Objevené obyvatelné exoplanety neudrží mohutnou biosféru  
K velkému potěšení odborníků i veřejnosti se seznam potvrzených potencionálně obyvatelných exoplanet stále rozrůstá. Jenže množina výrazně prořídne, když ji vědci podmíní existencí robustní biosféry. Prostá analýza dopadajícího fotosyntetického záření utkala síto, kterým prošla jedna planeta z deseti posuzovaných. Světy pozemského typu budou mnohem vzácnější.

Planeta Země obíhá téměř na začátku vnitřního okraje obyvatelné zóny. Životodárné záření jí vydatně poskytuje Slunce s teplotou fotosféry 5780 K. Díky těmto dvěma příznivým skutečnostem mají fototrofní organismy světla víc než zvládnou s dostupnými živinami využít. Dokonce by se dalo podotknou, že se staly velmistry v přeměně světla na neušlechtilou formu energie. V plýtvání obzvláště vyniká oceánský fytoplankton. Donutila by nouze rostliny na hůře osvětlených exoplanetách nakládat s fotony hospodárněji a zlepšit tím produkci biomasy? Kredit: Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0
Planeta Země obíhá téměř na začátku vnitřního okraje obyvatelné zóny. Životodárné záření jí vydatně poskytuje Slunce s teplotou fotosféry 5780 K. Díky těmto dvěma příznivým skutečnostem mají fototrofní organismy světla víc než zvládnou s dostupnými živinami využít. Dokonce by se dalo podotknou, že se staly velmistry v přeměně světla na neušlechtilou formu energie. V plýtvání obzvláště vyniká oceánský fytoplankton. Donutila by nouze rostliny na hůře osvětlených exoplanetách nakládat s fotony hospodárněji a zlepšit tím produkci biomasy? Kredit: Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0
Hledání exoplanet leží na bedrech astronomů. Trpělivým pozorováním hvězd zachytí obíhající objekty a z naměřených dat vydolují s menší či větší přesností základní parametry oběžnic. Nalezená planeta se pak stává terčem astrobiologických úvah, pokud se nachází v obyvatelné zóně a je kamenná. Tyto vlastnosti znamenají, že teoretická rovnovážná teplota povrchu dovoluje výskyt vody v kapalném skupenství a proporce exoplanety se příliš neliší od hmotnosti a rozměrů Země. Na takovýchto světech se předpokládají příznivé fyzikálně-chemické podmínky pro udržení alespoň mikroskopického života. S ním si ruku nepodáte, a proto nad ním kdekdo ohrnuje nos. Přitažlivější jsou romantické představy o vzdáleném světě, jaký byl představen ve snímku Avatar. Ale pro vznik pestrých ekosystémů je potřeba klást další nároky na vlídnost hvězdy, planety a okolí, což počet světů s očekávanou komplexní biosférou podstatně zredukuje.

 

Na počátku byla fotosyntéza

Ne všechny rozhodující faktory jsou tak na očích jako fotosyntéza. Bez ní by nevznikla bohatá flóra, fauna a žádní mimozemšťané. Přeměna anorganických látek na organické za účasti světelných kvant je bezesporu ta nejdůležitější chemická reakce na Zemi. Každý rok jí projde 104,9 petagramů uhlíku, jež poté napájí rozsáhlé potravní řetězce. Do atmosféry uvolňuje kyslík a tím umožňuje aerobní metabolismus, který poskytuje živočichům obrovské množství energie. Při využití čistě bezkyslíkaté metabolické dráhy by sportovci na olympiádě vyčerpali “palivo” po pár okamžicích výkonu, zatímco s kyslíkem nepřetržitě přiváděným do buněk svalů uběhnou maraton. Víme, že fotosyntéza se objevila v evoluci záhy a zajisté by neotálela s nástupem ani jinde ve vesmíru. Ve vývoji směrem ke složitým formám života, které nás nejvíce vzrušují, zkrátka nejde fotosyntézu vynechat nebo přeskočit.

 

Tudíž chceme-li hrubě odhadnout zajímavost cílů pro podrobné zkoumání například plánovanými dalekohledy, provedeme to snadno skrz bilanci fotosynteticky aktivního záření dopadajícího na povrch zájmových objektů. Předešlé práce k tématu se nezdály dost důkladné skupině vědců z Itálie. Giovanni Covone z Neapolské univerzity se spolupracovníky poukázali na doposud chybějící obecné pravidlo popisující světelné podmínky na objektech příhodných pro život. Zaměřili své duševní síly proto nejen na určení fotonového toku pro deset konkrétních potvrzených exoplanet podobných Zemi obíhajících v obyvatelné oblasti. Zároveň také definovali fotonový tok přijímaný terestrickou planetou na spodním a horním okraji obyvatelné zóny v závislosti na teplotě povrchu hostitelské hvězdy.

 

Elegantní rovnice

Když v klasické kyslíkové fotosyntéze vyměníte vodu za nevábně zapáchající sulfan, obdržíte fotosyntézu anoxygenní. Na Zemi ji provozují sirné bakterie, a protože vystačí s velmi málem světla a k tomu s jeho vyššími vlnovými délkami, mohla by být preferována u chladných hvězd. Kredit: Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0
Když v klasické kyslíkové fotosyntéze vyměníte vodu za nevábně zapáchající sulfan, obdržíte fotosyntézu anoxygenní. Na Zemi ji provozují sirné bakterie, a protože vystačí s velmi málem světla a k tomu s jeho vyššími vlnovými délkami, mohla by být preferována u chladných hvězd. Kredit: Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0
Jako nástroj k výpočtům si vědci odvodili elegantní a vlastně i jednoduchý vztah na základě Planckova zákonu. K vytyčení vnějšího a vnitřního okraje obyvatelné zóny využili Kopparapuv empirický klimatický model navržený v roce 2013. Planckovu a Boltzmannovu konstantu určitě znali z paměti. Ostatní údaje stačilo najít na internetu. Rovnice ovšem vyžadovala jedno rozhodnutí, které nevyčtete z tabulek a modelů. Bylo potřeba stanovit rozsah fotosyntetického spektra.

 

O spodní hranici měli jasno. Ani na jiných planetách nižší hodnota než ta uznávaná na Zemi (400 nm) není přípustná, protože ionizační efekt doprovázený snahou o pohlcení takového záření by z organel udělal kůlničku na dříví. No ale s horní hranicí už to jednoznačné není. Donedávna se mělo za to, že přírodní fotosyntetická barviva pouští k vodě vše nad 700 nm. Jenže v roce 1996 byl objeven chlorofyl d a v roce 2010 následoval objev chlorofylu f. Obě barviva nalezená u sinic posunula nejzazší hranici fotosyntézy do blízké infračervené oblasti. Pořádné překvapení však ještě mělo přijít. Fotoaklimatizované sinice zachycovaly a přenášely do reakčních center záření s vlnovou délku do 800 nm. Zejména u chladnějších hvězd bude zajisté velký evoluční tlak na zachytávání záření s co nejširším rozsahem. Autoři proto zanesli do grafu výsledky jak pro spojitý spektrální interval 400-750 nm tak i pro spojitý interval 400-800 nm. Pro zajímavost Slunce v pásmu 400-800 nm vyzařuje 34 % fotonů.

 

Než přejdeme k podrobnostem o výsledcích, ujasníme čtenáři proč vědci porovnávají fotonový tok a ne třeba energii. Ta je pro fotosyntézu druhořadá. K tomu aby jeden elektron dokončil svou pouť oběma fotosystémy, potřebuje „nakopnout“ od dvou fotonů. Našlo by se i srozumitelnější přiblížení. Například takové, že na vznik jedné molekuly kyslíku je potřeba popohnat čtyři elektrony pomocí osmi fotonů. Nezáleží tedy, zda absorbovaný foton vlastní více nebo méně energie, její nadbytek se rozptýlí ve formě tepla.

 

Země 2.0

Země od Slunce obdrží na každý čtverečný metr a každou sekundu v průměru takřka 4.1020 fotonů fotosynteticky aktivního záření (800 nm). Na zajištění takzvané čisté fotosyntetické produkce (NPP) Země je využito jen 2.1020 fotonů. Rozdíl říká to, že fotosyntézu na Zemi nelimituje dostupnost záření, ale zdroj zejména dusíku a fosforu. Pokud chceme najít opravdové dvojče Země, neměl by zkoumaný svět přijímat méně než ekvivalent NPP Země. Jestliže objekt na tuto příčku nedosáhne, bude jeho biosféra skromnější úměrně k rozdílu.

Giovanni Covone, astrofyzik. Kredit: University of Naples Federico II.
Giovanni Covone, astrofyzik. Kredit: University of Naples Federico II.

Důležitost bilance záření vynikne při srovnání konkrétních deseti objevených exoplanet u osmi hvězdných systémů, které splňují základní podmínky pro život. Z porovnání vyplývá, že stálice nedostatečně zásobují nadějné planety světlem. Jen jedna jediná z hodnocených planet Kepler-442b se koupe v toku fotonů, který překračuje ekvivalent NPP Země (800 nm). Zmíněná planeta s dvojnásobnou hmotností Země se nachází 1200 světelných let daleko v gravitačním područí hvězdy s teplotou 4400 K.

 

Ostatní planety jsou ponořeny různě hluboko pod touto hranicí. Nejhůře dopadly dvě vzdálenější oběžnice u hvězdy Trappist-1. Sice na ně dopadá dost světla pro spuštění ziskové fotosyntézy, nicméně její výtěžek by byl chudý. Nemá dokonce ani cenu na ně zaměřit připravovaný Webbův teleskop a hledat v případné atmosféře kyslík jakožto biosignaturu života. Rychlost uvolňování kyslíku by tam totiž nestačila k vyrovnání rychlosti jeho spotřeby reakcí s redukčními plyny, zvětráváním a jinými ztrátami.

 

Řešení rovnice rovněž nabízí obecné závěry. Je z nich patrné, že planeta obíhající na vnějším okraji obyvatelné zóny dosáhne na ekvivalent NPP, když ona hvězda bude mít teplotu asi 6900 K (800 nm). Na opačném vnitřním konci obyvatelné zóny by k tomu samému stačilo, aby hvězda žhnula při teplotě 3400 K (800 nm). Znamená to, že zóna výskytu kapalné vody se přesně nepřekrývá se zónou, kde planety obdrží ideální porci záření. Nejzřetelněji se to projeví v soustavách s chladnými hvězdami s teplotou pod 3000 K.

 

Ráj nebo peklo

Na druhou stranu právě v sousedství studených hvězd asi selžou naše představy o fotosyntéze získané znalostí pozemské přírody. Organismy tyto světy obývající by měly velký benefit z toho, kdyby přišly na způsob zhodnocování dlouhovlnného záření, které při daných teplotách převládá. Například při teplotě hvězdy 3050 K (Proxima Centauri b) rozšíření fotosyntetického spektrálního intervalu z 400-700 na 400-749 nm zdvojnásobí počet dostupných fotonů. A teď si představte, že by se autotrofy naučily pohlcovat fotony s 1100 nm nebo ještě s delší vlnovou délkou. Zapomenout se nesmí ani na pozitivní vliv vázané rotace. Obyvatelné planety u červených trpaslíků jsou natočeny k hvězdě pořád stejnou stranou. Tamější flóra by fotosyntetizovala nepřetržitě. Výhodné kontinuální ozáření pořádně zamává s bilancí. To pak hned s blízkými planetami u rudých hvězd začne vypadat mnohem veseleji.

 

Jenomže v infračervené oblasti nebude fotosyntéza probíhat známým dvoufotonovým mechanismem. Organismy by si podle všeho osvojily tří nebo čtyřstupňovou kaskádu fotosystémů. Není to až příliš komplikované? Možná ano. Nevíme. Jisté je, že regulace takového propletence za proměnlivého počasí bude obtížnější. Minimálně se v odpovídajících násobcích sníží fotosyntetická produktivita na počet dostupných fotonů.

 

U infračervených fotonů také nelze zcela opomenout jejich energii. Pro oxidaci vody a redukci oxidu uhličitého, je vyžadována nezbytná energie kvant 1,23 eV (odpovídá fotonu o vlnové délce 1000 nm). Protože se neprovádí přímo, může být maximální vlnová délka větší než 1000 nm. Exaktní hodnota známa není. Pokud by byl limit opravdu jenom 1000 nm, stále je fotosyntéza za vyšších vlnových délek přípustná, ale už pouze anoxygenní. Ta místo vody využívá snadněji štěpitelný sirovodík a místo kyslíku produkuje síru. Na takové sírou čpící pekelné světy, kromě vědců, asi nikdo z nás zvědavý ne.

 

Závěr

Červení trpaslíci jakožto nejpočetnější hvězdy naší galaxie jsou potenciálně nejpravděpodobnějším rodištěm mimozemského života. Zprvu jim vědci v otázce života moc nefandili. Zkázonosné hvězdy vysílají ničivé erupce, velkou porci rentgenového a ultrafialového záření. Výzkumníci časem v teoriích zkrotili řádění nepříznivých faktorů různými záplatami. Sami sebe přesvědčili, jak jsou chladné stálice dobrou líhní mimozemšťanů, kteří si v poklidu u dlouhověkých hvězd vegetují miliardy let. Nyní jsou tyto představy znovu nahlodány. Asi není dílem náhody, že nad hlavou nám plane hvězda s povrchovou teplotou 5780 K a nikoliv ta která by náš svět zalévala rudou září.

 

Literatura:

Giovanni Covone, Riccardo M Ienco, Luca Cacciapuoti, Laura Inno, Efficiency of the oxygenic photosynthesis on Earth-like planets in the habitable zone, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 505, Issue 3, August 2021, Pages 3329–3335, https://doi.org/10.1093/mnras/stab1357

Datum: 02.11.2021
Tisk článku

Související články:

Budeme rostlinám blikat?     Autor: Václav Diopan (23.08.2019)
Proč jsou rostliny zelené?     Autor: Václav Diopan (20.08.2020)
O strastech hledání markerů současného nebo minulého života na Marsu     Autor: Václav Diopan (08.09.2020)
Jak chránit kosmonauty před radiací?     Autor: Vladimír Wagner (17.06.2021)
Život na planetách červených trpaslíků byl zázračně zachráněn. Prozatím     Autor: Stanislav Mihulka (08.08.2021)
Hyceánské světy jsou úplně jiné než Země. Přesto mohou hostit život     Autor: Stanislav Mihulka (27.08.2021)
Co se stalo s organickým uhlíkem na Marsu?     Autor: Václav Diopan (13.10.2021)



Diskuze:

život na planetách

Josef Nýč,2021-11-02 11:38:01

Můj pesemismus v rozvoji života je bohužel čím dál víc potvrzován a navíc inteligentního. O všem rozhodují trilióny náhod.

Odpovědět

Fotosyntézu na zemi limituje dostupnost CO2

Jan Novák9,2021-11-02 10:30:59

Ale koukám že to je politicky nepřijatelné i v takovéto studii...

Odpovědět


Re: Fotosyntézu na zemi limituje dostupnost CO2

Roman Sobotka,2021-11-02 14:21:32

S CO2 by na exoplanetach nemel byt problem. Ostatne nase planeta mela CO2 v atmosfere velmi mnoho, nez ho fototrofove zafixovali do biomasy. Pokud myslite tim 'politicky neprijatelne', ze by vyssi CO2 z fosilnich paliv melo zvysit produkci biomasy, tak to se rado traduje, ale nic tomu nenasvedcuje. Rust biomasy je v drtive vetsine pripadu omezovan primarne jinymi faktory (fosfor, dusik, voda, v oceanech zelezo atd). Zasadni ja take fotoinhibice - negativni efekt prilis vysokeho ozareni. U kulturnich plodin pri bezne davce hnojiv nejaky vyrazny narust vubec nehrozi, to ukazuje velke mnozstvi experimentu s obohacenou atmosferou o CO2 (obcas i absurdnich 1% CO2). Teoreticke vypocty jsou lehce optimisticke ohledne lesu, ale experimentalne (BTW, velmi drahe experimenty) to nefunguje. Ve vyssim CO2 se pravdepodobne snizi odpar vody z rostlin (pruduchy), ale to zase vyrovna vyssi teplota. Nizsi pH oceanu take asi fotosynteze neprida. Takze nic moc.

Odpovědět


Re: Fotosyntézu na zemi limituje dostupnost CO2

Martin Prokš,2021-11-03 10:02:36

Dobrý den,
Řekl bych, že studie o CO2 nemlčí kvůli korektnosti, ale kvůli tomu že u drtivé většiny exoplanet o atmosféře nemáme zatím vůbec žádnou informaci. Studie prostě pracuje s tím o čem informace má, co může nějakým způsobem porovnávat.

Kritérií pro vznik a udržení podmínek vhodných pro život je velké množství. Na první dobrou mě napadá magnetický štít -> tekuté kovové jádro -> nejspíše i vulkanická a desková tektonika. Voda v dostatečném množství. Příliv a odliv (v případě Země vlivem Měsíce) je také nepochybně velkým plusem. Ale k čemu se o tom zmiňovat a v této fázi uvažovat, když o tom nemáme u exoplanet zatím žádnou informaci? Prostě až ty informace pro parametry Drakeovy rovnice mít budeme, pak bude mít smysl je uvažovat a rovnici o ně doplnit...

Odpovědět


Re: Fotosyntézu na zemi limituje dostupnost CO2

Jiří Brtnický,2021-11-03 20:31:23

S tím CO2 máte pravdu, nikoliv pisatel pod vámi. Je běžnou praxí v zahradnictví zvyšování hodnoty co2 v atmosféře skleníků s velmi kladným dopadem na růst rostlin. Ty koncentrace bývají násobky běžné hodnoty v atmosféře. Za druhé, na Zemi za posledních 20 let přirostla listová plocha která se rovná listové ploše Amazonského pralesa. Jeden z faktorů, i když ne jediný se předpokládá vyšší hodnota CO2. Za třetí, v období kdy na Zemi rostly stromové plavuně do velikosti vzrostlých stromů za jeden rok, byla hodnota CO2 řádově větší, proto to asi dokázaly. Obsah CO2 má zásadní vliv na efektivnost fotosynézy, neznamená to že nejsou i vlivy jiné.

Odpovědět


Re: Re: Fotosyntézu na zemi limituje dostupnost CO2

Roman Sobotka,2021-11-04 09:06:02

Ve skleniku lze vytvorit podminky, kdy se CO2 stane limitujici (ad libitum vsech zivin, optimalni svetelne podminky, vlhkost atd). Pote lze do skleniku natlacit CO2, a to uplne mimo hodnot, ktere se resi v ramci klimatu, a ono to funguje. Stejne to funguje v rasovych a sinicovych kulturach, pokud jim nic jineho nez CO2 nechybi. Ale sklenik neni pole, nebo les, zvyseni CO2 z 300 ppm na 600 ppm asi nicemu nepomuze. 5% zvyseni celkove listove plochy za poslednich 20 let vedlo k zavanu optimismu, ze je to detekovatelny vliv 'hnojeni' CO2. Ale od pocatku to bylo cele na vode. Jak se dnes jiz vi, hlavni pricinou je intenzivni hospodarska cinnost v Cine a Indii. Viz alespon abstrakt:

https://www.nature.com/articles/s41893-019-0220-7

Odpovědět


Re: Fotosyntézu na zemi limituje dostupnost CO2

Mojmir Kosco,2021-11-05 11:36:47

Limitujícím faktorem je vždy ten kterého se nedostává,nebo je ho přebytek.Napriklad na Venuši je CO2 dost a dost a nezelená se a nezelená

Odpovědět


Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace