Ինչպիսի՞ն են բույսերը այլ էկզոմոլորակների վրա:

2024 Հեղինակ: Seth Attwood | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2023-12-16 16:07

Այլմոլորակային կյանքի որոնումները այլևս չեն հանդիսանում գիտաֆանտաստիկայի կամ ՉԹՕ որսորդների տիրույթը: Թերևս ժամանակակից տեխնոլոգիաները դեռ չեն հասել անհրաժեշտ մակարդակին, բայց դրանց օգնությամբ մենք արդեն կարողանում ենք հայտնաբերել կենդանի էակների հիմքում ընկած հիմնարար գործընթացների ֆիզիկական և քիմիական դրսևորումները:

Աստղագետները հայտնաբերել են ավելի քան 200 մոլորակներ, որոնք պտտվում են աստղերի շուրջ Արեգակնային համակարգից դուրս: Առայժմ մենք չենք կարող միանշանակ պատասխան տալ նրանց վրա կյանքի գոյության հավանականության մասին, բայց դա միայն ժամանակի հարց է։ 2007 թվականի հուլիսին աստղագետները վերլուծելով աստղային լույսը, որն անցել է էկզոմոլորակի մթնոլորտով, աստղագետները հաստատել են դրա վրա ջրի առկայությունը։ Այժմ մշակվում են աստղադիտակներ, որոնք հնարավորություն կտան կյանքի հետքեր որոնել այնպիսի մոլորակների վրա, ինչպիսին Երկիրն է իրենց սպեկտրներով:

Մոլորակի անդրադարձած լույսի սպեկտրի վրա ազդող կարևոր գործոններից մեկը կարող է լինել ֆոտոսինթեզի գործընթացը: Բայց դա հնարավո՞ր է այլ աշխարհներում: Բավականին! Երկրի վրա ֆոտոսինթեզը գրեթե բոլոր կենդանի էակների հիմքն է: Չնայած այն հանգամանքին, որ որոշ օրգանիզմներ սովորել են ապրել բարձր ջերմաստիճանում մեթանում և օվկիանոսի հիդրոթերմային օդանցքներում, մենք մեր մոլորակի մակերեսի էկոհամակարգերի հարստությունը պարտական ենք արևի լույսին:

Մի կողմից, ֆոտոսինթեզի գործընթացում արտադրվում է թթվածին, որը նրանից գոյացած օզոնի հետ միասին կարելի է գտնել մոլորակի մթնոլորտում։ Մյուս կողմից, մոլորակի գույնը կարող է վկայել նրա մակերեսին հատուկ գունանյութերի, օրինակ՝ քլորոֆիլի առկայության մասին։ Գրեթե մեկ դար առաջ, նկատելով Մարսի մակերևույթի սեզոնային մթնեցումը, աստղագետները կասկածեցին դրա վրա բույսերի առկայության մասին: Փորձեր են արվել հայտնաբերելու կանաչ բույսերի նշանները մոլորակի մակերեւույթից արտացոլված լույսի սպեկտրում: Բայց այս մոտեցման կասկածելիությունը տեսավ նույնիսկ գրող Հերբերտ Ուելսը, ով իր «Աշխարհների պատերազմում» նկատեց. կարմիր գույն». Այժմ մենք գիտենք, որ Մարսի վրա բույսեր չկան, և մակերեսի վրա ավելի մուգ տարածքների հայտնվելը կապված է փոշու փոթորիկների հետ: Ինքը՝ Ուելսը, համոզված էր, որ Մարսի գույնը ոչ պակաս կարևոր է նրա մակերեսը ծածկող բույսերով։

Նույնիսկ Երկրի վրա ֆոտոսինթետիկ օրգանիզմները չեն սահմանափակվում միայն կանաչով. որոշ բույսեր ունեն կարմիր տերևներ, և տարբեր ջրիմուռներ և ֆոտոսինթետիկ բակտերիաներ փայլում են ծիածանի բոլոր գույներով: Իսկ մանուշակագույն բակտերիաները, բացի տեսանելի լույսից, օգտագործում են Արեգակի ինֆրակարմիր ճառագայթումը: Այսպիսով, ի՞նչը կգերակշռի այլ մոլորակների վրա: Եվ ինչպե՞ս կարող ենք սա տեսնել: Պատասխանը կախված է այն մեխանիզմներից, որոնց միջոցով այլմոլորակայինների ֆոտոսինթեզը յուրացնում է իր աստղի լույսը, որը տարբերվում է Արեգակից եկող ճառագայթման բնույթով։ Բացի այդ, մթնոլորտի տարբեր բաղադրությունը նույնպես ազդում է մոլորակի մակերեսին ընկած ճառագայթման սպեկտրալ կազմի վրա։

M սպեկտրային դասի աստղերը (կարմիր թզուկներ) թույլ են փայլում, ուստի նրանց մոտ գտնվող Երկրի նման մոլորակների բույսերը պետք է սև լինեն, որպեսզի հնարավորինս շատ լույս կլանեն: Երիտասարդ M աստղերը այրում են մոլորակների մակերեսը ուլտրամանուշակագույն բռնկումներով, ուստի այնտեղ օրգանիզմները պետք է լինեն ջրային: Մեր Արեգակը G դասի է: Իսկ F դասի աստղերի մոտ բույսերը չափազանց շատ լույս են ստանում և պետք է արտացոլեն դրա զգալի մասը:

Պատկերացնելու համար, թե ինչպիսին կլինի ֆոտոսինթեզը այլ աշխարհներում, նախ պետք է հասկանալ, թե ինչպես են այն իրականացնում բույսերը Երկրի վրա:Արևի լույսի էներգիայի սպեկտրը գագաթնակետ է ունենում կապույտ-կանաչ շրջանում, ինչը գիտնականներին երկար ժամանակ ստիպել է զարմանալ, թե ինչու բույսերը չեն կլանում առավել մատչելի կանաչ լույսը, այլ, ընդհակառակը, արտացոլում են այն: Պարզվեց, որ ֆոտոսինթեզի գործընթացը կախված է ոչ այնքան արեգակնային էներգիայի ընդհանուր քանակից, որքան առանձին ֆոտոնների էներգիայից և լույսը կազմող ֆոտոնների քանակից։

Յուրաքանչյուր կապույտ ֆոտոն ավելի շատ էներգիա է կրում, քան կարմիրը, բայց արևը հիմնականում կարմիր է արձակում: Բույսերը օգտագործում են կապույտ ֆոտոններ իրենց որակի, իսկ կարմիրը՝ քանակի պատճառով։ Կանաչ լույսի ալիքի երկարությունը գտնվում է կարմիրի և կապույտի միջև, սակայն կանաչ ֆոտոնները չեն տարբերվում առկայությամբ կամ էներգիայով, ուստի բույսերը դրանք չեն օգտագործում:

Ֆոտոսինթեզի ընթացքում ածխածնի մեկ ատոմը ամրացնելու համար (ածխածնի երկօքսիդից ստացված CO₂) շաքարի մոլեկուլում պահանջվում է առնվազն ութ ֆոտոն, իսկ ջրի մոլեկուլում ջրածին-թթվածին կապի ճեղքման համար (H.₂O) - ընդամենը մեկ: Այս դեպքում առաջանում է ազատ էլեկտրոն, որն անհրաժեշտ է հետագա ռեակցիայի համար։ Ընդհանուր առմամբ, մեկ թթվածնի մոլեկուլի ձևավորման համար (Օ₂) չորս նման կապեր պետք է կոտրել: Երկրորդ ռեակցիայի համար շաքարի մոլեկուլ ձևավորելու համար անհրաժեշտ է ևս առնվազն չորս ֆոտոն: Պետք է նշել, որ ֆոտոսինը ֆոտոսինթեզին մասնակցելու համար պետք է ունենա որոշակի նվազագույն էներգիա։

Այն, թե ինչպես են բույսերը կլանում արևի լույսը, իսկապես բնության հրաշքներից մեկն է: Ֆոտոսինթետիկ պիգմենտները որպես առանձին մոլեկուլներ չեն առաջանում: Նրանք ձևավորում են կլաստերներ, որոնք բաղկացած են, այսպես ասած, բազմաթիվ ալեհավաքներից, որոնցից յուրաքանչյուրը կարգավորվում է որոշակի ալիքի երկարության ֆոտոններ ընկալելու համար: Քլորոֆիլը հիմնականում կլանում է կարմիր և կապույտ լույսը, մինչդեռ կարոտինոիդ պիգմենտները, որոնք աշնանային սաղարթին տալիս են կարմիր և դեղին գույն, ընկալում են կապույտի այլ երանգ: Այս պիգմենտների կողմից հավաքված ողջ էներգիան առաքվում է քլորոֆիլի մոլեկուլին, որը գտնվում է ռեակցիայի կենտրոնում, որտեղ ջուրը պառակտվում է՝ առաջացնելով թթվածին:

Ռեակցիայի կենտրոնում գտնվող մոլեկուլների համալիրը կարող է քիմիական ռեակցիաներ իրականացնել միայն այն դեպքում, եթե այն ստանում է կարմիր ֆոտոններ կամ համարժեք էներգիա որևէ այլ ձևով: Կապույտ ֆոտոններն օգտագործելու համար ալեհավաքի պիգմենտներն իրենց բարձր էներգիան վերածում են ավելի ցածր էներգիայի, ճիշտ այնպես, ինչպես մի շարք աստիճանական տրանսֆորմատորներ նվազեցնում են էլեկտրահաղորդման գծի 100,000 վոլտը մինչև 220 վոլտ պատի վարդակից: Գործընթացը սկսվում է, երբ կապույտ ֆոտոնը հարվածում է պիգմենտին, որը կլանում է կապույտ լույսը և էներգիա է փոխանցում իր մոլեկուլի էլեկտրոններից մեկին: Երբ էլեկտրոնը վերադառնում է իր սկզբնական վիճակին, այն արտանետում է այս էներգիան, բայց ջերմության և թրթռումային կորուստների պատճառով ավելի քիչ, քան կլանել է:

Սակայն պիգմենտի մոլեկուլը ստացված էներգիան տալիս է ոչ թե ֆոտոնի, այլ էլեկտրական փոխազդեցության տեսքով մեկ այլ պիգմենտի մոլեկուլի հետ, որն ունակ է կլանել ավելի ցածր մակարդակի էներգիան։ Իր հերթին, երկրորդ պիգմենտը էլ ավելի քիչ էներգիա է արձակում, և այս գործընթացը շարունակվում է այնքան ժամանակ, մինչև սկզբնական կապույտ ֆոտոնի էներգիան իջնի կարմիրի մակարդակի։

Ռեակցիայի կենտրոնը, որպես կասկադի ընդունող վերջ, հարմարեցված է նվազագույն էներգիայով հասանելի ֆոտոնները կլանելու համար: Մեր մոլորակի մակերևույթի վրա կարմիր ֆոտոններն ամենաբազմաթիվն են և միևնույն ժամանակ տեսանելի սպեկտրի ֆոտոններից ամենացածր էներգիան ունեն։

Սակայն ստորջրյա ֆոտոսինթեզատորների համար պարտադիր չէ, որ կարմիր ֆոտոններն ամենաշատը լինեն: Լույսի տարածքը, որն օգտագործվում է ֆոտոսինթեզի համար, փոխվում է խորության հետ, քանի որ ջուրը, դրա մեջ լուծված նյութերը և վերին շերտերի օրգանիզմները զտում են լույսը: Արդյունքը կենդանի ձևերի հստակ շերտավորումն է՝ իրենց պիգմենտների հավաքածուին համապատասխան։ Ջրի ավելի խորը շերտերի օրգանիզմներն ունեն գունանյութեր, որոնք հարմարեցված են այն գույների լույսին, որոնք չեն ներծծվել վերևի շերտերի կողմից: Օրինակ, ջրիմուռները և ցիանեան ունեն ֆիկոցիանին և ֆիկոերիտրին պիգմենտները, որոնք կլանում են կանաչ և դեղին ֆոտոնները: Անթթվածին (այսինքն. Ոչ թթվածին արտադրող) բակտերիաները բակտերիոքլորոֆիլն են, որը կլանում է լույսը հեռավոր կարմիր և մոտ ինֆրակարմիր (IR) շրջաններից, որը կարող է թափանցել միայն ջրի մռայլ խորքերը:

Օրգանիզմները, որոնք հարմարվել են ցածր լույսին, հակված են ավելի դանդաղ աճելու, քանի որ նրանք պետք է ավելի շատ աշխատեն՝ կլանելու իրենց հասանելի ողջ լույսը: Մոլորակի մակերեսին, որտեղ լույսն առատ է, բույսերի համար անբարենպաստ կլինի ավելորդ գունանյութեր արտադրել, ուստի նրանք ընտրողաբար օգտագործում են գույները: Նույն էվոլյուցիոն սկզբունքները պետք է գործեն նաև այլ մոլորակային համակարգերում:

Ինչպես ջրային արարածները հարմարվել են ջրի միջոցով զտված լույսին, այնպես էլ ցամաքի բնակիչները հարմարվել են մթնոլորտային գազերով զտված լույսին: Երկրի մթնոլորտի վերին հատվածում ամենաշատ ֆոտոնները դեղին են՝ 560-590 նմ ալիքի երկարությամբ։ Ֆոտոնների թիվը աստիճանաբար նվազում է դեպի երկար ալիքներ և կտրուկ ընդհատվում դեպի կարճ ալիքները։ Երբ արևի լույսն անցնում է մթնոլորտի վերին շերտով, ջրի գոլորշին ներծծում է IR մի քանի տիրույթներում, ավելի քան 700 նմ: Թթվածինն արտադրում է կլանման գծերի նեղ տիրույթ՝ մոտ 687 և 761 նմ: Բոլորը գիտեն, որ օզոնը (Օ₃) ստրատոսֆերայում ակտիվորեն կլանում է ուլտրամանուշակագույն (ուլտրամանուշակագույն) լույսը, բայց այն նաև մի փոքր կլանում է սպեկտրի տեսանելի հատվածում։

Այսպիսով, մեր մթնոլորտը թողնում է պատուհաններ, որոնց միջոցով ճառագայթումը կարող է հասնել մոլորակի մակերեսին: Տեսանելի ճառագայթման տիրույթը կապույտ կողմում սահմանափակվում է արեգակնային սպեկտրի կտրուկ անջատմամբ կարճ ալիքի երկարությամբ տարածաշրջանում և ուլտրամանուշակագույն ճառագայթման կլանմամբ օզոնով: Կարմիր սահմանը սահմանվում է թթվածնի կլանման գծերով: Ֆոտոնների քանակի գագաթնակետը դեղինից տեղափոխվում է կարմիր (մոտ 685 նմ)՝ տեսանելի հատվածում օզոնի լայնածավալ կլանման պատճառով։

Բույսերը հարմարեցված են այս սպեկտրին, որը հիմնականում որոշվում է թթվածնով։ Բայց պետք է հիշել, որ բույսերն իրենք են թթվածին մատակարարում մթնոլորտին։ Երբ Երկրի վրա հայտնվեցին առաջին ֆոտոսինթետիկ օրգանիզմները, մթնոլորտում քիչ թթվածին կար, ուստի բույսերը ստիպված էին օգտագործել այլ գունանյութեր, բացի քլորոֆիլից: Միայն որոշ ժամանակ անց, երբ ֆոտոսինթեզը փոխեց մթնոլորտի բաղադրությունը, քլորոֆիլը դարձավ օպտիմալ պիգմենտը։

Ֆոտոսինթեզի բրածոների հավաստի ապացույցները մոտ 3,4 միլիարդ տարվա վաղեմություն ունեն, սակայն ավելի վաղ բրածո մնացորդները ցույց են տալիս այս գործընթացի նշանները: Առաջին ֆոտոսինթետիկ օրգանիզմները պետք է լինեին ջրի տակ, մասամբ այն պատճառով, որ ջուրը լավ լուծիչ է կենսաքիմիական ռեակցիաների համար, ինչպես նաև այն պատճառով, որ այն պաշտպանում է արևային ուլտրամանուշակագույն ճառագայթումից, ինչը կարևոր էր մթնոլորտային օզոնային շերտի բացակայության դեպքում: Այդպիսի օրգանիզմները ստորջրյա բակտերիաներ էին, որոնք կլանում էին ինֆրակարմիր ֆոտոնները։ Նրանց քիմիական ռեակցիաները ներառում էին ջրածին, ջրածնի սուլֆիդ, երկաթ, բայց ոչ ջուր; հետեւաբար նրանք թթվածին չեն արտանետել։ Եվ միայն 2,7 միլիարդ տարի առաջ օվկիանոսներում ցիանոբակտերիաները թթվածնի արտազատմամբ սկսեցին թթվածնի ֆոտոսինթեզը: Թթվածնի քանակն ու օզոնային շերտը աստիճանաբար ավելացան՝ թույլ տալով կարմիր և շագանակագույն ջրիմուռներին դուրս գալ մակերես։ Եվ երբ ծանծաղ ջրերում ջրի մակարդակը բավարար էր ուլտրամանուշակագույն ճառագայթներից պաշտպանվելու համար, հայտնվեցին կանաչ ջրիմուռներ։ Նրանք ունեին քիչ ֆիկոբիլիպրոտեիններ և ավելի լավ էին հարմարեցված ջրի մակերևույթի մոտ գտնվող պայծառ լույսին: 2 միլիարդ տարի անց այն բանից հետո, երբ թթվածինը սկսեց կուտակվել մթնոլորտում, ցամաքում հայտնվեցին կանաչ ջրիմուռների ժառանգները՝ բույսերը:

Բուսական աշխարհը ենթարկվել է զգալի փոփոխությունների. ձևերի բազմազանությունը արագորեն աճել է. Փշատերև ծառերի կոնաձև պսակները արդյունավետորեն կլանում են լույսը բարձր լայնություններում, որտեղ արևը գրեթե չի բարձրանում հորիզոնից: Ստվերասեր բույսերը արտադրում են անտոցիանին` պայծառ լույսից պաշտպանվելու համար: Կանաչ քլորոֆիլը ոչ միայն լավ է հարմարեցված մթնոլորտի ժամանակակից բաղադրությանը, այլեւ օգնում է պահպանել այն՝ կանաչ պահելով մեր մոլորակը։Հնարավոր է, որ էվոլյուցիայի հաջորդ քայլը առավելություն տա մի օրգանիզմի, որն ապրում է ծառերի թագերի տակ ստվերում և օգտագործում է ֆիկոբիլիններ՝ կանաչ և դեղին լույսը կլանելու համար: Բայց վերին աստիճանի բնակիչները, ըստ ամենայնի, կմնան կանաչ։

Աշխարհը կարմիր ներկելով

Այլ աստղային համակարգերի մոլորակների վրա ֆոտոսինթետիկ պիգմենտներ փնտրելիս աստղագետները պետք է հիշեն, որ այդ մարմինները գտնվում են էվոլյուցիայի տարբեր փուլերում: Օրինակ, նրանք կարող են հանդիպել Երկրին նման մոլորակի, ասենք, 2 միլիարդ տարի առաջ: Պետք է նաև նկատի ունենալ, որ այլմոլորակային ֆոտոսինթետիկ օրգանիզմները կարող են ունենալ այնպիսի հատկություններ, որոնք բնորոշ չեն իրենց ցամաքային «բարեկամներին»: Օրինակ՝ նրանք կարողանում են պառակտել ջրի մոլեկուլները՝ օգտագործելով ավելի երկար ալիքի ֆոտոններ։

Երկրի վրա ամենաերկար ալիքի երկարությամբ օրգանիզմը մանուշակագույն անթթվածին բակտերիան է, որն օգտագործում է մոտ 1015 նմ ալիքի երկարությամբ ինֆրակարմիր ճառագայթում: Թթվածին պարունակող օրգանիզմների շարքում ռեկորդակիրները ծովային ցիանոբակտերիաներն են, որոնք կլանում են 720 նմ: Ալիքի երկարության վերին սահման չկա, որը որոշվում է ֆիզիկայի օրենքներով: Պարզապես ֆոտոսինթեզի համակարգը պետք է օգտագործի ավելի մեծ թվով երկար ալիքի ֆոտոններ՝ համեմատած կարճ ալիքների:

Սահմանափակող գործոնը ոչ թե պիգմենտների բազմազանությունն է, այլ մոլորակի մակերեսին հասնող լույսի սպեկտրը, որն իր հերթին կախված է աստղի տեսակից։ Աստղագետները դասակարգում են աստղերը՝ ելնելով նրանց գույնից՝ կախված ջերմաստիճանից, չափից և տարիքից։ Ոչ բոլոր աստղերն են այնքան երկար, որ կյանքը առաջանա և զարգանա հարևան մոլորակների վրա: Աստղերը երկարակյաց են (ըստ ջերմաստիճանի նվազման) F, G, K և M սպեկտրային դասերի: Արևը պատկանում է G դասին: F դասի աստղերը Արեգակից ավելի մեծ և պայծառ են, նրանք այրվում են՝ արձակելով ավելի պայծառ: կապույտ լույսը և այրվել մոտ 2 միլիարդ տարի հետո: K և M դասի աստղերն ավելի փոքր են տրամագծով, ավելի թույլ, ավելի կարմիր և դասակարգվում են որպես երկարակյաց:

Յուրաքանչյուր աստղի շուրջ կա այսպես կոչված «կյանքի գոտի»՝ ուղեծրերի մի շարք, որոնց վրա մոլորակները ունեն հեղուկ ջրի գոյության համար անհրաժեշտ ջերմաստիճան։ Արեգակնային համակարգում նման գոտին օղակ է, որը սահմանափակված է Մարսի և Երկրի ուղեծրերով: Թեժ F աստղերն ունեն կյանքի գոտի աստղից ավելի հեռու, մինչդեռ ավելի սառը K և M աստղերն այն ավելի մոտ են: F-, G- և K աստղերի կյանքի գոտում գտնվող մոլորակները մոտավորապես նույն քանակությամբ տեսանելի լույս են ստանում, որքան Երկիրը ստանում է Արեգակից: Հավանական է, որ նրանց վրա կյանք կարող է առաջանալ նույն թթվածնային ֆոտոսինթեզի հիման վրա, ինչ Երկրի վրա, թեև պիգմենտների գույնը կարող է փոխվել տեսանելի տիրույթում:

M տիպի աստղերը, այսպես կոչված, կարմիր թզուկները, հատկապես հետաքրքրում են գիտնականներին, քանի որ դրանք մեր Գալակտիկայի աստղերի ամենատարածված տեսակն են: Նրանք արձակում են նկատելիորեն ավելի քիչ տեսանելի լույս, քան Արեգակը. նրանց սպեկտրի ինտենսիվության գագաթնակետը տեղի է ունենում մոտ IR-ում: Շոտլանդիայի Դանդի համալսարանի կենսաբան Ջոն Ռեյվենը և Էդինբուրգի Թագավորական աստղադիտարանի աստղագետ Ռեյ Վոլստենկրոֆթը ենթադրել են, որ թթվածնային ֆոտոսինթեզը տեսականորեն հնարավոր է մոտ ինֆրակարմիր ֆոտոնների միջոցով: Այս դեպքում օրգանիզմները պետք է օգտագործեն երեք կամ նույնիսկ չորս IR ֆոտոն ջրի մոլեկուլը կոտրելու համար, մինչդեռ ցամաքային բույսերը օգտագործում են ընդամենը երկու ֆոտոն, որոնք կարելի է նմանեցնել հրթիռի քայլերին, որոնք էներգիա են հաղորդում էլեկտրոնին՝ քիմիական նյութ իրականացնելու համար։ ռեակցիա.

Երիտասարդ M աստղերը ցուցադրում են հզոր ուլտրամանուշակագույն բռնկումներ, որոնցից հնարավոր է խուսափել միայն ջրի տակ: Բայց ջրի սյունը կլանում է նաև սպեկտրի այլ մասեր, ուստի խորության վրա գտնվող օրգանիզմները լույսի խիստ պակաս կունենան: Եթե այո, ապա այս մոլորակների վրա ֆոտոսինթեզը կարող է չզարգանալ: Քանի որ M-աստղը ծերանում է, արտանետվող ուլտրամանուշակագույն ճառագայթման քանակը նվազում է, իսկ էվոլյուցիայի վերջին փուլերում այն դառնում է ավելի քիչ, քան մեր Արեգակն է արձակում:Այս ժամանակահատվածում պաշտպանիչ օզոնային շերտի կարիք չկա, և կյանքը մոլորակների մակերեսի վրա կարող է ծաղկել, նույնիսկ եթե այն թթվածին չարտադրի։

Այսպիսով, աստղագետները պետք է դիտարկեն չորս հնարավոր սցենարներ՝ կախված աստղի տեսակից և տարիքից։

Անաէրոբ օվկիանոսային կյանք. Մոլորակային համակարգում աստղը երիտասարդ է, ցանկացած տեսակի: Օրգանիզմները կարող են չարտադրել թթվածին: Մթնոլորտը կարող է կազմված լինել այլ գազերից, օրինակ՝ մեթանից։

Աերոբիկ օվկիանոսային կյանք. Աստղն այլեւս երիտասարդ չէ, ցանկացած տեսակի։ Թթվածնային ֆոտոսինթեզի սկզբից բավական ժամանակ է անցել մթնոլորտում թթվածնի կուտակման համար։

Աերոբիկ ցամաքային կյանք. Աստղը հասուն է, ցանկացած տեսակի։ Հողատարածքը ծածկված է բույսերով։ Երկրի վրա կյանքը հենց այս փուլում է:

Անաէրոբ ցամաքային կյանք. Թույլ M աստղ՝ թույլ ուլտրամանուշակագույն ճառագայթմամբ: Բույսերը ծածկում են հողը, բայց կարող են թթվածին չարտադրել:

Բնականաբար, այս դեպքերից յուրաքանչյուրում ֆոտոսինթետիկ օրգանիզմների դրսեւորումները տարբեր կլինեն։ Մեր մոլորակը արբանյակներից նկարահանելու փորձը հուշում է, որ աստղադիտակի միջոցով օվկիանոսի խորքերում կյանքը հայտնաբերելն անհնար է. առաջին երկու սցենարները մեզ կյանքի գունավոր նշաններ չեն խոստանում: Այն գտնելու միակ հնարավորությունը օրգանական ծագման մթնոլորտային գազերի որոնումն է։ Հետևաբար, այլմոլորակային կյանք փնտրելու գունային մեթոդներով հետազոտողները պետք է կենտրոնանան թթվածնային ֆոտոսինթեզով ցամաքային բույսերի ուսումնասիրության վրա՝ F-, G- և K-աստղերի մոտ, կամ M-աստղերի մոլորակների վրա, բայց ցանկացած տեսակի ֆոտոսինթեզով:

Կյանքի նշաններ

Նյութեր, որոնք, բացի բույսերի գույնից, կարող են կյանքի առկայության նշան լինել

Թթվածին (O₂) և ջուր (Հ₂Օ) … Նույնիսկ անկենդան մոլորակի վրա մայր աստղի լույսը ոչնչացնում է ջրի գոլորշիների մոլեկուլները և մթնոլորտում արտադրում փոքր քանակությամբ թթվածին: Բայց այս գազը արագորեն լուծվում է ջրի մեջ, ինչպես նաև օքսիդացնում է ապարներն ու հրաբխային գազերը: Հետևաբար, եթե հեղուկ ջրով մոլորակի վրա շատ թթվածին է երևում, դա նշանակում է, որ այն արտադրում են լրացուցիչ աղբյուրներ, ամենայն հավանականությամբ՝ ֆոտոսինթեզ։

Օզոն (Օ₃) … Երկրի ստրատոսֆերայում ուլտրամանուշակագույն լույսը քայքայում է թթվածնի մոլեկուլները, որոնք միավորվելիս առաջանում են օզոն: Հեղուկ ջրի հետ միասին օզոնը կյանքի կարևոր ցուցանիշ է։ Մինչ թթվածինը տեսանելի է տեսանելի սպեկտրում, օզոնը տեսանելի է ինֆրակարմիրով, որն ավելի հեշտ է հայտնաբերել որոշ աստղադիտակներով:

Մեթան (CH₄) գումարած թթվածին, կամ սեզոնային ցիկլեր … Թթվածնի և մեթանի համակցությունը դժվար է ստանալ առանց ֆոտոսինթեզի։ Մեթանի կոնցենտրացիայի սեզոնային տատանումները նույնպես կյանքի հաստատ նշան են։ Իսկ մեռած մոլորակի վրա մեթանի կոնցենտրացիան գրեթե հաստատուն է. այն միայն դանդաղ է նվազում, երբ արևի լույսը քայքայում է մոլեկուլները:

Քլորոմեթան (CH₃Cl) … Երկրի վրա այս գազը ձևավորվում է բույսերի այրման արդյունքում (հիմնականում անտառային հրդեհների ժամանակ) և արևի լույսի ազդեցության տակ պլանկտոնի և ծովի ջրի քլորի ազդեցության տակ: Օքսիդացումը ոչնչացնում է այն։ Սակայն M-աստղերի համեմատաբար թույլ արտանետումը կարող է թույլ տալ, որ այս գազը կուտակվի գրանցման համար հասանելի քանակով:

Ազոտի օքսիդ (N₂Օ) … Երբ օրգանիզմները քայքայվում են, ազոտն ազատվում է օքսիդի տեսքով։ Այս գազի ոչ կենսաբանական աղբյուրներն աննշան են:

Սևը նոր կանաչն է

Անկախ մոլորակի առանձնահատկություններից, ֆոտոսինթետիկ պիգմենտները պետք է բավարարեն նույն պահանջները, ինչ Երկրի վրա՝ ներծծում են ամենակարճ ալիքի երկարությամբ (բարձր էներգիայով), ամենաերկար ալիքի երկարությամբ (որն օգտագործում է ռեակցիայի կենտրոնը) կամ առավել հասանելի ֆոտոնները: Հասկանալու համար, թե ինչպես է աստղի տեսակը որոշում բույսերի գույնը, անհրաժեշտ էր միավորել տարբեր մասնագիտությունների հետազոտողների ջանքերը։

Աստղային լույսն անցնում է

Բույսերի գույնը կախված է աստղային լույսի սպեկտրից, որը աստղագետները հեշտությամբ կարող են դիտել, և օդի և ջրի միջոցով լույսի կլանումից, որը հեղինակը և նրա գործընկերները մոդելավորել են մթնոլորտի հավանական կազմի և կյանքի հատկությունների հիման վրա: Պատկեր «Գիտության աշխարհում»

Բերկլիի Կալիֆոռնիայի համալսարանի աստղագետ Մարտին Կոենը տվյալներ է հավաքել F-աստղի (Bootes sigma), K-աստղի (էպսիլոն Էրիդանի), ակտիվորեն բռնկվող M-աստղի (AD Leo) և հիպոթետիկ հանգիստ Մ-ի մասին: - աստղ 3100 ° C ջերմաստիճանով: Մեխիկոյի Ազգային Ինքնավար Համալսարանի աստղագետ Անտիգոնա Սեգուրան այս աստղերի շուրջ կյանքի գոտում Երկրի նմանվող մոլորակների վարքագծի համակարգչային մոդելավորում է իրականացրել: Օգտագործելով Արիզոնայի համալսարանի Ալեքսանդր Պավլովի և Փենսիլվանիայի համալսարանի Ջեյմս Քասթինգի մոդելները՝ Սեգուրան ուսումնասիրել է աստղերի ճառագայթման փոխազդեցությունը մոլորակային մթնոլորտի հավանական բաղադրիչների հետ (ենթադրելով, որ հրաբուխները նրանց վրա նույն գազերն են արտանետում, ինչ Երկրի վրա), փորձելով. պարզել մթնոլորտի քիմիական բաղադրությունը, որն ունի թթվածնի պակաս, և դրա պարունակությունը մոտ է երկրի մթնոլորտին:

Օգտագործելով Segura-ի արդյունքները՝ Լոնդոնի համալսարանական քոլեջի ֆիզիկոս Ջովաննա Տինետին հաշվարկել է ճառագայթման կլանումը մոլորակային մթնոլորտներում՝ օգտագործելով Դեյվիդ Քրիսպի մոդելը Փասադենայում (Կալիֆորնիա) Jet Propulsion Laboratory-ում, որն օգտագործվել է մարսագնացների վրա արևային մարտկոցների լուսավորությունը գնահատելու համար: Այս հաշվարկները մեկնաբանելու համար պահանջվում էին հինգ փորձագետների համատեղ ջանքերը՝ մանրէաբան Ջանեթ Զայֆերտ Ռայսի համալսարանից, կենսաքիմիկոս Ռոբերտ Բլանկենշիփ՝ Սենթ Լուիսի Վաշինգտոնի համալսարանից և Գովինջե՝ Իլինոյս նահանգի Ուրբանա համալսարանից, մոլորակաբան և Շամպայն (Վիկտորիա Մեդոուզ) Վաշինգտոն նահանգի համալսարանից։ և ես՝ NASA-ի Գոդարդի տիեզերական հետազոտությունների ինստիտուտի կենսաօդևութաբան:

Մենք եզրակացրինք, որ 451 նմ գագաթնակետ ունեցող կապույտ ճառագայթները հիմնականում հասնում են F դասի աստղերի մոտ գտնվող մոլորակների մակերեսներին։ K-աստղերի մոտ գագաթը գտնվում է 667 նմ, սա սպեկտրի կարմիր շրջանն է, որը նման է Երկրի վրա տիրող իրավիճակին։ Այս դեպքում օզոնը կարևոր դեր է խաղում՝ F-աստղերի լույսը դարձնելով ավելի կապույտ, իսկ K աստղերի լույսն ավելի կարմիր, քան իրականում կա: Պարզվում է, որ ֆոտոսինթեզի համար հարմար ճառագայթումն այս դեպքում գտնվում է սպեկտրի տեսանելի հատվածում, ինչպես Երկրի վրա։

Այսպիսով, F և K աստղերի մոտ գտնվող մոլորակների բույսերը կարող են ունենալ գրեթե նույն գույնը, ինչ Երկրի վրա: Բայց F աստղերում էներգիայով հարուստ կապույտ ֆոտոնների հոսքը չափազանց ինտենսիվ է, ուստի բույսերը պետք է գոնե մասամբ արտացոլեն դրանք՝ օգտագործելով պաշտպանիչ պիգմենտներ, ինչպիսին է անտոցիանինը, որը բույսերին կտա կապտավուն երանգավորում: Այնուամենայնիվ, նրանք կարող են օգտագործել միայն կապույտ ֆոտոններ ֆոտոսինթեզի համար: Այս դեպքում կանաչից կարմիր միջակայքի ողջ լույսը պետք է արտացոլվի: Սա կհանգեցնի արտացոլված լույսի սպեկտրում հստակ կապույտ կտրվածքի, որը կարելի է հեշտությամբ նկատել աստղադիտակով:

M աստղերի ջերմաստիճանի լայն շրջանակը ենթադրում է նրանց մոլորակների գույների բազմազանություն: Հանգիստ M աստղի շուրջ պտտվելով՝ մոլորակը ստանում է Արեգակից Երկիր մոլորակի էներգիայի կեսը: Եվ չնայած սա, սկզբունքորեն, բավարար է կյանքի համար, սա 60 անգամ ավելին է, քան պահանջվում է Երկրի վրա ստվերասեր բույսերի համար, սակայն այս աստղերից եկող ֆոտոնների մեծ մասը պատկանում է սպեկտրի մոտ IR շրջանին: Սակայն էվոլյուցիան պետք է հանգեցնի մի շարք պիգմենտների առաջացմանը, որոնք կարող են ընկալել տեսանելի և ինֆրակարմիր լույսի ողջ սպեկտրը: Բույսերը, որոնք կլանում են գրեթե ողջ ճառագայթումը, կարող են նույնիսկ սև երևալ:

Փոքր մանուշակագույն կետ

Երկրի վրա կյանքի պատմությունը ցույց է տալիս, որ վաղ ծովային ֆոտոսինթետիկ օրգանիզմները F, G և K դասի աստղերի մոտ գտնվող մոլորակների վրա կարող էին ապրել առաջնային առանց թթվածնի մթնոլորտում և զարգացնել թթվածնային ֆոտոսինթեզի համակարգ, որը հետագայում կհանգեցնի ցամաքային բույսերի առաջացմանը։. M կարգի աստղերի հետ կապված իրավիճակն ավելի բարդ է. Մեր հաշվարկների արդյունքները ցույց են տալիս, որ ֆոտոսինթեզատորների համար օպտիմալ տեղը ջրի տակ 9 մ է. այս խորության շերտը թակարդում է կործանարար ուլտրամանուշակագույն լույսը, բայց թույլ է տալիս բավականաչափ տեսանելի լույս անցնել: Իհարկե, մենք չենք նկատի այդ օրգանիզմները մեր աստղադիտակներում, բայց դրանք կարող են դառնալ ցամաքային կյանքի հիմքը։Սկզբունքորեն, M աստղերի մոտ գտնվող մոլորակների վրա բույսերի կյանքը, օգտագործելով տարբեր պիգմենտներ, կարող է գրեթե նույնքան բազմազան լինել, որքան Երկրի վրա:

Սակայն ապագա տիեզերական աստղադիտակները մեզ թույլ կտա՞ն տեսնել կյանքի հետքեր այս մոլորակների վրա: Պատասխանը կախված է նրանից, թե ինչպիսին կլինի մոլորակի վրա ջրի մակերեսի և վայրէջքի հարաբերակցությունը: Առաջին սերնդի աստղադիտակներում մոլորակները նման կլինեն կետերի, և դրանց մակերեսի մանրամասն ուսումնասիրությունը բացառվում է: Այն ամենը, ինչ գիտնականները կստանան, արտացոլված լույսի ընդհանուր սպեկտրն է: Ելնելով իր հաշվարկներից՝ Թինետին պնդում է, որ մոլորակի մակերեսի առնվազն 20%-ը պետք է լինի չոր հող՝ ծածկված բույսերով և ոչ ծածկված ամպերով՝ այս սպեկտրի բույսերը բացահայտելու համար: Մյուս կողմից, որքան մեծ է ծովի տարածքը, այնքան ավելի շատ թթվածին են թողնում ծովային ֆոտոսինթեզատորները մթնոլորտ: Հետեւաբար, որքան ընդգծված են պիգմենտային կենսացուցիչները, այնքան ավելի դժվար է նկատել թթվածնի կենսացուցիչները, և հակառակը։ Աստղագետները կկարողանան հայտնաբերել կամ մեկը, կամ մյուսը, բայց ոչ երկուսն էլ:

Մոլորակ փնտրողներ

Եվրոպական տիեզերական գործակալությունը (ESA) նախատեսում է առաջիկա 10 տարում արձակել «Դարվին» տիեզերանավը՝ երկրային էկզոմոլորակների սպեկտրն ուսումնասիրելու համար: ՆԱՍԱ-ի Երկրի նման մոլորակ փնտրողը նույնը կանի, եթե գործակալությունը ֆինանսավորում ստանա: COROT տիեզերանավը, որը արձակվել է ESA-ի կողմից 2006 թվականի դեկտեմբերին, և Kepler տիեզերանավը, որը նախատեսված է ՆԱՍԱ-ի կողմից 2009 թվականին, նախագծված են աստղերի պայծառության թույլ նվազման որոնման համար, երբ Երկրի նման մոլորակները անցնում են նրանց առջևով: NASA-ի SIM տիեզերանավը մոլորակների ազդեցության տակ աստղերի թույլ տատանումներ կփնտրի։

Կյանքի առկայությունը այլ մոլորակների վրա՝ իրական կյանքի, ոչ միայն բրածոների կամ միկրոբների, որոնք հազիվ են գոյատևում ծայրահեղ պայմաններում, կարող է հայտնաբերվել շատ մոտ ապագայում: Բայց ո՞ր աստղերին պետք է նախ ուսումնասիրենք: Կկարողանա՞նք գրանցել աստղերին մոտ գտնվող մոլորակների սպեկտրները, ինչը հատկապես կարևոր է M աստղերի դեպքում։ Ի՞նչ տիրույթներում և ի՞նչ լուծաչափով պետք է դիտեն մեր աստղադիտակները: Ֆոտոսինթեզի հիմունքները հասկանալը կօգնի մեզ ստեղծել նոր գործիքներ և մեկնաբանել մեր ստացած տվյալները: Նման բարդության խնդիրները կարող են լուծվել միայն տարբեր գիտությունների խաչմերուկում: Առայժմ մենք միայն ճանապարհի սկզբում ենք։ Այլմոլորակային կյանք փնտրելու բուն հնարավորությունը կախված է նրանից, թե որքան խորն ենք մենք հասկանում կյանքի հիմունքները այստեղ Երկրի վրա: