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

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.

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 není.

 

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