外星球的植物可能是彩虹色的

连凡奕

在地球上，绝大多数植物的叶子都是绿色的，因为它们要通过叶片中的叶绿素来进行光合作用，将阳光转化成能量。从光学的角度来说，叶片之所以是绿色的，是因为它们吸收了光谱中的红色和蓝色区的几乎所有的光子，而只吸收不到90%的绿色光。这是一个奇怪的现象，因为太阳辐射的大部分能量都在光谱的绿色部分。为什么植物会反射绿光呢？其他星球的植物的光合作用与地球一样吗？

植物舍大取小的智慧

在不久前的一項研究中，美国加州大学的物理学家纳撒尼尔·加伯终于找到植物在光合作用的过程中不完全吸收绿光的原因。纳撒尼尔·加伯的专业领域是研究太阳能电池，他一直在思考如何制造一种能从太阳光谱中吸收能量最高的光谱，也就是绿光的收集器。2016年，他想起了植物会舍弃大约10%的绿光这件事，为了搞清楚在光合作用的过程中到底发生了什么事，他组建了一个团队，和一些植物学家伙伴一起研究这个问题。

我们都知道，光合作用的第一步发生在一个集光复合体中，这是一个内含色素的蛋白质网，形成天线复合物，可以捕获光子。绿色植物中的叶绿素吸收光并将能量转移到反应中心，在那里开始产生供细胞使用的光学能。在这一阶段，几乎所有被吸收的光都被转换成系统可以使用的电子。

但是细胞内部的天线复合物一直在移动，这种运动降低了能量流动的效率;另外，落在植物上的光照强度快速波动，也会使光能的输入受到干扰。而作为研究太阳能电池的物理学家来说，加伯清楚地知道，稳定的电能输入和稳定的化学能输出是电池最理想的状态——输入到反应中心的光子过少，会导致能量衰竭;过多则会导致各种过充电现象。这样说来，绿光的能量最强，如果在吸收过程中绿光输入过快过多，那么植物是否也会出现“过充电”的现象呢？

为了验证这个问题，加伯和他的同事开发了一个植物采光系统模型，并将其置于树冠上。结果显示，当吸收的绿光过多时，植物的能量流动受到了干扰，能量的利用效率也变低了，这说明大量吸收绿光对植物来说是有害的。

可见，植物的光合作用策略是稳中求发展，而不是“贪心不足蛇吞象”。所幸植物“不贪心”，如果地球上的植物再多吸收一些绿光，那我们看到的植物可能就是黑色的了。

光合作用对于地球生命如此重要，在其他星球上可能也起着重要的作用。那么其他星球的光合作用与地球一样吗？

另类的光合作用

近年来，一些科学家认为，红矮星周围可能是寻找地外生命的理想场所，因为它们的体积小，更容易在周围找到地球大小的行星。此外，红矮星的寿命长，可以为生命的出现和演化提供足够长的时间。不过这些恒星也有缺点——温度太低，表面温度大约只有3000K，因此它们如其名是红色的，相对暗淡。那么围绕在它们周围的行星上是否有类似地球的生物圈呢？

为了解决这个问题，一组研究人员研究了光合作用所必需的光的波长。这种被称为“光合有效辐射（简称PAR）”的可见光波长在400纳米～700纳米之间。研究人员建立了模型，并将数据加入模型中，计算出如果地球绕着不同类型的恒星运行时，它会接收到多少辐射，从而得出给定恒星光度下PAR光子的产生率。结果显示，与太阳相比，红矮星发出更多的低能光子，并且发光较少，这意味着它们每秒发射更少的PAR光子，因此围绕着它们运行的星球也将接收到更少的PAR。最终的研究结果不乐观，研究人员认为，红矮星周围可能并不会有生命。

不过在2018年，英国伦敦帝国理工学院的研究人员在美国黄石国家公园发现了蓝绿藻的一种特殊的光合作用。通常光合作用主要是绿色色素叶绿素a进行的，所有的植物和光合细菌都有叶绿素a，而研究人员们发现，在适当的条件下，另一种叫做叶绿素f的色素也可以进行光合作用，而且是利用更低能量的红外光来进行光合作用。叶绿素f是地球上已知的第五种叶绿素分子类型，最早是在2010年由澳大利亚悉尼大学的研究人员在西澳大利亚鲨鱼湾的叠层岩发现的。叠层岩是由光合细菌建造的岩石状结构，这些光合细菌被称为蓝细菌。

这个发现意味着，系外行星，如红矮星周围的行星上也可能有生命，它们像蓝细菌一样利用红外光进行光合作用。如此看来，科学家们需要重新调整寻找外星生命的条件了。

那么，外星球的光合生物是什么样的呢？

外星球的彩虹植物

由于每颗行星围绕的恒星不同，每颗行星的大气层也不同，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绿色的，而是黑色、红色、黄色或者蓝色等其他颜色。

一些富有想象力的科学家在思考，不同的光子数量和能量如何在其他行星环境中驱动光合作用。他们分析了目标行星围绕的恒星所发出的辐射，并计算了该行星表面获得的恒星辐射，从而确定出最有利于该行星的光合作用的光谱。结果显示，一颗行星上的光合生物是什么颜色，大部分取决于该行星围绕什么样的恒星运行。

比如F型恒星更大、更热，并发出更多高能光，受到F型主序星光照射的植物会得到大量的蓝光，很可能反射过多的高能光子，因此在F型主序星周围的行星上的植物可能是蓝色的。而M型恒星更小、更冷，发射低能光子。M型恒星周围的行星上，光子非常宝贵，这可能促使那里的光合生物进化出吸收不同光谱的能力。这意味着，如果我们有机会到一颗围绕M型恒星的系外行星去，说不定我们会看到长满五颜六色叶子的植物，甚至可能看到吸收所有可见光谱的黑色植物。

随着科学家对光合作用的了解越来越多，我们不仅更深入地了解地球生命获得能量的过程，也为寻找外星生命提供了线索。或许未来，我们就能根据系外行星的光谱找到另一个生命乐园，而且在那里或许我们还能看到彩虹色系的生物。