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/1047196/