Красный барьер фотосинтеза позволит найти примитивную внеземную жизнь

Астрономы из США проанализировали, можно ли найти следы лишайников или цианобактерий на других плане

Задача обнаружения жизни на других планетах весьма сложна: существующие телескопы с большим трудом могут сделать прямые изображения даже самых крупных планет у самых близких звезд. Разборчивые снимки поверхности планет земных размеров в обозримом будущем мы получить не сможем: на это не хватит возможностей даже космических телескопов. Поэтому астрономы ищут наиболее простые и эффективные индикаторы присутствия жизни — такие, которые можно различить без детальных снимков. 

В 1990-х годах астрономы обнаружили, что в ближнем инфракрасном диапазоне Земля из космоса кажется необычайно яркой. Если в диапазоне 680 нанометров (красный свет) ее отражающая способность (альбедо) составляет всего 5%, то на 730 нанометрах — уже около 50%. Причина такого эффекта состоит в том, что листья растений очень хорошо отражают волны именно такой длины (хотя то, зачем им это, ученые не понимают). Ученые назвали такой эффект красным барьером фотосинтеза (также его называют красным краем), его считают одним из надежных признаков жизни земного типа.

Тем не менее у него есть серьезные ограничения. Наземные растения в заметных количествах на Земле появились менее 500 миллионов лет назад. Наша планета в десяток раз старше, а возраст жизни на ней — более четырех миллиардов лет. То есть даже если астрономы и увидят в телескопы будущего обитаемую планету, красный барьер фотосинтеза на ней проявится только в очень поздней части истории биосферы. Получается, 90% обитаемых планет могут ускользнуть из поля зрения ученых, которые полагаются на этот эффект.

Читайте также: Ледяные колыбели. Где нам стоит искать внеземную жизнь и как она будет выглядеть

Авторы новой работы попытались выяснить, насколько хорошо могут отражать ближнее инфракрасное излучение лишайники и цианобактерии, простые фотосинтетические организмы, которые могут существовать на суше (из истории Земли известно, что они появились там намного раньше растений). Они использовали модель, в которой меняли различные параметры отражающей способности планеты земного типа. В этой модели также можно было учитывать различные доли суши и облачного покрытия для моделируемой планеты.

В результате оказалось, что для планеты, на которой вся сухопутная зелень представлена деревьями (для них красный барьер фотосинтеза проявляется сильнее всего), яркость в ближнем инфракрасном диапазоне с точки зрения инопланетного наблюдателя будет выше нормальной на 4%. Яркость такой же планеты, на которой вместо деревьев только лишайники, в том же диапазоне будет лишь на 1% выше нормы. 

Если на планете вся наземная растительность сводится к цианобактериям, ее яркость в том же диапазоне будет на 2% выше нормы. Телескопы космического базирования вроде «Джеймса Уэбба», который по планам начнет работать в начале 2020-х годов, теоретически могут заметить подобные особенности у крупных планет, вращающихся вокруг самых близких звезд (впрочем, с практической точки зрения это еще предстоит доказать). Однако, если растительность на другой планете будет представлена одними лишайниками, сделать это будет довольно сложно (альбедо в инфракрасном диапазоне в этом случае изменится умеренно).

Тем не менее моделирование означает, что красный барьер фотосинтеза позволяет заметить жизнь на других планетах уже на ранних стадиях ее эволюции. Лишайники появились на поверхности земных континентов 1,2 миллиарда лет назад, а цианобактерии — много раньше, не менее 2,0, а возможно, и около 3,5 миллиарда лет назад. То есть если не у «Джеймса Уэбба», то у будущих, еще более совершенных космических телескопов, которые будут работать в инфракрасном диапазоне, действительно есть шансы найти растительность в других мирах.

Следует отметить, что у этого исследования есть и ограничения. У обитаемых миров может быть плотный облачный покров или даже непрозрачная (из-за дымки) атмосфера. И в том и в другом случае красный барьер фотосинтеза будет не так просто разглядеть. 

Другая сложность состоит в том, что этот эффект может быть специфической особенностью земной жизни и вообще не наблюдаться на других планетах. Даже на нашей планете есть так называемые пурпурные бактерии, успешно занимающиеся фотосинтезом с использованием ближнего инфракрасного излучения. Соответственно, их отражающая способность в этом диапазоне невелика и никакой красный барьер фотосинтеза в их случае не проявится. 

Не исключено, что на других обитаемых планетах жизнь использует, как и в случае пурпурных бактерий, не классический хлорофилл, а его разновидности другого цвета, причем даже для аналогов земных высших растений. В этом случае красный барьер фотосинтеза там не сможет проявиться ни на каком этапе эволюции биосферы.