Фотосинтез на экзопланетах
В.С.Геворкян
студент Тимирязевской СельХозАкадемии, Москва
Аннотация
Процесс фотосинтеза является одним из важных факторов, влияющих на спектр отраженного планетой света. Цвет поверхности планеты может подсказать, имеются ли на ней живые организмы, которые посредством фотосинтеза поглощают энергию света «своей» звезды.
Активное исследование ближнего и дальнего космоса привело к появлению в 70-х годах ХХ века новой науки экзобиологии, которая изучает формы жизни за пределами Земли.
Экзобиология — это экспериментальная наука. Она занимается поиском и исследованием внеземных форм жизни во Вселенной во всех её проявлениях. Экзобиология работает «на стыке наук» — астрономии, биологии, биохимии и является составной частью планетологии. В решении некоторых задач экзобиология тесно соприкасается и с космической медициной [3, 5, 7, 9].
Важнейшая задача экзобиологии — изучение обстоятельств зарождения и развития жизни на Земле как космическом теле в первичных земных условиях при наличии атмосферы преимущественно основного состава. В такой атмосфере при внешнем облучении или электрических разрядах возможно образование довольно сложных органических соединений, которые могли послужить основой для развития жизни, постепенно образовавшей обширную биосферу. В результате фотосинтеза, обусловленного деятельностью растений, земная атмосфера постепенно стала окисленной. Таким образом, доказано, что присутствие кислорода в составе атмосферы какой-либо планеты является достаточным, хотя и не обязательным, признаком наличия на ней жизни.
В числе других важных задач экзобиологии — определение и изучение пределов и механизмов выживаемости земных организмов в экстремальных условиях окружающей среды; выяснение путей абиогенного синтеза важнейших биоорганических соединений и этапов предбиологической эволюции; установление критериев существования и разработка автоматических методов обнаружения жизни на других планетах с помощью автоматических биологических лабораторий (АБЛ).
В экзобиологии для обнаружения внеземной жизни используются специальные инструментальные методы определения сложных органических соединений — газовая хроматография; масс-спектрометрия; оптические приборы, регистрирующие спектры поглощения и люминесценции вещества инопланетного грунта. Широко применяются в экзобиологии функциональные методы исследований — они предназначены для определения активного метаболизма путём регистрации параметров роста, размножения, газообмена микроорганизмов во время инкубации образцов грунта на комбинированных питательных средах сложного состава [3, 5, 7, 9].
К августу 2009 года вне Солнечной системы было обнаружено уже 358 так называемых экзопланет в 302 планетных системах звезд нашей Галактики. Пока ещё нельзя дать однозначный ответ о возможности существования на них жизни, но это лишь вопрос времени. Современные технологии позволяют обнаружить на далёких планетах проявления таких физических и химических процессов, которые лежат в основе жизнедеятельности организмов.
Сейчас разрабатываются телескопы, которые позволят искать следы жизни на планетах типа Земли по их спектрам. В ближайшие 10 лет Европейское космическое агентство (ESA) планирует запустить аппарат «Дарвин» для изучения спектров экзопланет земного типа. NASA планирует запустить для этой цели аппарат под названием «Искатель землеподобных планет». Аппарат COROT, запущенный ESA в декабре 2006 г., и аппарат «Кеплер», намеченный NASA к запуску в 2009 г., созданы для поиска слабого уменьшения блеска звезд при прохождении перед ними планет земного типа. Аппарат NASA SIM будет искать слабые колебания звезд под влиянием планет.
Одним из важных факторов, влияющих на спектр отраженного планетой света, может быть процесс фотосинтеза. Вопрос о том, какого цвета могут быть внеземные растения, очень важен с научной точки зрения. Цвет поверхности планеты может подсказать, есть ли на ней жизнь, а точнее – живые организмы, усваивающие энергию света своей звезды путем фотосинтеза.
Фотосинтез всегда приспособлен к спектру того света, который попадает на организм. Фактически это спектр излучения родительской звезды, частично поглощенного в атмосфере планеты и, для водных существ, в жидкой воде.
Свет любой длины волны, от темно-фиолетового до инфракрасного, может поддерживать фотосинтез. Вблизи звезд более горячих и молодых, чем наше Солнце, растения должны усваивать голубой свет, а сами будут иметь окраску от зеленой до желтой и красной. Планеты, обращающиеся вокруг более холодных звезд, таких как красные карлики, получают меньше видимого света, и растения на них, вынужденные поглощать как можно больше излучения, окажутся черными.
На Земле фотосинтез служит основой практически для всего живого. Несмотря на то, что некоторые организмы и научились жить при повышенной температуре в среде метана и в океанских гидротермальных источниках, богатством экосистем на поверхности нашей планеты мы обязаны именно солнечному свету.
С одной стороны, в процессе фотосинтеза возникает кислород, который вместе с образующимся из него озоном можно обнаружить в атмосфере планеты. С другой стороны, цвет планеты может говорить о наличии на ее поверхности особых пигментов, таких как хлорофилл.
Пигмент хлорофилл, тончайшим образом адаптированный к условиям нашей планеты, является основным фактором фотосинтеза у земных растений. Если бы озоновый слой не поглощал основную долю поступающего к Земле от Солнца ультрафиолета, то хлорофилл мог бы использовать и его, и тогда он выглядел бы иначе. Но поскольку самое подходящее для функционирования хлорофилла излучение, достигающее поверхности Земли, относится к красной и синей областям спектра, то именно их хлорофилл поглощает и использует для синтеза. Зеленая часть спектра при этом отражается, давая растительности зелёную окраску. Некоторые другие организмы, бактерии и водоросли, используют и другие фотосинтезирующие пигменты, дающие им, соответственно, другой цвет: оранжевый каротин, желтый ксантофилл, серый феофитин. А пурпурные бактерии кроме видимого света используют инфракрасное излучение Солнца [6, 9].
Когда первые фотосинтезирующие организмы появились на Земле, кислорода в атмосфере было мало, поэтому растения должны были использовать иные пигменты, а не хлорофилл. Только по прошествии времени, когда фотосинтез изменил состав атмосферы, хлорофилл стал оптимальным пигментом.
Надежные ископаемые доказательства фотосинтеза имеют возраст около 3,4 млрд лет, но и в более ранних ископаемых остатках есть признаки протекания данного процесса. Первые фотосинтезирующие организмы должны были быть подводными отчасти потому, что вода — хороший растворитель для биохимических реакций, а также потому, что она обеспечивает защиту от солнечного ультрафиолетового излучения, что было важно при отсутствии атмосферного озонового слоя. Такими организмами были подводные бактерии, которые поглощали инфракрасные фотоны. Их химические реакции включали водород, сероводород, железо, но не воду; следовательно, они не выделяли кислород.
Только 2,7 млрд. лет назад цианобактерии в океанах начали кислородный фотосинтез (с выделением кислорода). Количество кислорода и озоновый слой постепенно увеличивались, позволяя красным и бурым водорослям подниматься к поверхности. А когда уровень воды на мелководьях оказался достаточным для защиты от ультрафиолетового излучения, появились зеленые водоросли. В них было мало фикобилипротенов, и они были лучше приспособлены к яркому свету у поверхности воды. Для подводных растений область света, используемая для фотосинтеза, меняется с глубиной, поскольку вода, растворенные в ней вещества и находящиеся в верхних слоях организмы фильтруют свет. В результате получается четкое расслоение живых форм в соответствии с их набором пигментов. Организмы из более глубоких слоев воды имеют пигменты, настроенные на свет тех цветов, которые не были поглощены слоями, лежащими выше. Например водоросли и цианеи имеют пигменты фикоцианин и фикоэритрин, поглощающие зеленые и желтые фотоны. У аноксигенных (т.е. не производящих кислород) бактерий есть бактериохлорофилл, поглощающий свет дальней красной и ближней инфракрасной (ИК) областей, который только и способен проникать на большие глубины.
Спустя 2 млрд лет после того, как кислород начал накапливаться в атмосфере, потомки зеленых водорослей — растения — появились и на суше.
С тех пор растительный мир претерпел значительные изменения, поскольку резко возросло разнообразие форм: от мхов и печеночников до сосудистых растений с высокими кронами, которые поглощают больше света и приспособлены к разным климатическим зонам. Конические кроны хвойных деревьев эффективно поглощают свет в высоких широтах, где солнце почти не поднимается над горизонтом. Тенелюбивые растения для защиты от яркого света вырабатывают антоцианин. Так же, как водные существа приспособились к свету, отфильтрованному водой, обитатели суши адаптировались к свету, отфильтрованному атмосферными газами. В настоящее время растения приспособлены к этому спектру, который в основном определяется кислородом. (Но нужно помнить, что кислород в атмосферу поставляют сами растения.) Зеленый хлорофилл не только хорошо приспособлен к современному составу атмосферы, но и помогает поддерживать его, сохраняя нашу планету зеленой. Не исключено, что следующий шаг эволюции даст преимущество организму, живущему в тени под кронами деревьев и использующему фикобилины для поглощения зеленого и желтого света. Но обитатели верхнего яруса, видимо, так и останутся зелеными [6, 9].
Организмы, приспособившиеся к слабой освещенности, обычно растут медленнее, поскольку им приходится прикладывать больше усилий для поглощения всего доступного им света. На поверхности планеты, где свет в изобилии, растениям было бы невыгодно производить лишние пигменты, поэтому они избирательно используют цвета. Такие же эволюционные принципы должны работать и в других планетных системах [6, 9].
Если экзопланета будет иметь примерно земные размеры, и атмосферу её будет похожа на нашу, и сама экзопланета будет обращаться вокруг звезды, подобной нашему Солнцу, то, скорей всего, и растительность на ней тоже будет зеленой. Но может быть и так, что ее растительные пигменты будут поглощать и отражать иные области спектра. Важную роль в этом принадлежит также содержанию в атмосфере экзопланеты углекислого газа и водяных паров, общей влажности экзопланеты, магнитной активности звезды: эти факторы влияют как на характеристики света, достигающего поверхности планеты, так и на параметры протекающих здесь химических реакций.
Чтобы ответить на вопрос, каким будет фотосинтез на других планетах, необходимо выяснить, с помощью каких биофизических механизмов инопланетный фотосинтез усваивает свет своей звезды, отличающейся по характеру излучения от Солнца. Кроме того, надо учитывать, что состав инопланетной атмосферы также влияет на спектральный состав излучения, падающего на поверхность этой планеты.
Особенностями инопланетного фотосинтеза занимается наука астроботаника, которую 60 лет назад основал известный астроном академик Г.А.Тихов [5]. В ходе многолетних экспериментальных исследований ему удалось обнаружить такие особенности растительных организмов, которые позволяют им приспосабливаться к трудным условиям - низким температурам, недостатку кислорода. Им были получены свидетельства того, что при низких температурах полоса поглощения хлорофилла становится более расплывчатой или пропадает вовсе. На этом основании Г.А.Тихов выдвинул гипотезу, что растения могут приспосабливаться к суровым климатическим условиям, меняя свои оптические свойства и увеличивая или уменьшая поглощение солнечной радиации [2, 5].
Основатель астроботаники
академик Г.А. Тихов (1875-1960)
|
Действием ультрафиолетовых лучей на простые соединения типа воды, аммиака, окиси углерода, метана в лабораторных условиях осуществлен абиогенный синтез аминокислот, липидов, нуклеотидов, сахаров и других биологически важных веществ. Это и позволило обосновать возможность жизни на других планетах, построенной на водно-углеродной, органической основе. Доказательство правомерности такого вывода было получено, когда 28 сентября 1969 года вблизи города Мёрчисон в Австралии упал метеорит. В осколках Мёрчисонского метеорита впервые были обнаружены внеземные органические вещества: аминокислоты и углеводороды абиогенного (небиологического) происхождения. Внеземная природа этих органических веществ является доказанным научным фактом. Дело в том, что в наши дни продукты абиогенного синтеза в естественном виде не могут быть обнаружены в земной природе, поскольку их немедленно потребят земные существа [8].
Полученные к середине ХХ века научные сведения о физической природе различных планет свидетельствуют о том, что жизнь возможна далеко не на всех телах Солнечной системы. В частности, установлено, что жизнь практически невозможна на Луне, Меркурии, Венере. На Марсе имеется крайне разреженная атмосфера с абсолютным давлением порядка 1 кПа (т. е. 10 мбар), ничтожное количество водяных паров при отсутствии жидкой воды, очень низкая температура со средним значением минус 55°C. Однако лабораторными экспериментами доказано, что многие земные микроорганизмы или их споры могут сохранять жизнеспособность в условиях низких температур (ниже минус 70 °С), вакуума (до 10-8—10-11 кПа) и пониженной влажности газовой атмосферы (1—2%). Это означает, что некоторые земные формы жизни могут всё же существовать в марсианских условиях. Кроме того, в последние годы в атмосфере Марса был обнаружен метан — быстро распадающийся газ, который может означать присутствие живых организмов, так как действующих вулканов на Марсе нет [3].
Таким образом, неопровержимо доказано, что органические вещества существуют за пределами Земли. Обнаружение внеземных органических веществ, по существу тех же, которые некогда явились основой жизни на Земле, уже свидетельствует о том, что не только возможны, но и весьма вероятны сценарии эволюции по земному варианту.
Проекты экспериментов для обнаружения жизни на других телах с помощью автоматических аппаратов основываются на предположении, что жизнь на них имеет ту же углеводородную основу, что и на Земле. Возможность жизни на другой основе (аммиак, кремний) маловероятна. Главным аргументом в пользу всеобщности жизни на углеводородной основе является то, что, как показывает детальное исследование первичного метеоритного вещества — углистых хондритов, образование весьма сложных углеводородных соединений (антрацена, фенантрена и даже основных элементов дезоксирибонуклеиновой кислоты — пуриновых оснований — аденина и гуанина) может происходить еще на допланетной стадии в первичной газово-пылевой туманности; в дальнейшем это органическое вещество входит в состав образующихся планет и при благоприятных условиях определяет развитие на них жизни [2].
Кроме того, ещё Джеймс Дьюи Уотсон, один из первооткрывателей ДНК, рассматривая жизнь с точки зрения атомной и молекулярной физики, пришел к выводу, что свойства молекулы ДНК, как носителя всей информации о живом организме, определяются атомными свойствами химических элементов, из которых она состоит: углерода, кислорода, азота и фосфора. И замена любого из этих элементов на «сходный», скорее всего, приведет к полному нарушению всех функций молекулы и сделает невозможным само продолжение жизни.
Поэтому жизнь на других планетах должна быть именно органической, и для её существования необходимы такие же, как и на Земле, три обязательных условия: наличие соединений углерода, наличие жидкой воды и наличие источников энергии для синтеза сложных органических молекул [1].
ЛИТЕРАТУРА
1. Голованов В. Парадоксы молчания. // Журнал «Вокруг Света», № 4, Апрель, 2003.
2. Левин А. Экзопланеты. // «Популярная механика», №1, Январь, 2009.
3. Попов М. Кто там? Жизнь на других планетах. // «Мир фантастики», №34; июнь, 2006.
5. Тихов Г.А. Шестьдесят лет у телескопа. М.: Детгиз, 1959.
6. Цзян Н. Цвет растений на других планетах. // «В мире науки», 2008, № 7, июль.
8. Школенко Ю. XX век: конец и начало Аэлиты. // «Вокруг Света», № 3, Март, 1973
9. Яблоков М. Морошка на Марсе. // «Юный техник», 2008, № 11, стр.24 – 29.
|
