Ny type fotosyntese oppdaget – kan være svært viktig for liv rundt røde dvergstjerner
15.06.18: De siste årene er det oppdaget en lang rekke planeter i beboelig sone rundt røde dvergstjerner (f.eks. vår nærmeste nabostjerne Proxima Centauri, TRAPPIST-1 og Barnards stjerne, 8,6 lysår unna). Selv om disse planetene kan ha flytende vann og temperaturer mellom 0 og 100 grader, er det store diskusjoner om disse planetene virkelig kan være beboelige. En av grunnene er at moderstjernen ofte har kraftige utbrudd (flares) som kan ødelegge planeten og eventuelle livsformer, men nye undersøkelser tyder på at dette ikke nødvendigvis er tilfelle. Røde dvergstjerner sender hovedsakelig ut lys i rødt og infrarødt og veldig lite av mer kortbølget stråling, som er dominerende i sollyset og som inntil nå ha vært ansett å være nødvendig for at fotosyntese skal kunne foregå. Fotosyntese er avgjørende for liv slik vi kjenner det, både fordi prosessen tillater planter å vokse og formere seg med energien fra sollys, og fordi fotosyntesen slipper ut fritt oksygen som er nødvendig for dyr og mennesker.
av Knut Jørgen Røed Ødegaard
Koloni av celler der fargene representerer fotosyntese drevet av klorofyll-a og -f.
Foto: Dennis Nuernberg, Imperial College London
Oppdagelsen endrer vår forståelse av selve grunnmekanismen i fotosyntese. Funnet vil også styre vår jakt etter fremmede livsformer og gi innsikt i hvordan vi kan dyrke mer effektive avlinger som også utnytter lengre bølgelengder i sollyset.
Forskningen som ble publisert i det anerkjente forskningstidsskriftet Science, ble ledet av forskere ved Imperial College London med støtte fra BBSRC (Biotechnical and Biological Sciences Research Council, et britisk forskningsråd for biologisk og bioteknologisk forskning) og involverte grupper fra ANU i Canberra, CNRS i Paris og Saclay og CNR i Milan.
Nesten alt liv på Jorden benytter synlig rødt lys i fotosyntese, men som nevnt over bruker den nye typen infrarødt. Prosessen ble oppdaget i et stort utvalg av blågrønnbakterier eller cyanobakterier, (tidligere feilaktig kalt blågrønnalger) mens de vokste i nær-infrarødt lys på skyggefulle steder som bakteriematter i Yellowstone og på fjellblokker på strender i Australia. Den nye typen fotosyntese opptrer også når blågrønnbateriene bringes inn i laboratoriene og utsettes for kunstig infrarødt lys.
Film om oppdagelsen.
Film: Dennis Nuernberg, Imperial College London
Fotosyntese utenfor den røde grensen
Den vanlige og nær-universelle typen fotosyntese bruker grønt pigment – klorofyll-a – både for å samle lys og for å bruke energien til å lage oksygen og nyttige biokjemiske stoffer. Måten klorofyll-a absorberer lys betyr at kun energien fra rødt lys kan brukt til fotosyntese.
Siden klorofyll-a finnes i alle planter, alger og blågrønnbakterier vi kjenner, antok man at energien til rødt lys bestemmer den «røde grensen» for fotosyntese. Det betyr at dette lyset inneholder den laveste energien som trengs for å utføre de krevende kjemiske reaksjonene som produserer oksygen. Den røde grensen brukes for øvrig i astrobiologi for å avgjøre om avansert liv kan ha utviklet seg på planeter i andre solsystem.
Når noen blågrønnbakterier dyrkes i nær-infrarødt lys slutter imidlertid den ordinære klorofyll-a-mekanismen å virke, og forskjellige mekanismer som inneholder en annen type klorofyll, klorofyll-f, tar over.
Frem til nå har man trodd at klorofyll-f kun samlet lyset. Den nye forskningen viser i stedet at klorofyll-f spiller hovedrollen i fotosyntesen under skyggefulle forhold og bruker infrarødt lys med lavere energi enn rødt lys for å utføre de komplekse reaksjonene. Dette er fotosyntese «utenfor den røde grensen».
Leder for forskningsprosjektet, professor Bill Rutherford fra Department of Life Sciences ved Imperial College London, sier at “Den nye formen for fotosyntese får oss alle til å revurdere hva vi trodde var mulig. Den endrer måten vi forstår nøkkelhendelsene i hjertet av standard fotosyntese. Oppdagelsen vil endre lærebøkene.»
Skjematisk struktur av klorofyll-f-molekylet.
Illustrasjon: Wikipedia
Hindrer skade av lys
En annen blågrønnbakterie, Acaryochloris, er allerede kjent for å utføre fotosyntese utenfor den røde grensen. Men siden dette foregår i kun én art som befinner seg i et svært bestemt habitat, har den blitt betraktet som «et unntak». Acaryochloris lever under et grønnsekkdyr som skygger for det meste av synlig lys slik at kun det infrarøde lyset blir igjen.
Klorofyll-f-fotosyntesen som nå rapporteres representerer en tredje type av utbredt fotosyntese. Den benyttes imidlertid kun under spesielle forhold med infrarødt lys. Ved normale lysforhold blir den ordinære, røde formen for fotosyntese benyttet.
Det ble lenge antatt at lysskader ville være mer alvorlige utenfor den røde grensen, men den nye studien viser at dette ikke er noe problem i stabile, skyggefulle miljøer. Denne kunnskapen kan være viktig for å forbedre avlinger.
Tverrsnitt av en stein fra en strand på Heron Island, Australia viser blågrønnbakterier med klorofyll-f (grønt bånd) som vokser flere millimeter inn i steinen.
Foto: Dennis Nuernberg, Imperial College London
Lærebøkene må skrives om
Fotosyntese består av ganske kompliserte prosesser, men flere detaljer var synlige i de nye systemene enn det som noen gang har vært sett i standard klorofyll-a-systemer. Det avgjørende kjemiske trinnet ble faktisk utført av klorofyllene som ofte kalles "tilbehør-klorofyller», snarere enn av lærebøkenes "spesielle par" av klorofyller i sentrum av komplekset. Dette tyder på at mønsteret også holder for de andre typene fotosyntese, noe som kan endre lærebok-synet på hvordan den dominerende formen for fotosyntese fungerer.
Mens oppdagelsen åpenbart har stor betydning for vår forståelse av de ekstremt viktige fotosyntese-prosessene her på Jorden, har oppdagelsen også stor betydning for mulighetene for livsformer på planeter rundt andre stjerner.
De senere årene er det oppdaget en lang rekke planeter, også jordlignende i beboelig sone, rundt røde dvergstjerner. Siden disse stjernene hovedsakelig sender ut langt rødere lys enn Solen, er det gunstig for eventuelle livsformer på planeter rundt slike stjerner at fotosyntesen kan utnytte dette lyset.
Fordeling av lys fra et varmt legeme (f.eks. en stjerne) etter bølgelengde. Jo høyere temperaturen er, jo større del av strålingen blir sendt ut som kortbølget blått eller ultrafiolett lys. Ordinær, jordisk fotosyntese utnytter best lys nær Solens strålingsmaksimum (litt til venstre for kurven for 5000 K). Røde dvergstjerner med temperatur rundt 3000 K sender mest lys i infrarødt. Klorofyll-f ser ut til å være mer effektiv for å utnytte slikt lys.
Illustrasjon: Wikipedia / Sannes & Ødegaard
Det kan hende at klorofyll-f har en nøkkelrolle på slike exoplaneter, men det kan selvsagt også tenkes at naturen har tilpasset seg ved å lage fotosyntese-typer som er enda bedre tilpasset lyset fra røde dverger. Oppdagelsen demonstrerer at en slik tilpasning er mulig!
Kunstnerisk fremstilling av hvordan det kan se ut på overflaten av en planet i bane rundt en kjølig rød dvergstjerne. Eventuell fotosyntese på slike planeter må klare å utnytte det røde og infrarøde lyset fra moderstjernen.
Illustrasjon: ESO/M. Kornmesser
Klikk på “Liker” og få melding når nye saker legges ut!
Forsiden
