Цвет растений на других планетах.

[olenellus]

Мне кажется, рассуждения пошли по геоцентрической тропе.

Хлорофилл строго необходим для фотосинтеза в том виде, в котором мы его знаем по нашим фотоавтотрофам. Но лично я не вижу оснований постулировать невозможность существования пигмента, отдающего электрон в фотореакции, отличного от хлорофилла, только лишь на основании того, что нам такого не известно. Множество возможных белков огромно и далеко не всё перебрано эволюцией на Земле. Да и вооще, в последнее время (миллиарды лет) уже идёт, в основном, перебор разных опробованных белковых доменов с модификациями, а не синтез действительно новых. Потом, в других биосферах жизнь, вроде бы, не обязана базироваться на полипептидах с тем же аминокислотным составом что на Земле, и вообще на полипептидах. Самое же главное, именно то, что определяет цвет растений, это расположение полос (вернее, спектров) поглащения этих пигментов в районе максимума интенсивности спектра родительской звезды. А это примерно соответствует нашему диапазону зрения. Поэтому они для нас вообще цветные. В других же звёздных системах биота, скорее всего, будет для нас в основном серой (ведь и зрение там будет тоже привязано к спектру звезды, и вся мимикрия), включая фототрофов. Вернее, споправкой на цветовую гамму звезды в наших глазах. То есть, под красными звёздами биота будет скучно-красноватой, под голубыми (если там вообще она будет) - скучно-голубоватой. Конечно, возможны и исключения в виде соединений неумышленно поглащающих свет вне максимума родительской звезды, и случайно делающих это в нашем узеньком зрительном диапазоне.

Другая идея, которая по ходу написания пришла мне в голову, заключается в том, что большинство звёзд в Галактике - это красные карлики со спектральными максимумами далеко в инфракрасной области. На планетах вокруг таких звёзд у биоты будут большие проблемы с фотодиссоциацией воды. Даже под нашим Солнцем приходится использовать двухфотонную схему, а Солнце - далеко не типичная звезда. Поэтому, вряд ли им легко (и в эволюционном плане, быстро) удастся изобрести фототрофию с созданием такого резкого химического градиента в атмосфере, как у нас делают растения при восстановлении СО2. Соответственно, и гетеротрофы вынуждены будут использовать менее "энергичные" реакции. Может, в этом кроется разгадка парадокса Ферми, следствием которого является заключение, что разумная жизнь - вещь очень маловероятная. Но ведь жизнь, скорее всего, довольно обычная штука, раз на Земле она появилась почти "сразу" после её (Земли) образования. Сложные же многоклеточные (если не считать всяких нитчатых водорослей и многоклеточных бактерий), в основном, начали появляться вместе с аэробными условиями.

Вот такие мысли.

Добавил чуть позже
Нет, парадокс, следующий из парадокса Ферми это не решает, так как даже если звёзд типа Солнца всего 7% от всех звёзд Галактики, то это снижает вероятность возникновения сложных жизненных форм лишь на порядок величины. В чём-то другом кроется загадка того, что мы одиноки в Галактике.

А про серые внеземные организмы я тоже слишком радикально высказался. Спектр звёзд класса M с температурой поверхности 3700 К (коих в Галактике около 80% от всего звёздного населения) имеет максимум интенсивности, действительно, в инфракрасной области, но если построить для него "видимую" полосу по аналогии с видимой полосой по отношению к солнечному спектру, то эта полоса для красного карлика будет немного пересекать таковую для Солнца в красно-оранжевой области. То есть, возможно, что некоторые организмы будут не красновато-скучные, а чёрные, а может даже, ярко-красные (не такие, как красные звёзды). Это будут организмы сине-фиолетового и синего цвета в с точки зрения аборигенов. То же, но в обратную сторону, будет наблюдаться для звёзд класса A. Про бело-голубые и голубые гиганты, думаю, можно вообще не рассуждать, так как жизнь в привычном нам виде там вообще вряд ли возможно. Но если бы это было так, то вот тут она была бы как раз такой, как я предположил сначала. А вообще, на планетах (если таковые есть) OB звёзд заниматься оксигенным фотолизом воды бесполезно, так как вода там будет фотодиссоциировать без посторонней помощи

[Alexy]

Неужели подавляющая часть фотонов каждой звезды сосредоточена в очень узком спектральном диапазоне?  (К сожалению на вики не приведены сами спектры звезд каждого спектрального класса)

Наверное всё-таки горячие голубые звезды дают достаточно фотонов даже в видимом диапазоне, чтобы можно было заниматься фотосинтезом даже с помощью наших земных хлорофиллов и др пигментов?

И наверное спектр падающего на растения света будет определяться не только спектром излучения звезды, а и составом атмосферы планеты?
И
если атмосфера планеты будет как у нас, то и цвета растений вполне могут быть такими же (независимо от спектрального класса звезды)?
Ибо голубая звезда наверное на закате тоже будет красной,
а
тучи из водяных капель не будут пропускать ничего, кроме синего,
а
жесткий УФ не будет пропускаться озоновым слоём

[crdigger]

 Спектр звезды - больцмановский и зависит от ее температуры,плюс линии от ее газов,минус линии ,поглощенные атмосферой.С инфракрасной звездой - действительно проблемы,но у нее еще и энергия малая, и холодно,поэтому все равно температура скорее всего будет < 0 и жизни не будет по этой причине.

[Alexy]

Если не ошибаюсь, распред Больцмана имеет пологий спад в сторону увеличения длины волны (что-то типа этого),
так что голубая звезда будет давать фотоны любой более длинной, чем голубая, длины волны?

[Дем]

Извиняюсь за глупый вопрос,хлорофилл действительно единственный фотосинтезирующий пигмент на Земле?

Да, единственный.  Модификаций и вправду несколько (a, b, c, d), спектры поглощения разные имеют.

Нет, всё-таки не единственный. Есть фотосинтез и на базе родопсинов. Но он менее эффективный - и наверно поэтому его обладатели предпочли не сами синтезировать, а жрать обладателей хлорофилла

[olenellus]

Я решил подтвердить свои слова вычислениями. (Заодно и сам убедился в их справедливости.)

Но, во-первых, помимо того, что мне кажется справедливым, я написал и глупость, рассуждая про хлорофилл белковой природы Но основная мысль остаётся той же. Хлорофилл не обязан быть единственным фотосинтетическим пигментом (бактериородопсин качает только протоны через мембрану, впрочем, наверно, это тоже можно приспособить для фиксации углерода, но жизнь пошла другим путём). Во-вторых, на Земле хлорофилл и другие пигменты поглощаоют (а флюорофоры флюоресцируют, люминофоры излучают) в основном в видимой области спектра (видимой она является потому, что и наши зрительные пигменты поглощают свет в её пределах) из-за того, что, во-первых, там сосредоточено заметная часть всей излучаемой Солнцем энергии, во-вторых, там эта энергия самая "упитанная" (высокая спектральная плотность, то есть, одним пигментом с заданной шириной полосы поглощения можно больше энергии собрать в этой области). То, что голубые звёзды имеют "хвост" в видимой области, не явялется аргументом в пользу пигментов, работающих в этой области, у местной биоты. Ведь Солнце тоже имеет "хвост" в довольно обширной инфракрасной области, но использующий эту часть спектра для получения энергии потерпет эволюционную неудачу, так как будет довольствоваться не только энергией в меньшем количестве (см. спектр), так ещё и худшего качества (энергия этих фотонов ближе к энергии фотонов окружающей тепловой ванны в 300 К). А то, что планковский спектр для абсолютно чёрного тела (АЧТ) для 10000 К полностью покрывает таковой для 6000 К не должно смущать, так как их ещё надо нормировать, скажем, по площадям под кривыми (которые подчиняются закону Стефана-Больцмана). Поясню, температурный режим планеты определяется всей энергией, несомой звёздным излучением, а не только видимой (для кого-либо ни было) частью, ну, за вычетом всяких планетарных особенностей (альбедо, оптическая толщина атмосферы, атмосферные спектральные окна...). Приводимые же графики, скорее, будут отражать ситуацию на планетах, равноудалённых от своих светил, поэтому большая часть из них будет либо закипевшими, либо замёрзшими.

В общем, я решил попытаться визуализировать свои размышления о невзрачности (для человеческого глаза) биот, эволюционирующих под звёздами других спектральных классов. Спектры звёзд я решил моделировать формулой Планка для АЧТ (что, возможно, даёт вклад в некоторую неестественность итоговых звёздных цветов) с температурами:
O - 40000 K
B - 20000 K
A - 8750 K
F - 6750 K
G - 5800 K (Солнце)
K - 4450 K
M - 3000 K

Так же я выбрал четыре попавшихся под руки земных пигмента: хлорофилл a + хлорофилл b, бета каротин, фикоэритрин и фикоцианин. Их спектры поглощения я моделировал наборами гауссианов (а вернее, единица минус гауссиан, поглощение же) со следующими параметрами:
Chlorophyll a+b
Lmax1 = 460 nm
w1 = 30 nm
K1 = 1
Lmax2 = 640 nm
w2 = 25
K2 = 0,5
Lmax3 = 430
w3 = 40
K3 = 0,8
Lmax4 = 660
w4 = 25
K4 = 0,64

Beta Carotene
Lmax = 450 nm
w = 100 nm
K = 1

Phycoerythrin
Lmax1 = 550 nm
w1 = 60 nm
K1 = 1
Lmax2 = 500
w2 = 20
K2 = 0,74

Phycocyanin
Lmax = 610 nm
w = 80 nm
K = 1

Где Lmax - длина волны максимума пика, w - его "полуширина" (ширина на половине высоты), K - относительная высота пика (если их несколько).

Спектры поглощения астропигментов я строил путём модификации земных масштабированием их по оси длин волн обратно пропорционально изменению температуры соответствующего АЧТ относительно "солнечной" в 5800 К (следуя закону смещения Вина). То есть, это, в некотором роде, аналоги земных пигментов, выполняющих примерно те же функции в чужой биоте и имеющие примерно те же цвета для местных жителей.

Далее было проведено интегрирование (грубое) произведений спектра излучения звезды, спектра поглощения пигмента и одной из функций цветового соответствия CIE 1931 XYZ (поочерёдно с x, y и z), чтобы получить цветовые координаты XYZ. Потом они были переведеные в sRGB (калибровка по белой точке D50) - этот этап, видимо, тоже ответственен за некоторую неправдоподобность цветов, например, цвет фикоцианина под Солнцем вообще нормально не выражается в sRGB (пришлось обнулить канал R, в котором было отрицательное небольшое по модулю число). После этого можно было уже нарисовать то, что получилось. Результат смотрите в прикрепленном файле.

Второй файл - это "артистическая" версия в стиле статьи в начале темы.

[Alexy]

А не будет у голубых звезд жесткий ультрафиолет сильно поглощаться какими-то газами в атмосфере планет? Например, если атмосфера кислородная, то О2 и О3 не поглотят ли весь жесткий ультрафиолет?

То, что голубые звёзды имеют "хвост" в видимой области, не явялется аргументом в пользу пигментов, работающих в этой области, у местной биоты
Ведь Солнце тоже имеет "хвост" в довольно обширной инфракрасной области, но использующий эту часть спектра для получения энергии потерпет эволюционную неудачу, так как будет довольствоваться не только энергией в меньшем количестве (см. спектр), так ещё и худшего качества (энергия этих фотонов ближе к энергии фотонов окружающей тепловой ванны в 300 К

Хвост солнечного спектра инфракрасный, а энергии одного инфракрасного фотона не хватает для реакции (поэтому в этом случае с помощью "хитрой схемы" используется для одной реакции несколько таких низкоэнергетичиских фотонов)

А хвост спектра голубой звезды состоит из более высокоэнегретических фотонов, которые в отличие от ИК-фотонов значительно выгоднее для фотосинтеза
Так что хвост хвосту вроде как рознь

[Медбрат]

Достаточно проанализировать зрение птиц, что бы это понять. ИМХО.

А может быть строение глаз ящериц всё же ближе к строению глаз динозавров чем современных птиц ?

А по поводу цветности - стоит подождать лет 5 и мы получим растения с Марса и с Венеры, если таковые будут всё же найдены. Тогда всё и решиться с цветом внеземных растений хотя бы в масштабах нашей маленькой системки.

[olenellus]

А не будет у голубых звезд жесткий ультрафиолет сильно поглощаться какими-то газами в атмосфере планет? Например, если атмосфера кислородная, то О2 и О3 не поглотят ли весь жесткий ультрафиолет?

Тогда я вообще сомневаюсь, что оксигенный фотосинтез возникнет на таких планетах - это резко снизит эффективность биоты как тепловой машины. На планетах звёзд, под светом которых кислород образуется сам собой, заниматься оксигенным фотосинтезом невозможно, и там энергия звёзд будет (если будет вообще) использоваться каким-то иным способом.

Хвост солнечного спектра инфракрасный, а энергии одного инфракрасного фотона не хватает для реакции (поэтому в этом случае с помощью "хитрой схемы" используется для одной реакции несколько таких низкоэнергетичиских фотонов)

А хвост спектра голубой звезды состоит из более высокоэнегретических фотонов, которые в отличие от ИК-фотонов значительно выгоднее для фотосинтеза
Так что хвост хвосту вроде как рознь

Не секрет, земной фотосинтез (с фотолизом воды) уже требует двух фотонов в видимом спектре. Так зачем же астрофитам (в смысле звёздным растениям, а не кактусам) гоняться за дохленьким хвостом спектра, из которого к тому же надо улавливать по два фотона (что снижает КПД), если есть ведро удобоваримых фотонов, годных для прямой реакции без предварительных аккумуляция? Я хочу сказать, что "их" растения будут находится в ситуации даже лучшей, чем наши: нашим хвост не нужен, так как надо использовать трёхфотонную реакцию вместо двухфотонной, а им он (хвост спектра своей звезды) тем более не нужен, так как в максимуме спектра надо будет использовать простую однофотонную вместо двухвотонной в хвосте (если они вообще будут расщеплять воду, см. выше). Но если это Вас не убеждает, попробуйте поразмыслить над тем, почему бактериородопсин (который вообще не завязан на энергию расщепления воды) работает в видимой области спектра, а не в инфракрасном хвосте.

[olenellus]

А по поводу цветности - стоит подождать лет 5 и мы получим растения с Марса и с Венеры, если таковые будут всё же найдены.

Во-первых, на Марсе, а тем более на Венере, почти наверняка, растений нет. Во-вторых, ничего это не прояснит, так как они освещаются тем же Солнцем с тем же спектром.

[Alexy]

Не секрет, земной фотосинтез (с фотолизом воды) уже требует двух фотонов в видимом спектре. Так зачем же "астрофитам" гоняться за дохленьким хвостом спектра, из которого к тому же надо улавливать по два фотона (что снижает КПД), если есть ведро удобоваримых фотонов, годных для прямой реакции без предварительных аккумуляция?

А будет ли "ведро удобоваримых фотонов, годных для прямой реакци" пропускать атмосфера той планеты?

(Как я понимаю, если там будет О2 и О3, то к поверхности той планеты будет доходить УФ такой же "жесткости", как и УФ, доходящий до поверхности Земли)

[olenellus]

Значит, либо биосфера застрянет на очень низком равновесном содержании кислорода в атмосфере (это не значит, что продуктивность биосферы должна быть низкой, но весь выделившейся кислород должен утилизироваться внутри биома без заметного насыщения атмосферы), либо изобретёт другой путь потребления солнечной энергии. Иначе она будет рубить сук, на котром сидит.

[Alexy]

На планетах звёзд, под светом которых кислород образуется сам собой, заниматься оксигенным фотосинтезом невозможно, и там энергия звёзд будет (если будет вообще) использоваться каким-то иным способом

"заниматься оксигенным фотосинтезом невозможно" или возможно по идее зависит не от содержания О2, а от содержания СО2?
Другое дело, что при высоком содержания О2 вся органика будет сгорать

[Alexy]

Значит, либо биосфера застрянет на очень низком равновесном содержании кислорода в атмосфере (это не значит, что продуктивность биосферы должна быть низкой, но весь выделившейся кислород должен утилизироваться внутри биома без заметного насыщения атмосферы), либо изобретёт другой путь потребления солнечной энергии. Иначе она будет рубить сук, на котром сидит

Не совсем пойму, как биосфера в данном случае может подрубить сук, на котром сидит?

Ведь сквозь кислородную атмосферу будет проходить мягкого УФ и видимый свет

Вот сама звезда может подрубить сук под (наземной, а не подводной) биосферой, разложив водяные пары, и повысить содерж О2 до всесжигающего уровня

[DNAoidea]

всё же ультрофиолет солнца даёт ничтожное количество кислорода в атмосферу в сравнении с фотосинтезом, голубая звезда, конечно больше, но тут следует ограничить звёзды по величине примерно до Сириуса - крупнее живут слишком мало. потому не думаю, что они могут дать его заметно много. А вот почему кислорода в атмосфере будет мало мне не ясно - ведь его количество зависит от того, куда сдвинут балланс - в сторону дыхания или фотосинтеза...