Фотосинтез изменил Землю мощным образом. Когда появились фотосинтетические организмы, это привело к Великому событию оксигенации. Это позволило многоклеточной жизни развиться и привело к образованию озонового слоя. Жизнь смогла выйти на сушу, защищенную от интенсивного ультрафиолетового излучения Солнца.
Но фотосинтетические организмы Земли развивались под специфическим освещением Солнца. Как бы растения себя чувствовали под другими звездами?
Наше Солнце — звезда G-типа, иногда называемая желтым карликом. Для нас это обычная звезда, но желтые карлики не так уж распространены. Только около 7–8 % звезд в Млечном Пути являются звездами G-типа. Когда дело доходит до понимания обитаемости экзопланет, нам нужно понять более многочисленные типы звезд.
Некоторые ученые предполагают, что звезды K-типа являются наиболее оптимальными хозяевами для обитаемых экзопланет. Они примерно на 50–80% массивнее звезд G-типа, более распространены и имеют стабильную светимость на миллиарды лет дольше, чем звезды, подобные Солнцу. Солнце будет стабильно на главной последовательности около 10 миллиардов лет, в то время как звезды K-типа могут быть стабильными до 70 миллиардов лет. Несмотря на это, многие исследования обитаемости экзопланет сосредоточены на M-карликах, или красных карликах, которые на самом деле могут быть гораздо более негостеприимными для жизни из-за вспышек и приливного захвата.
В новом исследовании трио исследователей смоделировали световой поток от звезды-карлика K и вырастили два фотосинтезирующих организма в этих условиях, чтобы посмотреть, как они отреагируют. Статья исследования называется «Наблюдение значительного фотосинтеза в кресс-салате и цианобактериях при имитации освещения от звезды-карлика K». Она опубликована в Международном журнале астробиологии, а ведущим автором является Ива Вилович, аспирант исследовательской группы астробиологии в Техническом университете Берлина.
Сад кресс-салат, латинское название которого Лепидиум посевной, является обычной садовой зеленью, используемой в салатах, супах и сэндвичах. Это адаптируемое растение, которое быстро растетly. Цианобактерия Chroococcidiopsis — экстремофил, известный тем, что может находиться в состоянии покоя в течение 13 миллионов лет и оставаться жизнеспособным. Она может противостоять радиации, высыханию и экстремальным температурам и представляет интерес для астробиологии.
Мы ожидаем, что фотосинтез будет играть роль в астробиологии. Звездный свет обеспечивает организмы энергией для синтеза органических соединений. Чтобы понять фотосинтез в астробиологии, нам нужно понять, как другие звезды могут обеспечивать фотосинтез. «Поэтому понимание любой планеты в контексте ее звездного окружения является важным шагом в оценке ее обитаемости», — пишут авторы.
Астрономы ищут планеты, похожие на Землю, вокруг звезд, похожих на Солнце, потому что это единственная известная нам жизнь. Они также уделяют особое внимание М-карликам, потому что они очень многочисленны и известны тем, что в их обитаемых зонах находится множество скалистых экзопланет. Ученые продемонстрировали, что фотосинтетические организмы с Земли могут расти под искусственным светом М-карлика. Но обитаемость М-карликов сталкивается с целым рядом потенциальных препятствий.
В этой работе исследователи сосредоточились на К-карликах. У них отсутствует магнитная активность, которая, по-видимому, вызывает чрезвычайно мощную вспышку на М-карликах, настолько мощную, что она могла бы стерилизовать планеты в их обитаемой зоне с жидкой водой. Обитаемые зоны вокруг К-карликов также достаточно далеки, чтобы планеты не были приливно захвачены, что является еще одним потенциальным препятствием для обитаемости, которое влияет на М-карлики. К-карлики также становятся обитаемыми раньше в своей жизни, чем М-карлики, из-за их быстро ослабевающих потоков FUV и рентгеновского излучения.
«В совокупности все эти факторы позволяют считать К-карлики «звездами Златовласки» в поиске потенциально пригодных для жизни планет», — пишут авторы.
Трио исследователей подвергало рассаду кресс-салата трем различным режимам освещения: солнечный свет, свет K-dwarf и отсутствие света. Визуально образцы солнечного и K-dwarf были похожи, хотя большую часть времени семена прорастали на день или два раньше, чем под солнечным светом. Образец K-dwarf также имел немного большую площадь поверхности листьев.
Через семь дней боковой вид образцов показал, что высота и удлинение стебля были разными. Под освещением K-dwarf кресс-салат стал выше.
Исследователи также измерили содержание воды и сухую массу. В условиях К-карликов содержание воды в кресс-салате было немного выше, а сухое содержание было ниже по сравнению с солнечными условиями.
Исследователи также проверили эффективность фотосинтеза и не обнаружили существенной разницы между образцами Солнца и К-карликов.
Выносливый экстремофил Cyanobacterium Chroococcidiopsis sp. CCMEE 029 находится на другом конце спектра от быстрорастущего садового кресса. Это выживальщик, который может выдерживать длительные периоды покоя и экстремальные условия роста. Исследователи также выращивали его в условиях солнечного, К-карликового и темного освещения.
Они измерили среднюю интегрированную плотность (IntD) цианобактерий, которая является индикатором роста культуры. Они обнаружили, что образец K-карлика показал более высокие значения, чем солнечный образец, но различия не были сочтены значительными. Как и ожидалось, «цианобактерии в условиях постоянной темноты не смогли продемонстрировать значительно измеримую IntD», — пишут авторы в своей статье.
Они отмечают, что их исследование не полностью воспроизводит естественные условия. Интенсивность солнечного света меняется в течение дня, но они не включили это в свое исследование. «Интенсивность солнечного света на Земле меняется в течение дня, причем пик интенсивности приходится на центральные часы. Это изменение имеет решающее значение для адаптации растений и реагирования на изменяющиеся условия освещения, включая активацию нефотохимического гашения (NPQ) для смягчения последствий избыточного света», — пишут они. NPQ помогает растениям справляться с периодами избыточного света, то есть света сверх того, что они могут фотосинтезировать, рассеивая его в виде тепла.
«Понимание влияния излучения К-карликов на фотосинтез и рост имеет первостепенное значение не только для оценки его жизнеспособности для фототрофных организмов, но и для интерпретации атмосферных биосигнатур за пределами Солнечной системы», — объясняют авторы. Другие исследования в этой области были сосредоточены на М-карликах, и это трио исследователей утверждает, что, насколько им известно, их работа является первой, которая изучает фотосинтез и К-карликов.
«Эти результаты могут приблизить нас к решению вопроса о том, какие звездные среды могли бы быть оптимальными кандидатами для поиска обитаемых миров», — пишут авторы. «Эти результаты не только подчеркивают механизмы адаптации фотосинтетических организмов к измененным радиационным средам, но и подразумевают принципиальную обитаемость экзопланет, вращающихся вокруг звезд-карликов класса К».
