Фотосинтез в дальнем красном свете

Учёные обнаружили микроорганизм, способный использовать низкоэнергетический свет для фотосинтеза. Это открытие может изменить теории о типах звёзд, способных поддерживать существование землеподобных миров.

Фотосинтез — ключевой процесс для обитаемости Земли и поиска жизни на экзопланетах. Кислород в атмосфере и спектр отражения растительности являются биосигнатурами, которые можно обнаружить из космоса. До недавнего времени считалось, что для кислородного фотосинтеза, при котором расщепляется вода (H₂O) с выделением кислорода, необходим пигмент хлорофилл a (Chl a), использующий фотоны видимого света (400–700 нм).

В 1996 году была обнаружена цианобактерия Acaryochloris marina, которая вместо Chl a использует хлорофилл d (Chl d) и может осуществлять фотосинтез с использованием света вплоть до ближнего инфракрасного диапазона (до 740 нм). Это открытие поставило вопрос: является ли использование низкоэнергетических фотонов неэффективным для жизнедеятельности?

Новое исследование с применением метода импульсной фотоакустической спектроскопии с временным разрешением (PTRPA) показало, что A. marina не просто выживает, а столь же или даже более эффективно запасает энергию, чем цианобактерия Synechococcus leopoliensis, использующая Chl a. Впервые доказано, что кислородный фотосинтез может эффективно работать на больших длинах волн.

Значение открытия

• Расширение диапазона для жизни: Chl d увеличивает полезный диапазон солнечного излучения для фотосинтеза на 18%. Это означает, что жизнь может использовать свет от более широкого спектра звёзд, включая красные карлики, которые излучают преимущественно в ближнем ИК-диапазоне.
• Поиск жизни на экзопланетах: Теперь при поиске биосигнатур на планетах у других звёзд стоит учитывать и пигментные сигнатуры в ближнем ИК-диапазоне.
• Эволюция на Земле: A. marina занимает нишу «остаточных» фотонов после организмов с Chl a. Открытие ставит вопрос: может ли Chl d в будущем вытеснить Chl a?
• Возобновляемая энергетика: Изучение механизмов A. marina может помочь в биомиметике фотосинтеза для создания искусственных систем расщепления воды. Использование низкоэнергетических фотонов может упростить требования к катализаторам для производства водородного топлива и биотоплива.

Это открытие меняет понимание фундаментального биологического процесса и открывает новые перспективы для астробиологии, эволюционной биологии и энергетики будущего.