พืชมีลักษณะอย่างไรบนดาวเคราะห์นอกระบบดวงอื่น?

2024 ผู้เขียน: Seth Attwood | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 16:17

การค้นหาสิ่งมีชีวิตนอกโลกไม่ใช่ขอบเขตของนิยายวิทยาศาสตร์หรือนักล่ายูเอฟโออีกต่อไป บางทีเทคโนโลยีสมัยใหม่อาจยังไม่ถึงระดับที่ต้องการ แต่ด้วยความช่วยเหลือจากเทคโนโลยีเหล่านี้ เราจึงสามารถตรวจจับอาการทางกายภาพและทางเคมีของกระบวนการพื้นฐานที่อยู่เบื้องหลังสิ่งมีชีวิตได้

นักดาราศาสตร์ได้ค้นพบดาวเคราะห์มากกว่า 200 ดวงที่โคจรรอบดาวฤกษ์นอกระบบสุริยะ จนถึงตอนนี้ เราไม่สามารถให้คำตอบที่ชัดเจนเกี่ยวกับความน่าจะเป็นของการดำรงอยู่ของชีวิตกับพวกมันได้ แต่นี่เป็นเพียงเรื่องของเวลาเท่านั้น ในเดือนกรกฎาคม 2550 หลังจากวิเคราะห์แสงดาวที่ผ่านชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบ นักดาราศาสตร์ได้ยืนยันว่ามีน้ำอยู่บนดาวดวงนั้น ขณะนี้มีการพัฒนากล้องโทรทรรศน์ขึ้นซึ่งจะทำให้สามารถค้นหาร่องรอยของชีวิตบนดาวเคราะห์ต่างๆ เช่น โลกด้วยสเปกตรัมของพวกมันได้

ปัจจัยสำคัญประการหนึ่งที่ส่งผลต่อสเปกตรัมของแสงที่สะท้อนโดยดาวเคราะห์อาจเป็นกระบวนการสังเคราะห์แสง แต่สิ่งนี้เป็นไปได้ในโลกอื่นหรือไม่? ค่อนข้าง! บนโลก การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตเกือบทั้งหมด แม้ว่าที่จริงแล้วสิ่งมีชีวิตบางชนิดได้เรียนรู้ที่จะมีชีวิตอยู่ที่อุณหภูมิสูงในมีเทนและในปล่องไฮโดรเทอร์มอลในมหาสมุทร แต่เราก็ยังติดค้างความอุดมสมบูรณ์ของระบบนิเวศบนพื้นผิวโลกของเราต่อแสงแดด

ในอีกด้านหนึ่งในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงนั้นจะมีการผลิตออกซิเจนซึ่งเมื่อรวมกับโอโซนที่เกิดจากมันแล้วจะพบได้ในชั้นบรรยากาศของโลก ในทางกลับกัน สีของดาวเคราะห์อาจบ่งบอกถึงการมีอยู่ของเม็ดสีพิเศษ เช่น คลอโรฟิลล์ บนพื้นผิวของมัน เมื่อเกือบหนึ่งศตวรรษก่อน เมื่อสังเกตเห็นความมืดมิดของพื้นผิวดาวอังคารตามฤดูกาล นักดาราศาสตร์สงสัยว่ามีพืชอยู่บนนั้น มีความพยายามในการตรวจจับสัญญาณของพืชสีเขียวในสเปกตรัมของแสงที่สะท้อนจากพื้นผิวดาวเคราะห์ แต่นักเขียนเฮอร์เบิร์ต เวลส์ยังสังเกตเห็นความสงสัยในแนวทางนี้ซึ่งใน "สงครามแห่งโลก" ของเขากล่าวว่า "เห็นได้ชัดว่าอาณาจักรผักของดาวอังคารตรงกันข้ามกับโลกที่สีเขียวครอบงำมีเลือด- สีแดง." ตอนนี้เราทราบแล้วว่าไม่มีพืชบนดาวอังคาร และการปรากฏตัวของบริเวณที่มืดกว่าบนพื้นผิวนั้นสัมพันธ์กับพายุฝุ่น เวลส์เองก็มั่นใจว่าสีของดาวอังคารไม่ได้ถูกกำหนดโดยพืชที่ปกคลุมพื้นผิวของมัน

แม้แต่บนโลก สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงไม่ได้จำกัดอยู่แค่สีเขียว พืชบางชนิดมีใบสีแดง สาหร่ายและแบคทีเรียสังเคราะห์แสงต่างๆ ส่องประกายด้วยสีรุ้งทั้งหมด และแบคทีเรียสีม่วงใช้รังสีอินฟราเรดจากดวงอาทิตย์นอกเหนือจากแสงที่มองเห็นได้ ดังนั้นสิ่งที่จะเหนือกว่าบนดาวเคราะห์ดวงอื่น? และเราจะเห็นสิ่งนี้ได้อย่างไร คำตอบขึ้นอยู่กับกลไกที่การสังเคราะห์แสงของมนุษย์ต่างดาวดูดกลืนแสงของดาวฤกษ์ของมัน ซึ่งแตกต่างในธรรมชาติของการแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์ นอกจากนี้ องค์ประกอบที่แตกต่างกันของชั้นบรรยากาศยังส่งผลต่อองค์ประกอบสเปกตรัมของเหตุการณ์กัมมันตภาพรังสีบนพื้นผิวของดาวเคราะห์ด้วย

ดาวสเปกตรัมคลาส M (ดาวแคระแดง) ส่องแสงจางๆ ดังนั้นพืชบนดาวเคราะห์คล้ายโลกที่อยู่ใกล้พวกมันจึงต้องเป็นสีดำเพื่อดูดซับแสงให้ได้มากที่สุด ดาว M อายุน้อยเผาไหม้พื้นผิวของดาวเคราะห์ด้วยเปลวไฟอัลตราไวโอเลต ดังนั้นสิ่งมีชีวิตจึงต้องมีน้ำ ดวงอาทิตย์ของเราอยู่ระดับ G และใกล้กับดาวฤกษ์ระดับ F พืชได้รับแสงมากเกินไปและต้องสะท้อนส่วนสำคัญของมัน

หากต้องการจินตนาการว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงจะเป็นอย่างไรในโลกอื่น ก่อนอื่นคุณต้องเข้าใจว่าพืชดำเนินการอย่างไรบนโลกสเปกตรัมพลังงานของแสงแดดมีจุดสูงสุดในบริเวณสีน้ำเงินแกมเขียว ซึ่งทำให้นักวิทยาศาสตร์สงสัยมาช้านานว่าทำไมพืชถึงไม่ดูดซับแสงสีเขียวที่มีอยู่มากที่สุด แต่กลับสะท้อนแสงออกมา? ปรากฎว่ากระบวนการสังเคราะห์แสงไม่ได้ขึ้นอยู่กับปริมาณพลังงานแสงอาทิตย์ทั้งหมดมากนัก แต่ขึ้นอยู่กับพลังงานของโฟตอนแต่ละตัวและจำนวนโฟตอนที่ประกอบเป็นแสง

โฟตอนสีน้ำเงินแต่ละโฟตอนมีพลังงานมากกว่าโฟตอนสีแดง แต่ดวงอาทิตย์ส่วนใหญ่ปล่อยสีแดงออกมา พืชใช้โฟตอนสีน้ำเงินเพราะคุณภาพ และใช้สีแดงเพราะปริมาณ ความยาวคลื่นของแสงสีเขียวอยู่ระหว่างสีแดงและสีน้ำเงินพอดีกัน แต่โฟตอนสีเขียวไม่แตกต่างกันในด้านความพร้อมใช้งานหรือพลังงาน ดังนั้นพืชไม่ใช้โฟตอน

ในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงเพื่อตรึงอะตอมของคาร์บอนหนึ่งตัว (ที่ได้มาจากคาร์บอนไดออกไซด์ CO₂) ในโมเลกุลน้ำตาล จำเป็นต้องมีโฟตอนอย่างน้อยแปดโฟตอน และสำหรับความแตกแยกของพันธะไฮโดรเจน-ออกซิเจนในโมเลกุลของน้ำ (H₂O) - แค่อันเดียว ในกรณีนี้อิเล็กตรอนอิสระจะปรากฏขึ้นซึ่งจำเป็นสำหรับปฏิกิริยาต่อไป โดยรวมแล้วสำหรับการก่อตัวของโมเลกุลออกซิเจนหนึ่งโมเลกุล (O₂) สี่พันธะดังกล่าวจะต้องถูกทำลาย สำหรับปฏิกิริยาที่สองเพื่อสร้างโมเลกุลน้ำตาล จำเป็นต้องมีโฟตอนอีกอย่างน้อยสี่โฟตอน ควรสังเกตว่าโฟตอนต้องมีพลังงานขั้นต่ำเพื่อมีส่วนร่วมในการสังเคราะห์ด้วยแสง

วิธีที่พืชดูดซับแสงแดดเป็นหนึ่งในความมหัศจรรย์ของธรรมชาติอย่างแท้จริง เม็ดสีสังเคราะห์แสงไม่ได้เกิดขึ้นทีละโมเลกุล พวกมันก่อตัวเป็นกระจุกที่ประกอบด้วยเสาอากาศหลายอันซึ่งแต่ละอันได้รับการปรับให้รับรู้โฟตอนที่มีความยาวคลื่นที่แน่นอน คลอโรฟิลล์ดูดซับแสงสีแดงและสีน้ำเงินเป็นหลัก ในขณะที่เม็ดสีแคโรทีนอยด์ที่ทำให้ใบไม้ร่วงสีแดงและสีเหลืองรับรู้ถึงเฉดสีฟ้าที่แตกต่างกัน พลังงานทั้งหมดที่รวบรวมโดยเม็ดสีเหล่านี้จะถูกส่งไปยังโมเลกุลคลอโรฟิลล์ที่อยู่ในศูนย์ปฏิกิริยา ซึ่งน้ำจะแยกตัวออกมาเป็นออกซิเจน

คอมเพล็กซ์ของโมเลกุลในศูนย์ปฏิกิริยาสามารถทำปฏิกิริยาเคมีได้ก็ต่อเมื่อได้รับโฟตอนสีแดงหรือพลังงานในปริมาณที่เท่ากันในรูปแบบอื่น ในการใช้โฟตอนสีน้ำเงิน เม็ดสีเสาอากาศจะแปลงพลังงานสูงของพวกมันเป็นพลังงานที่ต่ำกว่า เช่นเดียวกับชุดของหม้อแปลงแบบสเต็ปดาวน์ลดสายไฟ 100,000 โวลต์เป็นเต้ารับที่ผนัง 220 โวลต์ กระบวนการเริ่มต้นเมื่อโฟตอนสีน้ำเงินชนกับเม็ดสีที่ดูดซับแสงสีน้ำเงินและถ่ายเทพลังงานไปยังอิเล็กตรอนตัวใดตัวหนึ่งในโมเลกุลของมัน เมื่ออิเล็กตรอนกลับสู่สถานะเดิม มันจะปล่อยพลังงานนี้ออกมา แต่เนื่องจากการสูญเสียความร้อนและแรงสั่นสะเทือน น้อยกว่าที่มันถูกดูดซับ

อย่างไรก็ตาม โมเลกุลเม็ดสีให้พลังงานที่ได้รับไม่ใช่ในรูปของโฟตอน แต่อยู่ในรูปแบบของปฏิกิริยาทางไฟฟ้ากับโมเลกุลเม็ดสีอื่น ซึ่งสามารถดูดซับพลังงานในระดับที่ต่ำกว่าได้ ในทางกลับกัน เม็ดสีที่สองจะปล่อยพลังงานออกมาน้อยลง และกระบวนการนี้จะดำเนินต่อไปจนกว่าพลังงานของโฟตอนสีน้ำเงินดั้งเดิมจะลดลงถึงระดับสีแดง

ศูนย์ปฏิกิริยา ซึ่งทำหน้าที่เป็นจุดรับของน้ำตก ถูกดัดแปลงให้ดูดซับโฟตอนที่มีอยู่ด้วยพลังงานเพียงเล็กน้อย บนพื้นผิวโลกของเรา โฟตอนสีแดงมีจำนวนมากที่สุดและในขณะเดียวกันก็มีพลังงานต่ำสุดในบรรดาโฟตอนในสเปกตรัมที่มองเห็นได้

แต่สำหรับเครื่องสังเคราะห์แสงใต้น้ำ โฟตอนสีแดงไม่จำเป็นต้องมีมากที่สุด พื้นที่ของแสงที่ใช้ในการสังเคราะห์แสงเปลี่ยนแปลงไปตามความลึกเมื่อน้ำ สารที่ละลายในนั้น และสิ่งมีชีวิตในชั้นบนกรองแสง ผลที่ได้คือการแบ่งชั้นของรูปแบบชีวิตที่ชัดเจนตามชุดของเม็ดสี สิ่งมีชีวิตจากชั้นน้ำที่ลึกกว่านั้นมีเม็ดสีที่ปรับให้เข้ากับแสงของสีเหล่านั้นที่ชั้นด้านบนไม่ดูดซับ ตัวอย่างเช่น สาหร่ายและไซยาเนียมีสารสีคือไฟโคไซยานินและไฟโคอีรีทริน ซึ่งดูดซับโฟตอนสีเขียวและสีเหลือง ใน anoxygenic (เช่นแบคทีเรียที่ไม่ผลิตออกซิเจนคือแบคทีเรียซึ่งดูดซับแสงจากบริเวณอินฟราเรดไกลและใกล้อินฟราเรด (IR) ซึ่งสามารถทะลุผ่านส่วนลึกของน้ำที่มืดมนเท่านั้น

สิ่งมีชีวิตที่ปรับให้เข้ากับแสงน้อยมักจะเติบโตช้ากว่าเพราะต้องทำงานหนักขึ้นเพื่อดูดซับแสงทั้งหมดที่มี บนพื้นผิวของดาวเคราะห์ที่มีแสงสว่างมาก จะเป็นผลเสียที่พืชจะผลิตเม็ดสีส่วนเกิน ดังนั้นพวกมันจึงเลือกใช้สีอย่างเฉพาะเจาะจง หลักการวิวัฒนาการเดียวกันควรทำงานในระบบดาวเคราะห์ดวงอื่นด้วย

เช่นเดียวกับที่สัตว์น้ำได้ปรับตัวให้เข้ากับแสงที่กรองด้วยน้ำ ชาวบกได้ปรับตัวให้เข้ากับแสงที่ถูกกรองโดยก๊าซในชั้นบรรยากาศ ในส่วนบนของชั้นบรรยากาศโลก โฟตอนที่มีมากที่สุดคือสีเหลือง โดยมีความยาวคลื่น 560-590 นาโนเมตร จำนวนโฟตอนจะค่อยๆ ลดลงตามคลื่นยาวและแตกออกเป็นคลื่นสั้นในทันที เมื่อแสงแดดส่องผ่านชั้นบรรยากาศด้านบน ไอน้ำจะดูดซับ IR ในหลายแถบยาวกว่า 700 นาโนเมตร ออกซิเจนสร้างเส้นการดูดซึมในช่วงแคบใกล้ 687 และ 761 นาโนเมตร ใครๆก็รู้ว่าโอโซน (Oh₃) ในสตราโตสเฟียร์ดูดซับแสงอัลตราไวโอเลต (UV) อย่างแข็งขัน แต่ก็ดูดซับเล็กน้อยในบริเวณที่มองเห็นได้ของสเปกตรัม

ดังนั้น ชั้นบรรยากาศของเราจึงออกจากหน้าต่างซึ่งรังสีสามารถไปถึงพื้นผิวโลกได้ ช่วงของรังสีที่มองเห็นได้จำกัดที่ด้านสีน้ำเงินโดยการตัดสเปกตรัมของดวงอาทิตย์ที่คมชัดในบริเวณความยาวคลื่นสั้นและการดูดซับรังสียูวีโดยโอโซน เส้นขอบสีแดงถูกกำหนดโดยเส้นดูดกลืนออกซิเจน จำนวนโฟตอนสูงสุดเปลี่ยนจากสีเหลืองเป็นสีแดง (ประมาณ 685 นาโนเมตร) เนื่องจากการดูดซับโอโซนอย่างกว้างขวางในบริเวณที่มองเห็นได้

พืชถูกปรับให้เข้ากับสเปกตรัมนี้ซึ่งกำหนดโดยออกซิเจนเป็นหลัก แต่ต้องจำไว้ว่าพืชเองให้ออกซิเจนสู่บรรยากาศ เมื่อสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงแรกปรากฏขึ้นบนโลก มีออกซิเจนในบรรยากาศเพียงเล็กน้อย พืชจึงต้องใช้เม็ดสีอื่นที่ไม่ใช่คลอโรฟิลล์ หลังจากเวลาผ่านไป เมื่อการสังเคราะห์ด้วยแสงเปลี่ยนองค์ประกอบของบรรยากาศ คลอโรฟิลล์ก็กลายเป็นเม็ดสีที่เหมาะสมที่สุด

หลักฐานฟอสซิลที่เชื่อถือได้ของการสังเคราะห์ด้วยแสงนั้นมีอายุประมาณ 3.4 พันล้านปี แต่ฟอสซิลก่อนหน้านี้ยังคงแสดงสัญญาณของกระบวนการนี้ สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงชนิดแรกต้องอยู่ใต้น้ำ ส่วนหนึ่งเป็นเพราะน้ำเป็นตัวทำละลายที่ดีสำหรับปฏิกิริยาทางชีวเคมี และยังช่วยป้องกันรังสี UV จากแสงอาทิตย์ ซึ่งมีความสำคัญในกรณีที่ไม่มีชั้นโอโซนในบรรยากาศ สิ่งมีชีวิตดังกล่าวเป็นแบคทีเรียใต้น้ำที่ดูดซับโฟตอนอินฟราเรด ปฏิกิริยาเคมีของพวกมันรวมถึงไฮโดรเจน ไฮโดรเจนซัลไฟด์ เหล็ก แต่ไม่ใช่น้ำ จึงไม่ปล่อยออกซิเจน และเพียง 2, 7 พันล้านปีก่อน ไซยาโนแบคทีเรียในมหาสมุทรเริ่มสังเคราะห์แสงด้วยออกซิเจนด้วยการปล่อยออกซิเจน ปริมาณออกซิเจนและชั้นโอโซนค่อยๆ เพิ่มขึ้น ทำให้สาหร่ายสีแดงและสีน้ำตาลลอยขึ้นสู่ผิวน้ำ และเมื่อระดับน้ำในน้ำตื้นเพียงพอที่จะป้องกันรังสียูวี สาหร่ายสีเขียวก็ปรากฏขึ้น พวกมันมีไฟโคบิลิโปรตีนน้อยและถูกปรับให้เข้ากับแสงจ้าใกล้ผิวน้ำได้ดีกว่า 2 พันล้านปีหลังจากออกซิเจนเริ่มสะสมในชั้นบรรยากาศ ลูกหลานของสาหร่ายสีเขียว - พืช - ปรากฏขึ้นบนบก

ฟลอรามีการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญ - ความหลากหลายของรูปแบบเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว: จากมอสและลิเวอร์เวิร์ตไปจนถึงพืชหลอดเลือดที่มีครอบฟันสูงซึ่งดูดซับแสงได้มากกว่าและปรับให้เข้ากับเขตภูมิอากาศที่แตกต่างกัน มงกุฎรูปกรวยของต้นสนดูดซับแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพในละติจูดสูง โดยที่ดวงอาทิตย์แทบจะไม่ขึ้นเหนือขอบฟ้า พืชที่ชอบร่มเงาจะผลิตแอนโธไซยานินเพื่อป้องกันแสงจ้า คลอโรฟิลล์สีเขียวไม่เพียงแต่ปรับให้เข้ากับองค์ประกอบที่ทันสมัยของชั้นบรรยากาศเท่านั้น แต่ยังช่วยรักษาสภาพแวดล้อม ทำให้โลกของเราเป็นสีเขียวเป็นไปได้ว่าขั้นตอนต่อไปของวิวัฒนาการจะให้ประโยชน์กับสิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่ในร่มเงาภายใต้มงกุฎของต้นไม้และใช้ไฟโคบิลินเพื่อดูดซับแสงสีเขียวและสีเหลือง แต่เห็นได้ชัดว่าชาวชั้นบนจะยังคงเป็นสีเขียว

เพ้นท์โลกสีแดง

ขณะค้นหาเม็ดสีสังเคราะห์แสงบนดาวเคราะห์ในระบบดาวอื่น นักดาราศาสตร์ควรจำไว้ว่าวัตถุเหล่านี้อยู่ในขั้นตอนต่างๆ ของวิวัฒนาการ ตัวอย่างเช่น พวกเขาอาจพบดาวเคราะห์ที่คล้ายกับโลก เมื่อ 2 พันล้านปีก่อน ควรระลึกไว้เสมอว่าสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงของมนุษย์ต่างดาวอาจมีคุณสมบัติที่ไม่ใช่ "ญาติ" ของพวกมันบนบก ตัวอย่างเช่น พวกมันสามารถแยกโมเลกุลของน้ำโดยใช้โฟตอนความยาวคลื่นที่ยาวกว่า

สิ่งมีชีวิตที่มีความยาวคลื่นยาวที่สุดในโลกคือแบคทีเรีย anoxygenic สีม่วง ซึ่งใช้รังสีอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นประมาณ 1,015 นาโนเมตร สิ่งมีชีวิตที่มีออกซิเจนมากที่สุดคือไซยาโนแบคทีเรียในทะเลซึ่งดูดซับที่ 720 นาโนเมตร ไม่มีขีดจำกัดความยาวคลื่นที่กำหนดโดยกฎแห่งฟิสิกส์ เพียงแต่ว่าระบบสังเคราะห์แสงต้องใช้โฟตอนความยาวคลื่นยาวจำนวนมากขึ้นเมื่อเทียบกับโฟตอนที่มีความยาวคลื่นสั้น

ปัจจัยจำกัดไม่ใช่ความหลากหลายของเม็ดสี แต่เป็นสเปกตรัมของแสงที่ไปถึงพื้นผิวดาวเคราะห์ ซึ่งจะขึ้นอยู่กับประเภทของดาวฤกษ์ นักดาราศาสตร์จำแนกดาวตามสี โดยขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ขนาด และอายุของดาว ไม่ใช่ว่าดาวทุกดวงจะมีอายุยืนยาวพอที่จะกำเนิดและพัฒนาบนดาวเคราะห์ข้างเคียงได้ ดาวฤกษ์มีอายุยืนยาว (ตามลำดับอุณหภูมิที่ลดลง) ของคลาสสเปกตรัม F, G, K และ M ดวงอาทิตย์อยู่ในกลุ่ม G ดาวฤกษ์คลาส F มีขนาดใหญ่กว่าและสว่างกว่าดวงอาทิตย์ พวกมันลุกไหม้และเปล่งแสงที่สว่างกว่า แสงสีฟ้าและมอดดับในเวลาประมาณ 2 พันล้านปี ดาวคลาส K และ M มีขนาดเล็กกว่า เส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า จางกว่า สีแดงกว่า และจัดว่ามีอายุยืนยาว

รอบดาวแต่ละดวงมีสิ่งที่เรียกว่า "เขตชีวิต" ซึ่งเป็นช่วงของวงโคจรซึ่งดาวเคราะห์มีอุณหภูมิที่จำเป็นสำหรับการมีอยู่ของน้ำของเหลว ในระบบสุริยะ เขตดังกล่าวเป็นวงแหวนที่ล้อมรอบด้วยวงโคจรของดาวอังคารและโลก ดาว F ที่ร้อนแรงจะมีโซนชีวิตอยู่ห่างจากดาวฤกษ์มากขึ้น ในขณะที่ดาว K และ M ที่เย็นกว่าจะอยู่ใกล้กันมากขึ้น ดาวเคราะห์ในเขตชีวิตของดาว F-, G- และ K ได้รับแสงที่มองเห็นได้ในปริมาณที่เท่ากันกับที่โลกได้รับจากดวงอาทิตย์ มีแนวโน้มว่าสิ่งมีชีวิตอาจเกิดขึ้นได้จากการสังเคราะห์แสงด้วยออกซิเจนแบบเดียวกับบนโลก แม้ว่าสีของเม็ดสีอาจเปลี่ยนไปภายในช่วงที่มองเห็นได้

ดาวประเภท M หรือที่เรียกว่าดาวแคระแดงเป็นที่สนใจเป็นพิเศษสำหรับนักวิทยาศาสตร์ เนื่องจากเป็นดาวฤกษ์ประเภทที่พบบ่อยที่สุดในกาแลคซี่ของเรา พวกมันเปล่งแสงที่มองเห็นได้น้อยกว่าดวงอาทิตย์อย่างเห็นได้ชัด: ความเข้มสูงสุดของสเปกตรัมเกิดขึ้นในอินฟราเรดใกล้ John Raven นักชีววิทยาจากมหาวิทยาลัย Dundee ในสกอตแลนด์ และ Ray Wolstencroft นักดาราศาสตร์ที่ Royal Observatory ในเอดินบะระ ได้แนะนำว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงด้วยออกซิเจนเป็นไปได้ในทางทฤษฎีโดยใช้โฟตอนอินฟราเรดใกล้ ในกรณีนี้ สิ่งมีชีวิตจะต้องใช้โฟตอนอินฟราเรดสามหรือสี่โฟตอนเพื่อทำลายโมเลกุลของน้ำ ในขณะที่พืชบนบกใช้โฟตอนเพียง 2 โฟตอน ซึ่งสามารถเปรียบได้กับขั้นบันไดของจรวดที่ให้พลังงานแก่อิเล็กตรอนเพื่อดำเนินการทางเคมี ปฏิกิริยา.

ดาว Young M แสดงแสง UV อันทรงพลังที่สามารถหลีกเลี่ยงได้ใต้น้ำเท่านั้น แต่คอลัมน์น้ำยังดูดซับส่วนอื่น ๆ ของสเปกตรัม ดังนั้นสิ่งมีชีวิตที่อยู่ลึกจะขาดแสงอย่างมาก ถ้าเป็นเช่นนั้น การสังเคราะห์แสงบนดาวเคราะห์เหล่านี้อาจไม่พัฒนาขึ้น เมื่อดาว M มีอายุมากขึ้น ปริมาณรังสีอัลตราไวโอเลตที่ปล่อยออกมาจะลดลง ในระยะต่อมาของการวิวัฒนาการจะน้อยกว่าที่ดวงอาทิตย์ของเราปล่อยออกมาในช่วงเวลานี้ ไม่จำเป็นต้องมีชั้นโอโซนป้องกัน และสิ่งมีชีวิตบนพื้นผิวของดาวเคราะห์สามารถเจริญงอกงามได้แม้ว่าจะไม่ได้ผลิตออกซิเจนก็ตาม

ดังนั้น นักดาราศาสตร์จึงควรพิจารณาสถานการณ์ที่เป็นไปได้ 4 ประการ ขึ้นอยู่กับประเภทและอายุของดาวฤกษ์

ชีวิตในมหาสมุทรแบบไม่ใช้ออกซิเจน ดาวฤกษ์ในระบบดาวเคราะห์ยังอายุน้อยไม่ว่าจะประเภทใดก็ตาม สิ่งมีชีวิตไม่สามารถผลิตออกซิเจนได้ บรรยากาศอาจประกอบด้วยก๊าซอื่นๆ เช่น มีเทน

ชีวิตมหาสมุทรแอโรบิก ดาวดวงนี้ไม่เด็กอีกต่อไปแล้ว เวลาผ่านไปพอสมควรแล้วตั้งแต่เริ่มมีการสังเคราะห์ด้วยแสงด้วยออกซิเจนเพื่อสะสมออกซิเจนในบรรยากาศ

ชีวิตบนบกแอโรบิก ดาวนั้นโตเต็มที่ทุกประเภท ที่ดินปกคลุมไปด้วยพืชพรรณ ชีวิตบนโลกเป็นเพียงขั้นตอนนี้

ชีวิตบนบกแบบไม่ใช้ออกซิเจน ดาว M จางๆ ที่มีรังสี UV อ่อน พืชคลุมดินแต่ไม่สามารถผลิตออกซิเจนได้

โดยธรรมชาติแล้ว อาการของสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงในแต่ละกรณีจะแตกต่างกัน ประสบการณ์การถ่ายภาพดาวเคราะห์ของเราจากดาวเทียมแสดงให้เห็นว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะตรวจจับสิ่งมีชีวิตในส่วนลึกของมหาสมุทรโดยใช้กล้องโทรทรรศน์: สองสถานการณ์แรกไม่ได้สัญญากับเราว่าเป็นสัญญาณแห่งชีวิต โอกาสเดียวที่จะพบมันคือการค้นหาก๊าซในบรรยากาศที่มีแหล่งกำเนิดอินทรีย์ ดังนั้นนักวิจัยที่ใช้วิธีการสีเพื่อค้นหาสิ่งมีชีวิตต่างดาวจะต้องมุ่งเน้นไปที่การศึกษาพืชบกที่มีการสังเคราะห์แสงด้วยออกซิเจนบนดาวเคราะห์ใกล้ดาว F-, G- และ K หรือบนดาวเคราะห์ของ M-star แต่มีการสังเคราะห์ด้วยแสงทุกประเภท

สัญญาณของชีวิต

สารที่นอกเหนือไปจากสีของพืชสามารถเป็นสัญญาณของการมีอยู่ของชีวิต

ออกซิเจน (O₂) และน้ำ (H₂อ) … แม้แต่บนดาวเคราะห์ที่ไม่มีชีวิต แสงจากดาวฤกษ์แม่จะทำลายโมเลกุลของไอน้ำและผลิตออกซิเจนจำนวนเล็กน้อยในชั้นบรรยากาศ แต่ก๊าซนี้จะละลายอย่างรวดเร็วในน้ำและออกซิไดซ์ของหินและก๊าซภูเขาไฟ ดังนั้น หากเห็นออกซิเจนจำนวนมากบนดาวเคราะห์ที่มีน้ำเป็นของเหลว แสดงว่ามีแหล่งอื่นผลิตออกซิเจนออกมา ซึ่งน่าจะเป็นการสังเคราะห์ด้วยแสงมากที่สุด

โอโซน (O₃) … ในชั้นสตราโตสเฟียร์ของโลก แสงอัลตราไวโอเลตทำลายโมเลกุลออกซิเจน ซึ่งเมื่อรวมกันแล้วจะเกิดโอโซน โอโซนเป็นตัวบ่งชี้สำคัญของชีวิตร่วมกับน้ำของเหลว แม้ว่าออกซิเจนจะมองเห็นได้ในสเปกตรัมที่มองเห็น แต่โอโซนจะมองเห็นได้ในอินฟราเรด ซึ่งง่ายต่อการตรวจจับด้วยกล้องโทรทรรศน์บางตัว

มีเทน (CH₄) บวกกับออกซิเจนหรือวัฏจักรตามฤดูกาล … การรวมกันของออกซิเจนและมีเทนเป็นเรื่องยากที่จะได้รับโดยปราศจากการสังเคราะห์ด้วยแสง ความผันผวนตามฤดูกาลของความเข้มข้นของก๊าซมีเทนเป็นสัญญาณบ่งบอกถึงชีวิตอย่างแน่นอน และบนดาวเคราะห์ที่ตายแล้ว ความเข้มข้นของก๊าซมีเทนเกือบจะคงที่ โดยจะลดลงอย่างช้าๆ เมื่อแสงแดดทำลายโมเลกุล

คลอโรมีเทน (CH₃Cl) … บนโลก ก๊าซนี้เกิดจากการเผาพืช (ส่วนใหญ่เกิดจากไฟป่า) และการสัมผัสกับแสงแดดบนแพลงก์ตอนและคลอรีนในน้ำทะเล ออกซิเดชันทำลายมัน แต่การปล่อย M-star ที่ค่อนข้างอ่อนอาจทำให้ก๊าซนี้สะสมอยู่ในปริมาณที่สามารถลงทะเบียนได้

ไนตรัสออกไซด์ (N₂อ) … เมื่อสิ่งมีชีวิตสลายตัว ไนโตรเจนจะถูกปล่อยออกมาในรูปของออกไซด์ แหล่งที่มาที่ไม่ใช่ทางชีวภาพของก๊าซนี้มีความสำคัญเล็กน้อย

สีดำคือสีเขียวใหม่

โดยไม่คำนึงถึงลักษณะของดาวเคราะห์ เม็ดสีสังเคราะห์แสงต้องเป็นไปตามข้อกำหนดเช่นเดียวกับบนโลก: ดูดซับโฟตอนที่มีความยาวคลื่นสั้นที่สุด (พลังงานสูง) ด้วยความยาวคลื่นที่ยาวที่สุด (ซึ่งศูนย์ปฏิกิริยาใช้) หรือมีมากที่สุด เพื่อให้เข้าใจว่าชนิดของดาวกำหนดสีของพืชอย่างไร จึงจำเป็นต้องรวมความพยายามของนักวิจัยจากความเชี่ยวชาญที่แตกต่างกัน

แสงดาวผ่านไป

สีของพืชขึ้นอยู่กับสเปกตรัมของแสงดาว ซึ่งนักดาราศาสตร์สามารถสังเกตได้ง่าย และการดูดกลืนแสงโดยอากาศและน้ำ ซึ่งผู้เขียนและเพื่อนร่วมงานได้จำลองแบบมาจากองค์ประกอบที่น่าจะเป็นไปได้ของบรรยากาศและคุณสมบัติของชีวิต รูปภาพ "ในโลกแห่งวิทยาศาสตร์"

มาร์ติน โคเฮน นักดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ รวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับดาวเอฟ (บูทส์ ซิกมา) ดาวเค (เอปซิลอน เอริดานี) ดาวเอ็มที่วูบวาบอย่างแข็งขัน (AD Leo) และความสงบตามสมมุติฐาน M - ดาวที่มีอุณหภูมิ 3100 ° C นักดาราศาสตร์ Antigona Segura จากมหาวิทยาลัยอิสระแห่งชาติในเม็กซิโกซิตี้ได้ทำการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เกี่ยวกับพฤติกรรมของดาวเคราะห์คล้ายโลกในเขตชีวิตรอบดาวเหล่านี้ โดยใช้แบบจำลองโดย Alexander Pavlov แห่งมหาวิทยาลัยแอริโซนาและ James Kasting แห่งมหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนีย Segura ศึกษาปฏิสัมพันธ์ของการแผ่รังสีจากดาวฤกษ์กับส่วนประกอบที่น่าจะเป็นของชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ (สมมติว่าภูเขาไฟปล่อยก๊าซออกมาเช่นเดียวกับบนโลก) โดยพยายาม เพื่อหาบรรยากาศขององค์ประกอบทางเคมีทั้งที่ขาดออกซิเจนและมีเนื้อหาใกล้เคียงกับโลก

จากผลของ Segura นักฟิสิกส์จาก University College London Giovanna Tinetti ได้คำนวณการดูดกลืนรังสีในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์โดยใช้แบบจำลองของ David Crisp ที่ Jet Propulsion Laboratory ในเมืองพาซาดีนา รัฐแคลิฟอร์เนีย ซึ่งใช้เพื่อประเมินการส่องสว่างของแผงโซลาร์เซลล์บนยานสำรวจดาวอังคาร การตีความการคำนวณเหล่านี้ต้องใช้ความพยายามร่วมกันของผู้เชี่ยวชาญห้าคน ได้แก่ นักจุลชีววิทยา Janet Siefert จาก Rice University นักชีวเคมี Robert Blankenship จาก Washington University ใน St. Louis และ Govindjee จาก University of Illinois at Urbana นักดาวเคราะห์วิทยาและ Champaigne (Victoria Meadows) จาก Washington State University และฉัน นักชีวมิติจากสถาบันวิจัยอวกาศก็อดดาร์ดของนาซ่า

เราสรุปได้ว่ารังสีสีฟ้าที่มีจุดสูงสุดที่ 451 นาโนเมตรจะไปถึงพื้นผิวของดาวเคราะห์ใกล้กับดาวฤกษ์คลาส F ใกล้กับดาว K ยอดเขาตั้งอยู่ที่ 667 นาโนเมตร ซึ่งเป็นบริเวณสีแดงของสเปกตรัมซึ่งคล้ายกับสถานการณ์บนโลก ในกรณีนี้ โอโซนมีบทบาทสำคัญ ทำให้แสงของดาว F เป็นสีน้ำเงินขึ้น และแสงของดาว K เป็นสีแดงมากกว่าที่เป็นจริง ปรากฎว่าการแผ่รังสีที่เหมาะสมสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงในกรณีนี้อยู่ในบริเวณที่มองเห็นได้ของสเปกตรัมเช่นเดียวกับบนโลก

ดังนั้น พืชบนดาวเคราะห์ที่อยู่ใกล้ดาว F และ K จึงมีสีเกือบเท่ากับสีที่มีอยู่บนโลก แต่สำหรับดาว F โฟตอนสีน้ำเงินที่อุดมด้วยพลังงานนั้นรุนแรงเกินไป ดังนั้นอย่างน้อยพืชต้องสะท้อนแสงบางส่วนโดยใช้สารสีป้องกัน เช่น แอนโธไซยานิน ซึ่งจะทำให้พืชมีสีฟ้า อย่างไรก็ตาม พวกมันสามารถใช้โฟตอนสีน้ำเงินในการสังเคราะห์แสงเท่านั้น ในกรณีนี้ ควรสะท้อนแสงทั้งหมดในช่วงตั้งแต่สีเขียวถึงสีแดง ซึ่งจะส่งผลให้มีจุดตัดสีน้ำเงินที่โดดเด่นในสเปกตรัมแสงสะท้อนที่สามารถมองเห็นได้ง่ายด้วยกล้องโทรทรรศน์

ช่วงอุณหภูมิกว้างสำหรับดาว M แสดงให้เห็นสีต่างๆ สำหรับดาวเคราะห์ของพวกมัน การโคจรรอบดาว M ที่สงบ ดาวเคราะห์ได้รับพลังงานครึ่งหนึ่งที่โลกได้รับจากดวงอาทิตย์ และถึงแม้โดยหลักการแล้วสิ่งนี้ก็เพียงพอแล้วสำหรับชีวิต - มันมากกว่าที่จำเป็นสำหรับพืชที่รักร่มเงาบนโลก 60 เท่า - โฟตอนส่วนใหญ่ที่มาจากดาวเหล่านี้อยู่ในบริเวณใกล้อินฟราเรดของสเปกตรัม แต่วิวัฒนาการควรนำไปสู่การเกิดของเม็ดสีที่หลากหลายที่สามารถรับรู้สเปกตรัมทั้งหมดของแสงที่มองเห็นและอินฟราเรด พืชที่ดูดซับรังสีเกือบทั้งหมดอาจมีสีดำ

จุดสีม่วงเล็กๆ

ประวัติความเป็นมาของชีวิตบนโลกแสดงให้เห็นว่าสิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์แสงในทะเลในยุคแรกๆ บนดาวเคราะห์ใกล้กับดาวระดับ F, G และ K สามารถอาศัยอยู่ในบรรยากาศที่ปราศจากออกซิเจนขั้นต้นและพัฒนาระบบการสังเคราะห์ด้วยแสงด้วยออกซิเจน ซึ่งจะนำไปสู่การปรากฏตัวของพืชบกในเวลาต่อมา. สถานการณ์ของดาราระดับ M นั้นซับซ้อนกว่า ผลการคำนวณของเราระบุว่าตำแหน่งที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการสังเคราะห์แสงคือ 9 เมตรใต้น้ำ: ชั้นของความลึกนี้จะดักจับแสงอัลตราไวโอเลตที่ทำลายล้าง แต่อนุญาตให้แสงที่มองเห็นได้เพียงพอ แน่นอน เราจะไม่สังเกตเห็นสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ในกล้องโทรทรรศน์ของเรา แต่พวกมันอาจกลายเป็นพื้นฐานของชีวิตบนบกได้โดยหลักการแล้ว บนดาวเคราะห์ใกล้กับดาว M ชีวิตพืชโดยใช้เม็ดสีต่างๆ นั้นมีความหลากหลายเกือบเท่ากับบนโลก

แต่กล้องโทรทรรศน์อวกาศในอนาคตจะทำให้เราเห็นร่องรอยของชีวิตบนดาวเคราะห์เหล่านี้หรือไม่? คำตอบขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของผิวน้ำกับการลงจอดบนดาวเคราะห์ดวงนี้ ในกล้องโทรทรรศน์รุ่นแรก ดาวเคราะห์จะมีลักษณะเป็นจุด และไม่มีการศึกษารายละเอียดพื้นผิวของพวกมัน สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์จะได้รับคือสเปกตรัมของแสงสะท้อนทั้งหมด จากการคำนวณของเขา Tinetti ให้เหตุผลว่าอย่างน้อย 20% ของพื้นผิวโลกต้องเป็นพื้นที่แห้งที่ปกคลุมไปด้วยพืชและไม่ถูกปกคลุมด้วยเมฆเพื่อระบุพืชในสเปกตรัมนี้ ในทางกลับกัน ยิ่งพื้นที่ทะเลกว้าง ออกซิเจนที่เครื่องสังเคราะห์แสงทางทะเลจะปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้น ยิ่งตัวบ่งชี้ทางชีวภาพของเม็ดสีเด่นชัดมากเท่าใด ก็ยิ่งยากที่จะสังเกตเห็นตัวบ่งชี้ทางชีวภาพของออกซิเจน และในทางกลับกัน นักดาราศาสตร์จะสามารถตรวจจับสิ่งใดสิ่งหนึ่งได้ แต่ไม่ใช่ทั้งสองอย่าง

ผู้แสวงหาดาวเคราะห์

องค์การอวกาศยุโรป (ESA) วางแผนที่จะเปิดตัวยานอวกาศดาร์วินในอีก 10 ปีข้างหน้าเพื่อศึกษาสเปกตรัมของดาวเคราะห์นอกระบบ ผู้ค้นหา Earth-Like Planet ของ NASA จะทำเช่นเดียวกันหากหน่วยงานได้รับเงินทุน ยานอวกาศ COROT ซึ่งเปิดตัวโดย ESA ในเดือนธันวาคม 2549 และยานอวกาศเคปเลอร์ซึ่งกำหนดโดย NASA สำหรับการเปิดตัวในปี 2552 ได้รับการออกแบบมาเพื่อค้นหาความสว่างของดวงดาวที่ลดลงเล็กน้อยเมื่อดาวเคราะห์คล้ายโลกเคลื่อนผ่านไปข้างหน้า ยานอวกาศ SIM ของ NASA จะมองหาการสั่นไหวของดาวฤกษ์ภายใต้อิทธิพลของดาวเคราะห์

การมีอยู่ของสิ่งมีชีวิตบนดาวเคราะห์ดวงอื่น - ชีวิตจริง ไม่ใช่แค่ฟอสซิลหรือจุลินทรีย์ที่แทบจะไม่สามารถอยู่รอดได้ในสภาวะที่รุนแรง - อาจถูกค้นพบได้ในอนาคตอันใกล้นี้ แต่ดาวดวงไหนที่เราควรศึกษาก่อน? เราจะสามารถลงทะเบียนสเปกตรัมของดาวเคราะห์ที่อยู่ใกล้กับดาวฤกษ์ได้หรือไม่ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในกรณีของดาว M? กล้องโทรทรรศน์ของเราควรสังเกตในช่วงใดและด้วยความละเอียดเท่าใด การทำความเข้าใจพื้นฐานของการสังเคราะห์ด้วยแสงจะช่วยให้เราสร้างเครื่องมือใหม่และตีความข้อมูลที่เราได้รับ ปัญหาของความซับซ้อนดังกล่าวสามารถแก้ไขได้เฉพาะที่จุดตัดของวิทยาศาสตร์ต่างๆ จนถึงตอนนี้เราอยู่ที่จุดเริ่มต้นของเส้นทางเท่านั้น ความเป็นไปได้ในการค้นหาสิ่งมีชีวิตนอกโลกนั้นขึ้นอยู่กับว่าเราเข้าใจพื้นฐานของชีวิตบนโลกนี้มากเพียงใด