جدول المحتويات:

كيف تبدو النباتات على الكواكب الخارجية الأخرى؟
كيف تبدو النباتات على الكواكب الخارجية الأخرى؟

فيديو: كيف تبدو النباتات على الكواكب الخارجية الأخرى؟

فيديو: كيف تبدو النباتات على الكواكب الخارجية الأخرى؟
فيديو: ✨MULTI SUB | Blades of the Guardians EP 01-08 Full Version 2024, مارس
Anonim

لم يعد البحث عن حياة خارج كوكب الأرض مجالًا للخيال العلمي أو صائدي الأجسام الطائرة المجهولة. ربما لم تصل التقنيات الحديثة بعد إلى المستوى المطلوب ، ولكن بمساعدتها أصبحنا قادرين بالفعل على اكتشاف المظاهر الفيزيائية والكيميائية للعمليات الأساسية الكامنة وراء الكائنات الحية.

اكتشف علماء الفلك أكثر من 200 كوكب تدور حول نجوم خارج النظام الشمسي. حتى الآن لا يمكننا إعطاء إجابة لا لبس فيها حول احتمالية وجود الحياة عليهم ، لكن هذه مسألة وقت فقط. في يوليو 2007 ، بعد تحليل ضوء النجوم الذي مر عبر الغلاف الجوي لكوكب خارج المجموعة الشمسية ، أكد علماء الفلك وجود الماء عليه. يتم الآن تطوير التلسكوبات التي ستجعل من الممكن البحث عن آثار الحياة على الكواكب مثل الأرض من خلال أطيافها.

قد تكون عملية التمثيل الضوئي من العوامل المهمة التي تؤثر على طيف الضوء المنعكس على كوكب ما. لكن هل هذا ممكن في عوالم أخرى؟ تماما! على الأرض ، يعتبر التمثيل الضوئي أساس جميع الكائنات الحية تقريبًا. على الرغم من حقيقة أن بعض الكائنات الحية قد تعلمت العيش في درجات حرارة مرتفعة في الميثان وفي الفتحات الحرارية المائية للمحيط ، فإننا مدينون بثراء النظم البيئية على سطح كوكبنا لأشعة الشمس.

من ناحية أخرى ، في عملية التمثيل الضوئي ، يتم إنتاج الأكسجين ، والذي يمكن العثور عليه مع الأوزون المتكون منه في الغلاف الجوي للكوكب. من ناحية أخرى ، قد يشير لون الكوكب إلى وجود أصباغ خاصة ، مثل الكلوروفيل ، على سطحه. منذ ما يقرب من قرن من الزمان ، بعد أن لاحظوا التعتيم الموسمي لسطح المريخ ، اشتبه علماء الفلك في وجود نباتات عليه. بذلت محاولات للكشف عن علامات النباتات الخضراء في طيف الضوء المنعكس من سطح الكوكب. لكن الشك في هذا النهج كان واضحًا حتى من قبل الكاتب هربرت ويلز ، الذي لاحظ في كتابه "حرب العوالم": "من الواضح أن مملكة المريخ النباتية ، على عكس المملكة الأرضية ، حيث يسود اللون الأخضر ، لها دم- أحمر اللون." نحن نعلم الآن أنه لا توجد نباتات على سطح المريخ ، ويرتبط ظهور المناطق الأكثر قتامة على سطح المريخ بالعواصف الترابية. كان ويلز نفسه مقتنعًا بأن لون المريخ لا يتم تحديده بواسطة النباتات التي تغطي سطحه.

حتى على الأرض ، لا تقتصر كائنات التمثيل الضوئي على اللون الأخضر: فبعض النباتات لها أوراق حمراء ، وتتلألأ طحالب مختلفة وبكتيريا التمثيل الضوئي بكل ألوان قوس قزح. وتستخدم البكتيريا البنفسجية الأشعة تحت الحمراء القادمة من الشمس بالإضافة إلى الضوء المرئي. إذن ما الذي سيسود على الكواكب الأخرى؟ وكيف يمكننا رؤية هذا؟ تعتمد الإجابة على الآليات التي يستوعب بها التمثيل الضوئي الفضائي ضوء نجمه ، والذي يختلف في طبيعة إشعاع الشمس. بالإضافة إلى ذلك ، تؤثر التركيبة المختلفة للغلاف الجوي أيضًا على التركيب الطيفي لحادث الإشعاع على سطح الكوكب.

تتألق نجوم الفئة الطيفية M (الأقزام الحمراء) بشكل خافت ، لذلك يجب أن تكون النباتات الموجودة على الكواكب الشبيهة بالأرض بالقرب منها سوداء حتى تمتص أكبر قدر ممكن من الضوء. تحرق النجوم الصغيرة M سطح الكواكب بواسطة مشاعل الأشعة فوق البنفسجية ، لذلك يجب أن تكون الكائنات الحية مائية هناك. شمسنا من الدرجة G. وبالقرب من نجوم الفئة F ، تتلقى النباتات الكثير من الضوء ويجب أن تعكس جزءًا كبيرًا منه.

لتخيل كيف سيكون التمثيل الضوئي في عوالم أخرى ، عليك أولاً أن تفهم كيف تنفذ النباتات ذلك على الأرض.طيف طاقة ضوء الشمس له ذروته في المنطقة الخضراء المزرقة ، مما جعل العلماء يتساءلون لفترة طويلة لماذا لا تمتص النباتات الضوء الأخضر المتاح أكثر ، ولكن على العكس من ذلك ، تعكسه؟ اتضح أن عملية التمثيل الضوئي لا تعتمد كثيرًا على الكمية الإجمالية للطاقة الشمسية ، ولكن على طاقة الفوتونات الفردية وعدد الفوتونات التي يتكون منها الضوء.

صورة
صورة

يحمل كل فوتون أزرق طاقة أكثر من الفوتون الأحمر ، لكن الشمس تنبعث منها في الغالب حمراء. تستخدم النباتات الفوتونات الزرقاء بسبب جودتها ، وتستخدم الفوتونات الحمراء بسبب كميتها. يقع الطول الموجي للضوء الأخضر بالضبط بين الأحمر والأزرق ، لكن الفوتونات الخضراء لا تختلف في التوافر أو الطاقة ، لذلك لا تستخدمها النباتات.

أثناء عملية التمثيل الضوئي لإصلاح ذرة كربون واحدة (مشتقة من ثاني أكسيد الكربون ، CO2) في جزيء السكر ، يلزم ما لا يقل عن ثمانية فوتونات ، ولانشقاق رابطة الهيدروجين والأكسجين في جزيء الماء (H2س) - واحد فقط. في هذه الحالة ، يظهر إلكترون حر ، وهو أمر ضروري لمزيد من التفاعل. في المجموع ، لتكوين جزيء أكسجين واحد (O2) أربعة من هذه السندات يجب كسرها. للتفاعل الثاني لتكوين جزيء سكر ، يلزم وجود أربعة فوتونات أخرى على الأقل. وتجدر الإشارة إلى أن الفوتون يجب أن يمتلك بعض الحد الأدنى من الطاقة ليتمكن من المشاركة في عملية التمثيل الضوئي.

الطريقة التي تمتص بها النباتات ضوء الشمس هي حقًا إحدى عجائب الطبيعة. لا تحدث أصباغ التمثيل الضوئي كجزيئات فردية. إنها تشكل عناقيد تتكون ، كما كانت ، من العديد من الهوائيات ، كل منها مضبوط لإدراك فوتونات ذات طول موجي معين. يمتص الكلوروفيل بشكل أساسي الضوء الأحمر والأزرق ، بينما تدرك أصباغ الكاروتين التي تعطي أوراق الشجر المتساقطة باللونين الأحمر والأصفر ظلًا مختلفًا من اللون الأزرق. يتم تسليم كل الطاقة التي تجمعها هذه الأصباغ إلى جزيء الكلوروفيل الموجود في مركز التفاعل ، حيث ينقسم الماء لتكوين الأكسجين.

يمكن لمجمع الجزيئات في مركز التفاعل إجراء تفاعلات كيميائية فقط إذا تلقى فوتونات حمراء أو كمية مكافئة من الطاقة في شكل آخر. لاستخدام الفوتونات الزرقاء ، تقوم أصباغ الهوائي بتحويل طاقتها العالية إلى طاقة أقل ، تمامًا كما تقلل سلسلة من المحولات التدريجية 100000 فولت من خط الطاقة إلى مقبس حائط 220 فولت. تبدأ العملية عندما يصطدم الفوتون الأزرق بصبغة تمتص الضوء الأزرق وتنقل الطاقة إلى أحد الإلكترونات في جزيءها. عندما يعود الإلكترون إلى حالته الأصلية ، فإنه يصدر هذه الطاقة ، ولكن بسبب فقدان الحرارة والاهتزازات ، يكون أقل مما يمتص.

ومع ذلك ، فإن جزيء الصباغ يتخلى عن الطاقة المتلقاة ليس في شكل فوتون ، ولكن في شكل تفاعل كهربائي مع جزيء صبغ آخر ، قادر على امتصاص الطاقة من المستوى الأدنى. في المقابل ، تطلق الصبغة الثانية طاقة أقل ، وتستمر هذه العملية حتى تنخفض طاقة الفوتون الأزرق الأصلي إلى مستوى اللون الأحمر.

يتم تكييف مركز التفاعل ، باعتباره الطرف المستقبل للشلال ، لامتصاص الفوتونات المتاحة بأقل قدر من الطاقة. على سطح كوكبنا ، الفوتونات الحمراء هي الأكثر عددًا وفي نفس الوقت لديها أقل طاقة بين الفوتونات في الطيف المرئي.

ولكن بالنسبة إلى أجهزة التمثيل الضوئي تحت الماء ، ليس من الضروري أن تكون الفوتونات الحمراء هي الأكثر وفرة. تتغير مساحة الضوء المستخدمة في عملية التمثيل الضوئي مع العمق حيث تقوم المياه والمواد الذائبة فيه والكائنات الحية الموجودة في الطبقات العليا بترشيح الضوء. والنتيجة هي التقسيم الطبقي الواضح للأشكال الحية وفقًا لمجموعة أصباغها. الكائنات الحية من الطبقات العميقة من الماء لها أصباغ يتم ضبطها على ضوء تلك الألوان التي لم تمتصها الطبقات أعلاه. على سبيل المثال ، تحتوي الطحالب والسيانيان على أصباغ Phycocyanin و Phycoerythrin ، والتي تمتص الفوتونات الخضراء والصفراء. في غير مؤكسد (أيالبكتيريا غير المنتجة للأكسجين هي جرثومة الكلوروفيل ، والتي تمتص الضوء من المناطق الحمراء البعيدة والأشعة تحت الحمراء القريبة (IR) ، والتي تكون قادرة فقط على اختراق أعماق الماء القاتمة.

تميل الكائنات الحية التي تكيفت مع الإضاءة المنخفضة إلى النمو بشكل أبطأ لأنه يتعين عليها العمل بجدية أكبر لامتصاص كل الضوء المتاح لها. على سطح الكوكب ، حيث يكون الضوء وفيرًا ، سيكون من غير المواتي للنباتات إنتاج أصباغ زائدة ، لذا فهي تستخدم الألوان بشكل انتقائي. يجب أن تعمل نفس المبادئ التطورية في أنظمة الكواكب الأخرى أيضًا.

تمامًا كما تكيفت الكائنات المائية مع الضوء الذي يتم تصفيته بواسطة الماء ، تكيف سكان الأرض مع الضوء الذي يتم ترشيحه بواسطة غازات الغلاف الجوي. في الجزء العلوي من الغلاف الجوي للأرض ، تكون أكثر الفوتونات وفرة صفراء ، ويبلغ طولها الموجي 560-590 نانومتر. يتناقص عدد الفوتونات تدريجياً باتجاه الموجات الطويلة وينقطع فجأة باتجاه الموجات القصيرة. عندما يمر ضوء الشمس عبر الغلاف الجوي العلوي ، يمتص بخار الماء الأشعة تحت الحمراء في عدة نطاقات أطول من 700 نانومتر. ينتج الأكسجين نطاقًا ضيقًا من خطوط الامتصاص بالقرب من 687 و 761 نانومتر. يعلم الجميع أن الأوزون (أوه3) في الستراتوسفير يمتص بشكل نشط الضوء فوق البنفسجي ، لكنه يمتص أيضًا قليلاً في المنطقة المرئية من الطيف.

لذلك ، يترك غلافنا الجوي نوافذ يمكن من خلالها أن يصل الإشعاع إلى سطح الكوكب. نطاق الإشعاع المرئي محدود على الجانب الأزرق بقطع حاد للطيف الشمسي في منطقة الطول الموجي القصير وامتصاص الأوزون للأشعة فوق البنفسجية. يتم تحديد الحدود الحمراء بخطوط امتصاص الأكسجين. يتم إزاحة ذروة عدد الفوتونات من الأصفر إلى الأحمر (حوالي 685 نانومتر) بسبب الامتصاص الواسع للأوزون في المنطقة المرئية.

تتكيف النباتات مع هذا الطيف الذي يحدده الأكسجين بشكل أساسي. ولكن يجب أن نتذكر أن النباتات نفسها تزود الغلاف الجوي بالأكسجين. عندما ظهرت أول كائنات التمثيل الضوئي على الأرض ، كان هناك القليل من الأكسجين في الغلاف الجوي ، لذلك كان على النباتات استخدام أصباغ أخرى غير الكلوروفيل. فقط بعد مرور فترة زمنية ، عندما غيرت عملية التمثيل الضوئي تكوين الغلاف الجوي ، أصبح الكلوروفيل هو الصباغ الأمثل.

يبلغ عمر الأدلة الأحفورية الموثوقة على التمثيل الضوئي حوالي 3.4 مليار سنة ، لكن بقايا الحفريات المبكرة تظهر علامات على هذه العملية. يجب أن تكون الكائنات الحية الأولى في عملية التمثيل الضوئي تحت الماء ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن الماء مذيب جيد للتفاعلات الكيميائية الحيوية ، وأيضًا لأنه يوفر الحماية من الأشعة فوق البنفسجية الشمسية ، والتي كانت مهمة في غياب طبقة الأوزون في الغلاف الجوي. كانت هذه الكائنات عبارة عن بكتيريا تحت الماء تمتص فوتونات الأشعة تحت الحمراء. تضمنت تفاعلاتهم الكيميائية الهيدروجين وكبريتيد الهيدروجين والحديد ولكن ليس الماء ؛ لذلك ، لم ينبعث منها الأكسجين. منذ 2 ، 7 مليار سنة فقط ، بدأت البكتيريا الزرقاء في المحيطات عملية التمثيل الضوئي للأكسجين مع إطلاق الأكسجين. زادت كمية الأكسجين وطبقة الأوزون تدريجياً ، مما سمح للطحالب الحمراء والبنية بالصعود إلى السطح. وعندما كان مستوى الماء في المياه الضحلة كافياً للحماية من الأشعة فوق البنفسجية ، ظهرت الطحالب الخضراء. كان لديهم عدد قليل من البروتينات النباتية وكانوا يتكيفون بشكل أفضل مع الضوء الساطع بالقرب من سطح الماء. بعد ملياري سنة من بدء تراكم الأكسجين في الغلاف الجوي ، ظهرت أحفاد الطحالب الخضراء - النباتات - على الأرض.

خضعت النباتات لتغيرات كبيرة - فقد زاد تنوع الأشكال بسرعة: من الطحالب وحشيش الكبد إلى النباتات الوعائية ذات التيجان العالية ، والتي تمتص المزيد من الضوء وتتكيف مع المناطق المناخية المختلفة. تمتص التيجان المخروطية للأشجار الصنوبرية الضوء بفاعلية في خطوط العرض العالية ، حيث بالكاد تشرق الشمس فوق الأفق. تنتج النباتات المحبة للظل أنثوسيانين للحماية من الضوء الساطع. لا يتكيف الكلوروفيل الأخضر جيدًا مع التكوين الحديث للغلاف الجوي فحسب ، بل يساعد أيضًا في الحفاظ عليه ، والحفاظ على كوكبنا أخضر.من الممكن أن تعطي الخطوة التالية في التطور ميزة للكائن الحي الذي يعيش في الظل تحت تيجان الأشجار ويستخدم phycobilins لامتصاص الضوء الأخضر والأصفر. لكن سكان الطبقة العليا ، على ما يبدو ، سيظلون أخضر.

رسم العالم باللون الأحمر

أثناء البحث عن أصباغ التمثيل الضوئي على الكواكب في الأنظمة النجمية الأخرى ، يجب أن يتذكر علماء الفلك أن هذه الأجسام في مراحل مختلفة من التطور. على سبيل المثال ، قد يواجهون كوكبًا مشابهًا للأرض ، على سبيل المثال ، منذ ملياري سنة. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أيضًا أن الكائنات الفضائية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي قد يكون لها خصائص لا تميز "أقاربها" الأرضية. على سبيل المثال ، يمكنهم تقسيم جزيئات الماء باستخدام فوتونات ذات أطوال موجية أطول.

أطول كائن حي ذو طول موجي على الأرض هو البكتيريا غير المؤكسدة الأرجواني ، والتي تستخدم الأشعة تحت الحمراء بطول موجة يبلغ حوالي 1015 نانومتر. أصحاب الرقم القياسي بين الكائنات المؤكسدة هم البكتيريا الزرقاء البحرية ، التي تمتص عند 720 نانومتر. لا يوجد حد أعلى لطول الموجة الذي تحدده قوانين الفيزياء. كل ما في الأمر أن نظام التمثيل الضوئي يجب أن يستخدم عددًا أكبر من الفوتونات ذات الطول الموجي الطويل مقارنة بالفوتونات ذات الطول الموجي القصير.

العامل المحدد ليس تنوع الأصباغ ، ولكن طيف الضوء الذي يصل إلى سطح الكوكب ، والذي بدوره يعتمد على نوع النجم. يصنف علماء الفلك النجوم بناءً على لونها ، اعتمادًا على درجة حرارتها وحجمها وعمرها. لا توجد كل النجوم لفترة طويلة بما يكفي لظهور الحياة وتطورها على الكواكب المجاورة. النجوم معمرة (بترتيب انخفاض درجة الحرارة) من الفئات الطيفية F و G و K و M. تنتمي الشمس إلى الفئة G. الضوء الأزرق ويحترق في حوالي 2 مليار سنة. النجوم من الفئة K و M أصغر في القطر ، وأكثر خفوتًا ، وأكثر احمرارًا ، وتصنف على أنها طويلة العمر.

يوجد حول كل نجم ما يسمى "منطقة الحياة" - مجموعة من المدارات ، حيث يكون للكواكب درجة الحرارة اللازمة لوجود الماء السائل. في النظام الشمسي ، هذه المنطقة عبارة عن حلقة يحدها مدارات المريخ والأرض. النجوم الساخنة F لها منطقة حياة بعيدة عن النجم ، بينما النجوم الأكثر برودة K و M تقترب منها. تتلقى الكواكب في منطقة حياة النجوم F و G و K نفس القدر من الضوء المرئي الذي تستقبله الأرض من الشمس. من المحتمل أن تنشأ الحياة عليها بناءً على نفس التمثيل الضوئي الأكسجين كما هو الحال على الأرض ، على الرغم من أن لون الأصباغ قد يتغير داخل النطاق المرئي.

تحظى النجوم من النوع M ، أو ما يسمى بالأقزام الحمراء ، باهتمام خاص للعلماء لأنها أكثر أنواع النجوم شيوعًا في مجرتنا. ينبعث منها ضوء أقل وضوحًا بشكل ملحوظ من الشمس: تحدث ذروة الشدة في طيفها في الأشعة تحت الحمراء القريبة. اقترح جون رافين ، عالم الأحياء بجامعة دندي في اسكتلندا ، وراي وولستينكروفت ، عالم الفلك في المرصد الملكي في إدنبرة ، أن التمثيل الضوئي الأكسجين ممكن نظريًا باستخدام فوتونات الأشعة تحت الحمراء القريبة. في هذه الحالة ، سيتعين على الكائنات الحية استخدام ثلاثة أو حتى أربعة فوتونات بالأشعة تحت الحمراء لكسر جزيء الماء ، بينما تستخدم النباتات الأرضية فوتونين فقط ، يمكن تشبيههما بخطوات صاروخ ينقل الطاقة إلى إلكترون لتنفيذ مادة كيميائية تفاعل.

تظهر النجوم الصغيرة M مشاعل قوية للأشعة فوق البنفسجية لا يمكن تجنبها إلا تحت الماء. لكن عمود الماء يمتص أيضًا أجزاء أخرى من الطيف ، وبالتالي فإن الكائنات الحية الموجودة في العمق ستفتقر إلى الضوء بشكل كبير. إذا كان الأمر كذلك ، فقد لا تتطور عملية التمثيل الضوئي على هذه الكواكب. مع تقدم عمر النجم M ، تقل كمية الأشعة فوق البنفسجية المنبعثة ، وفي المراحل المتأخرة من التطور تصبح أقل مما تنبعثه شمسنا.خلال هذه الفترة ، ليست هناك حاجة لطبقة أوزون واقية ، ويمكن أن تزدهر الحياة على سطح الكواكب حتى لو لم تنتج الأكسجين.

وبالتالي ، يجب على علماء الفلك النظر في أربعة سيناريوهات محتملة اعتمادًا على نوع النجم وعمره.

حياة المحيط اللاهوائية.النجم في نظام الكواكب هو نجم شاب من أي نوع. الكائنات الحية قد لا تنتج الأكسجين. يمكن أن يتكون الغلاف الجوي من غازات أخرى مثل غاز الميثان.

حياة المحيط الهوائية. لم يعد النجم شابًا من أي نوع. لقد مر وقت كافٍ منذ بداية التمثيل الضوئي للأكسجين لتراكم الأكسجين في الغلاف الجوي.

الحياة البرية الهوائية. النجم ناضج من أي نوع. الأرض مغطاة بالنباتات. الحياة على الأرض فقط في هذه المرحلة.

الحياة البرية اللاهوائية. نجم خافت ذو أشعة فوق البنفسجية ضعيفة. تغطي النباتات الأرض ولكنها قد لا تنتج الأكسجين.

بطبيعة الحال ، ستكون مظاهر كائنات التمثيل الضوئي في كل حالة من هذه الحالات مختلفة. تشير تجربة إطلاق النار على كوكبنا من الأقمار الصناعية إلى أنه من المستحيل اكتشاف الحياة في أعماق المحيط باستخدام التلسكوب: أول سيناريوهين لا يعداننا بعلامات ملونة للحياة. الفرصة الوحيدة للعثور عليه هي البحث عن غازات الغلاف الجوي ذات الأصل العضوي. لذلك ، سيتعين على الباحثين الذين يستخدمون طرق الألوان للبحث عن الحياة الفضائية التركيز على دراسة النباتات البرية ذات التمثيل الضوئي الأكسجين على الكواكب القريبة من النجوم F و G و K أو على كواكب النجوم M ، ولكن مع أي نوع من التمثيل الضوئي.

اشارات الحياة

المواد التي ، بالإضافة إلى لون النباتات ، يمكن أن تكون علامة على وجود الحياة

الأكسجين (O2) والماء (H2س) … حتى على كوكب لا حياة له ، فإن الضوء المنبعث من النجم الأم يدمر جزيئات بخار الماء وينتج كمية صغيرة من الأكسجين في الغلاف الجوي. لكن هذا الغاز يذوب بسرعة في الماء ويؤكسد الصخور والغازات البركانية. لذلك ، إذا شوهد الكثير من الأكسجين على كوكب به ماء سائل ، فهذا يعني أن مصادر إضافية تنتجها ، على الأرجح عملية التمثيل الضوئي.

الأوزون (O3) … في طبقة الستراتوسفير للأرض ، تعمل الأشعة فوق البنفسجية على تدمير جزيئات الأكسجين ، والتي ، عند اجتماعها ، تشكل طبقة الأوزون. إلى جانب الماء السائل ، يعتبر الأوزون مؤشرًا مهمًا للحياة. بينما يكون الأكسجين مرئيًا في الطيف المرئي ، يكون الأوزون مرئيًا في الأشعة تحت الحمراء ، مما يسهل اكتشافه باستخدام بعض التلسكوبات.

الميثان (CH4) بالإضافة إلى الأكسجين ، أو الدورات الموسمية … من الصعب الحصول على مزيج من الأكسجين والميثان بدون عملية التمثيل الضوئي. التقلبات الموسمية في تركيز الميثان هي أيضًا علامة أكيدة على الحياة. وعلى كوكب ميت ، يكون تركيز الميثان ثابتًا تقريبًا: يتناقص ببطء فقط عندما يكسر ضوء الشمس الجزيئات

كلورو ميثان (CH3Cl) … على الأرض ، يتكون هذا الغاز من حرق النباتات (بشكل رئيسي في حرائق الغابات) والتعرض لأشعة الشمس على العوالق والكلور في مياه البحر. الأكسدة تدمرها. لكن الانبعاث الضعيف نسبيًا للنجوم M يمكن أن يسمح لهذا الغاز بالتراكم بكمية متاحة للتسجيل.

أكسيد النيتروز (N2س) … عندما تتحلل الكائنات الحية ، يتم إطلاق النيتروجين في شكل أكسيد. المصادر غير البيولوجية لهذا الغاز لا تذكر.

الأسود هو الأخضر الجديد

بغض النظر عن خصائص الكوكب ، يجب أن تفي أصباغ التمثيل الضوئي بنفس المتطلبات الموجودة على الأرض: تمتص الفوتونات ذات الطول الموجي الأقصر (عالية الطاقة) ، مع أطول طول موجي (يستخدمه مركز التفاعل) ، أو الأكثر توفرًا. لفهم كيف يحدد نوع النجم لون النباتات ، كان من الضروري توحيد جهود الباحثين من مختلف التخصصات.

صورة
صورة

مرور النجوم

يعتمد لون النباتات على طيف ضوء النجوم ، الذي يمكن لعلماء الفلك ملاحظته بسهولة ، وامتصاص الضوء بواسطة الهواء والماء ، وهو ما صاغته الكاتبة وزملاؤها بناءً على التركيب المحتمل للغلاف الجوي وخصائص الحياة. صورة "في عالم العلم"

جمع مارتن كوهين ، عالم الفلك بجامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، بيانات عن نجم F (Bootes sigma) ، ونجم K (إبسيلون إيريداني) ، ونجم M مشتعل بنشاط (AD Leo) ، وهدوء افتراضي M - نجمة مع درجة حرارة 3100 درجة مئوية. أجرى عالم الفلك Antigona Segura من الجامعة الوطنية المستقلة في مكسيكو سيتي عمليات محاكاة حاسوبية لسلوك الكواكب الشبيهة بالأرض في منطقة الحياة حول هذه النجوم. باستخدام نماذج من قبل ألكسندر بافلوف من جامعة أريزونا وجيمس كاستينغ من جامعة بنسلفانيا ، درس سيغورا تفاعل الإشعاع الصادر عن النجوم مع المكونات المحتملة للأغلفة الجوية للكواكب (بافتراض أن البراكين تنبعث منها نفس الغازات الموجودة على الأرض) ، محاولًا لمعرفة التركيب الكيميائي للأجواء التي تفتقر إلى الأكسجين ومحتواها قريبًا من محتوى الأرض.

باستخدام نتائج سيغورا ، قامت عالمة الفيزياء بجامعة لندن جيوفانا تينيتي بحساب امتصاص الإشعاع في أجواء الكواكب باستخدام نموذج ديفيد كريسب في مختبر الدفع النفاث في باسادينا ، كاليفورنيا ، والذي تم استخدامه لتقدير إضاءة الألواح الشمسية على مركبات المريخ. تطلب تفسير هذه الحسابات تضافر جهود خمسة خبراء: عالمة الأحياء الدقيقة جانيت سيفرت من جامعة رايس ، والكيمياء الحيوية روبرت بلانكينشيب في جامعة واشنطن في سانت لويس ، وجوفيندجي في جامعة إلينوي في أوربانا ، عالم الكواكب وشامبين (فيكتوريا ميدوز) من جامعة ولاية واشنطن. وأنا عالم أرصاد بيولوجية من معهد جودارد لأبحاث الفضاء التابع لوكالة ناسا.

استنتجنا أن الأشعة الزرقاء التي تبلغ ذروتها 451 نانومتر تصل في الغالب إلى أسطح الكواكب القريبة من نجوم الفئة F. بالقرب من النجوم K ، تقع القمة عند 667 نانومتر ، هذه هي المنطقة الحمراء من الطيف ، والتي تشبه الوضع على الأرض. في هذه الحالة ، يلعب الأوزون دورًا مهمًا ، حيث يجعل ضوء النجوم F أكثر زرقة ، وضوء النجوم K أكثر احمرارًا مما هو عليه في الواقع. اتضح أن الإشعاع المناسب لعملية التمثيل الضوئي في هذه الحالة يكمن في المنطقة المرئية من الطيف ، كما هو الحال على الأرض.

وبالتالي ، يمكن أن يكون للنباتات الموجودة على الكواكب القريبة من النجوم F و K نفس لون تلك الموجودة على الأرض. لكن في النجوم F ، يكون تدفق الفوتونات الزرقاء الغنية بالطاقة شديدًا جدًا ، لذلك يجب على النباتات عكسها جزئيًا على الأقل باستخدام أصباغ واقية مثل الأنثوسيانين ، والتي ستعطي النباتات لونًا مزرقًا. ومع ذلك ، يمكنهم فقط استخدام الفوتونات الزرقاء لعملية التمثيل الضوئي. في هذه الحالة ، يجب أن ينعكس كل الضوء في النطاق من الأخضر إلى الأحمر. سيؤدي ذلك إلى قطع أزرق مميز في طيف الضوء المنعكس يمكن رصده بسهولة باستخدام التلسكوب.

يشير نطاق درجات الحرارة الواسع للنجوم M إلى مجموعة متنوعة من الألوان لكواكبها. يدور حول نجم M هادئ ، يتلقى الكوكب نصف الطاقة التي تحصل عليها الأرض من الشمس. وعلى الرغم من أن هذا ، من حيث المبدأ ، كافٍ للحياة - هذا 60 مرة أكثر مما هو مطلوب للنباتات المحبة للظل على الأرض - فإن معظم الفوتونات القادمة من هذه النجوم تنتمي إلى المنطقة القريبة من الأشعة تحت الحمراء من الطيف. لكن التطور يجب أن يؤدي إلى ظهور مجموعة متنوعة من الأصباغ التي يمكنها إدراك الطيف الكامل للضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء. قد تظهر النباتات التي تمتص كل إشعاعاتها تقريبًا باللون الأسود.

نقطة أرجوانية صغيرة

صورة
صورة

يوضح تاريخ الحياة على الأرض أن كائنات التمثيل الضوئي البحرية المبكرة على الكواكب القريبة من النجوم من الفئة F و G و K يمكن أن تعيش في جو أساسي خالٍ من الأكسجين وتطوير نظام التمثيل الضوئي الأكسجين ، والذي سيؤدي لاحقًا إلى ظهور النباتات الأرضية. الوضع مع نجوم الفئة M أكثر تعقيدًا. تشير نتائج حساباتنا إلى أن المكان الأمثل لأجهزة التمثيل الضوئي هو 9 أمتار تحت الماء: طبقة من هذا العمق تحبس الضوء فوق البنفسجي المدمر ، ولكنها تسمح بمرور ضوء مرئي كافٍ. بالطبع ، لن نلاحظ هذه الكائنات في تلسكوباتنا ، لكنها يمكن أن تصبح أساس الحياة على الأرض.من حيث المبدأ ، على الكواكب القريبة من النجوم M ، يمكن أن تكون الحياة النباتية ، باستخدام أصباغ مختلفة ، متنوعة تقريبًا كما هي على الأرض.

لكن هل ستسمح لنا التلسكوبات الفضائية المستقبلية برؤية آثار الحياة على هذه الكواكب؟ تعتمد الإجابة على نسبة سطح الماء إلى الأرض على الكوكب. في تلسكوبات الجيل الأول ، ستبدو الكواكب كنقاط ، والدراسة التفصيلية لسطحها غير واردة. كل ما سيحصل عليه العلماء هو الطيف الكلي للضوء المنعكس. استنادًا إلى حساباته ، يجادل تينيتي بأن 20٪ على الأقل من سطح الكوكب يجب أن تكون أرضًا جافة مغطاة بالنباتات وغير مغطاة بالغيوم من أجل تحديد النباتات في هذا الطيف. من ناحية أخرى ، كلما زادت مساحة البحر ، زاد الأكسجين الذي تطلقه أجهزة التمثيل الضوئي البحرية في الغلاف الجوي. لذلك ، كلما كانت المؤشرات الحيوية الصباغية أكثر وضوحًا ، زادت صعوبة ملاحظة المؤشرات الحيوية للأكسجين ، والعكس صحيح. سيتمكن علماء الفلك من اكتشاف أحدهما أو الآخر ، ولكن ليس كلاهما.

الباحثون عن الكواكب

صورة
صورة

تخطط وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) لإطلاق مركبة داروين الفضائية في السنوات العشر القادمة لدراسة أطياف الكواكب الخارجية الأرضية. سيفعل باحث الكوكب الشبيه بالأرض التابع لوكالة ناسا الشيء نفسه إذا حصلت الوكالة على تمويل. تم تصميم مركبة الفضاء كوروت ، التي أطلقتها وكالة الفضاء الأوروبية في ديسمبر 2006 ، ومركبة كبلر الفضائية ، التي من المقرر إطلاقها من قبل ناسا في عام 2009 ، للبحث عن الانخفاضات الباهتة في سطوع النجوم بينما تمر الكواكب الشبيهة بالأرض أمامها. ستبحث المركبة الفضائية SIM التابعة لوكالة ناسا عن اهتزازات خافتة للنجوم تحت تأثير الكواكب.

إن وجود الحياة على الكواكب الأخرى - الحياة الحقيقية ، وليس فقط الحفريات أو الميكروبات التي بالكاد تعيش في ظروف قاسية - يمكن اكتشافها في المستقبل القريب جدًا. لكن أي النجوم يجب أن ندرس أولاً؟ هل سنتمكن من تسجيل أطياف الكواكب القريبة من النجوم ، وهو أمر مهم بشكل خاص في حالة النجوم M؟ في أي نطاقات وبأي دقة يجب أن تراقب تلسكوباتنا؟ سيساعدنا فهم أساسيات التمثيل الضوئي في إنشاء أدوات جديدة وتفسير البيانات التي نتلقاها. لا يمكن حل مشاكل مثل هذا التعقيد إلا عند تقاطع العلوم المختلفة. حتى الآن نحن فقط في بداية الطريق. تعتمد إمكانية البحث عن حياة خارج كوكب الأرض على مدى عمق فهمنا لأساسيات الحياة هنا على الأرض.

موصى به: