Thực vật trông như thế nào trên các hành tinh ngoài hệ mặt trời khác?

2024 Tác giả: Seth Attwood | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 16:20

Việc tìm kiếm sự sống ngoài Trái đất không còn là lãnh địa của khoa học viễn tưởng hay những thợ săn UFO. Có lẽ các công nghệ hiện đại vẫn chưa đạt đến trình độ cần thiết, nhưng với sự trợ giúp của chúng, chúng ta đã có thể phát hiện các biểu hiện vật lý và hóa học của các quá trình cơ bản bên trong các sinh vật sống.

Các nhà thiên văn đã phát hiện ra hơn 200 hành tinh quay quanh các ngôi sao bên ngoài hệ mặt trời. Cho đến nay chúng ta không thể đưa ra câu trả lời rõ ràng về khả năng tồn tại sự sống trên chúng, nhưng đây chỉ là vấn đề thời gian. Vào tháng 7 năm 2007, sau khi phân tích ánh sáng ngôi sao đi qua bầu khí quyển của ngoại hành tinh, các nhà thiên văn học đã xác nhận sự hiện diện của nước trên đó. Kính thiên văn hiện đang được phát triển để có thể tìm kiếm dấu vết của sự sống trên các hành tinh như Trái đất bằng quang phổ của chúng.

Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quang phổ của ánh sáng phản xạ bởi một hành tinh có thể là quá trình quang hợp. Nhưng liệu điều này có thể xảy ra ở các thế giới khác? Hoàn toàn! Trên Trái đất, quang hợp là cơ sở cho hầu hết mọi sinh vật. Mặc dù thực tế là một số sinh vật đã học cách sống ở nhiệt độ cao trong khí mê-tan và trong các miệng phun thủy nhiệt ở đại dương, chúng ta vẫn mắc phải sự phong phú của các hệ sinh thái trên bề mặt hành tinh của chúng ta nhờ ánh sáng mặt trời.

Một mặt, trong quá trình quang hợp, oxy được tạo ra, cùng với ozone được hình thành từ nó, có thể được tìm thấy trong bầu khí quyển của hành tinh. Mặt khác, màu sắc của một hành tinh có thể cho thấy sự hiện diện của các sắc tố đặc biệt, chẳng hạn như chất diệp lục, trên bề mặt của nó. Gần một thế kỷ trước, khi nhận thấy bề mặt sao Hỏa tối dần theo mùa, các nhà thiên văn đã nghi ngờ sự hiện diện của thực vật trên đó. Các nỗ lực đã được thực hiện để phát hiện các dấu hiệu của cây xanh trong quang phổ ánh sáng phản xạ từ bề mặt hành tinh. Nhưng sự nghi ngờ của cách tiếp cận này đã được nhìn thấy ngay cả bởi nhà văn Herbert Wells, người trong tác phẩm "Chiến tranh giữa các thế giới" của ông đã nhận xét: "Rõ ràng, vương quốc thực vật trên sao Hỏa, trái ngược với vương quốc trên đất, nơi màu xanh lá cây chiếm ưu thế, có máu- màu đỏ." Bây giờ chúng ta biết rằng không có thực vật trên sao Hỏa và sự xuất hiện của các vùng tối hơn trên bề mặt có liên quan đến các cơn bão bụi. Bản thân Wells tin rằng màu sắc của sao Hỏa không ít được xác định bởi các loài thực vật bao phủ bề mặt của nó.

Ngay cả trên Trái đất, các sinh vật quang hợp không chỉ giới hạn ở màu xanh lá cây: một số loài thực vật có lá màu đỏ, và nhiều loại tảo và vi khuẩn quang hợp khác nhau lung linh với đủ màu sắc của cầu vồng. Và vi khuẩn màu tím sử dụng bức xạ hồng ngoại từ Mặt trời ngoài ánh sáng nhìn thấy. Vậy điều gì sẽ chiếm ưu thế trên các hành tinh khác? Và làm thế nào chúng ta có thể thấy điều này? Câu trả lời phụ thuộc vào cơ chế mà sự quang hợp của người ngoài hành tinh đồng hóa ánh sáng của ngôi sao của nó, điều này khác về bản chất của bức xạ từ Mặt trời. Ngoài ra, một thành phần khác của khí quyển cũng ảnh hưởng đến thành phần phổ của sự cố bức xạ trên bề mặt hành tinh.

Các ngôi sao thuộc lớp quang phổ M (sao lùn đỏ) tỏa sáng mờ, vì vậy thực vật trên các hành tinh giống Trái đất gần chúng phải có màu đen để hấp thụ nhiều ánh sáng nhất có thể. Các ngôi sao trẻ M đốt cháy bề mặt của các hành tinh với các tia cực tím, vì vậy các sinh vật ở đó phải là thủy sinh. Mặt trời của chúng ta thuộc lớp G. Và gần các ngôi sao lớp F, thực vật nhận quá nhiều ánh sáng và phải phản xạ một phần đáng kể của nó.

Để tưởng tượng quá trình quang hợp sẽ như thế nào ở các thế giới khác, trước tiên bạn cần hiểu cách thực vật thực hiện trên Trái đất. Quang phổ năng lượng của ánh sáng mặt trời có cực đại ở vùng xanh lam - xanh lục, điều này khiến các nhà khoa học băn khoăn trong một thời gian dài tại sao thực vật không hấp thụ nhiều nhất ánh sáng xanh hiện có mà ngược lại, lại phản xạ nó? Hóa ra quá trình quang hợp không phụ thuộc quá nhiều vào tổng năng lượng mặt trời, mà phụ thuộc vào năng lượng của các photon riêng lẻ và số lượng photon tạo nên ánh sáng.

Mỗi photon xanh lam mang nhiều năng lượng hơn photon đỏ, nhưng mặt trời chủ yếu phát ra những photon màu đỏ. Thực vật sử dụng các photon màu xanh lam vì chất lượng của chúng, và các photon màu đỏ vì số lượng của chúng. Bước sóng của ánh sáng xanh lục nằm chính xác giữa màu đỏ và xanh lam, nhưng các photon xanh lục không khác nhau về tính khả dụng hoặc năng lượng, vì vậy thực vật không sử dụng chúng.

Trong quá trình quang hợp để cố định một nguyên tử carbon (có nguồn gốc từ carbon dioxide, CO₂) trong một phân tử đường, cần ít nhất tám photon và để phân cắt liên kết hydro-oxy trong phân tử nước (H₂O) - chỉ một. Trong trường hợp này, một điện tử tự do xuất hiện, cần thiết cho phản ứng tiếp theo. Tổng cộng, để hình thành một phân tử oxy (O₂) bốn liên kết như vậy cần phải bị phá vỡ. Đối với phản ứng thứ hai để tạo thành một phân tử đường, cần ít nhất bốn photon nữa. Cần lưu ý rằng một photon phải có một số năng lượng tối thiểu để tham gia vào quá trình quang hợp.

Cách mà thực vật hấp thụ ánh sáng mặt trời thực sự là một trong những điều kỳ diệu của thiên nhiên. Các sắc tố quang hợp không xảy ra dưới dạng các phân tử riêng lẻ. Chúng tạo thành các cụm bao gồm nhiều ăng-ten, mỗi ăng-ten được điều chỉnh để cảm nhận các photon của một bước sóng nhất định. Chất diệp lục chủ yếu hấp thụ ánh sáng đỏ và xanh lam, trong khi các sắc tố carotenoid tạo cho tán lá mùa thu có màu đỏ và vàng nhận biết một màu xanh lam khác. Tất cả năng lượng được thu thập bởi các sắc tố này được chuyển đến phân tử diệp lục nằm ở trung tâm phản ứng, nơi nước tách ra để tạo thành oxy.

Một phức hợp các phân tử trong một trung tâm phản ứng chỉ có thể thực hiện các phản ứng hóa học khi nó nhận được các photon màu đỏ hoặc một lượng năng lượng tương đương ở một số dạng khác. Để sử dụng các photon màu xanh lam, các sắc tố ăng-ten chuyển đổi năng lượng cao của chúng thành năng lượng thấp hơn, giống như một loạt máy biến áp bậc xuống giảm 100.000 vôn của đường dây điện đến ổ cắm trên tường 220 vôn. Quá trình này bắt đầu khi một photon màu xanh lam chạm vào một sắc tố hấp thụ ánh sáng xanh lam và truyền năng lượng cho một trong các điện tử trong phân tử của nó. Khi một electron trở lại trạng thái ban đầu, nó phát ra năng lượng này, nhưng do nhiệt và tổn thất dao động, ít hơn nó bị hấp thụ.

Tuy nhiên, phân tử sắc tố từ bỏ năng lượng nhận được không phải ở dạng photon mà ở dạng tương tác điện với một phân tử sắc tố khác, phân tử này có khả năng hấp thụ năng lượng ở mức thấp hơn. Đổi lại, sắc tố thứ hai giải phóng năng lượng thậm chí còn ít hơn, và quá trình này tiếp tục cho đến khi năng lượng của photon màu xanh lam ban đầu giảm xuống mức màu đỏ.

Trung tâm phản ứng, với tư cách là đầu nhận của dòng thác, được điều chỉnh để hấp thụ các photon có sẵn với năng lượng tối thiểu. Trên bề mặt hành tinh của chúng ta, các photon đỏ là nhiều nhất và đồng thời có năng lượng thấp nhất trong số các photon trong quang phổ khả kiến.

Nhưng đối với các chất quang hợp dưới nước, các photon đỏ không nhất thiết phải dồi dào nhất. Vùng ánh sáng được sử dụng để quang hợp thay đổi theo độ sâu khi nước, các chất hòa tan trong đó và các sinh vật ở tầng trên lọc ánh sáng. Kết quả là tạo ra sự phân tầng rõ ràng của các dạng sống phù hợp với bộ sắc tố của chúng. Các sinh vật từ các lớp nước sâu hơn có các sắc tố được điều chỉnh để phù hợp với ánh sáng của những màu đó không bị các lớp bên trên hấp thụ. Ví dụ, tảo và cyanea có sắc tố phycocyanin và phycoerythrin, hấp thụ các photon màu xanh lá cây và màu vàng. Trong anoxygenic (tức làvi khuẩn không sản sinh oxy) là chất diệp lục khuẩn, hấp thụ ánh sáng từ vùng hồng ngoại xa và hồng ngoại gần (IR), chỉ có thể xuyên qua các độ sâu u ám của nước.

Các sinh vật đã thích nghi với ánh sáng yếu có xu hướng phát triển chậm hơn vì chúng phải làm việc nhiều hơn để hấp thụ tất cả ánh sáng có sẵn cho chúng. Trên bề mặt hành tinh, nơi có nhiều ánh sáng, sẽ bất lợi cho thực vật tạo ra sắc tố dư thừa, vì vậy chúng sử dụng màu sắc một cách có chọn lọc. Các nguyên tắc tiến hóa tương tự cũng sẽ hoạt động trong các hệ hành tinh khác.

Giống như các sinh vật sống dưới nước đã thích nghi với ánh sáng được lọc bởi nước, cư dân trên cạn đã thích nghi với ánh sáng được lọc bằng khí trong khí quyển. Ở phần trên của khí quyển trái đất, các photon nhiều nhất có màu vàng, với bước sóng từ 560-590 nm. Số lượng các photon giảm dần về phía sóng dài và đột ngột đứt ra đối với sóng ngắn. Khi ánh sáng mặt trời đi qua tầng trên của bầu khí quyển, hơi nước hấp thụ IR ở một số dải dài hơn 700 nm. Oxy tạo ra dải hấp thụ hẹp gần 687 và 761 nm. Mọi người đều biết rằng ôzôn (Ồ₃) trong tầng bình lưu tích cực hấp thụ ánh sáng cực tím (UV), nhưng nó cũng hấp thụ một chút trong vùng khả kiến của quang phổ.

Vì vậy, bầu khí quyển của chúng ta để lại các cửa sổ mà bức xạ có thể đến bề mặt hành tinh. Phạm vi của bức xạ nhìn thấy được giới hạn ở phía màu xanh lam bởi sự cắt đứt rõ ràng của quang phổ mặt trời trong vùng bước sóng ngắn và sự hấp thụ tia cực tím của ôzôn. Đường viền màu đỏ được xác định bởi các đường hấp thụ oxy. Đỉnh của số lượng photon được chuyển từ màu vàng sang màu đỏ (khoảng 685 nm) do sự hấp thụ rộng rãi của ôzôn trong vùng khả kiến.

Thực vật thích nghi với quang phổ này, chủ yếu được xác định bởi oxy. Nhưng cần phải nhớ rằng thực vật tự cung cấp oxy cho bầu khí quyển. Khi những sinh vật quang hợp đầu tiên xuất hiện trên Trái đất, có rất ít ôxy trong khí quyển, vì vậy thực vật phải sử dụng các sắc tố khác ngoài chất diệp lục. Chỉ sau một thời gian trôi đi, khi quá trình quang hợp thay đổi thành phần của khí quyển, chất diệp lục mới trở thành sắc tố tối ưu.

Bằng chứng hóa thạch đáng tin cậy về quá trình quang hợp có niên đại khoảng 3,4 tỷ năm tuổi, nhưng các di tích hóa thạch trước đó cho thấy dấu hiệu của quá trình này. Các sinh vật quang hợp đầu tiên phải ở dưới nước, một phần vì nước là dung môi tốt cho các phản ứng sinh hóa, và cũng vì nó cung cấp sự bảo vệ khỏi bức xạ tia cực tím mặt trời, điều quan trọng khi không có tầng ôzôn trong khí quyển. Những sinh vật như vậy là vi khuẩn dưới nước hấp thụ các photon hồng ngoại. Các phản ứng hóa học của chúng bao gồm hydro, hydro sulfide, sắt, nhưng không phải nước; do đó, chúng đã không thải ra oxy. Và chỉ 2, 7 tỷ năm trước, vi khuẩn lam trong các đại dương đã bắt đầu quá trình quang hợp tạo oxy với việc giải phóng oxy. Lượng ôxy và tầng ôzôn tăng dần tạo điều kiện cho tảo đỏ và nâu nổi lên trên bề mặt. Và khi mực nước ở vùng biển nông đủ để chống lại tia cực tím, tảo lục xuất hiện. Chúng có ít phycobiliprotein và thích nghi tốt hơn với ánh sáng rực rỡ gần bề mặt nước. 2 tỷ năm sau khi oxy bắt đầu tích tụ trong khí quyển, hậu duệ của tảo lục - thực vật - đã xuất hiện trên đất liền.

Hệ thực vật đã trải qua những thay đổi đáng kể - sự đa dạng về hình thức tăng lên nhanh chóng: từ rêu và các loài thực vật có mạch cho đến các loài thực vật có thân cao, hấp thụ nhiều ánh sáng hơn và thích nghi với các vùng khí hậu khác nhau. Những tán cây lá kim hấp thụ hiệu quả ánh sáng ở vĩ độ cao, nơi mặt trời hầu như không mọc ở phía trên đường chân trời. Cây ưa bóng tạo ra anthocyanin để chống lại ánh sáng chói. Chất diệp lục xanh không chỉ thích nghi tốt với thành phần hiện đại của khí quyển mà còn giúp duy trì nó, giữ cho hành tinh của chúng ta luôn xanh tươi. Có thể bước tiếp theo trong quá trình tiến hóa sẽ tạo lợi thế cho một sinh vật sống trong bóng râm dưới tán cây và sử dụng phycobilin để hấp thụ ánh sáng xanh và vàng. Nhưng những cư dân của tầng trên, rõ ràng, sẽ vẫn xanh.

Vẽ thế giới màu đỏ

Trong khi tìm kiếm các sắc tố quang hợp trên các hành tinh trong các hệ sao khác, các nhà thiên văn học nên nhớ rằng những vật thể này đang ở các giai đoạn tiến hóa khác nhau. Ví dụ, họ có thể chạm trán với một hành tinh tương tự như Trái đất, 2 tỷ năm trước. Cũng cần lưu ý rằng các sinh vật quang hợp ngoại lai có thể có các đặc tính không phải là đặc điểm của "họ hàng" trên cạn của chúng. Ví dụ, chúng có thể phân chia các phân tử nước bằng cách sử dụng các photon có bước sóng dài hơn.

Sinh vật có bước sóng dài nhất trên Trái đất là vi khuẩn anoxygenic màu tím, sử dụng bức xạ hồng ngoại với bước sóng khoảng 1015 nm. Người giữ kỷ lục trong số các sinh vật cung cấp oxy là vi khuẩn lam biển, chúng hấp thụ ở bước sóng 720 nm. Không có giới hạn trên cho bước sóng được xác định bởi các định luật vật lý. Chỉ là hệ thống quang hợp phải sử dụng một số lượng lớn hơn các photon có bước sóng dài so với các photon có bước sóng ngắn.

Yếu tố giới hạn không phải là sự đa dạng của các sắc tố, mà là quang phổ của ánh sáng đến bề mặt hành tinh, do đó phụ thuộc vào loại sao. Các nhà thiên văn học phân loại các ngôi sao dựa trên màu sắc của chúng, tùy thuộc vào nhiệt độ, kích thước và tuổi của chúng. Không phải tất cả các ngôi sao đều tồn tại đủ lâu để sự sống nảy sinh và phát triển trên các hành tinh lân cận. Các ngôi sao tồn tại lâu dài (theo thứ tự giảm dần nhiệt độ) thuộc các lớp quang phổ F, G, K và M. Mặt trời thuộc lớp G. Các ngôi sao lớp F lớn hơn và sáng hơn Mặt trời, chúng cháy và phát ra ánh sáng rực rỡ hơn. ánh sáng xanh và cháy hết trong khoảng 2 tỷ năm. Các ngôi sao loại K và M có đường kính nhỏ hơn, mờ hơn, đỏ hơn và được xếp vào loại tồn tại lâu dài.

Xung quanh mỗi ngôi sao có một cái gọi là "vùng sự sống" - một dải quỹ đạo, trên đó các hành tinh có nhiệt độ cần thiết cho sự tồn tại của nước lỏng. Trong hệ mặt trời, một khu vực như vậy là một vòng giới hạn bởi quỹ đạo của sao Hỏa và Trái đất. Các sao F nóng có vùng sống xa hơn ngôi sao, trong khi các sao K và M lạnh hơn có vùng sống gần hơn. Các hành tinh trong vùng sự sống của các ngôi sao F-, G- và K nhận được lượng ánh sáng khả kiến tương đương với lượng ánh sáng nhìn thấy mà Trái đất nhận được từ Mặt trời. Có khả năng sự sống có thể phát sinh trên chúng dựa trên quá trình quang hợp oxy giống như trên Trái đất, mặc dù màu sắc của các sắc tố có thể bị thay đổi trong phạm vi nhìn thấy được.

Các ngôi sao loại M, được gọi là sao lùn đỏ, được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm vì chúng là loại sao phổ biến nhất trong Thiên hà của chúng ta. Chúng phát ra ánh sáng ít nhìn thấy hơn đáng kể so với Mặt trời: đỉnh cường độ trong quang phổ của chúng xuất hiện ở vùng cận hồng ngoại. John Raven, một nhà sinh vật học tại Đại học Dundee ở Scotland, và Ray Wolstencroft, một nhà thiên văn học tại Đài quan sát Hoàng gia ở Edinburgh, đã gợi ý rằng về mặt lý thuyết, quá trình quang hợp tạo oxy có thể sử dụng các photon cận hồng ngoại. Trong trường hợp này, các sinh vật sẽ phải sử dụng ba hoặc thậm chí bốn photon IR để phá vỡ một phân tử nước, trong khi thực vật trên cạn chỉ sử dụng hai photon, có thể được ví như các bước của một tên lửa truyền năng lượng cho một electron để thực hiện hóa chất. sự phản ứng lại.

Các ngôi sao trẻ M thể hiện tia cực tím cực mạnh mà chỉ có thể tránh được dưới nước. Nhưng cột nước cũng hấp thụ các phần khác của quang phổ, vì vậy các sinh vật nằm ở độ sâu sẽ bị thiếu ánh sáng một cách nghiêm trọng. Nếu vậy, quá trình quang hợp trên các hành tinh này có thể không phát triển. Khi ngôi sao M già đi, lượng bức xạ tử ngoại phát ra giảm đi, ở giai đoạn sau của quá trình tiến hóa, nó trở nên ít hơn so với lượng bức xạ mà Mặt trời của chúng ta phát ra. Trong thời kỳ này, không cần có tầng ôzôn bảo vệ, và sự sống trên bề mặt các hành tinh có thể phát triển mạnh mẽ ngay cả khi nó không tạo ra ôxy.

Do đó, các nhà thiên văn nên xem xét bốn kịch bản có thể xảy ra tùy thuộc vào loại và tuổi của ngôi sao.

Sinh vật đại dương kỵ khí. Một ngôi sao trong hệ hành tinh là trẻ, thuộc bất kỳ dạng nào. Các sinh vật có thể không tạo ra oxy. Khí quyển có thể bao gồm các khí khác như mêtan.

Aerobic Ocean Life. Ngôi sao không còn trẻ nữa, thuộc bất kỳ dạng nào. Đã đủ thời gian trôi qua kể từ khi bắt đầu quá trình quang hợp tạo oxy để tích tụ oxy trong khí quyển.

Sống đất hiếu khí. Ngôi sao đã trưởng thành, thuộc bất kỳ kiểu nào. Đất được bao phủ bởi cây cỏ. Sự sống trên Trái đất chỉ mới ở giai đoạn này.

Sống đất kỵ khí. Một ngôi sao M mờ với bức xạ UV yếu. Thực vật che phủ đất nhưng có thể không tạo ra oxy.

Đương nhiên, các biểu hiện của sinh vật quang hợp trong mỗi trường hợp này sẽ khác nhau. Kinh nghiệm chụp hành tinh của chúng ta từ vệ tinh cho thấy rằng không thể phát hiện sự sống ở độ sâu của đại dương bằng kính viễn vọng: hai kịch bản đầu tiên không hứa hẹn cho chúng ta những dấu hiệu màu sắc của sự sống. Cơ hội duy nhất để tìm thấy nó là tìm kiếm các khí trong khí quyển có nguồn gốc hữu cơ. Do đó, các nhà nghiên cứu sử dụng phương pháp màu sắc để tìm kiếm sự sống ngoài hành tinh sẽ phải tập trung vào nghiên cứu thực vật trên cạn có khả năng quang hợp oxy trên các hành tinh gần sao F-, G- và K, hoặc trên các hành tinh sao M, nhưng với bất kỳ kiểu quang hợp nào.

Dấu hiệu của sự sống

Các chất, ngoài màu sắc của thực vật, có thể là dấu hiệu của sự hiện diện của sự sống

Ôxy (O₂) và nước (H₂O) … Ngay cả trên một hành tinh không có sự sống, ánh sáng từ ngôi sao mẹ sẽ phá hủy các phân tử hơi nước và tạo ra một lượng nhỏ oxy trong khí quyển. Nhưng khí này nhanh chóng hòa tan trong nước và cũng làm ôxy hóa đá và khí núi lửa. Do đó, nếu có nhiều ôxy được nhìn thấy trên một hành tinh có nước lỏng, điều đó có nghĩa là các nguồn bổ sung tạo ra nó, rất có thể là quá trình quang hợp.

Ôzôn (O₃) … Trong tầng bình lưu của Trái đất, tia cực tím phá hủy các phân tử oxy, khi kết hợp với nhau sẽ tạo thành ozone. Cùng với nước lỏng, ôzôn là một chỉ số quan trọng của sự sống. Trong khi ôxy có thể nhìn thấy trong quang phổ khả kiến, ôzôn có thể nhìn thấy trong tia hồng ngoại, dễ phát hiện hơn bằng một số kính thiên văn.

Mêtan (CH₄) cộng với oxy, hoặc các chu kỳ theo mùa … Sự kết hợp giữa oxy và metan rất khó thu được nếu không có quá trình quang hợp. Sự dao động theo mùa về nồng độ khí mê-tan cũng là một dấu hiệu chắc chắn của sự sống. Và trên một hành tinh chết, nồng độ khí mêtan gần như không đổi: nó chỉ giảm từ từ khi ánh sáng mặt trời phá vỡ các phân tử

Chloromethane (CH₃Cl) … Trên Trái đất, khí này được hình thành do đốt cháy thực vật (chủ yếu là cháy rừng) và do tiếp xúc với ánh sáng mặt trời đối với sinh vật phù du và clo trong nước biển. Quá trình oxy hóa phá hủy nó. Nhưng sự phát xạ tương đối yếu của các ngôi sao M có thể cho phép khí này tích tụ thành một lượng có thể đăng ký được.

Ôxít nitơ (N₂O) … Khi sinh vật phân hủy, nitơ được giải phóng dưới dạng oxit. Các nguồn phi sinh học của khí này là không đáng kể.

Màu đen là màu xanh lá cây mới

Bất kể đặc điểm của hành tinh như thế nào, các sắc tố quang hợp phải thỏa mãn các yêu cầu tương tự như trên Trái đất: hấp thụ các photon có bước sóng ngắn nhất (năng lượng cao), bước sóng dài nhất (mà trung tâm phản ứng sử dụng) hoặc sẵn có nhất. Để hiểu cách loại sao quyết định màu sắc của thực vật, cần phải kết hợp nhiều nỗ lực của các nhà nghiên cứu từ các chuyên ngành khác nhau.

Ánh sao đi qua

Màu sắc của thực vật phụ thuộc vào quang phổ của ánh sáng sao mà các nhà thiên văn học có thể dễ dàng quan sát, cũng như sự hấp thụ ánh sáng của không khí và nước mà tác giả và các đồng nghiệp của bà đã mô hình hóa dựa trên thành phần có thể có của khí quyển và các đặc tính của sự sống. Hình ảnh "Trong thế giới khoa học"

Martin Cohen, một nhà thiên văn học tại Đại học California, Berkeley, đã thu thập dữ liệu về một ngôi sao F (Bootes sigma), một ngôi sao K (epsilon Eridani), một ngôi sao M đang bùng phát tích cực (AD Leo) và một giả thuyết M tĩnh lặng. -sao với nhiệt độ 3100 ° C. Nhà thiên văn học Antigona Segura thuộc Đại học Tự trị Quốc gia ở Thành phố Mexico đã thực hiện mô phỏng trên máy tính về hoạt động của các hành tinh giống Trái đất trong vùng có sự sống xung quanh những ngôi sao này. Sử dụng các mô hình của Alexander Pavlov thuộc Đại học Arizona và James Kasting thuộc Đại học Pennsylvania, Segura đã nghiên cứu sự tương tác của bức xạ từ các ngôi sao với các thành phần có thể có của bầu khí quyển hành tinh (giả sử rằng núi lửa phát ra các khí tương tự như trên Trái đất), cố gắng để tìm ra thành phần hóa học trong khí quyển vừa thiếu oxy vừa có hàm lượng gần với hàm lượng của trái đất.

Sử dụng kết quả của Segura, nhà vật lý Giovanna Tinetti của Đại học London đã tính toán sự hấp thụ bức xạ trong bầu khí quyển hành tinh bằng cách sử dụng mô hình của David Crisp tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực ở Pasadena, California, được sử dụng để ước tính độ chiếu sáng của các tấm pin mặt trời trên tàu lượn trên sao Hỏa. Việc diễn giải những tính toán này đòi hỏi sự nỗ lực tổng hợp của 5 chuyên gia: nhà vi sinh học Janet Siefert tại Đại học Rice, nhà hóa sinh Robert Blankenship tại Đại học Washington ở St. Louis, và Govindjee tại Đại học Illinois tại Urbana, nhà hành tinh học và Champaigne. (Victoria Meadows) từ Đại học Bang Washington. và tôi, một nhà khí tượng học sinh học từ Viện Nghiên cứu Không gian Goddard của NASA.

Chúng tôi kết luận rằng các tia màu xanh có cực đại ở 451 nm chủ yếu đến được bề mặt của các hành tinh gần các ngôi sao lớp F. Gần sao K, đỉnh nằm ở 667 nm, đây là vùng màu đỏ của quang phổ, giống như tình hình trên Trái đất. Trong trường hợp này, ozone đóng một vai trò quan trọng, làm cho ánh sáng của các ngôi sao F xanh hơn, và ánh sáng của các ngôi sao K đỏ hơn so với thực tế. Nó chỉ ra rằng bức xạ thích hợp cho quang hợp trong trường hợp này nằm trong vùng khả kiến của quang phổ, như trên Trái đất.

Vì vậy, thực vật trên các hành tinh gần các ngôi sao F và K có thể có màu gần như giống với màu trên Trái đất. Nhưng ở các ngôi sao F, luồng photon xanh giàu năng lượng quá mạnh, vì vậy thực vật ít nhất phải phản xạ một phần chúng bằng cách sử dụng các sắc tố che chắn như anthocyanin, điều này sẽ làm cho thực vật có màu hơi xanh. Tuy nhiên, chúng chỉ có thể sử dụng các photon xanh để quang hợp. Trong trường hợp này, tất cả ánh sáng trong dải từ xanh lục đến đỏ phải được phản xạ. Điều này sẽ dẫn đến điểm cắt màu xanh lam đặc biệt trong quang phổ ánh sáng phản xạ có thể dễ dàng phát hiện bằng kính thiên văn.

Phạm vi nhiệt độ rộng cho các ngôi sao M gợi ý nhiều màu sắc khác nhau cho các hành tinh của chúng. Quay quanh một ngôi sao M tĩnh lặng, hành tinh này nhận được một nửa năng lượng mà Trái đất thực hiện từ Mặt trời. Và mặc dù về nguyên tắc, điều này là đủ cho sự sống - con số này gấp 60 lần so với yêu cầu đối với các loài thực vật ưa bóng râm trên Trái đất - hầu hết các photon đến từ những ngôi sao này thuộc vùng gần IR của quang phổ. Nhưng sự tiến hóa sẽ dẫn đến sự xuất hiện của nhiều loại sắc tố có thể cảm nhận được toàn bộ quang phổ của ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại. Thực vật hấp thụ hầu như tất cả bức xạ của chúng thậm chí có thể có màu đen.

Chấm nhỏ màu tím

Lịch sử sự sống trên Trái đất cho thấy rằng các sinh vật biển ban đầu quang hợp trên các hành tinh gần các sao lớp F, G và K có thể sống trong bầu khí quyển cơ bản không có oxy và phát triển một hệ thống quang hợp oxy, sau này dẫn đến sự xuất hiện của các loài thực vật trên cạn.. Tình hình với các ngôi sao hạng M phức tạp hơn. Kết quả tính toán của chúng tôi chỉ ra rằng địa điểm tối ưu cho các chất quang hợp là 9 m dưới nước: một lớp ở độ sâu này bẫy ánh sáng cực tím có tính hủy diệt, nhưng vẫn cho phép đủ ánh sáng nhìn thấy đi qua. Tất nhiên, chúng ta sẽ không nhận thấy những sinh vật này trong kính thiên văn của chúng ta, nhưng chúng có thể trở thành cơ sở của sự sống trên cạn. Về nguyên tắc, trên các hành tinh gần sao M, đời sống thực vật, sử dụng các sắc tố khác nhau, có thể đa dạng như trên Trái đất.

Nhưng liệu các kính viễn vọng không gian trong tương lai có cho phép chúng ta nhìn thấy dấu vết của sự sống trên các hành tinh này? Câu trả lời phụ thuộc vào tỷ lệ giữa bề mặt nước và đất liền trên hành tinh. Trong các kính thiên văn thế hệ đầu tiên, các hành tinh sẽ giống như các điểm, và việc nghiên cứu chi tiết về bề mặt của chúng là điều không cần bàn cãi. Tất cả những gì các nhà khoa học thu được là tổng phổ của ánh sáng phản xạ. Dựa trên tính toán của mình, Tinetti lập luận rằng ít nhất 20% bề mặt hành tinh phải là vùng đất khô có thực vật và không bị mây che phủ thì mới có thể xác định được thực vật trên quang phổ này. Mặt khác, diện tích biển càng lớn, các sinh vật quang hợp ở biển thải ra khí quyển càng nhiều ôxy. Do đó, các chất kết hợp sắc tố càng rõ ràng thì càng khó nhận thấy các chất kết hợp oxy, và ngược lại. Các nhà thiên văn sẽ có thể phát hiện ra cái này hoặc cái kia, nhưng không phải cả hai.

Người tìm kiếm hành tinh

Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) có kế hoạch phóng tàu vũ trụ Darwin trong 10 năm tới để nghiên cứu quang phổ của các hành tinh ngoài mặt đất. Bộ phận Tìm kiếm Hành tinh Giống Trái đất của NASA cũng sẽ làm như vậy nếu cơ quan này nhận được tài trợ. Tàu vũ trụ COROT, do ESA phóng vào tháng 12 năm 2006 và tàu vũ trụ Kepler, được NASA lên kế hoạch phóng vào năm 2009, được thiết kế để tìm kiếm sự giảm độ sáng mờ của các ngôi sao khi các hành tinh giống Trái đất đi qua trước mặt chúng. Tàu vũ trụ SIM của NASA sẽ tìm kiếm những rung động yếu ớt của các ngôi sao dưới ảnh hưởng của các hành tinh.

Sự hiện diện của sự sống trên các hành tinh khác - sự sống thực, không chỉ là hóa thạch hoặc vi khuẩn hầu như không tồn tại trong điều kiện khắc nghiệt - có thể được phát hiện trong tương lai rất gần. Nhưng chúng ta nên nghiên cứu những ngôi sao nào trước? Liệu chúng ta có thể ghi lại quang phổ của các hành tinh nằm gần các ngôi sao, điều này đặc biệt quan trọng trong trường hợp của các ngôi sao M? Kính thiên văn của chúng ta nên quan sát trong phạm vi nào và với độ phân giải nào? Hiểu những điều cơ bản về quang hợp sẽ giúp chúng ta tạo ra các công cụ mới và giải thích dữ liệu mà chúng ta nhận được. Những vấn đề phức tạp như vậy chỉ có thể được giải quyết khi có sự giao thoa của nhiều ngành khoa học khác nhau. Cho đến nay chúng ta chỉ mới ở phần đầu của con đường. Khả năng tìm kiếm sự sống ngoài Trái đất phụ thuộc vào mức độ chúng ta hiểu sâu sắc những điều cơ bản về sự sống trên Trái đất.