La fotosintesi ha cambiato la Terra in modi potenti. Quando sono apparsi organismi fotosintetici, ciò ha portato al Grande Evento di Ossidazione. Questo ha consentito l’evoluzione della vita multicellulare e ha portato alla formazione dello strato di ozono. La vita poteva avventurarsi sulla terraferma, protetta dalla intensa radiazione ultravioletta del Sole.

Tuttavia, gli organismi fotosintetici della Terra si sono evoluti sotto l’illuminazione specifica del Sole. Come si comporterebbero le piante sotto altri astri?

Il nostro Sole è una stella di tipo G, talvolta chiamata nano giallo. Per noi sembra una stella normale, ma le nane gialle non sono così comuni. Solo circa il 7% – 8% delle stelle nella Via Lattea sono stelle di tipo G. Per comprendere l’abitabilità degli esopianeti, è necessario analizzare i tipi di stelle più abbondanti.

Alcuni scienziati propongono che le stelle nane K siano i migliori ospiti per esopianeti abitabili. Queste hanno una massa compresa tra il 50% e l’80% delle stelle di tipo G, sono più abbondanti e possiedono luminosità stabili per miliardi di anni in più rispetto alle stelle simili al Sole. Il Sole rimarrà stabile sulla sequenza principale per circa 10 miliardi di anni, mentre le stelle K possono mantenere la stabilità per fino a 70 miliardi di anni. Nonostante ciò, molta ricerca sull’abitabilità degli esopianeti si concentra sulle nane M, o nane rosse, che potrebbero essere molto più inospitali per la vita a causa di flare e bloccaggio mareale.

In uno studio recente, un trio di ricercatori ha simulato l’emissione di luce di una stella nana K e ha fatto crescere due organismi fotosintetici in quelle condizioni per vedere come reagivano. L’articolo di ricerca è intitolato “Osservazione di significativa fotosintesi in crescione da giardino e cianobatteri sotto illuminazione simulata da una stella nana K.” È pubblicato nell’International Journal of Astrobiology.

Queste figure nell’articolo mostrano gli spettri sia del Sole che di una stella nana K, e gli spettri simulati per entrambi. Credito immagine: Vilovi? et al. 2024.

Il crescione da giardino, il cui nome latino è Lepidium sativum, è un verde comune usato in insalate, zuppe e panini. È una pianta adattabile che cresce rapidamente. Il cianobatterio Chroococcidiopsis è un estremofilo noto per rimanere in stato di quiescenza per 13 milioni di anni e restare vitale. Può resistere a radiazioni, disidratazione e temperature estreme ed è di interesse in astrobiologia.

Ci aspettiamo che la fotosintesi svolga un ruolo importante in astrobiologia. La luce stellare fornisce l’energia necessaria agli organismi per sintetizzare composti organici. Per comprendere la fotosintesi in astrobiologia, dobbiamo capire come altre stelle potrebbero alimentare la fotosintesi. “Pertanto, comprendere qualsiasi pianeta nel contesto del suo ambiente stellare è un passo essenziale nella valutazione della sua abitabilità,” scrivono gli autori.

Gli astronomi cercano pianeti simili alla Terra attorno a stelle simili al Sole perché quella è l’unica vita di cui siamo a conoscenza. Prestano anche particolare attenzione alle nane M poiché sono così abbondanti e si sa che ospitano molti esopianeti rocciosi nelle loro zone abitabili. Gli scienziati hanno dimostrato che gli organismi fotosintetici della Terra possono crescere sotto luce simulata di nane M. Ma l’abitabilità delle nane M affronta una serie di potenziali barriere.

L’immagine di un artista mostra una stella nana rossa in eruzione orbitata da un esopianeta. Le nane rosse possono brillare violentemente, il che potrebbe rendere i pianeti nelle loro zone abitabili incapaci di sostenere la vita. I pianeti nelle loro zone abitabili sono spesso anche bloccati marealmente, un’altra barriera all’abitabilità. Credito: NASA, ESA e G. Bacon (STScI)

In questo lavoro, i ricercatori si sono concentrati sulle nane K. Mancano dell’attività magnetica che sembra generare flare estremamente potenti sulle nane M, flare così potenti da poter sterilizzare i pianeti nella loro zona abitabile con acqua liquida. Le zone abitabili attorno alle nane K sono anche abbastanza lontane da non determinare il bloccaggio mareale dei pianeti, un’altra potenziale barriera all’abitabilità che colpisce le nane M. Le nane K diventano anche abitabili prima nella loro vita rispetto alle M, a causa del loro rapido indebolimento nelle emissioni di FUV e raggi X.

“Combinando tutto, le nane K possono essere considerate le ‘stelle di Goldilocks’ nella ricerca di pianeti potenzialmente portatori di vita,” scrivono gli autori.

Questa tabella dell’articolo di ricerca mostra le condizioni che i ricercatori hanno ricreato nel loro studio. Credito immagine: Vilovi? et al. 2024.

Il trio di ricercatori ha esposto le piantine di crescione a tre diversi regimi luminosi: luce solare, luce da nana K e assenza di luce. Visivamente, i campioni solari e quelli da nana K erano simili, sebbene nella maggior parte dei casi i semi germogliassero un giorno o due prima rispetto alla luce solare. Il campione da nana K aveva anche una superficie fogliare leggermente più grande.

I ricercatori hanno coltivato il crescione (Lepidium sativum) su un substrato di sabbia con cento piantine iniziali sotto condizioni solari (temperatura efficace 5800 K), da nana K (temperatura efficace 4300 K) e scure. Questa immagine mostra i risultati visivi per giorni selezionati. Il crescione germoglia sotto la radiazione della nana K prima rispetto alle condizioni solari e scure. Credito immagine: Vilovi? et al. 2024.

Dopo sette giorni, una vista laterale dei campioni ha mostrato che l’altezza e l’allungamento dello stelo erano differenti. Sotto la luce della nana K, il crescione è cresciuto più alto.

Il crescione è cresciuto più alto sotto la luce della nana K rispetto alle condizioni solari. Credito immagine: Vilovi? et al. 2024.

I ricercatori hanno anche misurato il contenuto d’acqua e la massa secca. Sotto le condizioni della nana K, il crescione aveva un contenuto d’acqua leggermente superiore, mentre il contenuto secco era inferiore rispetto alle condizioni solari.

Queste figure mostrano il contenuto d’acqua e il contenuto secco per tutti e tre i campioni di crescione. Credito immagine: Vilovi? et al. 2024.

I ricercatori hanno anche testato l’efficienza fotosintetica e non hanno trovato differenze significative tra i campioni solari e quelli da nana K.

L’estremofilo resistente Cyanobacterium Chroococcidiopsis sp. CCMEE 029 è all’altro estremità dello spettro rispetto al crescione a crescita rapida. È un sopravvissuto che può resistere a lunghi periodi di quiescenza e condizioni di crescita estreme. I ricercatori lo hanno coltivato anche sotto condizioni solari, da nana K e scure.

Hanno misurato la densità integrata media (IntD) del cianobatterio, che è un indicatore della crescita della cultura. Hanno scoperto che il campione da nana K presentava valori più alti rispetto al campione solare, ma le differenze non erano considerate significative. Come prevedibile, “Cianobatteri in condizioni di buio costante non hanno mostrato IntD misurabili significativi,” scrivono gli autori nel loro articolo.

Questa figura dell’articolo di ricerca mostra i rapporti incrementali e le densità integrate del cianobatterio in giorni selezionati sotto condizioni solari, di nana K e scure. Sebbene la densità integrata fosse più alta sotto condizioni della nana K, secondo i ricercatori la differenza non era significativa. Credito immagine: Vilovi? et al. 2024.

Segnalano che il loro studio non ha replicato completamente le condizioni naturali. L’intensità della luce solare varia durante il giorno, ma non l’hanno inclusa nel loro studio. “L’intensità della luce solare sulla Terra varia nel corso della giornata, con intensità massime che si verificano durante le ore centrali. Questa variazione è cruciale per le piante per adattarsi e rispondere a condizioni di luce mutevoli, inclusa l’attivazione del quenching non fotochemico (NPQ) per mitigare gli effetti della luce in eccesso,” scrivono. NPQ aiuta le piante a far fronte ai periodi di luce eccessiva, ovvero luce oltre a quella che possono fotosintetizzare, dissipandola come calore.

“Comprendere gli effetti della radiazione della nana K sulla fotosintesi e sulla crescita è di fondamentale importanza non solo per valutare la sua vitalità per gli organismi fototrofi, ma anche per l’interpretazione delle biosignature atmosferiche al di fuori del Sistema Solare,” spiegano gli autori. Altre ricerche in questo settore si sono concentrate sulle nane M, e questo trio di ricercatori afferma che, per quanto ne sanno, il loro è il primo studio che esamina la fotosintesi e le nane K.

“Questi risultati possono avvicinarci a comprendere quali ambienti stellari potrebbero essere i candidati ottimali nella ricerca di mondi abitabili,” scrivono gli autori. “Questi risultati evidenziano non solo i meccanismi di adattamento degli organismi fotosintetici a ambienti di radiazione modificati, ma implicano anche l’abitabilità fondamentale degli esopianeti che orbitano attorno a stelle nane K.”