Как адаптироваться к свету звезд: модель фотосинтеза предсказывает разнообразие растений на экзопланетах, если они там окажутся

Возможно ли, что на других планетах растут растения, так ещё и отличные от земных? Этот вопрос интересует не только фантастов, но и ученых, которые пытаются представить, как выглядит жизнь за пределами нашей Солнечной системы. Одна из ключевых особенностей жизни на Земле — это фотосинтез, процесс, при котором растения преобразуют световую энергию в химическую и выделяют кислород. Но какой свет нужен для фотосинтеза и какие газы могут быть альтернативой кислороду?

Недавно группа биологов, экологов и химиков из Королевского университета Мэри в Лондоне (Великобритания) провела моделирование фотосинтетических антенн — части растения, которая отвечает за поглощение света. Их результаты были опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Авторы исследования учитывали возможные сценарии на планетах в других звездных системах и пришли к выводу, что фотосинтез может быть адаптирован к разным условиям освещения.

На Земле фотосинтетические антенны работают только на свете в диапазоне от 400 нм до 700 нм. Это соответствует видимому спектру для человеческого глаза. Однако большинство экзопланет, которые находятся в зоне жизнеспособности (так называемой «золотой зоне»), вращаются вокруг красных карликов — звезд, которые излучают свет в длинах волн больше 700 нм. Это означает, что растения, которые используют такой свет для фотосинтеза, должны быть очень энергоэффективными, и из-за этого они вряд ли смогут эволюционировать дальше очень простых структур.

Но существует возможность существования фотосинтетических антенн, которые могут работать с газами, отличными от кислорода, например, с серой. В таких сценариях растения, использующие их, не будут зелеными — они могут быть фиолетовыми или оранжевыми или красными. Это будет зависеть от того, какую длину волны света они используют как источник энергии. Такие растения, по утверждению авторов исследования, скорее всего все еще будут нуждаться в извлечении питательных веществ из того типа почвы, на которой они растут, хоть типы и будут отличаться от земных.

Для моделирования фотосинтетической антенны ученые использовали концепцию двухвходной шумоподавляющей антенны. Это означает, что две подгруппы пигментов с похожими (но разными) максимумами поглощения передают энергию в центр реакции, который окисляет донор электронов и восстанавливает акцептор. Две поглощающие подгруппы, как правило, работают последовательно (например, хлорофилл b передает энергию хлорофиллу a в комплексах антенн растений) и подвержены как внешнему, так и внутреннему шуму. Первый отражает высокую динамичность световой среды, а второй — флуктуации путей передачи энергии внутри антенны.

Учёные рассмотрели три типа планет: землеподобные, водные и ледяные. Для каждого типа планеты они подобрали оптимальные параметры фотосинтетической антенны, такие как длина волны света, размер и форма антенны, тип пигмента и газа. Они также учли влияние звезды, атмосферы и почвы на фотосинтез.

Землеподобные планеты — это планеты, которые имеют твердую поверхность и умеренную температуру. Они могут быть похожи на Землю, но иметь отличия в химическом составе атмосферы и почвы. Например, планета может иметь высокое содержание сероводорода или метана в атмосфере, что может привести к анаэробному фотосинтезу. Или низкое содержание углекислого газа или азота в атмосфере, что может снизить скорость фотосинтеза. А так же типы почвы могут быть различными, что будет влиять на доступность минеральных элементов для растений. Для землеподобных планет ученые предположили, что оптимальная длина волны света для фотосинтеза лежит в диапазоне от 400 нм до 800 нм, что соответствует видимому и ближнему инфракрасному спектрам. Они также предположили, что оптимальный размер и форма антенны зависят от интенсивности света и температуры: чем выше эти параметры, тем меньше и компактнее должна быть антенна.

Водные планеты — это планеты, с жидкой поверхность и высокой температурой. Они могут иметь отличия в солености и циркуляции воды. Например, планета может иметь высокую соленость и низкую циркуляцию воды, что может привести к гипоксии или недостатку кислорода в воде. Или наоборот, планета может иметь низкую соленость и высокую циркуляцию воды, что может привести к эвтрофикации или избытку питательных веществ в воде. А так же разную глубину воды, которая может влиять на доступность света для растений. Для водных планет пердполагается, что оптимальная длина волны света для фотосинтеза лежит в диапазоне от 400 нм до 600 нм, что соответствует видимому спектру. Они также предположили, что оптимальный размер и форма антенны зависят от глубины воды и солености: чем глубже и солонее вода, тем больше и сложнее должна быть антенна.

Ледяные планеты — это планеты, которые имеют замерзшую поверхность и низкую температуру. Они могут быть похожи на ледяные гиганты или иметь отличия в толщине и прозрачности льда. Например, планета может иметь тонкий или прозрачный лед, который пропускает свет до жидкого слоя под ним. Или толстый и непрозрачный лед, который блокирует свет и создает темноту под ним. А так же разную температуру льда, которая может влиять на фазовые переходы воды. Для ледяных планет предполагается, что оптимальная длина волны света для фотосинтеза лежит в диапазоне от 600 нм до 800 нм, что соответствует ближнему инфракрасному спектру. Они также предположили, что оптимальный размер и форма антенны зависят от толщины и прозрачности льда: чем толще и непрозрачней лед, тем меньше и проще должна быть антенна.

Какие еще типы звезд могут быть подходящими для фотосинтеза на экзопланетах?

Помимо красных карликов, которые являются самыми распространенными звездами в нашей галактике, существуют и другие типы звезд, которые могут иметь планеты в зоне жизнеспособности. Например, желтые карлики, такие как наше Солнце, которые излучают свет в видимом диапазоне и имеют долгий период стабильности. Или белые карлики, которые являются остатками умерших звезд и имеют низкую интенсивность излучения, но высокую температуру. Или даже коричневые карлики, которые не достигли температуры для ядерного синтеза и излучают тепло и инфракрасный свет. Для каждого типа звезды фотосинтетическая антенна должна быть адаптирована к спектру и интенсивности света, а также к другим факторам, таким как гравитация, приливные силы и магнитное поле.

Какие еще газы могут быть использованы для фотосинтеза на экзопланетах?

В статье упоминается возможность использования серы вместо кислорода для фотосинтеза. Это может происходить в условиях низкого содержания кислорода и высокого содержания сероводорода в атмосфере. Такой тип фотосинтеза называется анаэробным или безкислородным и был распространен на ранней Земле. Однако существуют и другие газы, которые могут быть использованы для фотосинтеза. Например, азот, который является самым распространенным газом в земной атмосфере и может быть восстановлен до аммиака или нитрата. Или метан, который может быть окислен до углекислого газа или формальдегида. Или даже хлор, который может быть окислен до хлорной кислоты или хлората. Каждый из этих газов имеет свои преимущества и недостатки для фотосинтеза и может определять химический состав атмосферы и почвы на экзопланетах.

Какие еще формы жизни могут использовать фотосинтез на экзопланетах?

В статье говорится о растениях как о форме жизни, которая использует фотосинтез. Однако на Земле есть и другие организмы, которые способны преобразовывать световую энергию в химическую. Например, бактерии, которые могут быть фототрофными (использующими свет) или хемотрофными (использующими химические соединения). Или водоросли, которые являются простыми многоклеточными организмами, имеющими разнообразные пигменты и способности к фотосинтезу. Или даже животные, которые могут симбиотически ассоциироваться с фотосинтетическими организмами или иметь свои собственные пигменты и антенны. На экзопланетах могут существовать и другие формы жизни, которые используют фотосинтез или другие способы получения энергии из света.