外星植物什么颜色 光合作用在外星如何进行

    一般说来，在光线较暗的环境中，生物体的生长速度都很慢，因为它们要付出更多的努力，才能捕捉到那少得可怜的光线。在光线充足的地表，植物没有必要制造多余的色素，因此它们可以“挑剔”地选择吸收某种光线。这样的进化原则可能也适用于其他行星。

    正如水生生物适应水的滤光作用一样，陆生生物也适应了大气的滤光作用。在地球大气层顶端，黄色光子(波长为560～590纳米)的数量最多。随着海拔降低，波长较长的光子逐渐减少，短波长光子更是急剧减少。阳光透过上层大气时，水蒸气吸收波长大于700纳米的红外线，氧分子吸收波长为687和761纳米的光线(即氧气的吸收谱线)。在平流层，臭氧(O3)会吸收大量的紫外线以及少量可见光。

    总而言之，大气层设置了一系列“窗户”，阳光要穿过这些窗户，才能抵达地面。“窗户”为可见光波段设定了范围：波长较短的称为蓝色端，是由阳光中的短波长光子数量锐减，以及臭氧层大量吸收紫外线而形成的；波长较长的则被称为红色端，由氧气的吸收谱线形成。由于臭氧对可见光区内的多种光线都有吸收作用，各种光子的数量也发生了变化，原本数量最多的是黄色光子，现在则为红色光子(波长约为685纳米)。

    在很大程度上，植物的吸收光谱由氧气决定，而这些氧气又是植物释放出来的。最早的光合生物在地球上出现时，大气中氧气浓度极低，因此这些生物用于捕捉阳光的色素，必然不同于叶绿素(如果是叶绿素，植物光合作用就会释放大量氧气)。随着时间流逝，光合作用改变了大气组成，叶绿素也就成为了植物的最佳选择。

    根据化石记录，科学家推断光合作用产生于距今34亿年前。不过也有一些化石显示，光合作用可能在更早以前就出现了。早期光合生物只能在水下生存，因为水是很好的溶剂，有利于生化反应的进行，而且它还能为生物遮挡阳光中的紫外线。在臭氧层还未形成的时候，水对生物的这种保护作用至关重要。最早的光合生物是吸收红外线的水下细菌，它们体内化学反应的主要反应物是氢、硫化氢或铁，由于水没有参与反应，这些细菌不会释放氧气。到27亿年前，能利用光合作用制造氧气的蓝细菌(cyanobacteria)出现了，地球大气层中的氧气浓度逐渐升高，臭氧层也开始形成——这给红藻和褐藻的出现创造了条件。随着臭氧层的日渐完善，紫外线对浅水层生物不再构成威胁时，绿藻便进化出来，它们没有藻胆素，更适应阳光下的生活。又过了20亿年，氧气浓度进一步提高，绿藻终于进化成为陆生植物。

    自此以后，植物数量便开始爆炸式增长，植株个体也越来越复杂——从地表的苔藓和地钱，到直冲云霄的参天大树，因为个体越高大，越利于捕捉阳光，也能更好地适应特殊气候。由于拥有圆锥形树冠，即便在太阳照射角度较低的高海拔地区，松树也能获得充足的阳光；利用花青素(anthocyanin)，喜阴植物还可以抵御强烈的阳光。绿色植物的叶绿素因大气成分的改变而出现，反过来又有助于维持目前的大气组成，这就形成了一个良性循环，使地球的绿色得以维持。也许，下一步进化会使树荫下的某个物种具有某种优势，让它们能利用藻胆素吸收绿光和黄光，不过处于高大的植物仍倾向于保持绿色。

    恒星决定生命形式

    在很大程度上，恒星的质量、温度决定着行星表面的环境状态，而环境状态又决定了生命能否出现、以什么样的形式出现。

    要想在另一个“太阳系”的行星上找到光合色素，天文学家必须研究行星演化的各个阶段，因为目标行星很可能相当于20亿年前的地球。另外，科学家还得考虑到，太阳系外的光合生物可能进化出与地球生物完全不同的特性，利用长波长光子就能分解水分子。

    在地球上，紫色不产氧光合细菌(purple anoxygenic bacteria)吸收的近红外光波长为1,015纳米，是所有光合生物能利用的波长最长的光线。而在产氧光合生物能利用的光线中，波长最长为720纳米，吸收这种光线的是一种海洋蓝细菌。虽然地球上的生物无法利用波长更长的光线，但这并不意味着，其他行星上的生物就不能利用长波长光线。大量长波光子也能起到与少量短波光子相同的作用。

    限制光合作用的因素，并不是植物是否具有某种新型色素，而是到达行星表面的、可为植物利用的光线——这些光线取决于恒星的类型。天文学家依据颜色对恒星进行分类，而颜色又与恒星的温度、体积和寿命有关。只有寿命足够长的恒星，才能孕育出复杂生命。满足这一条件的恒星，按照温度的高低，被天文学家分为F、G、K和M型(其中F型恒星温度最高，M型最低)。我们的太阳属于G型恒星；质量更大的F型恒星更亮更蓝，它们的能量将在20亿年内耗尽；K型和M型恒星质量较小，较红较暗，但寿命更长。

    在每种恒星周围，都有一个适合生物生存的区域(即宜居带，habitable zone)。在此区域之内，行星可以维持一定温度，保证液态水的存在。在太阳系中，这个区域覆盖了地球和火星轨道；但在F型恒星周围，与地球大小类似的行星必须离得更远，才可能适合生物生存；而在K型或M型恒星周围，“生命行星”与恒星的距离则应该更近一些。在F或K型恒星的宜居带内，行星能接收到的可见光与地球大致相当，因而可能孕育出类似于地球光合生物的生命形式，它们的色素颜色也只会在可见光范围内变动。

    M型恒星也叫红矮星，是银河系中数量最多的恒星。它发出的可见光子远少于太阳，近红外光子的数量却很多。苏格兰邓迪大学的生物学家约翰?雷文(John Raven)和爱丁堡皇家天文台的天文学家雷?沃尔斯登克罗夫特(Ray Wolstencroft)曾提出，产氧光合作用理论上可以利用近红外光。不过，地球植物用两个可见光子就可以分解一个水分子，而其他行星的生命体需要三四个近红外光子才能做到这一点。这些光子必须协同工作，为一个电子提供充足的能量，以驱动化学反应的进行。

    另一方面，M型恒星也为生命的诞生制造了一个大难题：年轻的M型恒星会发出强烈的紫外线。为了躲避紫外线，生命体不得不躲到深水层，但这样一来，它们就可能无法获得足够的光线，以致被“饿死”。如果情况得不到改变，光合生物就永远无法出现在M型恒星周围的行星上。幸好，随着M型恒星逐渐衰老，紫外线的强度将会减弱(甚至可能比太阳发出的还弱)，那时，行星上的生命体便无需臭氧层的保护，它们即使不释放氧气，也可以安全地呆在陆地表面。

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