Красные карлики могут лишить инопланетные растения «качественного» света для фотосинтеза

Красные карлики — самые распространённые звёзды в Галактике, и они же являются хозяевами для большинства известных каменистых экзопланет. Однако новое исследование показывает, что свет этих тусклых светил может не обладать достаточной «термодинамической ценностью» для поддержания кислородного фотосинтеза, необходимого для сложной жизни.

Учёные давно задаются вопросом: могут ли планеты у красных карликов — холодных и долгоживущих звёзд — быть обитаемыми? На первый взгляд, да: такие системы многочисленны, а их зоны обитаемости находятся очень близко к звезде, что упрощает поиск. Но астробиологи столкнулись с фундаментальной проблемой: дело не только в количестве фотонов, но и в их «качестве».

В новой работе, доступной на сервере препринтов arXiv, Джованни Ковоне и Амедео Бальби вводят понятие эксергии — максимальной полезной работы, которую можно извлечь из излучения. Это не просто энергия света, а его термодинамическая ценность. Для фотосинтеза ключевым процессом является окисление воды (расщепление H₂O), которое требует фотонов с достаточно высокой энергией, чтобы преодолеть кинетический барьер.

У красных карликов спектр сдвинут в инфракрасную область, и большинство их фотонов несут слишком мало энергии для запуска этой реакции. Даже те фотоны, которые достигают порога, имеют невысокую долю эксергии — то есть лишь небольшая часть их энергии может быть преобразована в химическую работу. Расчёты показывают, что для Земли, вращающейся вокруг Солнца, доступная для окисления воды эксергия примерно в пять раз выше, чем для гипотетической планеты у красного карлика с температурой около 3000 К.

Могла бы жизнь адаптироваться, используя более длинноволновый свет? Авторы вводят понятие «красного предела» — максимальной длины волны, при которой ещё возможен оксигенный фотосинтез. Для звёзд солнечного типа этот предел составляет около 1,0 мкм, а для красных карликов — 0,95 мкм. Это означает, что организмы не могут просто сместить свои пигменты в ближний инфракрасный диапазон, чтобы компенсировать недостаток «качественных» фотонов.

Есть и эволюционный аспект. На планетах у красных карликов могли бы доминировать аноксигенные бактерии, эффективно использующие инфракрасный свет. Они быстрее захватили бы экологические ниши и, возможно, подавили бы развитие кислородного фотосинтеза, не дав возникнуть «великому кислородному событию» — процессу, который на Земле сделал возможным появление многоклеточной жизни.

В целом, работа показывает, что оксигенный фотосинтез вокруг красных карликов сталкивается с двойным ограничением: меньше фотонов превышают энергетический порог, и у этих фотонов ниже коэффициент полезного преобразования. Хотя современная земная биосфера использует лишь малую долю от термодинамического максимума, условия, благоприятные для сложной жизни в системах красных карликов, по-видимому, крайне редки.

Авторы заключают, что поиски инопланетных лесов, насыщающих атмосферу кислородом, вероятно, более перспективны у звёзд, похожих на Солнце. Тем не менее, предложенная термодинамическая модель даёт астробиологам новый инструмент для оценки фотосинтетического потенциала экзопланет в разных звёздных системах.