連凡奕

在地球上，絕大多數(shù)植物的葉子都是綠色的，因?yàn)樗鼈円ㄟ^葉片中的葉綠素來進(jìn)行光合作用，將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化成能量。從光學(xué)的角度來說，葉片之所以是綠色的，是因?yàn)樗鼈兾樟斯庾V中的紅色和藍(lán)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(gè)奇怪的現(xiàn)象，因?yàn)樘?yáng)輻射的大部分能量都在光譜的綠色部分。為什么植物會(huì)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(xiàng)研究中，美國(guó)加州大學(xué)的物理學(xué)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(lǐng)域是研究太陽(yáng)能電池，他一直在思考如何制造一種能從太陽(yáng)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(huì)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(gè)團(tuán)隊(duì)，和一些植物學(xué)家伙伴一起研究這個(gè)問題。

我們都知道，光合作用的第一步發(fā)生在一個(gè)集光復(fù)合體中，這是一個(gè)內(nèi)含色素的蛋白質(zhì)網(wǎng)，形成天線復(fù)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(yīng)中心，在那里開始產(chǎn)生供細(xì)胞使用的光學(xué)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(xì)胞內(nèi)部的天線復(fù)合物一直在移動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)降低了能量流動(dòng)的效率;另外，落在植物上的光照強(qiáng)度快速波動(dòng)，也會(huì)使光能的輸入受到干擾。而作為研究太陽(yáng)能電池的物理學(xué)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(xué)能輸出是電池最理想的狀態(tài)——輸入到反應(yīng)中心的光子過少，會(huì)導(dǎo)致能量衰竭;過多則會(huì)導(dǎo)致各種過充電現(xiàn)象。這樣說來，綠光的能量最強(qiáng)，如果在吸收過程中綠光輸入過快過多，那么植物是否也會(huì)出現(xiàn)“過充電”的現(xiàn)象呢？

為了驗(yàn)證這個(gè)問題，加伯和他的同事開發(fā)了一個(gè)植物采光系統(tǒng)模型，并將其置于樹冠上。結(jié)果顯示，當(dāng)吸收的綠光過多時(shí)，植物的能量流動(dòng)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(duì)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(duì)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(xué)家認(rèn)為，紅矮星周圍可能是尋找地外生命的理想場(chǎng)所，因?yàn)樗鼈兊捏w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(zhǎng)，可以為生命的出現(xiàn)和演化提供足夠長(zhǎng)的時(shí)間。不過這些恒星也有缺點(diǎn)——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(duì)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(gè)問題，一組研究人員研究了光合作用所必需的光的波長(zhǎng)。這種被稱為“光合有效輻射（簡(jiǎn)稱PAR）”的可見光波長(zhǎng)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(jì)算出如果地球繞著不同類型的恒星運(yùn)行時(shí)，它會(huì)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(jié)果顯示，與太陽(yáng)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(yùn)行的星球也將接收到更少的PAR。最終的研究結(jié)果不樂觀，研究人員認(rèn)為，紅矮星周圍可能并不會(huì)有生命。

不過在2018年，英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的研究人員在美國(guó)黃石國(guó)家公園發(fā)現(xiàn)了藍(lán)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(jìn)行的，所有的植物和光合細(xì)菌都有葉綠素a，而研究人員們發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)?shù)臈l件下，另一種叫做葉綠素f的色素也可以進(jìn)行光合作用，而且是利用更低能量的紅外光來進(jìn)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(xué)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(xì)菌建造的巖石狀結(jié)構(gòu)，這些光合細(xì)菌被稱為藍(lán)細(xì)菌。

這個(gè)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(lán)細(xì)菌一樣利用紅外光進(jìn)行光合作用。如此看來，科學(xué)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(lán)色等其他顏色。

一些富有想象力的科學(xué)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(dòng)光合作用。他們分析了目標(biāo)行星圍繞的恒星所發(fā)出的輻射，并計(jì)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(jié)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(yùn)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(huì)得到大量的藍(lán)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(lán)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(jìn)化出吸收不同光譜的能力。這意味著，如果我們有機(jī)會(huì)到一顆圍繞M型恒星的系外行星去，說不定我們會(huì)看到長(zhǎng)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(xué)家對(duì)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(gè)生命樂園，而且在那里或許我們還能看到彩虹色系的生物。