外星植物什么颜色 光合作用在外星如何进行

    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。

    植物捕获阳光的方式堪称自然界的奇迹。以叶绿素为代表的光合色素宛如一个天线阵，其中每根“天线”都可以捕获某种波长的光子：叶绿素主要吸收红色和蓝色光子，类胡萝卜素(正是这种色素使秋天的树叶呈现鲜艳的红色和黄色)也吸收蓝色光子，但两种色素吸收的蓝色光子并不完全相同。所有光子的能量都会被输送到位于反应中心的特殊叶绿素分子上——在这里，水分子被分解，释放出氧气。

    色素分子选择何种颜色的光子，取决于能量的输送方式。只有获得一个红色光子，或以其他形式得到与红色光子相当的能量，反应中心的分子复合体才能启动化学反应。为了充分利用蓝色光子，色素分子们必须相互协作，降低蓝色光子的能量(把它变为红色)，正如一系列变压器，将高压线中的100,000伏电压降低到220伏，才能为家用电器供电。一个蓝色光子击中一个吸收蓝光的色素分子，激发分子中的一个电子时，“降压”反应便开始了；当受到激发的电子回到初始能量状态，蕴藏其中的能量便会释放出去。由于在电子恢复能量状态的过程中，会发生振动并产生热量，释放的能量总是小于当初所吸收的能量。

    电子并非以光子的形式释放能量，而是利用电反应，将能量传递给另一个色素分子。这个色素分子会进一步降低蓝色光子中的能量，直到高能的蓝色光子被转换为低能状态的红色光子。利用同样的方式，这一系列色素也能将青色、绿色或黄色光子转换成红色光子。流程终端的反应中心只能吸收能量最低的光子，而在地球表面，红色光子是可见光波段中数量最多、能量最低的光子。

    但对水生光合生物来说，红色光子的数量不一定是最充足的。水、水中的各种物质和水生生物本身，都有滤光作用，因此光线组成会随水深而变化。在海洋里，生活在不同深度的生物会拥有不同的体色。浅水层生物的色素适合吸收穿过水层的光子，藻类和蓝细菌就可以利用藻胆素(phycobilins)，吸收绿光和黄光；不产氧细菌(Anoxygenic bacteria)的细菌叶绿素则可以吸收红外和近红外光——只有这两种光线能穿透厚厚的水层，到达黑暗的水底。

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