Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

С приходом весны и увеличением количества солнечного света на фотосинтезирующих растениях распускаются новые листья, которые поглощают больше углекислого газа из воздуха. С наступлением зимы листва отмирает, и уровень углекислого газа вновь поднимается. Разумеется, весна на одной половине Земли сопровождается зимой на другой. Поэтому для заметного изменения уровня углекислого газа необходимо, чтобы в северном и южном полушариях была разная площадь покрытых растительностью территорий. На Земле в Северном полушарии произрастает больше растений, чем в Южном, поэтому смена весеннего и зимнего сезонов в северном полушарии планеты сопровождается ежегодными колебаниями уровня углекислого газа. Равномерное распределение растительности по поверхности планеты вряд ли возможно, а значит, объяснить наличие такого цикла, выявляемого по результатам наблюдения за движением планеты вокруг ее звезды, без наличия на ней биологического вещества достаточно трудно.

Атмосфера — не единственная характеристика планеты, на которой сказывается присутствие жизни. Еще один потенциальный биомаркер — цвет планеты, или, говоря более научным языком, длины волн излучения, которые преобладают в отражаемом планетой свете. Мы видим зеленый цвет на поверхности Земли благодаря широкому распространению фотосинтезирующих растительных форм жизни, отражающих зеленый свет. Все дело в хлорофилле в клетках растений, который рассеивает свет с длиной волны около 500 нм[48], но при этом поглощает попадающий на него свет с чуть меньшими и большими длинами волн. Кроме того, растения на нашей планете эффективно отражают свет с длинами волн, превышающими те, которые воспринимаются нашими глазами как цвет. Излучение в инфракрасном диапазоне с длиной волны около 700–800 нм и более либо отражается, либо беспрепятственно проходит сквозь растение. Эту границу называют красным краем. Благодаря такой отражающей способности растения прекрасно видны при инфракрасной съемке, что позволяет изучать растительный покров со спутников.

В силу этих двух особенностей в отраженном нашей планетой свете присутствуют два четко различимых явления — зеленый всплеск и красный край. Если бы могли проанализировать длины волн в спектре света, отраженного внесолнечной планетой, резкие всплески и падения такого рода могли бы служить биомаркером, указывающим на присутствие растительных форм жизни.

Но являются ли длины волн, поглощаемые нашими растениями, универсальными для всей растительности, которая может существовать на внеземных мирах? Чтобы наши рассуждения не походили на гадание на кофейной гуще, сначала мы должны понять, что именно делает наши растения зелеными.

На первый взгляд, с точки зрения эволюции формирование у растений способности отражать зеленый свет не кажется очевидным преимуществом. Хотя с поверхности Земли Солнце кажется желтым, на самом деле большую часть энергии оно излучает как раз в зеленой области спектра. Свой желтый оттенок свет получает из-за рассеивания синего света атмосферой. Таким образом, отражая зеленый свет, земные растения в ходе эволюции отказались от самой значительной доли солнечной энергии.

Однако при более детальном рассмотрении такому эволюционному повороту находится вполне разумное объяснение. Энергия, излучаемая Солнцем на определенной длине волны, складывается из энергии этой длины волны, а также ее интенсивности или яркости. Если рассматривать излучение как поток крохотных фотонов, заключенная в нем энергия будет зависеть от энергии каждого фотона и их количества.

В действительности Солнце излучает больше красных фотонов, чем зеленых, но большая длина волны красного света означает, что каждый отдельно взятый красный фотон переносит меньше энергии, чем зеленый. С другой стороны, синие фотоны переносят больше энергии, но при этом их намного меньше. Таким образом, в ходе адаптации к условиям жизни на нашей планете растения научились извлекать выгоду из многочисленности красных фотонов и мощной энергии отдельных синих фотонов. Поэтому зеленые фотоны, которые не так многочисленны, как красные, и не обладают таким количеством энергии, как отдельно взятые синие, оказались не нужны.

Если исходить из того, что, адаптируясь к условиям среды, растения стараются использовать длины волн в тех частях спектра, где фотоны богаты энергией или отличаются многочисленностью, их свойства будут определяться составом атмосферы планеты и особенностями звезды: атмосфера способна лишить поверхность планеты доступа к поглощаемым длинам волн, а от температуры звезды зависит количество энергии, излучаемой на каждой длине волны. Мы можем наблюдать последствия работы такого фильтра на Земле. Растения, живущие в океанских водах и под слоем песка, отличаются цветом от растительности на поверхности. В процессе адаптации к поглощению тех длин волн, которые добираются до них, они приобрели разные цвета. Например, вода пропускает синий свет, но поглощает красный, делая невозможной эволюцию растений, использующих красные фотоны, дальше определенной глубины. В результате такой эволюции появились водоросли различных оттенков коричневого, красного и пурпурного цветов, отражающие фотоны, которые они не научились использовать.

В отличие от процесса отбора только тех фотонов, которые оптимально подходят для фотосинтеза, рассеивание длин волн за «красным краем» может объясняться необходимостью контроля температуры с целью недопущения перегрева. Если бы растения поглощали длины волн инфракрасного диапазона, а также те, что относятся к видимой части спектра, избыток энергии мог бы привести к необратимому изменению белков, фактически поджарив растения. Вот почему наши растения отражают свет в инфракрасной и зеленой области спектра в окружающее пространство. Но что будет, если Солнце изменится?

Как уже отмечалось, у нас есть основания полагать, что жизнепригодные планеты в зоне умеренных температур могут быть покрыты организмами, получающими энергию от света. Однако они совсем не обязательно должны быть зеленого цвета.

В системах с холодными красными карликовыми звездами большая часть энергии излучается в инфракрасном диапазоне. Считается, что при характерных для него больших длинах волн фотосинтез также возможен, но из-за их меньшей энергии может потребоваться в два раза больше фотонов. Чтобы обеспечить поглощение максимального количества света, растения на планете в системе с красным карликом могут быть не зелеными, а черными. Более того, учитывая, что теперь им придется иметь дело с фотонами из инфракрасного диапазона, у растений на такой планете может не быть ярко выраженного красного края, или же он может сдвинуться в другую область спектра.

Растения на планетах в системах со звездами горячее нашего Солнца могут столкнуться с противоположной проблемой: поверхность там будет подвергаться бомбардировке высокоэнергетическими синими фотонами. В результате листва может приобрести синий оттенок, который позволит ей отражать эти фотоны, чтобы спастись от перегрева. В любом случае, выражение «в чужом дворе трава всегда зеленее» вряд ли будет применимо к внеземным мирам.