Астрономы уже предлагали планеты у оранжевых карликов на роль «суперобитаемых», то есть подходящих для жизни больше Земли. Однако это делали исходя из теоретических соображений об их климате, без эмпирических данных. Новая работа экспериментально показала еще одно, достаточно неожиданное преимущество звезд этого типа перед Солнцем.
Вверху: кресс-салат, выращенный под аналогом солнечного излучения. Посередине: кресс-салат, выращенный из ста семян под излучением, эквивалентным свету оранжевого карлика. Внизу: кресс-салат, который растили в темноте / © René Heller et al.
Оранжевыми карликами называют звезды спектрального класса К массой от 0,45 до 0,8 солнечной и с температурой поверхности от 3900 до 5200 кельвинов. Такова близкая к нам альфа Центавра B. Из-за меньшей светимости термоядерные реакции в них идут дольше: они стабильно светят 15-30 миллиардов лет после рождения, в то время как для Солнца этот период заведомо не более 10 миллиардов лет. Большее время жизни означает большую потенциальную длительность эволюции на планетах вокруг оранжевых светил.
Кроме того, астрономы давно рассчитали, что климат на планетах у оранжевых карликов должен быть намного стабильнее нашего. Если на Земле были периоды, когда вся суша, включая экватор, надолго сковывалась толстым слоем льда, то для обитаемых планет у звезд класса К это исключено. Все дело в том, что в их излучении меньше видимого света и больше инфракрасного. Последний очень плохо отражается льдом.
Поэтому на Земле ледовые шапки эффективно выхолаживают планету, отражая солнечное излучение в космос. Из-за этого возможен процесс быстрого развития оледенений от любых случайных «толчков» вроде астероидной или вулканической зимы. В системах оранжевых карликов охлаждение от ледовых шапок намного слабее, так что положительной обратной связи «больше льдов — холоднее климат — еще больше льдов» не возникает.
Авторы новой работы, с текстом которой можно ознакомиться на сервере препринтов Корнеллского университета, решили подкрепить расчетные соображения экспериментальными. Для этого они взяли кресс-салат (Lepidium sativum) и распространенный вид цианобактерий (Chroococcidiopsis) и вырастили их в лаборатории в двух наборах условий. В первом случае их облучали лампы со спектральным распределением, соответствующим солнечному свету (эффективная температура — 5800 кельвинов). Во втором — лампы, имитирующие свет типичного оранжевого карлика (эффективная температура — 4300 кельвинов). В качестве контрольной группы использовали выращивание кресс-салата вообще без света.
Оказалось, кресс-салат под светом оранжевой звезды растет несколько быстрее, чем под солнечным. Накопление сухой массы (если собрать зеленую часть и высушить ее), правда, шло чуть медленнее, зато «мокрая» масса (живого растения) росла быстрее, чем под стандартным земным освещением. Рассчитанная по итогу эксперимента эффективность фотосинтеза кресс-салата под оранжевым светом была чуть выше, чем под солнечным.
Основная часть истории жизни на Земле протекала без высших растений: фотосинтезом не менее 3,5 миллиарда лет занимались в основном цианобактерии и лишь в последние полмиллиарда лет появились современные сухопутные растения. Поэтому ученые не могли обойти своим экспериментом как раз цианобактерии.
Спустя 13 дней выращивания последних выяснилось, что для них оранжевый свет подходит еще лучше, чем для кресс-салата: цианобактерии размножались под ним быстрее и показали существенно более высокую эффективность фотосинтеза.
Исследователи отметили ограничения своего эксперимента: он давал равномерное облучение растений и цианобактерий, которое в природе встречается главным образом в низких широтах в засушливый сезон. В остальных случаях — особенно в умеренных широтах — фотосинтезирующие организмы получают излучение от звезды крайне «рвано»: набегающее облако может за секунды в 10 и более раз снизить количество света, падающее на растение, а когда облако пройдет, поток излучения восстановится. Утром и вечером в высоких широтах растение получает кратно меньше излучения, чем в полдень.
Детально воспроизвести такие колебания в лаборатории очень сложно, а на 13-дневном эксперименте едва ли не невозможно. Тем не менее опыт показывает ключевое: похоже, свет оранжевой звезды лучше солнечного подходит для фотосинтезирующих организмов, особенно простых.
Это важно, поскольку звезд класса К во Вселенной намного больше, чем подобных Солнцу (оранжевые карлики — второй по распространенности тип звезд после красных). Новый эксперимент стал первым, показавшим, что условия даже для земной фотосинтезирующей жизни там ничем не уступают земным и, скорее всего, несколько лучше. Это особенно неожиданно потому, что до эксперимента земные растения и цианобактерии никогда не сталкивались с таким излучением.
Комментарии
Ошибка в самой первой верхней картинке 1 строчка солнце, 2 строчка Оранжевый карлик.
Serjo, спасибо, поправил.
Александр, https://cyberleninka.ru/article/n/morfogenez-assimiliruyuschih-organov-seyantsev-sosny-obyknovennoy-i-eli-evropeyskoy-pri-deystvii-krasnogo-i-sinego-sveta-1/viewer
называют звезды спектрального класса К массой от 0,45 до 0,8 земной
Опечатка
Такая конечно самоочевидная работа ради отчётности...ну хотя бы эти ребята не стали делать никаких "жёлтых" выводов типа чёрных листьев в системах красных карликов. И на том спасибо. Лучше бы конечно выращивали штамы цианобактерий под ИК, сдвигая их всё дальше, вот это было бы интернсно
1, вряд ли идея о том, что несолнечный свет подходит земным растениям лучше солнечного можно назвать неочевидной. До этой работы даже предположений таких в научной литературе не было.
А он подходит и не лучше, сухая масса-то меньше. У хлорофилла 2 пика, разница в соотношении мощности света между красным пиком и синим. То что красный свет, синий свет и белый свет немного по-разному влияют на выращивание растений это в общем-то давно известно, и влияное это не качественное.
Так что да, данный эксперимент настолько же очевиден как условный "а давайте лепить кирпичи из имитатора лунного реголита в самолёте летящем по дуге при1/6g". Ну ок, давайте, а зачем?
Неочевидными были бы рассуждения на тему альтернативных вариантов хлорофилла с пиками в ближнем ИК, молекулярные исследования, симуляции, выращивание мутантных штаммов бактерий...потому что со 100% вероятностью гипотетические растения у красных карликов будут адаптированы к свету красных карликов, а не Солнца. И это даже не была бы сугубо фундаментальная работа, на Титане например спектр света ≈похож, с избытком ИК, такие мутантные штаммы можно было бы применять в будущих теплицах на Титане
1, "А он подходит и не лучше, сухая масса-то меньше."
Сухая масса больше всего у растения, выросшего вообще в темной среде. Значит ли это, что темнота подходит растениям больше света? Ну конечно же нет. Из этого примера хорошо видно, что чем сильнее фотосинтез работает, тем больше доля "мокрой" массы (что неудивительно, если вспомнить устройство фотосинтеза). так что подходит именно что лучше -- см. и более высокую эффективность фотосинтеза под оранжевыми лучами в работе.
"Так что да, данный эксперимент настолько же очевиден как условный"
Так что по-прежнему неочевиден. Даже не говоря о цианобактериях, где разрыв еще резче.
" И это даже не была бы сугубо фундаментальная работа, на Титане например спектр света ≈похож, с избытком ИК, такие мутантные штаммы можно было бы применять в будущих теплицах на Титане"
Солнечная постоянная на Титане в 100 раз меньше земной даже без учета сплошных (в отличие от Земли) облаков. С их учетом она меньше во многие сотни раз. Так что на Титане речь может идти о теплицах только в случае искусственного освещения.
Серьёзно? Ростки в тени набрали больше сухой массы чем на свету? Ну это крайне занятный факт, конечно, жаль что он не упомянут. Потому что в таком случае вопросы к корректности всего эксперимента. Надо было продолжать выращивание до гибели "теневых" всходов, произвести взвешивание половины ростков (сделать вывод как влияет спектр на этапе прорастания), потом ещё пару недель выращивать взрослые растения и сделать вывод уже по ним.
А искусственное освещение это хорошо, но вот использовать солнечный свет напрямую куда интереснее. Потому что для теплиц мощность света вырастет раза в 3, при той же собирающей поверхности концентраторов снаружи (если мы говорим о выработке электроэнергии от солнечных батарей). Ну и конечно теплица на Титане это не большой ангар с прозрачной крышей, а большой теплоизолированный ангар с маленьким окошком, куда светит луч света от концентраторов, идея вполне рабочая и масштабируемая, в отличие от реакторов.
Александр, вопрос хоть и не совсем по теме статьи, но из неё вытекает:
В системах оранжевых карликов охлаждение от ледовых шапок намного слабее, так что положительной обратной связи «больше льдов — холоднее климат — еще больше льдов» не возникает.
А как в таком случае на Земле такое оледенение может вообще завершиться, если обратная связь положительная? Почему оно не длится вечно?
Спасибо за статью.
Alexander, считается, что механизм завершения такой: при серьезном оледенении скорость связывания СО2 горными породами сильно падает (химические реакции идут медленно в сухом и холодном мире), СО2 связывается только океаном, но как только наступает какое-то временное увеличение инсоляции (циклы Миланковича и проч.), СО2 из океана начинает резко выделяться (по закону Генри, от роста температур), и в итоге в атмосфере его количество резко подпрыгивает, что позволяет реализовать устойчивое отступление ледников.
Но иногда такая схема будет работать очень долго. Например, в криогении -- до десятков миллионов лет глобального оледенения потребовалось для реализации ее.