Plantas Verdes en Planetas Rojos: ¿podría funcionar la fotosíntesis?

• Título original: Photosynthesis on habitable planets around low-mass stars
• Autores del articulo: Manasvi Lingam y Abraham Loeb
• Institución del primer autor: Instituto de Teoría y Computación, Universidad de Harvard, EUA y el Centro de Astrofísica de Harvard-Smithsonian, EUA
• Estado de la publicación: aceptado a MNRAS, publicado en ArXiv
• Astrobite original: Green plants on red planets: would photosynthesis work? por Rosanna Tilbrook

La fotosíntesis es una de las fuerzas claves para establecer la vida en la Tierra. Las plantas absorben dióxido de carbono, agua y energía del Sol, lo convierten en azúcar, y sueltan oxígeno a la atmósfera. Este proceso es más complicado de lo que parece y domina la “red de productividad primaria” (NPP por sus siglas en inglés) de la Tierra, o la velocidad con la que la energía de biomasa es almacenada y queda a disposición de otros organismos – en otras palabras, ¡la fotosíntesis es la fuente principal de energía accesible para todo tipo de vida que no puede producir su propia energía (como nosotros)! Considerando que la fotosíntesis es un proceso crucial para nuestro propio planeta, tiene sentido que también sea igual de importante para cualquier otro planeta que pueda tener vida. Pero, ¿podría funcionar en mundos alienígenas?

Algunos científicos piensan que una clase particular de estrella, llamada las ‘enanas M‘, son ideales para buscar exoplanetas parecidos a la Tierra, dado a que su tamaño pequeño hace que encontremos planetas alrededor de ellas fácilmente y sus largas vidas pueden dejar que pase suficiente tiempo para que la vida pueda aparecer y evolucionar en estos planetas. Sin embargo, ser una estrella más fría, con temperaturas en su superficie alrededor de 3000 grados Kelvin (que es frío para una estrella), significa que las enanas M son de color rojo y no emiten mucha luz. Como la luz del sol es una parte importante para la fotosíntesis, y por lo tanto para la vida, esto presenta un problema: acaso los planetas alrededor de estas estrellas rojas podrían sostener una biosfera similar a la de la Tierra?

La luz correcta para la vida

Para resolver esta pregunta, los autores se fijaron en las longitudes de ondas de luz que son necesarias para la fotosíntesis. Esta ‘radiación fotosintéticamente activa’ (PAR por sus siglas en inglés) esta compuesta por fotones entre 400 a 700 nanometros, es decir es luz visible. Después, calcularon cuánta de esta radiación recibiría la Tierra si estuviera alrededor de diferentes tipos de estrellas para encontrar la producción de fotones que sea similar al PAR de la Tierra. Comparado con el Sol, las enanas M emiten más fotones de baja energía y son menos luminosas, lo que quiere decir que emiten menos PAR por segundo. Entonces, una Tierra alrededor de estas estrellas recibiría menos flujo PAR.

Sin embargo, la pregunta aquí es si este flujo PAR es lo suficientemente bajo para tener un impacto negativo en el potencial del planeta para tener una biosfera significativa. Hasta ahora, solo conocemos de una biosfera en el universo – la nuestra – los autores decidieron calcular el flujo PAR de la Tierra (F⊕) y tomar esto como un valor crítico. En otras palabras, las tierras alrededor otras estrellas que reciben un flujo PAR menor a F⊕ tendrían menor probabilidad para tener una biosfera significativa, ya que tendrían un menor NPP que la Tierra. Tomando este procedimiento, encontraron que estrellas con alrededor de 21% de la masa del Sol (~0.21 M⊙) fueron la clave, y las masas por debajo de este valor podrían proveer un flujo PAR mucho más bajo que el valor crítico (Figura 1).

Erupciones: no solamente un estilo de moda

Esto parece un resultado bueno para nuestras enanas M, las cuales tienen masas alrededor de 0.07-0.60 M_⊙. Sin embargo, esto no parece funcionar cuando tomas en consideración el hecho que la mayoría de las enanas M tienen masas debajo de este límite y que las enanas M en general están ‘activas‘. Esto quiere decir que lanzan mucho material con alta energía al espacio en la forma de fulguraciones solares, lo cual tiene el potencial de dañar la vida. Sin embargo, cabe notar que esta radiación adicional puede ser una ventaja ya que algunos fotones de estas fulguraciones también pueden contribuir al flujo PAR. Al cuantificar esta contribución, los autores pensaron que podrían encontrar enanas M de baja masa que serían capaces de tener planetas con biosferas como la Tierra.

Desafortunadamente, sus cálculos no hacen mucha diferencia. A pesar del hecho que 40% del flujo de las fulguraciones solares está en el rango del PAR, no era lo suficiente para darles la ventaja a estas enanas M. Al utilizar datos del telescopio TESS, ellos determinaron que menos del 1% de todas las enanas M con fulguraciones podrían emitir lo suficiente para poder elevar su flujo PAR total por encima del valor crítico. De todas maneras, los autores notaron que nuestra idea de cómo funciona la fotosíntesis por estas fulguraciones es muy vaga dado a que los fotones de alta energía que son emitidos pueden ayudar o herir el proceso de varias otras formas. Por lo tanto, ¡estas fulguraciones no ayudan al caso de estas enanas M!

Atmósferas de oxígeno

La última parte de este estudio siguió una aproximación ligeramente diferente al problema. En vez de ver la proporción de flujo PAR necesaria para diferentes estrellas, ellos consideraron la cantidad de oxígeno que tendría que estar presente en la atmósfera como resultado de la fotosíntesis en un planeta como la Tierra. Los planetas que pueden sostener una atmósfera con oxígeno tienen que producir la suficiente cantidad de O₂ para exceder la cantidad que es absorbida por sumideros de O₂. En otras palabras, la proporción que se crea a comparación con la cantidad que se absorbe (D_O2) tiene que ser mayor a 1. Como los principales sumideros de O₂ son geológicos, y por lo tanto no están influenciados por las propiedades de la estrella del planeta, los autores simplemente variaron la cantidad de O₂ que es creada. Esto implica que, una vez mas, sus resultados dependieron de la cantidad de flujo PAR que recibe la superficie del planeta ya que la fotosíntesis requiere de fotones PAR para ocurrir.

Comparado con las proporciones del flujo PAR, el resultado de estos cálculos son un poco más positivos para las enanas M, pero una vez mas, el punto crucial para estas estrellas de baja masa es ~0.13 M_⊙ (Figura 2). Mientras que esto no significa que no va a haber nada de O₂ en las atmósferas de planetas alrededor de estas estrellas, sí implica que no habría una cantidad significativa, lo cual hace las cosas más difíciles para los astrónomos que los están intentando detectar. Además, los bajos niveles de oxígeno podrían tener implicaciones significativas para la evolución de la vida en estos planetas ya que algunos científicos creen que tener una gran abundancia de esto es uno de los requerimientos principales para general la vida.

No pierdan la esperanza

En conclusión, los autores encontraron que estrellas con masas mayores que ~0.21 M_⊙ tienen el potencial de tener planetas similares a la Tierra con oxígeno en sus atmósferas y similar NPP al de la Tierra, previendo que la disponibilidad de fotones PAR es el factor limitante. Cualquiera de estos planetas alrededor de estrellas con masas entre ~0.13 M_⊙ y ~0.21 M_⊙ podrían ser habitables y contener oxígeno en sus atmósferas, pero algunos no podrían generar un NPP tan alto como el de la Tierra y por lo tanto, sus biosferas no pueden ser significativas, tal vez no podrían ser detectadas. Finalmente, las estrellas inactivas con masas menores a ~0.13 M_⊙ tienen mayor probabilidad de tener planetas con poco o nada de oxígeno en sus atmósferas. Por otra parte, hay unos resultados interesantes aquí. Al parecer, tratar de buscar vida alrededor de enanas M puede que no dé muchos resultados. Sin embargo, ¡no todo esta perdido!

Como en cualquier estudio científico, es importante considerar las suposiciones que se han hecho y siempre hay algunas muy grandes al hablar de la vida en el espacio. Para empezar, los autores solo consideraron planetas con las mismas propiedades físicas que nuestra Tierra, implicando que esta historia puede variar considerablemente para diferentes tipos de planetas. Adicionalmente, no tenemos una idea de cómo la fotosíntesis puede funcionar o evolucionar en estos nuevos ambientes – inclusive han habido estudios que indican que la fotosíntesis puede ser posible en ondas de luz infrarrojas. Nosotros también sabemos que hay varios factores que contribuyen a la habitabilidad de un planeta, incluyendo la disponibilidad del agua y sus nutrientes. Así que mientras que la fotosíntesis es un buen lugar para empezar, los autores indican que sus modelos pueden ser mejorados. Cabe recordar que solo porque nuestras pequeñas enanas M no han podido sustentar un ambiente similar al de la Tierra, no quiere decir que no puedan tener vida, solo que probablemente no pueden sostener una biosfera tan grande como la de nuestro planeta.