Wie sehen Pflanzen auf anderen Exoplaneten aus?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Die Suche nach außerirdischem Leben ist nicht mehr die Domäne von Science-Fiction- oder UFO-Jägern. Vielleicht haben moderne Technologien noch nicht das erforderliche Niveau erreicht, aber mit ihrer Hilfe sind wir bereits in der Lage, die physikalischen und chemischen Manifestationen der grundlegenden Prozesse der Lebewesen zu erkennen.

Astronomen haben mehr als 200 Planeten entdeckt, die Sterne außerhalb des Sonnensystems umkreisen. Über die Wahrscheinlichkeit der Existenz von Leben auf ihnen können wir bisher keine eindeutige Antwort geben, aber dies ist nur eine Frage der Zeit. Im Juli 2007 bestätigten Astronomen nach der Analyse des Sternenlichts, das durch die Atmosphäre des Exoplaneten ging, das Vorhandensein von Wasser. Derzeit werden Teleskope entwickelt, die es ermöglichen, anhand ihrer Spektren nach Spuren von Leben auf Planeten wie der Erde zu suchen.

Einer der wichtigen Faktoren, die das von einem Planeten reflektierte Lichtspektrum beeinflussen, kann der Prozess der Photosynthese sein. Aber ist das in anderen Welten möglich? Ziemlich! Auf der Erde ist die Photosynthese die Grundlage für fast alle Lebewesen. Trotz der Tatsache, dass einige Organismen gelernt haben, bei erhöhten Temperaturen in Methan und in hydrothermalen Quellen der Ozeane zu leben, verdanken wir den Reichtum der Ökosysteme auf der Oberfläche unseres Planeten dem Sonnenlicht.

Einerseits entsteht bei der Photosynthese Sauerstoff, der zusammen mit dem daraus gebildeten Ozon in der Atmosphäre des Planeten zu finden ist. Andererseits kann die Farbe eines Planeten auf das Vorhandensein spezieller Pigmente wie Chlorophyll auf seiner Oberfläche hinweisen. Als Astronomen vor fast einem Jahrhundert die saisonale Verdunkelung der Marsoberfläche bemerkten, vermuteten sie das Vorhandensein von Pflanzen darauf. Es wurden Versuche unternommen, Anzeichen grüner Pflanzen im Spektrum des von der Planetenoberfläche reflektierten Lichts zu erkennen. Aber die Zweifel an dieser Herangehensweise sah sogar der Schriftsteller Herbert Wells, der in seinem "Krieg der Welten" bemerkte: "Offensichtlich hat das Pflanzenreich des Mars im Gegensatz zum irdischen, wo Grün vorherrscht, ein Blut- rote Farbe." Wir wissen jetzt, dass es auf dem Mars keine Pflanzen gibt und das Auftreten dunklerer Bereiche auf der Oberfläche mit Staubstürmen in Verbindung gebracht wird. Wells selbst war davon überzeugt, dass die Farbe des Mars nicht zuletzt von den Pflanzen bestimmt wird, die seine Oberfläche bedecken.

Auch auf der Erde sind photosynthetische Organismen nicht auf Grün beschränkt: Manche Pflanzen haben rote Blätter, und verschiedene Algen und photosynthetische Bakterien schimmern in allen Farben des Regenbogens. Und lila Bakterien nutzen neben sichtbarem Licht auch Infrarotstrahlung der Sonne. Was wird sich also auf anderen Planeten durchsetzen? Und wie können wir das sehen? Die Antwort hängt von den Mechanismen ab, mit denen die außerirdische Photosynthese das Licht ihres Sterns assimiliert, der sich in der Art der Strahlung von der Sonne unterscheidet. Darüber hinaus beeinflusst eine unterschiedliche Zusammensetzung der Atmosphäre auch die spektrale Zusammensetzung der auf die Planetenoberfläche einfallenden Strahlung.

Sterne der Spektralklasse M (Rote Zwerge) leuchten schwach, daher müssen Pflanzen auf erdähnlichen Planeten in ihrer Nähe schwarz sein, um möglichst viel Licht zu absorbieren. Junge M-Sterne versengen die Oberfläche von Planeten mit ultravioletten Fackeln, daher müssen dort Organismen im Wasser leben. Unsere Sonne hat die Klasse G. Und in der Nähe von Sternen der F-Klasse erhalten Pflanzen zu viel Licht und müssen einen erheblichen Teil davon reflektieren.

Um sich vorzustellen, wie die Photosynthese in anderen Welten aussehen wird, müssen Sie zunächst verstehen, wie Pflanzen sie auf der Erde ausführen. Das Energiespektrum des Sonnenlichts hat einen Höhepunkt im blau-grünen Bereich, weshalb sich Wissenschaftler lange fragten, warum Pflanzen das meist verfügbare grüne Licht nicht absorbieren, sondern im Gegenteil reflektieren? Es stellte sich heraus, dass der Prozess der Photosynthese nicht so sehr von der Gesamtmenge der Sonnenenergie abhängt, sondern von der Energie einzelner Photonen und der Anzahl der Photonen, aus denen Licht besteht.

Jedes blaue Photon trägt mehr Energie als ein rotes, aber die Sonne emittiert überwiegend rote. Pflanzen verwenden blaue Photonen wegen ihrer Qualität und rote wegen ihrer Quantität. Die Wellenlänge von grünem Licht liegt genau zwischen Rot und Blau, aber grüne Photonen unterscheiden sich nicht in Verfügbarkeit oder Energie, sodass Pflanzen sie nicht nutzen.

Bei der Photosynthese zur Fixierung eines Kohlenstoffatoms (abgeleitet aus Kohlendioxid, CO₂) in einem Zuckermolekül werden mindestens acht Photonen benötigt, und für die Spaltung einer Wasserstoff-Sauerstoff-Bindung in einem Wassermolekül (H₂O) - nur eine. In diesem Fall erscheint ein freies Elektron, das für die weitere Reaktion notwendig ist. Insgesamt für die Bildung eines Sauerstoffmoleküls (O₂) müssen vier solcher Bindungen gebrochen werden. Für die zweite Reaktion zu einem Zuckermolekül werden mindestens vier weitere Photonen benötigt. Es sollte beachtet werden, dass ein Photon eine gewisse Mindestenergie haben muss, um an der Photosynthese teilnehmen zu können.

Die Art und Weise, wie Pflanzen Sonnenlicht absorbieren, ist wirklich eines der Wunder der Natur. Photosynthetische Pigmente kommen nicht als einzelne Moleküle vor. Sie bilden Cluster, die sozusagen aus vielen Antennen bestehen, von denen jede darauf abgestimmt ist, Photonen einer bestimmten Wellenlänge wahrzunehmen. Chlorophyll absorbiert hauptsächlich rotes und blaues Licht, während die Carotinoidpigmente, die dem Herbstlaub Rot und Gelb verleihen, einen anderen Blauton wahrnehmen. Die gesamte von diesen Pigmenten gesammelte Energie wird an das Chlorophyllmolekül im Reaktionszentrum abgegeben, wo sich Wasser zu Sauerstoff aufspaltet.

Ein Molekülkomplex in einem Reaktionszentrum kann nur dann chemische Reaktionen durchführen, wenn er rote Photonen oder eine äquivalente Energiemenge in anderer Form erhält. Um die blauen Photonen zu nutzen, wandeln Antennenpigmente ihre hohe Energie in niedrigere Energie um, so wie eine Reihe von Abwärtstransformatoren 100.000 Volt einer Stromleitung auf eine 220-Volt-Steckdose reduzieren. Der Prozess beginnt, wenn ein blaues Photon auf ein Pigment trifft, das blaues Licht absorbiert und Energie auf eines der Elektronen in seinem Molekül überträgt. Wenn ein Elektron in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt, gibt es diese Energie ab, jedoch aufgrund von Wärme- und Schwingungsverlusten weniger als es absorbiert hat.

Das Pigmentmolekül gibt die aufgenommene Energie jedoch nicht in Form eines Photons ab, sondern in Form einer elektrischen Wechselwirkung mit einem anderen Pigmentmolekül, das die Energie eines niedrigeren Niveaus aufnehmen kann. Das zweite Pigment setzt wiederum noch weniger Energie frei, und dieser Prozess wird fortgesetzt, bis die Energie des ursprünglichen blauen Photons auf das Niveau von Rot sinkt.

Das Reaktionszentrum als Empfangsende der Kaskade ist dafür ausgelegt, verfügbare Photonen mit minimaler Energie zu absorbieren. Auf der Oberfläche unseres Planeten sind rote Photonen am zahlreichsten und haben gleichzeitig die niedrigste Energie unter den Photonen im sichtbaren Spektrum.

Aber für Unterwasser-Photosynthesizer müssen rote Photonen nicht die am häufigsten vorkommenden sein. Die für die Photosynthese verwendete Lichtfläche ändert sich mit der Tiefe, da Wasser, darin gelöste Substanzen und Organismen in den oberen Schichten das Licht filtern. Das Ergebnis ist eine klare Schichtung der Lebensformen nach ihrem Pigmentsatz. Organismen aus tieferen Wasserschichten haben Pigmente, die auf das Licht jener Farben abgestimmt sind, die von den darüber liegenden Schichten nicht absorbiert wurden. Algen und Cyanea haben beispielsweise die Pigmente Phycocyanin und Phycoerythrin, die grüne und gelbe Photonen absorbieren. Bei anoxygenen (d. h.nicht sauerstoffproduzierende) Bakterien sind Bakteriochlorophyll, das Licht aus dem fernen Rot und dem nahen Infrarot (IR) absorbiert, das nur in die düsteren Tiefen des Wassers eindringen kann.

Organismen, die sich an wenig Licht angepasst haben, neigen dazu, langsamer zu wachsen, weil sie härter arbeiten müssen, um das gesamte ihnen zur Verfügung stehende Licht zu absorbieren. Auf der Erdoberfläche, wo viel Licht vorhanden ist, wäre es für Pflanzen nachteilig, überschüssige Pigmente zu produzieren, sodass sie selektiv Farben verwenden. Dieselben evolutionären Prinzipien sollten auch in anderen Planetensystemen funktionieren.

So wie sich Wasserlebewesen an durch Wasser gefiltertes Licht angepasst haben, haben sich Landbewohner an Licht angepasst, das durch atmosphärische Gase gefiltert wird. Im oberen Teil der Erdatmosphäre sind die Photonen am häufigsten gelb mit einer Wellenlänge von 560-590 nm. Die Zahl der Photonen nimmt zu langen Wellen hin allmählich ab und bricht zu kurzen abrupt ab. Wenn Sonnenlicht die obere Atmosphäre durchdringt, absorbiert Wasserdampf IR in mehreren Bändern, die länger als 700 nm sind. Sauerstoff erzeugt einen schmalen Bereich von Absorptionslinien nahe 687 und 761 nm. Jeder kennt dieses Ozon (Oh₃) in der Stratosphäre absorbiert aktiv ultraviolettes (UV) Licht, absorbiert aber auch leicht im sichtbaren Bereich des Spektrums.

Unsere Atmosphäre hinterlässt also Fenster, durch die Strahlung die Oberfläche des Planeten erreichen kann. Der Bereich der sichtbaren Strahlung wird auf der blauen Seite durch eine scharfe Abgrenzung des Sonnenspektrums im kurzwelligen Bereich und die UV-Absorption durch Ozon begrenzt. Der rote Rand wird durch Sauerstoffaufnahmelinien definiert. Der Peak der Photonenzahl ist aufgrund der starken Ozonabsorption im sichtbaren Bereich von Gelb nach Rot (ca. 685 nm) verschoben.

Pflanzen sind an dieses Spektrum, das hauptsächlich durch Sauerstoff bestimmt wird, angepasst. Es muss jedoch daran erinnert werden, dass die Pflanzen selbst Sauerstoff an die Atmosphäre liefern. Als die ersten photosynthetischen Organismen auf der Erde auftauchten, gab es wenig Sauerstoff in der Atmosphäre, sodass Pflanzen andere Pigmente als Chlorophyll verwenden mussten. Erst nach einiger Zeit, als die Photosynthese die Zusammensetzung der Atmosphäre veränderte, wurde Chlorophyll zum optimalen Pigment.

Verlässliche fossile Beweise für die Photosynthese sind etwa 3,4 Milliarden Jahre alt, aber frühere fossile Überreste zeigen Anzeichen dieses Prozesses. Die ersten photosynthetischen Organismen mussten sich unter Wasser befinden, zum Teil, weil Wasser ein gutes Lösungsmittel für biochemische Reaktionen ist, und auch, weil es Schutz vor solarer UV-Strahlung bietet, was in Abwesenheit einer atmosphärischen Ozonschicht wichtig war. Solche Organismen waren Unterwasserbakterien, die Infrarotphotonen absorbierten. Ihre chemischen Reaktionen umfassten Wasserstoff, Schwefelwasserstoff, Eisen, aber kein Wasser; daher emittiert sie keinen Sauerstoff. Und erst vor 2, 7 Milliarden Jahren begannen Cyanobakterien in den Ozeanen mit der Sauerstoff-Photosynthese unter Freisetzung von Sauerstoff. Der Sauerstoffgehalt und die Ozonschicht nahmen allmählich zu, sodass Rot- und Braunalgen an die Oberfläche steigen konnten. Und wenn der Wasserstand in seichten Gewässern zum UV-Schutz ausreichte, tauchten Grünalgen auf. Sie hatten wenige Phycobiliproteine und waren besser an helles Licht in der Nähe der Wasseroberfläche angepasst. 2 Milliarden Jahre nachdem sich Sauerstoff in der Atmosphäre angesammelt hatte, erschienen die Nachkommen der Grünalgen - Pflanzen - an Land.

Die Flora hat sich stark verändert – die Formenvielfalt hat rasant zugenommen: von Moosen und Lebermoos bis hin zu Gefäßpflanzen mit hohen Kronen, die mehr Licht absorbieren und an unterschiedliche Klimazonen angepasst sind. Die kegelförmigen Kronen von Nadelbäumen absorbieren das Licht in hohen Breiten effektiv, wo die Sonne kaum über den Horizont steigt. Schattenliebende Pflanzen produzieren Anthocyane zum Schutz vor hellem Licht. Grünes Chlorophyll ist nicht nur gut an die moderne Zusammensetzung der Atmosphäre angepasst, sondern trägt auch dazu bei, diese zu erhalten und unseren Planeten grün zu halten. Es ist möglich, dass der nächste Evolutionsschritt einem Organismus einen Vorteil verschafft, der im Schatten unter den Baumkronen lebt und Phycobiline verwendet, um grünes und gelbes Licht zu absorbieren. Aber die Bewohner des Oberrangs werden offenbar grün bleiben.

Die Welt rot streichen

Bei der Suche nach photosynthetischen Pigmenten auf Planeten in anderen Sternsystemen sollten Astronomen bedenken, dass sich diese Objekte in unterschiedlichen Entwicklungsstadien befinden. Zum Beispiel könnten sie vor 2 Milliarden Jahren auf einen erdähnlichen Planeten treffen. Es sollte auch berücksichtigt werden, dass fremdartige photosynthetische Organismen Eigenschaften haben können, die für ihre terrestrischen "Verwandten" nicht charakteristisch sind. Sie sind beispielsweise in der Lage, Wassermoleküle mit längerwelligen Photonen zu spalten.

Der Organismus mit der längsten Wellenlänge auf der Erde ist das violette anoxygene Bakterium, das Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 1015 nm verwendet. Rekordhalter unter den sauerstoffhaltigen Organismen sind marine Cyanobakterien, die bei 720 nm absorbieren. Es gibt keine obere Grenze für die Wellenlänge, die durch die Gesetze der Physik bestimmt wird. Es ist nur so, dass das Photosynthesesystem eine größere Anzahl langwelliger Photonen verwenden muss als kurzwellige.

Der limitierende Faktor ist nicht die Vielfalt der Pigmente, sondern das Spektrum des Lichts, das die Planetenoberfläche erreicht, das wiederum von der Art des Sterns abhängt. Astronomen klassifizieren Sterne anhand ihrer Farbe, je nach Temperatur, Größe und Alter. Nicht alle Sterne existieren lange genug, damit Leben auf benachbarten Planeten entstehen und sich entwickeln kann. Die Sterne sind langlebig (nach abnehmender Temperatur) der Spektralklassen F, G, K und M. Die Sonne gehört zur Klasse G. Sterne der F-Klasse sind größer und heller als die Sonne, sie brennen und emittieren ein helleres blaues Licht und brennen in etwa 2 Milliarden Jahren aus. Sterne der Klassen K und M haben einen kleineren Durchmesser, sind schwächer, röter und werden als langlebig eingestuft.

Um jeden Stern gibt es eine sogenannte "Lebenszone" - eine Reihe von Umlaufbahnen, auf denen die Planeten die für die Existenz von flüssigem Wasser erforderliche Temperatur haben. Im Sonnensystem ist eine solche Zone ein Ring, der von den Umlaufbahnen von Mars und Erde begrenzt wird. Heiße F-Sterne haben eine Lebenszone, die weiter vom Stern entfernt ist, während kühlere K- und M-Sterne sie näher haben. Planeten in der Lebenszone von F-, G- und K-Sternen erhalten ungefähr die gleiche Menge an sichtbarem Licht wie die Erde von der Sonne. Es ist wahrscheinlich, dass auf ihnen Leben auf der Grundlage derselben sauerstoffhaltigen Photosynthese wie auf der Erde entstehen könnte, obwohl die Farbe der Pigmente innerhalb des sichtbaren Bereichs verschoben sein kann.

Sterne vom Typ M, die sogenannten Roten Zwerge, sind für Wissenschaftler von besonderem Interesse, da sie die häufigste Art von Sternen in unserer Galaxie sind. Sie emittieren deutlich weniger sichtbares Licht als die Sonne: Die Intensitätsspitze in ihrem Spektrum liegt im nahen IR. John Raven, Biologe an der University of Dundee in Schottland, und Ray Wolstencroft, Astronom am Royal Observatory in Edinburgh, haben vorgeschlagen, dass sauerstoffhaltige Photosynthese mit Nahinfrarot-Photonen theoretisch möglich ist. In diesem Fall müssen Organismen drei oder sogar vier IR-Photonen verwenden, um ein Wassermolekül zu brechen, während Landpflanzen nur zwei Photonen verwenden, was mit den Schritten einer Rakete verglichen werden kann, die einem Elektron Energie verleiht, um eine chemische Reaktion auszuführen Reaktion.

Junge M-Sterne zeigen starke UV-Flares, die nur unter Wasser vermieden werden können. Aber die Wassersäule absorbiert auch andere Teile des Spektrums, so dass den Organismen, die sich in der Tiefe befinden, das Licht schmerzlich fehlt. Wenn dies der Fall ist, kann sich die Photosynthese auf diesen Planeten möglicherweise nicht entwickeln. Wenn der M-Stern altert, nimmt die Menge der emittierten ultravioletten Strahlung ab, in den späteren Stadien der Evolution wird sie geringer als die unserer Sonne. Während dieser Zeit ist keine schützende Ozonschicht erforderlich, und das Leben auf der Oberfläche der Planeten kann gedeihen, auch wenn es keinen Sauerstoff produziert.

Daher sollten Astronomen je nach Art und Alter des Sterns vier mögliche Szenarien in Betracht ziehen.

Anaerobes Ozeanleben. Ein Stern im Planetensystem ist jung, egal welcher Art. Organismen dürfen keinen Sauerstoff produzieren. Die Atmosphäre kann aus anderen Gasen wie Methan bestehen.

Aerobes Leben im Ozean. Der Stern ist nicht mehr jung, gleich welcher Art. Seit Beginn der sauerstoffhaltigen Photosynthese ist genug Zeit für die Ansammlung von Sauerstoff in der Atmosphäre vergangen.

Aerobes Landleben. Der Star ist reif, egal welcher Art. Das Land ist mit Pflanzen bedeckt. Das Leben auf der Erde befindet sich gerade in diesem Stadium.

Anaerobes Landleben. Ein schwacher M-Stern mit schwacher UV-Strahlung. Pflanzen bedecken das Land, produzieren aber möglicherweise keinen Sauerstoff.

Natürlich werden die Manifestationen der photosynthetischen Organismen in jedem dieser Fälle unterschiedlich sein. Die Erfahrung, unseren Planeten von Satelliten aus zu beschießen, legt nahe, dass es unmöglich ist, mit einem Teleskop Leben in den Tiefen des Ozeans zu entdecken: Die ersten beiden Szenarien versprechen uns keine farbigen Lebenszeichen. Die einzige Chance, es zu finden, besteht darin, nach atmosphärischen Gasen organischen Ursprungs zu suchen. Daher müssen sich Forscher, die Farbmethoden verwenden, um nach außerirdischem Leben zu suchen, auf die Untersuchung von Landpflanzen mit sauerstoffhaltiger Photosynthese auf Planeten in der Nähe von F-, G- und K-Sternen oder auf Planeten von M-Sternen konzentrieren, jedoch mit jeder Art von Photosynthese.

Lebenszeichen

Stoffe, die neben der Pflanzenfarbe ein Zeichen für die Anwesenheit von Leben sein können

Sauerstoff (O₂) und Wasser (H₂Ö) … Selbst auf einem leblosen Planeten zerstört das Licht des Muttersterns Wasserdampfmoleküle und produziert eine kleine Menge Sauerstoff in der Atmosphäre. Dieses Gas löst sich jedoch schnell in Wasser auf und oxidiert auch Gesteine und vulkanische Gase. Wenn also auf einem Planeten mit flüssigem Wasser viel Sauerstoff zu sehen ist, bedeutet dies, dass zusätzliche Quellen ihn produzieren, höchstwahrscheinlich die Photosynthese.

Ozon (O₃) … In der Stratosphäre der Erde zerstört ultraviolettes Licht Sauerstoffmoleküle, die in Kombination Ozon bilden. Zusammen mit flüssigem Wasser ist Ozon ein wichtiger Lebensindikator. Während Sauerstoff im sichtbaren Spektrum sichtbar ist, ist Ozon im Infraroten sichtbar, was mit einigen Teleskopen leichter zu erkennen ist.

Methan (CH₄) plus Sauerstoff oder jahreszeitliche Zyklen … Die Kombination von Sauerstoff und Methan ist ohne Photosynthese schwer zu erhalten. Auch saisonale Schwankungen der Methankonzentration sind ein sicheres Lebenszeichen. Und auf einem toten Planeten ist die Methankonzentration fast konstant: Sie nimmt nur langsam ab, wenn Sonnenlicht Moleküle abbaut

Chlormethan (CH₃Cl) … Auf der Erde entsteht dieses Gas durch das Verbrennen von Pflanzen (hauptsächlich bei Waldbränden) und durch Sonneneinstrahlung auf Plankton und Chlor im Meerwasser. Oxidation zerstört es. Aber die relativ schwache Emission von M-Sternen kann dazu führen, dass sich dieses Gas in einer für die Registrierung verfügbaren Menge ansammelt.

Lachgas (N₂Ö) … Beim Zerfall von Organismen wird Stickstoff in Form eines Oxids freigesetzt. Nichtbiologische Quellen dieses Gases sind vernachlässigbar.

Schwarz ist das neue Grün

Unabhängig von den Eigenschaften des Planeten müssen photosynthetische Pigmente die gleichen Anforderungen wie auf der Erde erfüllen: Photonen mit der kürzesten Wellenlänge (hochenergetisch), mit der längsten Wellenlänge (die das Reaktionszentrum verwendet) oder die am meisten verfügbare absorbieren. Um zu verstehen, wie die Art des Sterns die Farbe von Pflanzen bestimmt, war es notwendig, die Bemühungen von Forschern verschiedener Fachgebiete zu bündeln.

Sternenlicht vorbei

Die Farbe von Pflanzen hängt vom Spektrum des Sternenlichts ab, das Astronomen leicht beobachten können, und der Lichtabsorption durch Luft und Wasser, die die Autorin und ihre Kollegen anhand der wahrscheinlichen Zusammensetzung der Atmosphäre und der Eigenschaften des Lebens modelliert haben. Bild "In der Welt der Wissenschaft"

Martin Cohen, ein Astronom an der University of California, Berkeley, sammelte Daten über einen F-Stern (Bootes Sigma), einen K-Stern (Epsilon Eridani), einen aktiv flackernden M-Stern (AD Leo) und einen hypothetischen ruhigen M -Stern mit Temperatur 3100 ° C. Die Astronomin Antigona Segura von der National Autonomous University in Mexiko-Stadt hat Computersimulationen des Verhaltens erdähnlicher Planeten in der Lebenszone um diese Sterne durchgeführt. Mit Modellen von Alexander Pavlov von der University of Arizona und James Kasting von der University of Pennsylvania untersuchte Segura die Wechselwirkung der Strahlung von Sternen mit den wahrscheinlichen Komponenten planetarischer Atmosphären (unter der Annahme, dass Vulkane die gleichen Gase auf sie ausstoßen wie auf der Erde). um die chemische Zusammensetzung von Atmosphären zu ermitteln, die sowohl sauerstoffarm sind als auch denen der Erde nahekommen.

Mit den Ergebnissen von Segura berechnete die Physikerin Giovanna Tinetti vom University College London die Strahlungsabsorption in planetaren Atmosphären mit dem Modell von David Crisp am Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Kalifornien, das verwendet wurde, um die Beleuchtung von Sonnenkollektoren auf Mars-Rovern abzuschätzen. Die Interpretation dieser Berechnungen erforderte die gemeinsame Anstrengung von fünf Experten: Mikrobiologin Janet Siefert von der Rice University, Biochemiker Robert Blankenship von der Washington University in St. Louis und Govindjee von der University of Illinois in Urbana, Planetologe und Champaigne (Victoria Meadows) von der Washington State University und ich, ein Biometeorologe vom Goddard Space Research Institute der NASA.

Wir kamen zu dem Schluss, dass blaue Strahlen mit einem Peak bei 451 nm hauptsächlich die Oberflächen von Planeten in der Nähe von Sternen der F-Klasse erreichen. In der Nähe von K-Sternen befindet sich der Peak bei 667 nm, dies ist der rote Bereich des Spektrums, der der Situation auf der Erde ähnelt. In diesem Fall spielt Ozon eine wichtige Rolle, da es das Licht von F-Sternen blauer und das Licht von K-Sternen röter macht, als es tatsächlich ist. Es stellt sich heraus, dass die für die Photosynthese geeignete Strahlung in diesem Fall wie auf der Erde im sichtbaren Bereich des Spektrums liegt.

Daher können Pflanzen auf Planeten in der Nähe von F- und K-Sternen fast die gleiche Farbe wie auf der Erde haben. Aber in F-Sternen ist der Fluss energiereicher blauer Photonen zu intensiv, daher müssen Pflanzen sie zumindest teilweise mit abschirmenden Pigmenten wie Anthocyanen reflektieren, die den Pflanzen eine bläuliche Färbung verleihen. Sie können jedoch nur blaue Photonen für die Photosynthese verwenden. In diesem Fall sollte alles Licht im Bereich von Grün bis Rot reflektiert werden. Dies führt zu einem markanten blauen Cutoff im reflektierten Lichtspektrum, der mit einem Teleskop leicht zu erkennen ist.

Der weite Temperaturbereich für M-Sterne legt eine Vielzahl von Farben für ihre Planeten nahe. Der Planet umkreist einen ruhigen M-Stern und erhält die Hälfte der Energie, die die Erde von der Sonne bekommt. Und obwohl dies im Prinzip zum Leben reicht – das ist 60-mal mehr als für schattenliebende Pflanzen auf der Erde benötigt wird – gehören die meisten Photonen dieser Sterne zum nahen IR-Bereich des Spektrums. Aber die Evolution sollte zur Entstehung einer Vielzahl von Pigmenten führen, die das gesamte Spektrum des sichtbaren und infraroten Lichts wahrnehmen können. Pflanzen, die praktisch ihre gesamte Strahlung absorbieren, können sogar schwarz erscheinen.

Kleiner lila Punkt

Die Geschichte des Lebens auf der Erde zeigt, dass frühe marine photosynthetische Organismen auf Planeten in der Nähe von Sternen der Klassen F, G und K in einer primären sauerstofffreien Atmosphäre leben und ein System der sauerstoffhaltigen Photosynthese entwickeln könnten, das später zum Auftreten von Landpflanzen führen würde. Bei Sternen der M-Klasse ist die Situation komplizierter. Die Ergebnisse unserer Berechnungen zeigen, dass der optimale Standort für Photosynthesegeräte 9 m unter Wasser ist: Eine Schicht dieser Tiefe fängt destruktives ultraviolettes Licht ein, lässt aber genügend sichtbares Licht durch. Natürlich werden wir diese Organismen in unseren Teleskopen nicht bemerken, aber sie könnten die Grundlage des Landlebens werden. Im Prinzip kann das Pflanzenleben auf Planeten in der Nähe von M-Sternen mit verschiedenen Pigmenten fast so vielfältig sein wie auf der Erde.

Aber werden zukünftige Weltraumteleskope es uns ermöglichen, Spuren von Leben auf diesen Planeten zu sehen? Die Antwort hängt davon ab, wie das Verhältnis von Wasseroberfläche zu Land auf dem Planeten sein wird. In Teleskopen der ersten Generation werden die Planeten wie Punkte aussehen, und eine detaillierte Untersuchung ihrer Oberfläche kommt nicht in Frage. Wissenschaftler erhalten lediglich das Gesamtspektrum des reflektierten Lichts. Basierend auf seinen Berechnungen argumentiert Tinetti, dass mindestens 20 % der Erdoberfläche mit Pflanzen bedeckt sein müssen und nicht von Wolken bedeckt sein müssen, um Pflanzen in diesem Spektrum zu identifizieren. Andererseits, je größer das Meeresgebiet, desto mehr Sauerstoff geben die marinen Photosynthesegeräte an die Atmosphäre ab. Je ausgeprägter die Pigment-Bioindikatoren sind, desto schwieriger ist es daher, Sauerstoff-Bioindikatoren zu erkennen und umgekehrt. Astronomen werden entweder das eine oder das andere erkennen können, aber nicht beides.

Planetensucher

Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) plant, in den nächsten 10 Jahren die Raumsonde Darwin zu starten, um die Spektren terrestrischer Exoplaneten zu untersuchen. Der Earth-Like Planet Seeker der NASA wird dasselbe tun, wenn die Agentur finanzielle Mittel erhält. Die Raumsonde COROT, die im Dezember 2006 von der ESA gestartet wurde, und die Raumsonde Kepler, deren Start von der NASA für 2009 geplant ist, sollen nach schwachen Helligkeitsabnahmen von Sternen suchen, wenn erdähnliche Planeten vor ihnen vorbeiziehen. Die NASA-Raumsonde SIM wird nach schwachen Schwingungen von Sternen unter dem Einfluss von Planeten suchen.

Das Vorhandensein von Leben auf anderen Planeten – echtes Leben, nicht nur Fossilien oder Mikroben, die unter extremen Bedingungen kaum überleben – könnte in sehr naher Zukunft entdeckt werden. Aber welche Sterne sollten wir zuerst studieren? Werden wir die Spektren sternnaher Planeten registrieren können, was bei M-Sternen besonders wichtig ist? In welchen Entfernungen und mit welcher Auflösung sollen unsere Teleskope beobachten? Das Verständnis der Grundlagen der Photosynthese wird uns helfen, neue Instrumente zu entwickeln und die erhaltenen Daten zu interpretieren. Probleme dieser Komplexität können nur an der Schnittstelle verschiedener Wissenschaften gelöst werden. Bisher sind wir erst am Anfang des Weges. Die Möglichkeit, nach außerirdischem Leben zu suchen, hängt davon ab, wie tief wir die Grundlagen des Lebens hier auf der Erde verstehen.