W poszukiwaniu śladów życia poza Układem Słonecznym astronomowie od lat kierują swoje instrumenty w stronę najliczniejszej grupy gwiazd w naszej galaktyce – czerwonych karłów. Te chłodne, długowieczne obiekty typu widmowego M stanowią około 75% populacji gwiazd w Drogi Mlecznej, a niemal każda z nich posiada przynajmniej jedną skalistą planetę. Ta powszechność sprawiła, że stały się one głównym celem przeglądów astrobiologicznych. Jednak najnowsze badania sugerują, że nasza fascynacja tymi układami może prowadzić w ślepą uliczkę. Okazuje się bowiem, że choć czerwone karły emitują mnóstwo energii, jej jakość może być zbyt niska, by podtrzymać życie oparte na fotosyntezie tlenowej, jaką znamy z Ziemi.
Zespół naukowców, pod kierownictwem Giovanniego Covone i Amedeo Balbiego, opublikował pracę na serwerze preprintów arXiv, która rzuca nowe światło na warunki panujące w ekosferach czerwonych karłów. Badacze argumentują, że w kontekście promieniowania gwiazdowego, jakość fotonów jest równie istotna, co ich ilość. Do tej pory astrobiolodzy, wyznaczając tzw. ekosferę (strefę zamieszkiwalną), skupiali się głównie na całkowitym strumieniu energii pozwalającym na utrzymanie płynnej wody na powierzchni planety. Analizowano przede wszystkim liczbę fotonów w zakresie światła widzialnego (400–700 nanometrów). Covone i Balbi wprowadzają jednak do debaty pojęcie eksergii – miary maksymalnej pracy użytecznej, jaką można wycisnąć z pola promieniowania. Z ich obliczeń wynika, że biosfery typu ziemskiego mogą być niezwykle trudne do utrzymania wokół czerwonych karłów właśnie z powodu niskiej wartości eksergii ich światła.
Kluczem do zrozumienia tego problemu jest mechanizm fotosyntezy, a konkretnie etap znany jako fotoutlenianie wody. Jest to proces rozbijania cząsteczek wody na wodór i tlen pod wpływem światła. W kategoriach biologicznych proces ten stanowi „wąskie gardło” kinetyczne – wymaga on dostarczenia znacznej ilości energii kinetycznej, aby zajść mogła odpowiednia reakcja chemiczna. To właśnie dzięki temu procesowi ziemska atmosfera wypełniła się tlenem, co umożliwiło ewolucję organizmów wielokomórkowych. Czerwone karły mają jednak w tej kwestii dwa poważne mankamenty. Po pierwsze, są to gwiazdy stosunkowo chłodne, co oznacza, że ich widmo jest silnie przesunięte w stronę podczerwieni. Zbyt mało ich fotonów posiada energię wystarczającą do pokonania progu niezbędnego do rozbicia cząsteczki wody.
Po drugie, nawet te fotony, które teoretycznie mają odpowiednią energię, wykazują mniejszą efektywność w konwersji na użyteczną pracę chemiczną. W porównaniu z gwiazdami typu słonecznego (karłami typu G), eksergia dostępna do napędzania utleniania wody wokół czerwonych karłów jest aż pięciokrotnie mniejsza. To potężny cios dla optymistycznych założeń o bujnych, obcych lasach skąpanych w czerwonym blasku. Nawet jeśli na takiej planecie panuje odpowiednia temperatura, procesy biologiczne mogą być tam tak powolne, że nie zdołają wygenerować mierzalnych sygnatur biologicznych w atmosferze.
Niektórzy naukowcy sugerują, że życie mogłoby ewoluować w taki sposób, aby wykorzystywać fale o większej długości (niższej energii), adaptując się do podczerwonego otoczenia. Jednak autorzy nowej publikacji studzą ten entuzjazm, powołując się na tzw. czerwoną granicę (red limit). Jest to teoretycznie najdłuższa fala świetlna zdolna do podtrzymania fotosyntezy. Choć nie jest to wartość sztywna – zależy od widma gwiazdy, składu atmosfery planety i konkretnej reakcji chemicznej – badacze szacują, że dla czerwonych karłów granica ta wynosi około 0,95 mikrometra (dla porównania, w układzie słonecznym jest to blisko 1,0 mikrometra). Oznacza to, że życie nie może po prostu przesuwać swoich pasm absorpcji coraz głębiej w bliską podczerwień bez utraty zdolności do wydajnego rozszczepiania wody.
Konsekwencje ewolucyjne tego stanu rzeczy mogą być drastyczne. W środowisku o niskiej jakości światła, bakterie anoksygenowe (nieprodukujące tlenu), które skutecznie zbierają światło podczerwone, mogą zdominować biosferę. Gdyby pozwolono im na niekontrolowany rozrost, mogłyby one wyprzeć bakterie tlenowe w walce o zasoby. W takim scenariuszu planeta nigdy nie doświadczyłaby odpowiednika ziemskiego Wielkiego Zdarzenia Oksydacyjnego. Bez obfitości tlenu w atmosferze powstanie życia wielokomórkowego i inteligentnego byłoby niezwykle utrudnione, jeśli nie całkowicie niemożliwe. Świat taki pozostałby na zawsze królestwem prymitywnych drobnoustrojów, ukrytym pod nieprzejrzystą powłoką gazów.
Mimo tych pesymistycznych wniosków, autorzy nie wykluczają istnienia życia wokół czerwonych karłów całkowicie. Przypominają, że ziemska biosfera wykorzystuje zaledwie ułamek maksymalnego potencjału termodynamicznego dostarczanego przez Słońce (około trzech rzędów wielkości poniżej maksimum), co dowodzi, że życie samo w sobie jest procesem mało wydajnym. Niemniej jednak, warunki sprzyjające ewolucji złożonych ekosystemów tlenowych wokół czerwonych karłów wydają się być skrajnie rzadkie. Praca Covone i Balbi sugeruje, że nasze wysiłki w poszukiwaniu „drugiej Ziemi” – świata z bogatą atmosferą tlenową i rozwiniętą florą – powinny zostać zrewidowane. Zamiast gonić za statystyczną większością, jaką są czerwone karły, być może powinniśmy skupić się na rzadszych, ale znacznie bardziej obiecujących gwiazdach podobnych do naszego Słońca.