生命的色彩

迦勒·沙爾夫

1990年2月的尋常一天，在距離太陽60億千米的地方，奔向廣袤宇宙深處的“旅行者1”號(hào)探測(cè)器調(diào)轉(zhuǎn)相機(jī)，打開窄視鏡片，拍攝了一組快照。

傳感器的微小像素點(diǎn)記錄下了電荷的異常增高。就在太陽的眩影、衍射光線和電子噪音之間，有一個(gè)與眾不同的光點(diǎn)。它是茫茫宇宙中一個(gè)無足輕重、小之又小的光點(diǎn)，微微泛著淡藍(lán)色的光。

這顆小小的塵埃，就是我們的地球，是宇宙40億年復(fù)雜而混亂的歷史進(jìn)程中令人驚奇的意外成果。那天拍攝到的照片，就是地球的終極自拍。它為地球物種提供了獨(dú)一無二的生存視角：人類是唯一能從幾十億千米外回望自己的物種。不久以后，卡爾·薩根為這張照片的命名也同樣名垂青史——“暗淡的藍(lán)點(diǎn)”。

在此后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，“暗淡的藍(lán)點(diǎn)”都是藍(lán)色作為一種色彩與我們?cè)谟钪嬷械募覉@以及生命本身的最新結(jié)合。在“旅行者”號(hào)出發(fā)前20年，在“阿波羅8”號(hào)繞月飛行過程中，宇航員拍攝到了著名的“地出”照片。那是一幅令人驚艷的作品，灰白的月球地平線上，懸浮著一個(gè)明亮的藍(lán)白色半球。4年之后，“阿波羅17”號(hào)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)捕捉到了地球的全貌，該照片被命名為“藍(lán)色彈珠”。

這些太空時(shí)代的肖像使得這一事實(shí)深入人心，即我們誕生在一顆藍(lán)色星球上。科學(xué)家、《藍(lán)色心靈》的作者華萊士·尼古拉斯認(rèn)為，人類對(duì)水以及藍(lán)色的海洋和湖泊有種原始的、近乎非理性的渴望。這一觀點(diǎn)得到了近期一項(xiàng)全球調(diào)查的佐證。該調(diào)查顯示，藍(lán)色是人類最喜歡的顏色，英國就有33%的人視藍(lán)色為自己最喜歡的顏色，喜歡紅色的人位居其次，占15%，這讓人驚奇不已。

藍(lán)色也是許多相關(guān)機(jī)構(gòu)旗幟與徽章的主打色。美國航空航天局（NASA）、歐洲空間局（ESA）、地外文明搜尋計(jì)劃（SETI）以及行星協(xié)會(huì)的標(biāo)志要么以藍(lán)色作為背景，要么是抽象的地球，要么是藍(lán)色的符號(hào)。空間探測(cè)國際統(tǒng)一體（The One Flag in Space）提議用藍(lán)色背景上的“藍(lán)色彈珠”作為標(biāo)志旗。2015年5月，瑞典的一名設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生奧斯卡·珀恩菲爾德為地球設(shè)計(jì)的“行星地球國際旗幟”引得各大媒體競(jìng)相報(bào)道，圖案由環(huán)環(huán)相扣的七個(gè)圓環(huán)鑲嵌在藍(lán)色背景上而成。

藍(lán)色已然成為生命星球的默認(rèn)色彩，成了宇宙綠洲、生命搖籃和一顆細(xì)小脆弱的寶石的代表色。但還存在一個(gè)問題：最初成就我們對(duì)“暗淡的藍(lán)點(diǎn)”的認(rèn)識(shí)的科學(xué)與技術(shù)正在顛覆我們對(duì)藍(lán)色意義的既往認(rèn)識(shí)。

在距離地球63光年左右的地方，在一顆名為HD189733的星球周圍，有一顆比木星稍大點(diǎn)的巨大行星。這顆被氣體籠罩的星球的軌道周期只有兩個(gè)地球日。它與其母恒星的距離非常近，因此行星大氣層被加熱到超過700℃，強(qiáng)大的溫差形成了時(shí)速達(dá)數(shù)千千米的大風(fēng)，玻璃質(zhì)硅酸鹽熱雨在旋渦中傾盆而下。這里是真正的狂暴、野蠻之地。

通過將目前的天文儀器的性能發(fā)揮到極致，科學(xué)家得以首次粗略地測(cè)量到這顆星球反射的星光及其大體顏色。與惡劣的天氣相反，這里一片安寧，湛藍(lán)無比，就像地球上一個(gè)夏日的晴空。

天文學(xué)家猜測(cè)，這顆星球上空被一層由冷凝過但仍然灼熱的礦物質(zhì)組成的流速緩慢的云層覆蓋，在這之上是一層清潔的大氣。云層能反射大部分光線，而高層大氣層中的氫分子會(huì)優(yōu)先分化和散射藍(lán)色波長(zhǎng)。該高層大氣層可能還包含鈉原子，能夠吸收紅色波長(zhǎng)的光。結(jié)果就是，這顆星球成了另一顆藍(lán)色彈珠，但與地球截然不同。

我們甚至不用觀察到HD189733b那么遠(yuǎn)就能找到其他藍(lán)色星球。事實(shí)上，地球并不是太陽系中唯一的暗淡的藍(lán)點(diǎn)。看看“旅行者”號(hào)拍攝的太陽系全家福，你會(huì)發(fā)現(xiàn)天王星和海王星也是藍(lán)色的（事實(shí)上，海王星的顏色還要深一點(diǎn)）。在這兩顆行星上，我們鐘愛的藍(lán)色并不是由海洋或者類地大氣層產(chǎn)生的。

這兩個(gè)笨拙的寒冰巨人之所以呈藍(lán)色，是因?yàn)樗鼈兊拇髿鈱又泻形⒘考淄椤＜淄榉肿幽軌蛭斩鄠€(gè)波段的紅光和紅外光，唯獨(dú)反射藍(lán)光。至于兩顆星球的藍(lán)色色調(diào)為什么不同，仍然是個(gè)謎。海王星的大氣層動(dòng)蕩劇烈，能將氨與水形成的冰的化合物從內(nèi)層翻轉(zhuǎn)到外層，很可能正是這一點(diǎn)導(dǎo)致了海王星的藍(lán)色色調(diào)更深。同時(shí)，它的平流層可能含有更多的碳?xì)浠衔铩?/p>

因此，科學(xué)家認(rèn)為，藍(lán)色除了能代表一顆星球成熟到宜于居住以外，還有可能代表荒蠻的不毛之地。對(duì)生命來說，藍(lán)色星球不過是一個(gè)糟糕的標(biāo)志。

如果我們轉(zhuǎn)而尋找生命本身的顏色，而不是沉迷于哪種顏色暗示更適宜生命存在，會(huì)怎么樣？在現(xiàn)代地球時(shí)期，地球生命對(duì)光的獲取主要依賴一種色素——葉綠素。這些色素分子優(yōu)先吸收藍(lán)光和紅光，反射綠光。因此，在地球洋面附近，光合微生物會(huì)呈現(xiàn)大量綠色調(diào)，與純凈海水中散落的藍(lán)光混合在一起。在干燥的陸地上，植物構(gòu)成的綠地也與這個(gè)行星本身的顏色交織在一起。如果能用某種方式在地照中找到這些信號(hào)，我們就有可能嗅出生命的蹤跡，并用同樣的方式在遙遠(yuǎn)的星球上找尋生命。但是，測(cè)量地照并不是件容易的事，因?yàn)樵诘厍蛞酝獾牡胤經(jīng)]有適合的光譜儀和望遠(yuǎn)鏡。因此，天文學(xué)家必須另辟蹊徑，比如通過月球暗面反射的地照光對(duì)地照進(jìn)行測(cè)量。20世紀(jì)20年代至60年代，人們?cè)眠@個(gè)方法測(cè)量過地球的反射率，但此后該測(cè)量方法逐漸被人遺忘。

現(xiàn)在，人們有了一種新的測(cè)量方法，即用光譜儀對(duì)月球暗面的不同地區(qū)進(jìn)行測(cè)量，然后通過精確的幾何計(jì)算得出到底是地球的哪部分亮區(qū)（白天）照亮了月球，同時(shí)還要考慮月球反射和散射等一些復(fù)雜影響。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)復(fù)雜異常，因?yàn)楣庾釉谕ㄟ^地球大氣層往返時(shí)會(huì)被進(jìn)一步吸收和散射。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是可行的，但一些結(jié)果顯示，我們很難用地照找到因光合 作用而顯示出的綠色調(diào)的生命區(qū)域。即便我們能精確地得出在某一給定時(shí)刻月面反射的地照光來自哪里，這種色素著色對(duì)分析整個(gè)地球光譜的意義也似乎不大。

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此外，綠色可能未必是我們需要尋找的正確顏色。即使在地球上，參與光合作用的色素也有很多種。在葉綠素把光子轉(zhuǎn)化為能量的過程中，有一種被稱為輔助色素的東西充當(dāng)著媒介。比如類胡蘿卜素，它與葉綠素疊加在一起的時(shí)候，可以呈現(xiàn)紅色、橙色或者黃色。根據(jù)環(huán)境的變化，同時(shí)擁有類胡蘿卜素和葉綠素的微生物可以對(duì)這兩種色素進(jìn)行調(diào)和——在陽光強(qiáng)烈或高溫環(huán)境下提高黃色和橘色色素的含量，而在寒冷或冬天時(shí)又切換為棕色和綠色。另一類輔助色素是藻膽素，可以呈藍(lán)色或紅色。

生命的顏色也可能隨著地質(zhì)時(shí)間的變化而改變。2006年，天文學(xué)家比爾·斯巴克和微生物遺傳學(xué)家謝爾·達(dá)斯薩爾曼認(rèn)為，一種名為“視網(wǎng)膜醛”的色素——維生素A的一種形式——曾廣泛地分布在古代光合生物體內(nèi)。視網(wǎng)膜醛的分子結(jié)構(gòu)比葉綠素簡(jiǎn)單，現(xiàn)在的某些嗜鹽古生菌仍然用它來進(jìn)行光合作用，同時(shí)靠它抵御強(qiáng)烈的紫外線輻射。視網(wǎng)膜醛能吸收綠光，對(duì)波長(zhǎng)在568

納米左右的光的吸收能力最強(qiáng)，接近太陽光譜中能量最集中的區(qū)域。結(jié)果就是，這些用于光合作用的視網(wǎng)膜醛細(xì)胞膜能很好地反射紅色和藍(lán)色，從而產(chǎn)生飽滿的紫色調(diào)。也就是說，20億年前，那個(gè)只存在能在其缺氧大氣內(nèi)生存的微生物的地球，很可能是紫色的。那么，我們是不是該在天空中尋找“暗淡的紫點(diǎn)”呢？

也許黑色才是正確的顏色。銀河系中的大多數(shù)恒星既小又暗，溫度也低于太陽。我的同事，美國航空航天局高達(dá)德研究所的南溪·蔣也同意這一點(diǎn)，他認(rèn)為，在這些世界中，暗淡的紅色光譜可能使生物在歷經(jīng)自然選擇后，更傾向于吸收光譜中的所有可見光。因此，它們很可能是黑色的——黑色戰(zhàn)勝了其他所有顏色。如果真是這樣，那麻煩可就大了，因?yàn)楹谏y找了。在光年這個(gè)尺度上，如果天文學(xué)家試圖通過色彩來檢測(cè)和破譯這些行星上的生物體系，幾乎是不可能完成的任務(wù)。

使得情況更為復(fù)雜的是，雖然我們已經(jīng)知道該怎么做（至少我們知道自己需要什么：大型聚光望遠(yuǎn)鏡以及濾除星光的光學(xué)技術(shù)），但至今還沒有一種儀器靈敏到可以探測(cè)系外類地行星上的生命色彩。是的，生命是色彩繽紛的，但是簡(jiǎn)單地通過色彩來尋找生命卻是一個(gè)棘手的問題。

事實(shí)上，色彩在宇宙中是一種狹隘的認(rèn)識(shí)。除了性能強(qiáng)大的傳感設(shè)備外，電磁頻譜本身無法被干凈利落地切成完整的片段。與不同波長(zhǎng)的光線相對(duì)應(yīng)的，是完全不同的物理過程。既有不同原子能級(jí)間的電子躍遷，也有物質(zhì)電磁場(chǎng)導(dǎo)致的散射和衍射。這些不同的過程可能會(huì)產(chǎn)生或吸收能量相等的光子，在總體上形成幾乎相同的特征——比如色彩。而單一的物理起因，也會(huì)偶爾產(chǎn)生表面相似其實(shí)全然不同的結(jié)果。

在這里，生命現(xiàn)象容易使人跌入陷阱。因?yàn)椋瑢?duì)分析行星的顏色這件事來說，物理學(xué)和化學(xué)尤為重要，但生物學(xué)的地位就不是那么明顯了。將藍(lán)色天真地等同于宜居環(huán)境，本身就犯了嚴(yán)重的錯(cuò)誤。

不過，這并不是說顏色在尋找宇宙生命中毫無用處。生物圈可以給行星的色彩帶來新的結(jié)構(gòu)，以各種方式改變行星光譜，但我們?nèi)匀豢梢詫?duì)此加以指出和鑒別。

一個(gè)經(jīng)典的例子是著名的植物紅邊（譯者注：從大約0.7微米的波長(zhǎng)開始，地球植物的反射率會(huì)急劇增高，這種現(xiàn)象被稱為植物紅邊），地球植物細(xì)胞能明顯增強(qiáng)光子的傳播和反射。從0.7微米的波長(zhǎng)開始，植物的紅外線反射率能達(dá)到50%左右；與波長(zhǎng)較短的紅色可見光相比，反射強(qiáng)度增加了10倍以上。

造成這種現(xiàn)象的原因仍然不是很明了。植物細(xì)胞的光學(xué)特性似乎應(yīng)對(duì)此負(fù)大部分責(zé)任。細(xì)胞壁是水和空氣間的屏障，它有鏡子般的反射臨界角，紅外波長(zhǎng)的光子在這些屏障上能被高效反射。至于植物生命體能從中獲得什么，人們還不是很清楚，也許植物能從中獲利，至少反射掉近紅外輻射可能有助于對(duì)溫度的控制。

無論其原因是什么，紅邊現(xiàn)象對(duì)我們非常重要，遙感衛(wèi)星可以利用這個(gè)原理對(duì)地球上的雨林、草地和農(nóng)作物進(jìn)行測(cè)繪。但是，地球被陽光照亮的部分有很大的隨機(jī)性，被照到的地方有可能是海洋，也可能是陸地。平均來說，70%的概率是海洋，而且在這70%的概率中，還有70%的概率是被云層覆蓋的。所以總體來說，紅邊光學(xué)特征在整個(gè)行星光譜中的比例不到10%。運(yùn)氣好的話，這種信號(hào)的強(qiáng)度可能會(huì)大一點(diǎn)。

生命的色彩在時(shí)間上也有明顯的階段性。隨著季節(jié)的變化，生命會(huì)榮枯更迭，生命的顏色也會(huì)發(fā)生變化。例如，2008年，阿拉斯加的卡薩托奇火山噴發(fā)，富含鐵元素的火山灰造成綠色浮游生物大面積爆發(fā)。從太空中看，它們?cè)趲滋靸?nèi)就覆蓋了200萬平方千米的海洋。我們也能從系外行星色彩的變化中獲得生命發(fā)出的信號(hào)，但我們無法理解這些信號(hào)究竟意味著什么。

色彩仍然是天體生物學(xué)家的重要研究對(duì)象，但并不是簡(jiǎn)單地在太空尋找“暗淡的藍(lán)點(diǎn)”。在這個(gè)意義上，我們應(yīng)該將“旅行者”號(hào)拍攝的照片視為一個(gè)新的希望。這不過是我們與宇宙對(duì)話的開場(chǎng)白，從此，我們得以看到自己貌似簡(jiǎn)單的色彩飄浮在一片未知的新世界之中。