外星球的植物可能是彩虹色的

連凡奕

在地球上，絕大多數(shù)植物的葉子都是綠色的，因為它們要通過葉片中的葉綠素來進行光合作用，將陽光轉(zhuǎn)化成能量。從光學的角度來說，葉片之所以是綠色的，是因為它們吸收了光譜中的紅色和藍色區(qū)的幾乎所有的光子，而只吸收不到90%的綠色光。這是一個奇怪的現(xiàn)象，因為太陽輻射的大部分能量都在光譜的綠色部分。為什么植物會反射綠光呢？其他星球的植物的光合作用與地球一樣嗎？

植物舍大取小的智慧

在不久前的一項研究中，美國加州大學的物理學家納撒尼爾·加伯終于找到植物在光合作用的過程中不完全吸收綠光的原因。納撒尼爾·加伯的專業(yè)領域是研究太陽能電池，他一直在思考如何制造一種能從太陽光譜中吸收能量最高的光譜，也就是綠光的收集器。2016年，他想起了植物會舍棄大約10%的綠光這件事，為了搞清楚在光合作用的過程中到底發(fā)生了什么事，他組建了一個團隊，和一些植物學家伙伴一起研究這個問題。

我們都知道，光合作用的第一步發(fā)生在一個集光復合體中，這是一個內(nèi)含色素的蛋白質(zhì)網(wǎng)，形成天線復合物，可以捕獲光子。綠色植物中的葉綠素吸收光并將能量轉(zhuǎn)移到反應中心，在那里開始產(chǎn)生供細胞使用的光學能。在這一階段，幾乎所有被吸收的光都被轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可以使用的電子。

但是細胞內(nèi)部的天線復合物一直在移動，這種運動降低了能量流動的效率;另外，落在植物上的光照強度快速波動，也會使光能的輸入受到干擾。而作為研究太陽能電池的物理學家來說，加伯清楚地知道，穩(wěn)定的電能輸入和穩(wěn)定的化學能輸出是電池最理想的狀態(tài)——輸入到反應中心的光子過少，會導致能量衰竭;過多則會導致各種過充電現(xiàn)象。這樣說來，綠光的能量最強，如果在吸收過程中綠光輸入過快過多，那么植物是否也會出現(xiàn)“過充電”的現(xiàn)象呢？

為了驗證這個問題，加伯和他的同事開發(fā)了一個植物采光系統(tǒng)模型，并將其置于樹冠上。結果顯示，當吸收的綠光過多時，植物的能量流動受到了干擾，能量的利用效率也變低了，這說明大量吸收綠光對植物來說是有害的。

可見，植物的光合作用策略是穩(wěn)中求發(fā)展，而不是“貪心不足蛇吞象”。所幸植物“不貪心”，如果地球上的植物再多吸收一些綠光，那我們看到的植物可能就是黑色的了。

光合作用對于地球生命如此重要，在其他星球上可能也起著重要的作用。那么其他星球的光合作用與地球一樣嗎？

另類的光合作用

近年來，一些科學家認為，紅矮星周圍可能是尋找地外生命的理想場所，因為它們的體積小，更容易在周圍找到地球大小的行星。此外，紅矮星的壽命長，可以為生命的出現(xiàn)和演化提供足夠長的時間。不過這些恒星也有缺點——溫度太低，表面溫度大約只有3000K，因此它們?nèi)缙涿羌t色的，相對暗淡。那么圍繞在它們周圍的行星上是否有類似地球的生物圈呢？

為了解決這個問題，一組研究人員研究了光合作用所必需的光的波長。這種被稱為“光合有效輻射（簡稱PAR）”的可見光波長在400納米～700納米之間。研究人員建立了模型，并將數(shù)據(jù)加入模型中，計算出如果地球繞著不同類型的恒星運行時，它會接收到多少輻射，從而得出給定恒星光度下PAR光子的產(chǎn)生率。結果顯示，與太陽相比，紅矮星發(fā)出更多的低能光子，并且發(fā)光較少，這意味著它們每秒發(fā)射更少的PAR光子，因此圍繞著它們運行的星球也將接收到更少的PAR。最終的研究結果不樂觀，研究人員認為，紅矮星周圍可能并不會有生命。

不過在2018年，英國倫敦帝國理工學院的研究人員在美國黃石國家公園發(fā)現(xiàn)了藍綠藻的一種特殊的光合作用。通常光合作用主要是綠色色素葉綠素a進行的，所有的植物和光合細菌都有葉綠素a，而研究人員們發(fā)現(xiàn)，在適當?shù)臈l件下，另一種叫做葉綠素f的色素也可以進行光合作用，而且是利用更低能量的紅外光來進行光合作用。葉綠素f是地球上已知的第五種葉綠素分子類型，最早是在2010年由澳大利亞悉尼大學的研究人員在西澳大利亞鯊魚灣的疊層巖發(fā)現(xiàn)的。疊層巖是由光合細菌建造的巖石狀結構，這些光合細菌被稱為藍細菌。

這個發(fā)現(xiàn)意味著，系外行星，如紅矮星周圍的行星上也可能有生命，它們像藍細菌一樣利用紅外光進行光合作用。如此看來，科學家們需要重新調(diào)整尋找外星生命的條件了。

那么，外星球的光合生物是什么樣的呢？

外星球的彩虹植物

由于每顆行星圍繞的恒星不同，每顆行星的大氣層也不同，而光合生物吸收和反射的光也可能不同，因此系外行星上的光合生物可能大部分都不是綠色的，而是黑色、紅色、黃色或者藍色等其他顏色。

一些富有想象力的科學家在思考，不同的光子數(shù)量和能量如何在其他行星環(huán)境中驅(qū)動光合作用。他們分析了目標行星圍繞的恒星所發(fā)出的輻射，并計算了該行星表面獲得的恒星輻射，從而確定出最有利于該行星的光合作用的光譜。結果顯示，一顆行星上的光合生物是什么顏色，大部分取決于該行星圍繞什么樣的恒星運行。

比如F型恒星更大、更熱，并發(fā)出更多高能光，受到F型主序星光照射的植物會得到大量的藍光，很可能反射過多的高能光子，因此在F型主序星周圍的行星上的植物可能是藍色的。而M型恒星更小、更冷，發(fā)射低能光子。M型恒星周圍的行星上，光子非常寶貴，這可能促使那里的光合生物進化出吸收不同光譜的能力。這意味著，如果我們有機會到一顆圍繞M型恒星的系外行星去，說不定我們會看到長滿五顏六色葉子的植物，甚至可能看到吸收所有可見光譜的黑色植物。

隨著科學家對光合作用的了解越來越多，我們不僅更深入地了解地球生命獲得能量的過程，也為尋找外星生命提供了線索。或許未來，我們就能根據(jù)系外行星的光譜找到另一個生命樂園，而且在那里或許我們還能看到彩虹色系的生物。