外星植物是什么颜色 光合作用在外星如何进行

撰文南希•Y•江(Nancy Y. Kiang)/翻译刘旸

与其坐等外星生命光临地球，不如主动寻找它们——寻找地外生命，早已不再是科幻小说虚构的故事，也不只是UFO迷才会关心的领域，而是许多科学家当前的研究任务。也许在现阶段，我们很难找到发展出高级文明的智慧生命，但可以把目标锁定到与基础生命过程相关的物理及化学标志(即生物标记，biosignatures)。迄今为止，天文学家已发现了200多颗围绕其他恒星旋转的行星(太阳系外行星，extrasolar planet)，虽然科学家还无法说出哪几颗行星孕育着生命，但我相信，发现地外生命只是时间问题。2007年7月，天文学家在观察一颗行星时，发现恒星光线在穿过这颗行星的大气层时有些异常，而最终分析结果让他们惊喜不已：这颗行星周围存在水蒸气。现在，世界各地的航天机构都在开发新型望远镜，通过观察行星光谱，在与地球大小相似的行星上搜寻生命证据。

这里不得不提光合作用(Photosynthesis)，因为这一众所周知的生命过程，能产生非常明显的生物标记。在地球上，光合作用几乎是所有生命的基础：除了深海热液喷口周围以热量和甲烷为生的生物，地面生态系统中的所有生命都得依靠阳光才能生存下去。而在其他行星上，光合作用发生的几率同样很高。

光合作用产生的生物标记分为两类：一是生命活动产生的气体及其衍生物，如氧气和臭氧；二是与某种色素相关的表面颜色，就像叶绿素(chlorophyll)与绿色的关系。实际上，在地外行星上寻找“生命色素”的想法由来已久。一个世纪前，火星的季节性变暗引起了天文学家的注意，他们猜测这是由植物生长导致。为了证实这个想法，他们开始研究火星表面反射光线的光谱，希望从中发现绿色植物存在的证据。但在英国著名科幻作家H•G•威尔斯(H. G. Wells)看来，天文学家们的研究策略存在一个明显缺陷。他在科幻小说《大战火星人》(The War of the Worlds)中写道：“在火星植物王国里，占据统治地位的不是绿色，而是鲜艳的血红色。”虽然火星上没有植物早已成为共识(火星变暗是由沙尘暴引起的)，威尔斯的观点却不无道理：在其他行星上，光合生物(photosynthetic organism)可能并非绿色。

即便在地球上，光合生物的颜色也多种多样。一些陆生植物的叶子是红色的，水生海藻和光合细菌更具有彩虹般的缤纷色彩；紫色细菌也不少见，它们不仅吸收阳光中的可见光，还能利用红外线。那么，在地外行星上，植物们的主流色彩是什么？当我们看见它们时，又该如何辨认？这些问题的答案，取决于照射到植物表面的光线类型(而光线类型又取决于恒星类型和行星大气层的组成，因为恒星发出光线后，要穿过行星大气层才能抵达植物表面)。

捕捉阳光

对于大多数地球生物，光合作用实在太重要了：植物或微生物吸收阳光，通过光合作用合成有机分子，释放氧气，其他生物必须直接或间接地利用光合作用的产物，才能维持生命活动。植物或微生物究竟是如何捕捉阳光，将太阳能转化为化学能的？

要了解光合作用在其他行星上是怎么发生的，我们首先得弄清楚地球上光合作用的具体机制。在地球表面，阳光的能谱(energy spectrum)会在蓝色和绿色之间达到峰值，这让科学家一直大感困惑：为什么植物会反射绿色光线，浪费掉阳光中最易得到的部分？(物体反射某种颜色的光线，就会呈现某种颜色。)原因就在于，光合作用并不依赖阳光的总能量，而与单个光子含有的能量以及光线中的光子数量有关。

蓝色光子携带的能量比红色光子多，而太阳发出的红色光子数量则要多一些。植物因为单个光子的能量优势而吸收蓝色光子，因为数量优势而吸收红色光子。相对而言，绿色光子在能量和数量上都不占优势，植物就很少吸收它们。

将一个碳原子固定到一个简单的糖分子内，是光合作用的基本过程。这个过程要顺利完成，至少需要8个光子。4个光子会“撕开”两个水分子的4条氢氧键(一个光子撕开一条)，释放4个自由电子，生成1个氧分子；同时，这4个光子还得分别匹配至少1个额外光子，以参加下一步反应：生成糖分子。而且，每个光子的能量不能太低。