| Главная | Неоцен |
О слонах и бактериях |
Растения Проксимы Центавра
Опубликовано АЛЕХАНДРО ИСКЬЕРДО 17 НОЯБРЯ 2017
|
Голубая планета, «голубая точка», как сказал Карл Саган. Это наша планета – Земля. Но не всё на её поверхности голубое, есть ещё и зелёное – это живая зелень, и её тонны. На первый взгляд жизнь может показаться сложной штукой, но на самом деле основными условиями для её существования являются лишь энергия и материя. И организмы в процессе эволюции выработали различные способы получения и того, и другого. Один из них – это фотосинтез; возможно, это самое влиятельное эволюционное изобретение в истории нашей планеты. И если животные, грибы и в большинстве своём бактерии ведут драматическую борьбу за выживание ради пищи, фотосинтезирующие организмы ведут более «комфортную» жизнь, самостоятельно готовя для себя обед и получая с ним энергию.
Энергия и материя
А как это всё работает? Цель и у фотосинтеза, и у хемосинтеза (которым занимаются
животные) одна и та же: построение из углерода полезных структур – так называемых
органических соединений. Как химический элемент углерод идеально подходит
для создания сложных и устойчивых соединений, которые могут использоваться
для формирования структур или накопления энергии. Животные или грибы обычно
получают их от других организмов и перестраивают в соответствии со своими
целями. Каждый раз, когда вы едите, структура органического вещества нарушается
и перестраивается, что позволяет вам расти и функционировать. Таким образом,
возникновение органических соединений зависит не от нас, а от фотосинтеза.
Вкратце напомню, что работа фотосинтеза заключается в использовании энергии
для сборки органического вещества из молекул углерода. Для этого необходимы
три ингредиента. Первый среди них – это углерод, который в большинстве случаев
поступает в виде CO2, газообразного продукта дыхания – универсального
процесса, в ходе которого органическое вещество расщепляется для получения
энергии. Таким способом мы получаем кирпичи. Второй называется «донором электронов»
– это молекула, которую приносят в жертву ради получения энергии для течения
процесса. Самым распространённым из них является вода (пожалуйста, поливайте
своё растение), но другие организмы также использовали и более экзотические
элементы вроде железа (некоторые Chlorobiacea, Bacteria). А третий – это свет.
Фотосинтез использует энергию фотонов (элементарная частица, обуславливающая
свет и имеющая отношение к электромагнитным силам), которые постоянно излучает
наше Солнце, как включатель питания. Когда в наличии и свет, и донор электронов,
идёт получение энергии.
При помощи приёмников света (таких пигментов, как хлорофилл) фотосинтезирующий
организм улавливает свет и запускает процесс расщепления «донора электронов».
При этом образуются три продукта: протоны, электроны и кислород. Протоны накапливаются
в структуре растительной клетки, электроны «пополняют» хлорофилл, который
в ходе этого процесса теряет электрон, а кислород является результатом расщепления
«донора электронов». Итогом накопления протонов становится осмотический дисбаланс,
который в конечном итоге приводит к образованию АТФ, биологических энергетических
денег (см. рисунок внизу).
Типы света, типы звёзд
Так что захват протонов с помощью пигментов необходим, и это главная причина,
по которой у фотосинтезирующих организмов такой цвет, какой у них есть. Зелёный
– это преобладающий цвет на нашей планете, и для понимания этого факта мы
должны взглянуть на наше Солнце. Ясно, что это не произвольно выбранный цвет,
и что свет, излучаемый Солнцем, играет важную роль. Наша звезда – это объект,
известный как звезда класса G, небольшая машина ядерного синтеза, излучающая
свет, близкий к жёлтому. G соответствует одному из классов звёзд в ряду Моргана-Кинана
– в одной из самых распространённых систем классификации звёзд. В этой системе
звёздам присваиваются буквы OBAFGKM в соответствии со спектром их излучения.
А теперь следует вопрос: «а что такое «спектр излучения»?» Начнём с того,
что свет не однороден. Воспринимаемые нами цвета (красный, синий), а также
ультрафиолетовые, рентгеновские и прочие лучи, в действительности представляют
собой различные типы света, различающиеся по длине волны. Свет вездесущ, и,
кстати, большинство видов света невидимо для наших глаз. Внутри звезды атомы
непрерывно вступают в реакции, переходя из одного энергетического состояния
в другое. Когда атом или молекула переходит из состояния с высокой энергией
в состояние с более низкой, они высвобождают энергию в форме света. Тип излучаемого
света (его длина волны) зависит от того, какой материал претерпел это изменение,
и от его собственного исходного энергетического состояния. У звезды может
быть несколько типов атомов и молекул, вступающих в реакцию, что создаёт различные
комбинации типов света. Этот набор типов света, испускаемых звездой, известен
как спектр излучения. Ряд Моргана-Кинана просто классифицирует все известные
звёзды по указанным категориям, связанным со спектром их излучения.
Итак, если Солнце – это звезда класса G, то какой свет оно испускает? Давайте
возьмём, например, призму, которая напомнит нам об Исааке Ньютоне (или, если
хотите, об альбоме «Dark
Side of the Moon» группы «Пинк Флойд»). С помощью призмы вы легко можете
вызвать преломление света нашей звезды. Если вы попробуете сделать это дома,
просто обратите внимание: там представлены не все возможные цвета, многие
из них не видны человеческому глазу, а о других даже нельзя сказать, что они
представляют собой цвет. Кроме того, не все цвета представлены одинаково.
Если мы воспользуемся более упрощённым методом, то сможем увидеть, что спектр
солнечного излучения даёт свет от ультрафиолетового (длина волны: 200 нм)
до инфракрасного (2500 нм) с пиками – в частности, около 500 нм, что соответствует
видимому свету (в области голубовато-зеленоватого цвета) (см. изображение
внизу).
|
Это означает, что Солнце посылает нам главным образом такой свет, который могут видеть живые организмы (и это неудивительно; в данном случае было бы странно, если бы организмы видели в основном в инфракрасном спектре, доля которого в излучении очень невелика), и в частности это зелёный свет. Много зелёного света. И наши растения зелёные. Проблема решена, можно расходиться по домам.
Проблема зелёного цвета
Нет-нет-нет, наши растения зелёные, потому что они отражают зелёный свет.
Каждый раз, когда свет попадает на объект, волны некоторых длин поглощаются,
а другие, напротив, отражаются, и потому их можно увидеть (например, чёрный
объект обычно улавливает волны большинства длин, соответствующих цветам).
Это означает, что фотосинтезирующие организмы в большинстве своём не используют
этот свет – самый обильный свет, исходящий от нашего Солнца (надо сказать,
не самый разумный дизайн).
Однако же и это не совсем верно. На самом деле растения могут улавливать зелёный
свет, но не с помощью своего самого основного пигмента, хлорофилла, а с помощью
таких дополнительных пигментов, как каротиноиды. Каротиноиды отражают только
оранжевый цвет и отвечают, например, за окраску листьев весной/осенью в южном/северном
полушарии.
Однако причина, по которой фотосинтезирующие организмы используют в основном
хлорофилл, несмотря на то, что это не самое блестящее решение, и есть варианты
получше, до конца не понятна. В объяснении этого ведущая роль принадлежит
двум гипотезам: гипотезе пурпурной планеты и гипотезе защиты от света.
Гипотеза пурпурной планеты – это гипотеза, которая утверждает, что до нашей
Зелёной планеты на планете господствовал другой тип фотосинтеза: фотосинтез
архей. Возможно, вы слышали, что в ходе эволюции фотосинтез возник всего один
раз. И это совершенно верно для кислородного фотосинтеза: первыми организмами,
которые занялись им, были цианобактерии, оказавшиеся втянутыми в сложную эволюционную
историю фагоцитоза, которая и привела к происхождению водорослей и растительных
клеток. Фотосинтез у архей, в свою очередь, распространён не особенно широко.
Обычно они обитают в соляных шахтах, где используют для улавливания света
родопсины. Оказывается, этот пигмент лучше всего поглощает зелёный свет и,
следовательно, является лучшим пигментом для получения солнечного света. Вполне
возможно, что первые цианобактерии не могли конкурировать с археями и должны
были измениться, чтобы поглощать другие виды света. (если вы хотите побольше
узнать о древней Земле и фотосинтезе, почитайте статью «Морские
водоросли для скептиков (I)).
Вторая гипотеза менее сложная и утверждает, что хлорофилл не поглощает зелёный
свет, чтобы избежать перенасыщения светом (да, если света слишком много, это
может повредить растению). Улавливая в основном голубой и красный свет, он
позволяет избежать разрушения электронно-транспортной цепи из-за поступления
избытка световой энергии.
Цвета других миров
В любом случае, теоретически, на любой другой планете следует ожидать того,
что у растений будет такой цвет, который наилучшим образом подходит к свету
их звезды. В одной только нашей Галактике существуют миллионы планет, ожидающих
своего открытия, и многие из них могут быть пригодными для жизни. Как мог
бы работать фотосинтез на этих планетах? Вот, на какой вопрос мы хотим ответить
в следующей и последней частях этой статьи.
Последнее десятилетие принесло нам открытие сотен экзопланет благодаря таким
телескопам, как «Кеплер», а также транзитному методу и методу лучевых скоростей.
Явление транзита наблюдается, когда планета пересекает диск своей звезды.
Свет звезды в этот момент меняет яркость, пусть даже очень слабо, и это можно
заметить в наши телескопы. Аналогичным образом гравитационное притяжение планеты
может изменять направление и скорость движения звёзд, и это тоже можно использовать
как доказательство существования экзопланеты (так называемая радиальная скорость).
Однако считается, что в обитаемой зоне, той области внутри звёздной системы,
где вода может оставаться в жидкой форме, находится не более 20 из них. Звёзды,
предоставляющие эту «обитаемую зону», относятся главным образом к классам
G (Солнце), K и M. Последние два представляют собой самый холодный класс звёзд,
интенсивность излучения которых достаточно низкая, чтобы не разрушать органическое
вещество непроизвольно, как это происходит у звёзд классов O-F. Именно там
учёные хотят обнаружить фотосинтез и найти живое.
Для простоты давайте представим сначала, что эти организмы похожи на те, что
существуют на Земле, планета защищена от света высоких энергий (например,
от ультрафиолета), и эти организмы приспособлены к получению лучшей части
света от своей звезды.
Система тройной звезды Центавра
|
Давайте начнём с Проксимы Центавра. Проксима Центавра – это звезда, входящая
в систему тройного солнца, известную как Альфа Центавра; в неё также входят
Ригель Кентаурус A, самая массивная среди них, и Ригель Кентаурус B. У двух
массивных звёзды в этой тройной системе может и не быть обитаемой зоны, но
у Проксимы Центавра, звезды класса М, она есть.
Проксима Центавра b, открытая в 2016 году с помощью метода лучевых скоростей,
представляет собой небольшую планету, вращающуюся вокруг этой слабой красноватой
звезды, и, вероятно, является ближайшей потенциальной обитаемой экзопланетой
– всего лишь в 4 световых годах от нас.
Общая светимость Проксимы Центавра составляет всего лишь 1% от той, которую
может дать Солнце, и большая часть этого света находится в инфракрасной зоне.
Этот слабый свет означает, что какому-то растению или водоросли, что живёт
на Проксиме Центавра b, потребуется вся доступная помощь для улавливания как
можно большего количества света. В таком случае идеальным цветом для этой
работы будет чёрный. Чёрный поглощает большую часть цветных лучей света, и
даже некоторое количество инфракрасных, и часто встречается на древе жизни
благодаря нескольким пигментам вроде меланина.
Следовательно, растения на Проксиме Центавра b могут быть чёрными. Но будет
ли этого достаточно для улавливания солнечного света? Наверное, нет. Эти организмы,
вероятно, вели бы ожесточенную борьбу за выживание, максимально увеличивая
поверхность своего тела для получения достаточного количества света. Есть
несколько способов сделать это, и самый простой из них – быть маленьким и
сферическим – это идеальное соотношение поверхности и объёма. Также могли
бы существовать колониальные, или даже многоклеточные организмы, если бы они
могли улавливать достаточное для выживания количество солнечного света. Как
и на Земле, мы могли бы ожидать, возникновения живых организмов на Проксиме
Центавра b в воде. Под водой свет попадает лишь в её верхние слои, одновременно
ослабляясь и преломляясь, из-за чего свет поступает с самых разных направлений.
Тогда в верхних слоях этих морей могли бы жить миллионы чёрных центаврианских
«водорослей», которые даже образуют гигантские тёмные цветы, пытаясь уловить
как можно больше света.
Но на суше дела идут по-другому. На суше фотосинтезирующие организмы не могут
перемещаться при помощи течений, и в определённые часы поток света ориентирован
в определённых направлениях. Это может привести к жёсткой конкуренции за свет,
потому что любая тень сведёт доступный тусклый свет от Проксимы Центавра к
нулю и приведёт к неминуемой гибели. Из-за конкуренции и благодаря тому, что
Проксима Центавра b – это планета меньше нашей Земли, с меньшей силой тяжести,
растения там могут вырасти до совершенно невиданной высоты. Многие из них
могли бы разработать стратегии для максимально широкого расселения (например,
парящие и легко распространяющиеся семена, способные долго оставаться в атмосфере),
или для избегания прямой конкуренции (ядовитые соединения, большая продолжительность
жизни и широкая крона...), или сложный полог леса. Если свет – это такой дефицитный
ресурс, как же живой организм может максимально увеличить поступление света?
Природа показала нам, что изгибы и впячивания, особенно такие, которые возникают,
следуя фрактальной структуре, могут значительно увеличить поверхность, сохраняя
при этом ту же видимую длину и увеличивая, таким образом, поступление света
на единицу объёма до максимального значения. Вот такими могли бы быть растения
Проксимы Центавра b, но это описание уже достаточно умозрительное.
Разумеется, если на такой планете вообще возможна жизнь. Учёные особо подчеркнули,
что такая планета из-за своей малой массы и близости к своей звезде была бы
похожа на Меркурий – одна её сторона всегда обращена к её звезде, а другая
находится в вечной тьме. Это не очень хорошие новости для обитаемости таких
систем, но с учётом того, что красные звёзды распространены в нашей Галактике
больше других (хотя обычно мы не можем увидеть их невооружённым глазом), безусловно,
существует вероятность того, что эту проблему можно решить сочетанием течений,
атмосферных газов и других явлений.
По состоянию на текущий момент большинство обнаруженных «обитаемых» экзопланет
вращается вокруг звёзд этого типа. Другие кандидаты с такими спутниками –
это GLIESE-667 на расстоянии 23 световых лет от нас и Каптейн b, до которого
около 13 световых лет.
Кеплер, я вижу в небесах имя твоё
|
|
И потом, у нас есть… Кеплер-442b. Эта планета, открытая в 2015 году телескопом
«Кеплер», вращается вокруг звезды класса К, также известной как звезда Златовласки
– это лучшая звезда для возникновения и эволюции жизни, даже лучше, чем наше
Солнце. Звёзды класса K испускают меньше ультрафиолетового излучения, которое
легко разрушает органическое вещество, и существуют дольше, что даёт больше
времени для возникновения жизни. Так, свет, излучаемый звёздами этого класса,
был бы похож на свет Солнца, но с меньшим количеством ультрафиолетового излучения
и пиком ближе к желтовато-оранжевому цвету.
Если мы в идеале представим систему, в которой фотосинтезирующие организмы
попытались бы улавливать свет этого типа, то мы можем представить себе, что
их окраска будет сине-голубая, отбрасывающая свет такого типа в пользу оранжевого
света, который имеется в изобилии. Интересно, что на Земле ни один пигмент
не поглощает преимущественно оранжевый свет. Самым близким к этому может быть
фикоцианин, который поглощает в основном жёлтый и оранжевый свет, но большей
частью отбрасывает свет любой другой длины волны. В природе он встречается
только как дополнительный пигмент у некоторых цианобактерий, так что, вероятно,
жизнь на Kepler-442b обладала бы чем-то получше этого.
До настоящего времени в обитаемой зоне вокруг «звёзд Златовласки» были обнаружены
лишь 2 экзопланеты, и обе они, в том числе Kepler-442b, находятся на расстоянии
около 1000 световых лет... а это не самый лучший вариант... хотя могло бы
быть и хуже. Тогда голубым растениям с Kepler-442b придётся подождать подольше.
Вывод
Конечно, если Земля нас чему-то и научила, так это тому, что история жизни
может быть куда сложнее, чем мы обычно себе представляем. Открытие экзопланет
приоткрывает дверцу в область астробиологии – в ту область, где до сих пор
ещё нет ни одного реального организма для исследований, но, когда будет открыт
хотя бы один, это полностью изменит наше представление о жизни на этой планете.
Последние разделы этой статьи носят в высшей степени спекулятивный характер
и, вероятно, не соответствуют тем строгим научным критериям, которые мы установили
для наших статей в блоге Onelephantsandbacteria. На эту заметку вдохновила
статья Нэнси Цзян (Nancy Y. Kiang) из Scientific American, опубликованная
в 2008 году. На тот момент экзопланеты ещё были редкостью. Здесь
вы можете прочитать её полностью (ссылка не работает, здесь
есть другая, а здесь
- русский перевод - прим. перев.).
Немного библиографии
Marosvölgyi, M. A., & van Gorkom, H. J. (2010). Cost and color of photosynthesis.
Photosynthesis research, 103(2), 105-109.
Nishio, J. N. (2000). Why are higher plants green? Evolution of the higher
plant photosynthetic pigment complement. Plant, Cell & Environment,
23(6), 539-548.