Ein neues Open-Access-Papier in Scientific Reports deutet darauf hin, dass wir bald nach einer Signatur im Spektrum des reflektierten Lichts suchen können. Der Marker, den sie diskutieren, ist etwas, das auf der Erde zu sehen ist, der „rote Rand“. Einige Astronomen haben darüber gesprochen, aber ein Argument war, wie rot der rote Rand ist. Wäre es im Licht verschiedener Sterne nicht sinnvoll, verschiedene Teile des elektromagnetischen Spektrums zu nutzen?
Was ist ein roter Rand?
Die Erdoberfläche reflektiert das Licht nicht gleichmäßig. Es absorbiert bei bestimmten Wellenlängen mehr Licht als bei anderen. Wo viel Pflanzenbewuchs vorhanden ist, wird viel Blau und Rot vom Chlorophyll für die Photosynthese absorbiert, und der ungenutzte Teil des sichtbaren Lichtspektrums, Grün, wird zurückreflektiert.
Aber nicht nur Grün wird reflektiert. Während Pflanzen Rot verwenden, verwenden sie das nahe Infrarot nicht, sodass sie auch in diesem Teil des Spektrums viel stärker reflektieren. Diese Veränderung können Sie selbst sehen wenn Sie einen R720-Filter an Ihrer Kamera anbringen. Der abrupte Reflexionsunterschied zwischen Rot und nahem Infrarot wird als Rotkante bezeichnet.
Die Leute haben diesen roten Rand als verwendet ein Maß für den Chlorophyllgehalt der Pflanze bei Umfragen. Da dies alles visuelle Daten sind, können Satelliten nach solchen Dingen suchen, was ihnen die Suche ermöglicht Waldbrandschäden or Biomasse in schwer zugänglichen Bereichen. Aus ähnlichen Gründen können Astronomen es verwenden, wenn sie Licht untersuchen, das von Exoplaneten reflektiert wird, um zu sehen, ob es einen roten Rand darin gibt. Wenn ja, dann wird es angesichts dessen, was wir über seine Ursprünge auf der Erde wissen, interessant sein.
Warum gibt es den Roten Rand?
Der Red Edge ist ein Beispiel dafür, dass die Evolution nicht immer die beste Lösung findet, weil sie nicht für die Zukunft planen kann. Stattdessen können Organismen nur unter den Bedingungen arbeiten, die sie jetzt haben. Für die frühesten photosynthetischen Organismen, die sich in den Ozeanen der Erde entwickelt haben, bedeutet dies kein Infrarotlicht. Dies liegt daran, dass Infrarotstrahlung von mehr als einem Meter Wasser blockiert wird. Wenn das Leben kein sehr stabiles und flaches Gewässer finden könnte, wäre Infrarot keine Option.
Dies ist wichtig, denn während Infrarot nützlich ist, wenn Sie an Land sind, müssen Sie zuerst dorthin gelangen. Takizawa und sein Team argumentieren, dass die Verwendung von Infrarot während der Übergangsphase riskant ist. Es gibt große Belohnungen, aber selbst eine kleine Zunahme der Wasserbedeckung würde einen Lichtorganismus aushungern. Organismen, die nur unser Spektrum an sichtbarem Licht nutzen, sind an Land möglicherweise weniger effizient, im Wasser jedoch robuster und überleben so viel wahrscheinlicher.
Das bedeutet, dass die Pflanzen, die wir heute sehen, immer noch das Gepäck ihrer bahnbrechenden Vorfahren tragen. Dies erklärt, warum die Vegetation der Erde immer noch einen markanten roten Rand erzeugt. Sie können ihre Evolutionsgeschichte nicht auslöschen.
Könnte das Licht anderer Sterne einen Unterschied machen?
Das erklärt die Farbe der Vegetation auf der Erde, aber muss ähnliches Leben unter anderen Sternen denselben Regeln gehorchen? Takizawas Team interessiert sich für Sterne der M-Klasse, Sterne am roten Ende des Spektrums. Kühler und röter, ihre Spitzenstrahlung liegt viel mehr am infraroten Ende des elektromagnetischen Spektrums. Könnten alternative Formen der Photosynthese das viel reichlichere Infrarotlicht unter fremden Himmeln nutzen?
Pflanzen nutzen Licht, indem sie es in kleinen Paketen einfangen Photonen. Die Leistung von Photonen hängt von ihrer Wellenlänge ab. Blaue Photonen haben eine kurze Wellenlänge, also mehr Energie. Ultraviolett ist kürzer und hat daher noch mehr Energie, ist aber so stark, dass es Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen aufbrechen kann. Dies ist tödlich für kohlenstoffbasiertes Leben, daher kann es nicht wirklich viel verwendet werden. Dies setzt photosynthetischen Systemen am kurzwelligen Ende des Spektrums eine Obergrenze.
Rote Photonen haben eine viel längere Wellenlänge und daher weniger Energie, aber viel mehr von ihnen gelangen an die Oberfläche. Chlorophyll verwendet zwei Photonen, um die Energie für die Photosynthese zu erzeugen. Seine Biochemie bedeutet, dass die grünen Photonen nicht verwendet werden können.
Takizawa und sein Team untersuchten, ob die Verschiebung der Photonenverteilungen zum röteren Ende des Spektrums einen Unterschied zur Zwei-Photonen-Photosynthese machen würde. Sie fanden heraus, dass theoretisch eine stärkere Nutzung des Infrarotbereichs möglich war, aber die Energie, die von zwei Photonen benötigt wurde, bedeutete, dass nicht viel mehr Spektrum genutzt werden konnte. Das heißt, wenn es auf anderen Planeten Leben gibt, das die Zwei-Photonen-Photosynthese nutzt, dann würden Sie erwarten, dass der rote Rand ungefähr dort ist, wo Sie ihn auf der Erde finden.
Aber sie modellierten auch die Drei- und Vier-Photonen-Photosynthese. Die Verwendung von mehr Photonen bedeutet, dass die Photonen selbst eine geringere Energie haben können, was mehr Infrarot bedeutet. Wenn sich diese Methode der Photosynthese weiterentwickeln könnte, könnte der rote Rand um einiges ins Infrarote verschoben werden. Dies ist jedoch darauf angewiesen, dass Organismen völlig neue Pigmente für die Photosynthese entwickeln.
Gibt es Zeit für Infrarotpflanzen, sich unter einem Stern der M-Klasse zu entwickeln?
Während ein Vier-Photonen-Photosynthesesystem theoretisch möglich sein könnte, braucht es Zeit, um sich zu entwickeln. Wir wissen nicht, wie lange, aber wir können sagen, dass es sich in 500 Millionen Jahren auf der Erde nicht entwickelt hat. Wir haben es jedoch mit einer Stichprobengröße von eins zu tun, also könnten andere Planeten vielleicht einen Glücksfall erwischen. Andererseits kann es, wenn überhaupt, lange dauern.
Während dies pessimistisch klingt, stellen astronomische Zeitskalen normalerweise evolutionäre Zeitskalen in den Schatten. Die Erde gibt es seit viereinhalb Milliarden Jahren. Sterne der M-Klasse brennen kühler und länger als unsere Sonne. Eine Schätzung besagt, dass einige Exoplaneten über fünfzig Milliarden Jahre in der bewohnbaren Zone eines Sterns sein könnten, verglichen mit der Erde, die sechs bis acht Milliarden Jahre bewohnbar sein könnte. Das bedeutet nicht, dass andere Planeten fünfzig Milliarden Jahre Zeit hatten, um Lebensformen zu entwickeln, das Universum ist nicht vierzehn Milliarden Jahre alt, aber es bedeutet, dass andere Lebewesen auf anderen Planeten möglicherweise viel mehr Zeit hatten, Lösungen zu finden.
Die Gegenseite ist, dass es auch länger auf Probleme stoßen muss. Ein Kommentator zum Centauri-Träume Blog stellt fest, dass die Erde nur "erdähnlich" war, wie wir es nennen würden, für relativ kurze Zeit. Langfristig ist es möglich, dass sich die Erde erneut verändert, in diesem Fall könnte „erdähnlich“ nur eine Phase sein, die einige Planeten durchlaufen. Während also ein roter Rand bedeuten kann, dass es Leben gibt, ist es vielleicht nicht das Leben, wie wir es kennen.
Muss ein roter Rand Vegetation sein?
Eine weitere Diskussion über den roten Rand und das Leben tauchte kürzlich in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society auf. Es ist ein interessantes Papier, weil es vorschlägt, dass wir, wenn es intelligentes Leben im Universum gibt, durchaus einen scharfen roten Rand auf einigen Exoplaneten sehen könnten.
Der Grund ist Macht. Speziell Solarstrom. Lingam und Loeb sagen, wenn eine fortgeschrittene Zivilisation existiert, dann sind gezeitengebundene Planeten, Planeten, bei denen immer nur eine Seite dem Stern zugewandt ist, eine Chance. In dieser Situation ist es sinnvoll, die Sonnenseite des Planeten mit Solarpanels zu bedecken und dann auf der kühlen Seite Energie zu speichern. Dies würde an den Grenzen der zur Stromerzeugung verwendeten Wellenlängen einen künstlichen roten Rand erzeugen.
Sollte ein roter Rand im Lichtspektrum eines anderen Sterns gefunden werden, könnte die Position des Rands der Hinweis darauf sein, dass wir nicht nur irgendwo Leben gefunden haben, sondern dass es sich möglicherweise um intelligentes Leben handelt.
Extrasolare Botanik mag phantasievoll erscheinen, aber Exoplaneten werden erst seit dreißig Jahren beobachtet. In den nächsten dreißig Jahren könnte sich die botanische Forschung zu photosynthetischen Mechanismen als sehr einflussreich erweisen, wenn Exobiologen endlich ihre ersten Daten haben.
