Внеземные растения встретят людей всеми цветами радуги

Фиолетовая трава, красные деревья, чёрные и пурпурные кусты вполне могут расти на некоторых планетах. Никакой фантастики — таковы результаты научного исследования. Современные приборы уже позволяют изучать спектры экстрасолнечных планет. И если на некоторых из них есть жизнь — наши знания помогут нам "увидеть" её признаки, даже если жизнь эта будет сильно отличаться по виду от земной.

Нэнси Кианг (Nancy Kiang) из института космических исследований Годдарда (NASA Goddard Institute for Space Studies) провела исследование, показавшее, что растения на других планетах могут иметь почти любой цвет, кроме, вероятно, синего.

 

 

То, что давно и с удовольствием расписывают фантасты, оказывается, имеет научную подоплёку. Если жизнь во Вселенной распространена, наша, покрытая зелёной растительностью планета вполне может оказаться исключением. Различные землеподобные миры должны щеголять лесами с листьями почти всех цветов радуги.

	Углекислый газ из воздуха, вода, подаваемая по стволу, и солнечный свет, поглощаемый листьями, помогают растению синтезировать сахара и вырабатывать кислород. На других планетах вполне могут работать сходные цепочки реакций, хотя и не идентичные полностью (иллюстрация NASA Ames Research Center).

Логика проста: далеко не только хлорофилл может использоваться растением для усвоения солнечного света. А уж какое соединение будет взято жизнью за основу для обеспечения процесса фотосинтеза — зависит от эволюции. В ней же есть простое правило: растения должны постараться взять от своей звезды максимум доступной энергии.

Кианг и её коллеги смоделировали условия на экстрасолнечных планетах, похожих по основным параметрам на Землю и вращающихся вокруг звёзд разного типа, о чём подробно написали в статье в журнале Astrobiology.

"Эти планеты могут иметь растительность глобального масштаба, сопоставимую с таковой на Земле, — говорит Кианг, — это означает, что, если вы хотите обнаружить жизнь телескопом, у вас есть шанс увидеть достаточное количество явных признаков жизни".

Разные спектры солнц, различные атмосферы, химия которых увязана с параметрами родительских звёзд — всё это окажет огромное влияние на развитие фотосинтезирующих растений. Ведь распределение энергии излучения, доходящего до поверхности планеты, по спектру будет сильно отличаться у планет, живущих у звёзд разных спектральных типов (от горячих F2, через G2, K2 к очень тусклым M5), да ещё оно будет зависеть от концентрации в атмосфере кислорода, озона, водяных паров и углекислого газа.

Пока экстрасолнечные планеты земного типа лишь рисуют художники. Но скоро они должны попасть в объективы телескопов (иллюстрации Lynette R. Cook).

А дальше просто — растения на таких планетах должны приспособиться к поглощению наиболее энергетически насыщенной части спектра. Где-то это будет синий цвет, где-то максимум "подкормки" придётся на инфракрасное излучение, и так далее. Каждому типу звезды и планеты исследователи сопоставили свой неповторимый, предпочтительный для фотосинтеза, участок спектра.

Цвет же листьев растения зависит от частоты света, которым оно пренебрегает (хлорофилл, скажем, поглощает в основном синий и красный цвет, но отражает зелёный). Так что на разных планетах растения будут иметь самые различные оттенки, и учёные точно могут сказать — какие именно.

А, к примеру, растения на планете, вращающейся вокруг красного карлика, должны выглядеть чёрными! Ведь такая звезда испускает во много раз меньше света, чем наше Солнце. И местные растения должны в ходе эволюции и естественного отбора приобрести набор веществ, помогающих им усваивать практически весь спектр падающего излучения.

Но почему синие листья деревьев и траву Нэнси считает маловероятными? Просто синий цвет, то есть свет большей частоты, несёт и больше энергии. Это важно с точки зрения эволюции живого. "Вообще, растения будут "желать" использовать синий свет, как только смогут", — поясняет эту мысль Виктория Мидоуз (Victoria Meadows) из Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology), соавтор исследования.

Растения на других планетах могут поражать разнообразием красок. Заметьте, мы говорим не об осенних, пожелтевших и покрасневших, умирающих листьях, как на Земле, а об обычных листьях, в которых идёт фотосинтез (иллюстрация Doug Cummings, Caltech).

Интересно, что теоретические выкладки астробиологов опираются на уже известные учёным фотосинтетические системы. К примеру, пурпурный и красный цвет имеют некоторые фотосинтезирующие бактерии и водоросли. А недавно учёные нашли в океане новую группу одноклеточных водорослей с необычным фотосинтезирующим аппаратом.

Более того, на дне океана открыта бактерия, которая является фотосинтезирующей, хотя солнечный свет в такие глубины не проникает. Зато там есть инфракрасное излучение от термальных донных источников.

Как видим, даже земная жизнь предлагает нам массу решений — как усваивать свет на самых разных длинах волн. Что уж говорить об эволюции жизни внеземной. Кстати, недавнее исследование показало, что примерно треть звёзд, имеющих планетные семьи среди нашего ближнего окружения, обладает подобными Земле планетами, с жидкими водными океанами на поверхности и условиями, пригодными для зарождения жизни.

Также надо сказать, что возможности техники по обнаружению планет постоянно и ощутимо растут. Одна из самых маленьких из найденных экстрасолнечных планет больше Земли по массе всего в 5,5 раз, а по диаметру — намного ближе. Есть в улове астрономов и планеты куда меньшей массы, правда, вращающиеся вокруг пульсара. А ведь когда-то мы умели "ловить" лишь экстрасолнечные газовые гиганты, превосходящие по размеру Юпитер.

Но интересно, следует ли наша земная растительность описанным выше правилам? Оказывается, не вполне. Свет, который падает на земную поверхность, "богат" зелёными лучами, но преобладающая растительность именно этот цвет как раз и не использует для фотосинтеза.

Учёные полагают, что здесь перед нами, возможно, пример не самой удачной эволюции. Однако, если говорить о солнечном свете, достигающем поверхности Земли, красный цвет здесь превосходит другие, так сказать, "массовостью" — по числу фотонов. А синий обладает большей энергией на каждый фотон (в полном соответствии с формулой Планка). Так что в выборе красного и синего цветов в качестве "питания" есть своя логика. И всё же...

Другое недавнее исследование показало, что ранняя Земля вполне могла иметь пурпурную растительность, а не зелёную как сейчас. Об этом говорит Шил Дасшарма (Shil DasSarma) из университета Мэриленда (University of Maryland).

Действительно, эволюция привела к тому, что наши глаза очень чувствительны к зелёному свету. Почему бы растениям не обладать такой же способностью? Причина, по мнению Шила, в том, что хлорофилл появился после того, как другая светочувствительная молекула — ретинол — уже присутствовала на ранней Земле. Ретинол, сегодня находимый, к примеру, в мембране фотосинтетических микробов, называемых галобактериями, поглощает зелёный свет и отражает назад красный и фиолетовый, комбинация которых и кажется нам фиолетовой.

Примитивные микробы, которые использовали ретинол для усвоения солнечного света, возможно, доминировали на молодой Земле, рассуждает Дасшарма. Так что первые биологические "горячие точки" на нашей планете вполне могли отличаться фиолетовой окраской.

Спектральные характеристики на поверхностях планет разных звёзд. По вертикали — энергетика излучения — число фотонов, отнесённое к квадратному метру, одной секунде и длине волны; по горизонтали — длина волны в микрометрах. Отмечен видимый участок спектра. Характеристика Солнечного света на Земле отмечена жёлтой кривой. Другие цвета соответствуют звёздам разных спектральных типов (от F2V — красная линия, до M5V — зелёная). Серым и чёрным показаны линии поглощения света некоторыми микроорганизмами Земли, как пример успешной работы с инфракрасной частью спектра (иллюстрация NASA).

Получается, что развитие сначала микроорганизмов, а затем и растений, использующих для фотосинтеза хлорофилл и, следовательно, красный и синий части спектра, явилось результатом их конкурентной борьбы с "фиолетовыми" микробами. Последние просто захватили зелёную часть спектра, и потому, чтобы выжить, "опоздавшие родиться" существа с хлорофиллом внутри были вынуждены приспособиться к "поеданию" той части спектра, которая осталась свободной. В общем — борьба за ресурс в чистом виде.

Легко вообразить ситуацию, когда, скажем так, хлорофильные микроорганизмы развивались под богатым слоем микроорганизмов ретиноловых, забиравших у них зелёные лучи.

Почему же в результате красно-фиолетовые (по внешнему виду) организмы были вытеснены куда-то на обочину, в то время как зелёные завоевали планету? Шил объясняет это очень просто. Хотя хлорофилл использует далеко не пик солнечного спектра, зато, по сравнению с ретинолом, он применяет его куда более эффективно.

Результаты мониторинга земной поверхности спутником SeaWiFS. По двум отдельным шкалам в искусственных цветах показано распределение хлорофилла на суше (леса) и в океане (фитопланктон). Это пример того, как техника способна улавливать спектральные следы хлорофилла и даже определять его содержание на поверхности планеты (иллюстрация SeaWiFS Project, NASA/Goddard Space Flight Center, ORBIMAGE).

Предположение Дасшармы — только лишь предположение. Но оно имеет весомое обоснование. Так, скажем, ретинол имеет более простую структуру, чем хлорофилл. Ретинол легче воспроизвести в тех условиях, что существовали на ранней Земле (с низким уровнем кислорода). Кроме того, процесс, необходимый для того, чтобы сделать ретинол, очень подобен цепочке реакций, необходимых для синтеза жирных кислот, которая (цепочка), полагают учёные, была одним из ключевых условий для развития живых клеток. "Жирные кислоты были необходимы, чтобы сформировать мембраны в самых ранних клетках", — говорит Дасшарма.

Наконец, галобактерии, которые используют ретинол для фотосинтеза, вообще-то — вовсе не бактерии. Эта группа организмов принадлежит надцарству по имени археи, чьё происхождение уходит так далеко назад во времени, что тогда у Земли ещё даже не было кислородной атмосферы! Всё это указывает на то, что ретинол возник раньше хлорофилла.

Однако не все учёные согласны с рассуждениями Дасшармы. Геохимик Дэвид Дес Марас (David Des Marais) из исследовательского центра Эймса (Ames Research Center) отмечает, что получение максимума энергии — это как обоюдоострый меч. Излишек энергии тоже может быть вредным, как и её недостаток. И растения на нашей планете вполне могли приспособиться к получению оптимального количества энергии.

Пульсар PSR B1257+12 и планета PSR B1257+12 C — её масса равна 3,9 земных масс. Это пока наиболее близкая по массе к Земле из найденных экстрасолнечных планет (иллюстрация NASA/JPL-Caltech/R. Hurt, SSC).

Вместе с тем, "фиолетовая ранняя Земля" Дасшармы может оказать большое влияние на поиски жизни за пределами Солнечной системы. Действительно — учёные должны представлять, что именно им следует искать. Тут мы снова возвращаемся к работе Кианг с сотоварищами. Ведь её выкладки также нацелены именно на поиск реальных экстрасолнечных миров, дающих приют жизни.

Как показал практический опыт с пепельным светом Селены, даже в отражённом Луной спектре излучения нашей планеты вполне можно найти хлорофилл — явный признак жизни. А значит, у других планет можно обнаружить спектральные подписи других веществ, ассоциируемых с разнообразными фотосинтезирующими схемами.

Опираясь на расчёты Кианг, учёные могут предсказать — какие спектральные подписи следует искать на той или иной планете, условия на которой благоприятны для развития жизни. Фактически, у учёных, в частности, в группе Мидоуз, уже есть компьютерные модели экстрасолнечных планет земного типа, которые могут показать весь спектр самой планеты, в зависимости от типа родительской звезды.

Остаётся лишь направить телескопы в нужную точку неба, и фиолетовые, зелёные или пурпурные леса, покрывающие такие планеты, дадут знать о себе.

Правда, вопрос, "обязана" ли жизнь на других планетах хоть в чём-то следовать правилам, выведенным нами исходя из изучения жизни земной, – остаётся открытым.

Статья получена: Membrana.ru