Nový pohled na život ve vesmíru: Kvalita světla rudých trpaslíků může bránit fotosyntéze

Rudí trpaslíci tvoří drtivou většinu hvězd v galaxii a hostí většinu dosud objevených kamenných exoplanet. Tato skutečnost je činí zajímavými pro astrobiologické průzkumy. Nicméně, nová studie Giovanniho Covoneho a Amedea Balbiho, dostupná na preprintovém serveru arXiv, naznačuje, že světlo z těchto hvězd nemusí být schopno podporovat život produkující kyslík.

Argument vědců se opírá o koncept exergie – měření maximálního množství užitečné práce, kterou lze získat z radiačního pole. Jinými slovy, exergie měří termodynamickou kvalitu světla, nikoli pouze jeho surovou energii. Při určování „obyvatelné zóny“ hvězd se astrobiologové obvykle zaměřují na celkový počet fotonů, zejména ve viditelném světelném rozsahu mezi 400 a 700 nanometry vlnové délky.

Nejdůležitější „užitečnou prací“, kterou světlo vykonává na exoplanetách, je rozkládání vody. Tento proces, známý jako „oxidace vody“, je kinetickým úzkým hrdlem v procesu fotosyntézy a vytváří kyslík, který je očekáván v biosignaturách. K provedení této chemické reakce však biologické systémy potřebují značné množství kinetické energie. Rudí trpaslíci mají v tomto ohledu dvě nevýhody.

Rudí trpaslíci jsou chladné hvězdy a jejich světlo je silně posunuto do infračervené oblasti. Nedostatek fotonů s dostatečnou energií brání dosažení prahu potřebného k rozštěpení vody. Navíc i ty fotony, které energii mají, mohou jen menší procento své energie přeměnit na užitečnou chemickou práci. Tato kombinace výrazně snižuje potenciál pro vznik kyslíkového života kolem rudých trpaslíků. Pro srovnání, exergie dostupná pro oxidaci vody kolem hvězd podobných Slunci je přibližně pětkrát vyšší.

Astrobiologové jsou však optimisté a jejich okamžitou reakcí na tuto obavu by bylo – možná se život kolem těchto hvězd vyvinul tak, aby se přizpůsobil těmto vyšším infračerveným prostředím. Mohly by využívat delší, níže energetické infračervené vlnové délky pod oblohou rudého trpaslíka? Krátká odpověď zní ne, kvůli takzvanému červenému limitu. Jedná se o nejdelší vlnovou délku světla schopnou podporovat fotosyntézu. Autoři tvrdí, že to není pevná hodnota, ale emergentní vlastnost určená spektrem hvězdy, atmosférou planety a cílenou chemickou reakcí – v tomto případě oxidací vody.

Odhadují, že pro rudé trpaslíky je červený limit 0,95 µm, zatímco pro hvězdy podobné Slunci je blíže k 1,0 µm. V praxi to znamená, že život nemůže jednoduše posunout své primární absorpční pásy hlouběji do blízkého infračerveného spektra, aby se přizpůsobil méně výkonné hvězdě. Další obava souvisí s evolucí života na jedné z těchto planet. Anoxygenní bakterie mohou účinně využívat infračervené světlo. Pokud by se jim umožnilo proliferovat, mohly by přerůst kyslíkové bakterie a svět by nikdy nezažil „Velkou oxidační událost“ ekvivalentní tomu, co se stalo na Zemi. Bez hojného množství kyslíku v atmosféře by byl mnohobuněčný život vážně omezen, ne-li zcela eliminován.

Zohlednění všech těchto faktorů vykresluje spíše pochmurný obraz možnosti života kolem rudých trpaslíků. Nicméně, neměli bychom to zcela vyloučit. V současné době biosféra Země využívá pouze asi tři řády pod maximální termodynamickou účinností – důkaz, že samotný život je divoce neefektivní. I tak jsou však podmínky kolem rudých trpaslíků, které by byly pro život příznivé, pravděpodobně extrémně vzácné. Tato studie naznačuje, že náš čas hledání mimozemských lesů bohatých na kyslík by mohl být lépe vynaložen kolem hvězd podobných našemu Slunci, než abychom se honili za statistickou raritou vzkvétající biosféry obklopující rudého trpaslíka.