На Земле описано более 300000 видов растений. Еще со школьной скамьи мы помним, что если бы не это биологическое царство, то атмосферы в ее нынешнем виде просто бы не существовало, климат был гораздо менее комфортным, а цепи питания самых разных организмов просто не могли бы быть заполнены.
Иначе говоря, в какой-то степени и мы все обязаны своим существованием именно растениям.
Физиология растений
На сегодняшней Земле одни только леса занимают треть площади суши, и вряд ли кто-то может представить нашу планету без этих зеленых массивов. А почему, собственно говоря, зеленых? Вы можете себе представить черный лес? Темно-голубое поле? Быть может, лиловый луг?
Для многих астрономов это не просто забава, а полноценная работа, включающая в себя сбор и анализ огромного количества данных. Ведь чтобы всего лишь предположить, какого цвета могут быть растения на других планетах, нужно очень хорошо понимать физиологию растений Земли. Давайте вместе углубим свое понимание растительной жизни вокруг нашего Солнца, чтобы представить, какой она может быть вокруг других звезд.
Вы только взгляните на разнообразие жизненных форм. Деревья, кустарнички и кустарники, самые разные травы… Но все они имеют что-то общее – они фотосинтезируют. Происходит это благодаря хлорофиллу, способному поглощать кванты света и превращать эту энергию в энергию химических связей для преобразования неорганической формы углерода в органическую. При этом в качестве своего рода побочного продукта выделяется кислород.
Но не это общее свойство растений бросается нам в глаза. В первую очередь мы замечаем их цвет. Почему подавляющее большинство растений на Земле зеленое? Ответ вроде бы прост и очевиден: потому что хлорофилл – пигмент, участвующий в фотосинтезе – зеленый. Это значит, что данный пигмент поглощает кусок сине-фиолетовой и красной части солнечного света, но отражает как раз зеленый участок спектра, который мы и наблюдаем.
Но вот вам задача, над которой в свое время бились сотни исследователей: по какой причине растения отражают наиболее доступный для них свет (зеленый) вместо того, чтобы его поглощать?
Все дело в том, что преобразование энергии света в энергию химических связей происходит не в каждой конкретно взятой молекуле хлорофилла. Оно происходит в особых объединениях из пигментов и белков – так называемых «реакционных центрах».
К каждому из таких реакционных центров подходят сотни антенн, занятых улавливанием фотонов света. Но в самом реакционном центре могут использоваться лишь фотоны красного света, ведь именно их испускает наше солнце в наибольшем количестве. Именно количество фотонов играет решающую роль.
Что же касается синих фотонов, они несут больше энергии, чем красные. Поэтому когда сине-фиолетовая часть спектра попадает на хлорофилл в комплексе антенны, по мере пути к реакционному центру эта энергия фотона как бы понижается. Зеленый спектр света для большинства растений остается труднодоступным. Но даже из области зеленого провала есть свои исключения. Вспомните не зеленые синтезирующие организмы.
Взять какие-нибудь бурые водоросли, на примере которых легко убедиться, что хлорофилл не является единственным пигментом, участвующим в фотосинтезе. Мы помним, что решающую роль в фотосинтезе играет хлорофилл, представленный в реакционном центре.
Так вот, антенны, подходящие к такому реакционному центру, могут быть представлены не только самим хлорофиллом, но и другими пигментами — вспомогательными.
Они улавливают фотоны того спектра, что недоступен хлорофиллу, и передают эту энергию к реакционному центру.
В случае с бурыми водорослями, которые растут на глубинах до ста метров, сами понимаете, что поток солнечного света будет ослабевать по мере преодоления толщи воды. Следовательно, хлорофиллу нужны достаточно сильные антенны в виде фукоксантинов, поглощающих как раз самую доступную на такой глубине сине-зеленую часть солнечного спектра. Эти и другие пигменты группы каротиноидов как раз и придают бурым водорослям их характерную буро-желтую окраску.
Букет с далекой планеты
Хорошо, фотосинтезирующие организмы нашей планеты имеют достаточно широкий арсенал пигментов, задействованных в фотосинтезе. Как же нам применить эти знания за пределами Солнечной системы?
Ученые отслеживают всевозможные биосигналы других планет, физические и химические признаки протекания процессов, которые присущи земной жизни. Это могут быть биологически синтезируемые атмосферные газы вроде того же кислорода или особый спектр отраженного от поверхности планеты света, указывающий на наличие специальных фотосинтетических пигментов.
Астрономы, анализируя свет, отраженный от далеких планет, могут установить наличие на них воды в жидкой форме. А раз там есть вода и свет какой-нибудь звезды неподалеку, то нет помех протеканию фотосинтеза.
Аналогично тому, как растения Земли поглощают красную и сине-фиолетовую часть, отражая зеленый участок спектра, растения иных планет могут поглощать свой спектр. Ведь к фотосинтезу может привести свет практически любой длины волны – от ультрафиолета до ближайшего инфракрасного. Все зависит от энергии, которую будет давать родительская звезда.
Так, вокруг первоклассных горячих звезд, которые будут голубее, чем наше Солнце, фотосинтезирующие организмы станут получать слишком большое количество света, большую часть которого они будут вынуждены отражать. И мы можем представить себе, каким образом вспомогательные пигменты могут не только улавливать недоступную главному пигменту часть света, но и выполнять светозащитную функцию, как это делает какой-нибудь антоцианин, придавая растению голубоватую окраску.
Но в нашей галактике подобные яркие звезды встречаются не так часто. Гораздо более распространены относительно маленькие и холодные красные карлики или звезды класса M. Молодые звезды этого типа достаточно жестко обходятся с планетами рядом, обдавая их сильными вспышками ультрафиолета, что делает невозможным существование растений на суше. Но возможен сценарий их существования под водой. Вот только в таком случае мы не сможем обнаружить их имеющимися методами.
Красные карлики создают более комфортные условия для существования фотосинтезирующих организмов. Правда, они предоставляют планетам вокруг очень мало видимого излучения, что будет заставлять растения поглощать как можно больше доступной им энергии света. А какой цвет поглощает больше всего из видимого спектра? Черный.
И растения подобно тому, как нагревается черная одежда на солнце, также будут улавливать максимальное количество доступной им энергии, надевая темный фотосинтетический наряд.
Быть может, эволюционный путь растений и за пределами Солнечной системы будет похож на тот, что они совершили на Земле. Ведь тогда колонизаторы космоса смогут не только использовать продукты фотосинтеза инопланетной флоры, но и наслаждаться красотой неземных цветов. Возможно, будущие поколения смогут радовать своих близких букетами с других планет.
Учитывая тот факт, что на нашей планете фотосинтез — весьма успешный процесс, без которого невозможно было представить себе существование жизни в ее нынешнем виде, очень высока вероятность его возникновения за границей Солнечной системы. Именно поэтому ученые и интересуются такими, казалось бы, несовместимыми вещами, как физиология земных растений и поиск жизни на иных планетах.
Междисциплинарность открывает перед нами новые перспективы и позволяет решать задачи невиданной ранее сложности. Кто знает, возможно, именно на стыке астрономии и биологии появятся новые подходы к поиску внеземной жизни.
