Hoe zien planten eruit op andere exoplaneten?

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

De zoektocht naar buitenaards leven is niet langer het domein van sciencefiction of UFO-jagers. Misschien hebben moderne technologieën het vereiste niveau nog niet bereikt, maar met hun hulp zijn we al in staat om de fysieke en chemische manifestaties te detecteren van de fundamentele processen die ten grondslag liggen aan levende wezens.

Astronomen hebben meer dan 200 planeten ontdekt die rond sterren buiten het zonnestelsel draaien. Tot nu toe kunnen we geen eenduidig antwoord geven over de waarschijnlijkheid van het bestaan van leven op hen, maar dit is slechts een kwestie van tijd. In juli 2007 bevestigden astronomen na analyse van het sterlicht dat door de atmosfeer van de exoplaneet ging, de aanwezigheid van water erop. Er worden nu telescopen ontwikkeld die het mogelijk maken om met hun spectra naar sporen van leven op planeten als de aarde te zoeken.

Een van de belangrijke factoren die van invloed zijn op het spectrum van licht dat door een planeet wordt gereflecteerd, kan het proces van fotosynthese zijn. Maar is dit mogelijk in andere werelden? Nogal! Op aarde is fotosynthese de basis voor bijna alle levende wezens. Ondanks het feit dat sommige organismen hebben geleerd om bij verhoogde temperaturen in methaan en in hydrothermale bronnen in de oceaan te leven, danken we de rijkdom aan ecosystemen op het oppervlak van onze planeet aan zonlicht.

Enerzijds wordt tijdens het fotosyntheseproces zuurstof geproduceerd, dat samen met de daaruit gevormde ozon in de atmosfeer van de planeet kan worden gevonden. Aan de andere kant kan de kleur van een planeet wijzen op de aanwezigheid van speciale pigmenten, zoals chlorofyl, op het oppervlak. Bijna een eeuw geleden, toen astronomen de seizoensgebonden verduistering van het oppervlak van Mars hadden opgemerkt, vermoedden ze de aanwezigheid van planten erop. Er zijn pogingen ondernomen om tekenen van groene planten te detecteren in het spectrum van licht dat door het oppervlak van de planeet wordt weerkaatst. Maar de twijfel aan deze benadering werd zelfs gezien door de schrijver Herbert Wells, die in zijn "War of the Worlds" opmerkte: "Het is duidelijk dat het plantenrijk van Mars, in tegenstelling tot het aardse, waar groen overheerst, een bloed- rode kleur." We weten nu dat er geen planten op Mars zijn, en het verschijnen van donkere gebieden op het oppervlak wordt geassocieerd met stofstormen. Wells was er zelf van overtuigd dat de kleur van Mars niet in de laatste plaats wordt bepaald door de planten die het oppervlak bedekken.

Zelfs op aarde zijn fotosynthetische organismen niet beperkt tot groen: sommige planten hebben rode bladeren en verschillende algen en fotosynthetische bacteriën glinsteren met alle kleuren van de regenboog. En paarse bacteriën gebruiken naast zichtbaar licht ook infraroodstraling van de zon. Dus wat zal de overhand hebben op andere planeten? En hoe kunnen we dit zien? Het antwoord hangt af van de mechanismen waarmee de buitenaardse fotosynthese het licht van zijn ster assimileert, dat verschilt in de aard van de straling van de zon. Daarnaast beïnvloedt een andere samenstelling van de atmosfeer ook de spectrale samenstelling van de straling die op het aardoppervlak invalt.

Sterren van spectrale klasse M (rode dwergen) schijnen zwak, dus planten op aardachtige planeten in de buurt ervan moeten zwart zijn om zoveel mogelijk licht te absorberen. Jonge M-sterren verschroeien het oppervlak van planeten met ultraviolette zonnevlammen, dus er moeten in het water levende organismen zijn. Onze zon is klasse G. En in de buurt van sterren van klasse F krijgen planten te veel licht en moeten ze een aanzienlijk deel daarvan weerkaatsen.

Om je voor te stellen hoe fotosynthese in andere werelden zal zijn, moet je eerst begrijpen hoe planten het op aarde uitvoeren. Het energiespectrum van zonlicht heeft een piek in het blauwgroene gebied, waardoor wetenschappers zich lange tijd afvroegen waarom planten niet het meeste beschikbare groene licht absorberen, maar juist weerkaatsen? Het bleek dat het proces van fotosynthese niet zozeer afhangt van de totale hoeveelheid zonne-energie, maar van de energie van individuele fotonen en het aantal fotonen waaruit licht bestaat.

Elk blauw foton draagt meer energie dan een rood foton, maar de zon straalt voornamelijk rode uit. Planten gebruiken blauwe fotonen vanwege hun kwaliteit en rode vanwege hun kwantiteit. De golflengte van groen licht ligt precies tussen rood en blauw, maar groene fotonen verschillen niet in beschikbaarheid of energie, dus planten gebruiken ze niet.

Tijdens fotosynthese om één koolstofatoom te fixeren (afgeleid van koolstofdioxide, CO₂) in een suikermolecuul zijn minimaal acht fotonen nodig, en voor de splitsing van een waterstof-zuurstofbinding in een watermolecuul (H₂O) - slechts één. In dit geval verschijnt een vrij elektron, dat nodig is voor verdere reactie. In totaal voor de vorming van één zuurstofmolecuul (O₂) vier van dergelijke bindingen moeten worden verbroken. Voor de tweede reactie om een suikermolecuul te vormen, zijn er nog minstens vier fotonen nodig. Opgemerkt moet worden dat een foton een bepaalde minimale energie moet hebben om deel te nemen aan fotosynthese.

De manier waarop planten zonlicht opnemen, is echt een van de wonderen van de natuur. Fotosynthetische pigmenten komen niet voor als individuele moleculen. Ze vormen clusters die als het ware uit vele antennes bestaan, die elk zijn afgestemd om fotonen van een bepaalde golflengte waar te nemen. Chlorofyl absorbeert voornamelijk rood en blauw licht, terwijl de carotenoïde pigmenten die herfstbladeren rood en geel geven een andere tint blauw waarnemen. Alle energie die door deze pigmenten wordt verzameld, wordt geleverd aan het chlorofylmolecuul in het reactiecentrum, waar water zich splitst om zuurstof te vormen.

Een complex van moleculen in een reactiecentrum kan alleen chemische reacties uitvoeren als het rode fotonen of een equivalente hoeveelheid energie in een andere vorm ontvangt. Om de blauwe fotonen te gebruiken, zetten antennepigmenten hun hoge energie om in lagere energie, net zoals een reeks step-down transformatoren 100.000 volt van een elektriciteitsleiding naar een 220 volt stopcontact reduceert. Het proces begint wanneer een blauw foton een pigment raakt dat blauw licht absorbeert en energie overdraagt aan een van de elektronen in zijn molecuul. Wanneer een elektron terugkeert naar zijn oorspronkelijke staat, zendt het deze energie uit, maar door warmte- en trillingsverliezen minder dan het heeft geabsorbeerd.

Het pigmentmolecuul geeft de ontvangen energie echter niet af in de vorm van een foton, maar in de vorm van een elektrische interactie met een ander pigmentmolecuul, dat de energie van een lager niveau kan absorberen. Op zijn beurt geeft het tweede pigment nog minder energie vrij, en dit proces gaat door totdat de energie van het oorspronkelijke blauwe foton tot het niveau van rood daalt.

Het reactiecentrum, als het ontvangende uiteinde van de cascade, is aangepast om beschikbare fotonen met minimale energie te absorberen. Op het oppervlak van onze planeet zijn rode fotonen het talrijkst en hebben ze tegelijkertijd de laagste energie van de fotonen in het zichtbare spectrum.

Maar voor onderwaterfotosynthesizers hoeven rode fotonen niet de meest voorkomende te zijn. Het lichtgebied dat wordt gebruikt voor fotosynthese verandert met de diepte omdat water, opgeloste stoffen erin en organismen in de bovenste lagen het licht filteren. Het resultaat is een duidelijke gelaagdheid van levende vormen in overeenstemming met hun set van pigmenten. Organismen uit diepere waterlagen hebben pigmenten die zijn afgestemd op het licht van die kleuren die niet door de lagen erboven werden geabsorbeerd. Algen en cyanea hebben bijvoorbeeld de pigmenten phycocyanine en phycoerythrin, die groene en gele fotonen absorberen. Bij anoxygene (d.w.z.niet-zuurstofproducerende) bacteriën zijn bacteriochlorofyl, dat licht absorbeert uit de verre rode en nabij-infrarood (IR) gebieden, dat alleen in de sombere diepten van water kan doordringen.

Organismen die zich hebben aangepast aan weinig licht, hebben de neiging langzamer te groeien omdat ze harder moeten werken om al het beschikbare licht te absorberen. Op het aardoppervlak, waar veel licht is, zou het nadelig zijn voor planten om overtollige pigmenten te produceren, zodat ze selectief kleuren gebruiken. Dezelfde evolutionaire principes zouden ook in andere planetaire systemen moeten werken.

Net zoals waterdieren zich hebben aangepast aan licht dat wordt gefilterd door water, hebben landbewoners zich aangepast aan licht dat wordt gefilterd door atmosferische gassen. In het bovenste deel van de atmosfeer van de aarde zijn de meest voorkomende fotonen geel, met een golflengte van 560-590 nm. Het aantal fotonen neemt geleidelijk af naar lange golven en breekt abrupt af naar korte golven. Terwijl zonlicht door de bovenste atmosfeer gaat, absorbeert waterdamp IR in verschillende banden langer dan 700 nm. Zuurstof produceert een smal bereik van absorptielijnen in de buurt van 687 en 761 nm. Iedereen weet dat ozon (Oh₃) in de stratosfeer absorbeert actief ultraviolet (UV) licht, maar absorbeert ook licht in het zichtbare gebied van het spectrum.

Onze atmosfeer laat dus ramen achter waardoor straling het oppervlak van de planeet kan bereiken. Het bereik van zichtbare straling wordt aan de blauwe kant beperkt door een scherpe afsnijding van het zonnespectrum in het korte golflengtegebied en UV-absorptie door ozon. De rode rand wordt bepaald door zuurstofabsorptielijnen. De piek van het aantal fotonen verschuift van geel naar rood (ongeveer 685 nm) door de uitgebreide absorptie van ozon in het zichtbare gebied.

Planten zijn aangepast aan dit spectrum, dat voornamelijk wordt bepaald door zuurstof. Maar er moet aan worden herinnerd dat de planten zelf zuurstof aan de atmosfeer leveren. Toen de eerste fotosynthetische organismen op aarde verschenen, was er weinig zuurstof in de atmosfeer, dus moesten planten andere pigmenten gebruiken dan chlorofyl. Pas na verloop van tijd, toen fotosynthese de samenstelling van de atmosfeer veranderde, werd chlorofyl het optimale pigment.

Betrouwbaar fossiel bewijs van fotosynthese is ongeveer 3,4 miljard jaar oud, maar eerdere fossiele overblijfselen vertonen tekenen van dit proces. De eerste fotosynthetische organismen moesten onder water zijn, deels omdat water een goed oplosmiddel is voor biochemische reacties, en ook omdat het bescherming biedt tegen UV-straling van de zon, wat belangrijk was bij afwezigheid van een atmosferische ozonlaag. Dergelijke organismen waren onderwaterbacteriën die infraroodfotonen absorbeerden. Hun chemische reacties omvatten waterstof, waterstofsulfide, ijzer, maar geen water; daarom stootten ze geen zuurstof uit. En slechts 2, 7 miljard jaar geleden begonnen cyanobacteriën in de oceanen met zuurstof fotosynthese met het vrijkomen van zuurstof. De hoeveelheid zuurstof en de ozonlaag namen geleidelijk toe, waardoor rode en bruine algen naar de oppervlakte kwamen. En toen het waterpeil in ondiep water voldoende was om te beschermen tegen UV, verschenen er groene algen. Ze hadden weinig fycobiliproteïnen en waren beter aangepast aan fel licht nabij het wateroppervlak. 2 miljard jaar nadat zuurstof zich begon op te hopen in de atmosfeer, verschenen de afstammelingen van groene algen - planten - op het land.

De flora heeft belangrijke veranderingen ondergaan - de verscheidenheid aan vormen is snel toegenomen: van mossen en levermossen tot vaatplanten met hoge kronen, die meer licht absorberen en zijn aangepast aan verschillende klimaatzones. De kegelvormige kronen van naaldbomen absorberen effectief licht op hoge breedtegraden, waar de zon nauwelijks boven de horizon komt. Schaduwminnende planten produceren anthocyanine ter bescherming tegen fel licht. Groen chlorofyl is niet alleen goed aangepast aan de moderne samenstelling van de atmosfeer, maar helpt deze ook in stand te houden, waardoor onze planeet groen blijft. Het is mogelijk dat de volgende stap in de evolutie een voordeel oplevert voor een organisme dat in de schaduw onder de kruinen van bomen leeft en phycobilins gebruikt om groen en geel licht te absorberen. Maar de bewoners van de bovenste laag blijven blijkbaar groen.

De wereld rood schilderen

Bij het zoeken naar fotosynthetische pigmenten op planeten in andere sterrenstelsels, moeten astronomen niet vergeten dat deze objecten zich in verschillende stadia van evolutie bevinden. Ze kunnen bijvoorbeeld een planeet tegenkomen die lijkt op de aarde, zeg 2 miljard jaar geleden. Er moet ook rekening mee worden gehouden dat buitenaardse fotosynthetische organismen eigenschappen kunnen hebben die niet kenmerkend zijn voor hun terrestrische "familieleden". Ze zijn bijvoorbeeld in staat om watermoleculen te splitsen met behulp van fotonen met een langere golflengte.

Het organisme met de langste golflengte op aarde is de paarse anoxygene bacterie, die gebruik maakt van infraroodstraling met een golflengte van ongeveer 1015 nm. De recordhouders onder zuurstofhoudende organismen zijn mariene cyanobacteriën, die absorberen bij 720 nm. Er is geen bovengrens aan de golflengte die wordt bepaald door de wetten van de natuurkunde. Het fotosynthesesysteem moet alleen een groter aantal fotonen met lange golflengte gebruiken in vergelijking met fotonen met korte golflengte.

De beperkende factor is niet de verscheidenheid aan pigmenten, maar het spectrum van licht dat het oppervlak van de planeet bereikt, dat op zijn beurt afhangt van het type ster. Astronomen classificeren sterren op basis van hun kleur, afhankelijk van hun temperatuur, grootte en leeftijd. Niet alle sterren bestaan lang genoeg om leven te laten ontstaan en zich te ontwikkelen op naburige planeten. De sterren hebben een lange levensduur (in volgorde van afnemende temperatuur) van de spectrale klassen F, G, K en M. De zon behoort tot klasse G. Sterren van de F-klasse zijn groter en helderder dan de zon, ze branden en zenden een helderder uit. blauw licht en verbrandt in ongeveer 2 miljard jaar. Klasse K- en M-sterren zijn kleiner in diameter, zwakker, roder en geclassificeerd als langlevend.

Rond elke ster is er een zogenaamde "levenszone" - een reeks banen, waarin de planeten de temperatuur hebben die nodig is voor het bestaan van vloeibaar water. In het zonnestelsel is zo'n zone een ring die wordt begrensd door de banen van Mars en de aarde. Hete F-sterren hebben een levenszone die verder van de ster verwijderd is, terwijl koelere K- en M-sterren deze dichterbij hebben. Planeten in de levenszone van F-, G- en K-sterren ontvangen ongeveer dezelfde hoeveelheid zichtbaar licht als de aarde van de zon ontvangt. Het is waarschijnlijk dat er leven op zou kunnen ontstaan op basis van dezelfde zuurstofische fotosynthese als op aarde, hoewel de kleur van de pigmenten binnen het zichtbare bereik kan zijn verschoven.

M-type sterren, de zogenaamde rode dwergen, zijn van bijzonder belang voor wetenschappers omdat ze het meest voorkomende type sterren in onze Melkweg zijn. Ze zenden merkbaar minder zichtbaar licht uit dan de zon: de intensiteitspiek in hun spectrum vindt plaats in de nabije IR. John Raven, een bioloog aan de Universiteit van Dundee in Schotland, en Ray Wolstencroft, een astronoom van de Royal Observatory in Edinburgh, hebben gesuggereerd dat zuurstof fotosynthese theoretisch mogelijk is met behulp van nabij-infrarood fotonen. In dit geval zullen organismen drie of zelfs vier IR-fotonen moeten gebruiken om een watermolecuul te breken, terwijl terrestrische planten slechts twee fotonen gebruiken, wat kan worden vergeleken met de stappen van een raket die energie aan een elektron geeft om een chemische stof uit te voeren. reactie.

Jonge M-sterren vertonen krachtige UV-vlammen die alleen onder water kunnen worden vermeden. Maar de waterkolom absorbeert ook andere delen van het spectrum, dus de organismen die zich op diepte bevinden, zullen een groot gebrek aan licht hebben. Als dat zo is, kan de fotosynthese op deze planeten zich niet ontwikkelen. Naarmate de M-ster ouder wordt, neemt de hoeveelheid uitgestraalde ultraviolette straling af, in de latere stadia van de evolutie wordt deze minder dan onze zon uitzendt. Gedurende deze periode is er geen beschermende ozonlaag nodig en kan het leven op het oppervlak van planeten floreren, zelfs als het geen zuurstof produceert.

Astronomen zouden dus vier mogelijke scenario's moeten overwegen, afhankelijk van het type en de leeftijd van de ster.

Anaëroob oceaanleven. Een ster in het planetenstelsel is jong, van welk type dan ook. Organismen mogen geen zuurstof produceren. De atmosfeer kan bestaan uit andere gassen zoals methaan.

Aeroob oceaanleven. De ster is niet langer jong, van welk type dan ook. Er is genoeg tijd verstreken sinds het begin van de zuurstof fotosynthese voor de accumulatie van zuurstof in de atmosfeer.

Aeroob landleven. De ster is volwassen, van welk type dan ook. Het land is bedekt met planten. Het leven op aarde bevindt zich nog maar in dit stadium.

Anaëroob landleven. Een zwakke M-ster met zwakke UV-straling. Planten bedekken het land, maar produceren mogelijk geen zuurstof.

Natuurlijk zullen de manifestaties van fotosynthetische organismen in elk van deze gevallen anders zijn. De ervaring met het fotograferen van onze planeet vanaf satellieten suggereert dat het onmogelijk is om met een telescoop leven in de diepten van de oceaan te detecteren: de eerste twee scenario's beloven ons geen kleurentekens van leven. De enige kans om het te vinden is door te zoeken naar atmosferische gassen van organische oorsprong. Daarom zullen onderzoekers die kleurmethoden gebruiken om naar buitenaards leven te zoeken, zich moeten concentreren op het bestuderen van landplanten met zuurstofrijke fotosynthese op planeten in de buurt van F-, G- en K-sterren, of op planeten van M-sterren, maar met elk type fotosynthese.

Tekenen van leven

Stoffen die naast de kleur van planten een teken kunnen zijn van de aanwezigheid van leven

Zuurstof (O₂) en water (H₂O) … Zelfs op een levenloze planeet vernietigt het licht van de moederster waterdampmoleculen en produceert het een kleine hoeveelheid zuurstof in de atmosfeer. Maar dit gas lost snel op in water en oxideert ook rotsen en vulkanische gassen. Daarom, als er veel zuurstof wordt gezien op een planeet met vloeibaar water, betekent dit dat extra bronnen het produceren, hoogstwaarschijnlijk fotosynthese.

Ozon (O₃) … In de stratosfeer van de aarde vernietigt ultraviolet licht zuurstofmoleculen, die, wanneer ze worden gecombineerd, ozon vormen. Ozon is samen met vloeibaar water een belangrijke indicator van leven. Terwijl zuurstof zichtbaar is in het zichtbare spectrum, is ozon zichtbaar in infrarood, wat met sommige telescopen gemakkelijker te detecteren is.

Methaan (CH₄) plus zuurstof, of seizoenscycli … De combinatie van zuurstof en methaan is moeilijk te verkrijgen zonder fotosynthese. Seizoensschommelingen in de methaanconcentratie zijn ook een zeker teken van leven. En op een dode planeet is de concentratie van methaan bijna constant: het neemt slechts langzaam af als zonlicht moleculen afbreekt

Chloormethaan (CH₃kl) … Op aarde wordt dit gas gevormd door het verbranden van planten (voornamelijk bij bosbranden) en door blootstelling aan zonlicht op plankton en chloor in zeewater. Oxidatie vernietigt het. Maar door de relatief zwakke emissie van M-sterren kan dit gas zich ophopen in een hoeveelheid die beschikbaar is voor registratie.

Lachgas (N₂O) … Wanneer organismen vervallen, komt stikstof vrij in de vorm van een oxide. Niet-biologische bronnen van dit gas zijn verwaarloosbaar.

Zwart is het nieuwe groen

Ongeacht de kenmerken van de planeet, moeten fotosynthetische pigmenten aan dezelfde eisen voldoen als op aarde: fotonen absorberen met de kortste golflengte (hoge energie), met de langste golflengte (die het reactiecentrum gebruikt), of de meest beschikbare. Om te begrijpen hoe het type ster de kleur van planten bepaalt, was het noodzakelijk om de inspanningen van onderzoekers van verschillende specialismen te combineren.

Sterrenlicht voorbij

De kleur van planten hangt af van het spectrum van sterlicht, dat astronomen gemakkelijk kunnen waarnemen, en de absorptie van licht door lucht en water, die de auteur en haar collega's hebben gemodelleerd op basis van de waarschijnlijke samenstelling van de atmosfeer en de eigenschappen van het leven. Afbeelding "In de wereld van de wetenschap"

Martin Cohen, een astronoom aan de University of California, Berkeley, verzamelde gegevens over een F-ster (Bootes sigma), een K-ster (epsilon Eridani), een actief opflakkerende M-ster (AD Leo) en een hypothetische kalme M -ster met temperatuur 3100°C. Astronoom Antigona Segura van de Nationale Autonome Universiteit in Mexico-Stad heeft computersimulaties uitgevoerd van het gedrag van aardachtige planeten in de levenszone rond deze sterren. Met behulp van modellen van Alexander Pavlov van de Universiteit van Arizona en James Kasting van de Universiteit van Pennsylvania, bestudeerde Segura de interactie van straling van sterren met de waarschijnlijke componenten van planetaire atmosferen (ervan uitgaande dat vulkanen dezelfde gassen uitstoten als op aarde), en probeerde om de chemische samenstelling van atmosferen te achterhalen, zowel zonder zuurstof als met een inhoud die dicht bij die van de aarde ligt.

Met behulp van Segura's resultaten berekende fysicus Giovanna Tinetti van University College London de absorptie van straling in planetaire atmosferen met behulp van het model van David Crisp in het Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië, dat werd gebruikt om de verlichting van zonnepanelen op Mars-rovers te schatten. Het interpreteren van deze berekeningen vereiste de gezamenlijke inspanningen van vijf experts: microbioloog Janet Siefert van Rice University, biochemici Robert Blankenship van Washington University in St. Louis en Govindjee van University of Illinois in Urbana, planetoloog en Champaigne (Victoria Meadows) van Washington State University en ik, een biometeoroloog van het Goddard Space Research Institute van NASA.

We concludeerden dat blauwe stralen met een piek bij 451 nm vooral de oppervlakken van planeten nabij F-klasse sterren bereiken. In de buurt van K-sterren bevindt de piek zich op 667 nm, dit is het rode gebied van het spectrum, dat lijkt op de situatie op aarde. In dit geval speelt ozon een belangrijke rol, waardoor het licht van F-sterren blauwer en het licht van K-sterren roder wordt dan het in werkelijkheid is. Het blijkt dat straling die geschikt is voor fotosynthese in dit geval in het zichtbare deel van het spectrum ligt, zoals op aarde.

Zo kunnen planten op planeten in de buurt van F- en K-sterren bijna dezelfde kleur hebben als die op aarde. Maar in F-sterren is de stroom van energierijke blauwe fotonen te intens, dus planten moeten ze op zijn minst gedeeltelijk reflecteren met behulp van afschermende pigmenten zoals anthocyanine, waardoor de planten een blauwachtige kleur krijgen. Ze kunnen echter alleen blauwe fotonen gebruiken voor fotosynthese. In dit geval moet al het licht in het bereik van groen tot rood worden gereflecteerd. Dit zal resulteren in een opvallende blauwe afsnijding in het gereflecteerde lichtspectrum die gemakkelijk kan worden gezien met een telescoop.

Het brede temperatuurbereik voor M-sterren suggereert een verscheidenheid aan kleuren voor hun planeten. De planeet draait om een kalme M-ster en ontvangt de helft van de energie die de aarde van de zon ontvangt. En hoewel dit in principe genoeg is voor leven - dit is 60 keer meer dan nodig is voor schaduwminnende planten op aarde - behoren de meeste fotonen die van deze sterren komen tot het bijna-IR-gebied van het spectrum. Maar evolutie zou moeten leiden tot de opkomst van een verscheidenheid aan pigmenten die het hele spectrum van zichtbaar en infrarood licht kunnen waarnemen. Planten die vrijwel al hun straling absorberen, kunnen zelfs zwart lijken.

Kleine paarse stip

De geschiedenis van het leven op aarde laat zien dat vroege mariene fotosynthetische organismen op planeten in de buurt van klasse F-, G- en K-sterren in een primaire zuurstofvrije atmosfeer zouden kunnen leven en een systeem van zuurstofische fotosynthese zouden kunnen ontwikkelen, wat later zou leiden tot het verschijnen van terrestrische planten. De situatie met M-klasse sterren is ingewikkelder. De resultaten van onze berekeningen geven aan dat de optimale plaats voor fotosynthesizers 9 m onder water is: een laag van deze diepte vangt destructief ultraviolet licht op, maar laat voldoende zichtbaar licht door. Natuurlijk zullen we deze organismen niet opmerken in onze telescopen, maar ze kunnen de basis worden van het landleven. In principe kan het plantenleven op planeten in de buurt van M-sterren, met behulp van verschillende pigmenten, bijna net zo divers zijn als op aarde.

Maar zullen toekomstige ruimtetelescopen ons in staat stellen om sporen van leven op deze planeten te zien? Het antwoord hangt af van wat de verhouding tussen het wateroppervlak en het land op de planeet zal zijn. In telescopen van de eerste generatie zullen de planeten eruitzien als punten, en een gedetailleerde studie van hun oppervlak is uitgesloten. Het enige dat wetenschappers zullen krijgen, is het totale spectrum van gereflecteerd licht. Op basis van zijn berekeningen stelt Tinetti dat ten minste 20% van het aardoppervlak uit droog land moet bestaan, bedekt met planten en niet bedekt met wolken, om planten in dit spectrum te kunnen identificeren. Aan de andere kant, hoe groter het zeegebied, hoe meer zuurstof de mariene fotosynthesizers in de atmosfeer afgeven. Daarom, hoe meer uitgesproken de bio-indicatoren van pigment, hoe moeilijker het is om bio-indicatoren van zuurstof op te merken, en vice versa. Astronomen zullen het een of het ander kunnen detecteren, maar niet beide.

Planeetzoekers

De European Space Agency (ESA) is van plan om het ruimtevaartuig Darwin in de komende 10 jaar te lanceren om de spectra van terrestrische exoplaneten te bestuderen. NASA's Earth-Like Planet Seeker zal hetzelfde doen als het bureau financiering krijgt. Het COROT-ruimtevaartuig, gelanceerd door ESA in december 2006, en het Kepler-ruimtevaartuig, gepland door NASA voor lancering in 2009, zijn ontworpen om te zoeken naar vage afnames in de helderheid van sterren wanneer aardachtige planeten voor hen passeren. NASA's SIM-ruimtevaartuig gaat op zoek naar zwakke trillingen van sterren onder invloed van planeten.

De aanwezigheid van leven op andere planeten - echt leven, niet alleen fossielen of microben die nauwelijks overleven in extreme omstandigheden - kan in de zeer nabije toekomst worden ontdekt. Maar welke sterren moeten we eerst bestuderen? Zullen we de spectra kunnen registreren van planeten die zich dicht bij sterren bevinden, wat vooral belangrijk is in het geval van M-sterren? In welk bereik en met welke resolutie moeten onze telescopen waarnemen? Als we de basisprincipes van fotosynthese begrijpen, kunnen we nieuwe instrumenten maken en de gegevens die we ontvangen interpreteren. Dergelijke complexe problemen kunnen alleen worden opgelost op het snijvlak van verschillende wetenschappen. Tot nu toe staan we nog maar aan het begin van het pad. De mogelijkheid om naar buitenaards leven te zoeken hangt af van hoe diep we de basis van het leven hier op aarde begrijpen.