新研究：行星上的光合作用会是什么样子

北京时间 11 月 11 日消息，据国外媒体报道，卡尔・萨根将地球称为“暗淡蓝点”，但使地球如此独一无二的颜色其实不是蓝色、而是绿色。

地球表面被绿色植被和蓝藻细菌覆盖，它们可以吸收大量红光，同时反射大量来自太阳的可见光与红外光。植物反射的光线与吸收的光线之间的这种反差形成了所谓的“红边”效应，成为了地球生命独有的一项特征。我们可以在地球的天体光谱中观察到红边的存在。由于植物会吸收大量红光，但极少吸收红外光，因此该波段的光谱曲线会呈现出一道“陡坡”。地球上方的卫星会利用这一特征追踪植被生长状态，天体生物学家或许也可以在其它行星上寻找这种特征，将其作为生命存在的迹象之一。

在《天文学与太空科学前沿》最近刊登的一项新研究中，科学家利用了多种光合作用的化学与物理模型，找到了在不同恒星周围、最适宜植物吸收的最佳波长。

地球上的生命通过一种名叫“叶绿素 a”的化学物质与阳光进行互动。该物质可以捕捉光线、用于光合作用。它们吸收的光线可以被植物用作生物过程中所需的能量。生物学家认为，植物之所以依赖叶绿素 a，是因为它能使从阳光中吸收的能量最大化，同时使进行光合作用所需的能量最小化，从而使植物的能量产出率达到最高水平。

但如果太阳发出的光线颜色不同呢？叶绿素 a 还会是最适合这项任务的化学物质吗？大概率不会，因为依赖其它恒星生长的植物也需要根据对应的光线进行调整，尽可能增大能量效率。这就意味着，如果我们要在其它恒星周围的行星上寻找红边效应，很可能会一无所获，因为这些行星上不一定是“红”边，可能是蓝边，可能是另一种色调的红边，甚至可能不在可见光范围内。

▲ 图中可以看出不同恒星周围植物吸收的哪种光线最多。其中 F 型恒星最明亮，M 型恒星最黯淡。

这项新研究的研究人员由 NASA 艾姆斯研究中心、NASA 戈达德太空飞行中心、以及华盛顿大学的科学家构成。他们考虑了多种因素，比如恒星光线中各个波长上的光量、类似地球的大气造成的影响、以及细胞进行光合作用的能量消耗。他们的目标是，弄清未来的望远镜是否应当将“红”边视为系外生命存在的迹象、对其展开搜寻。

利用一系列化学与物理方程，他们建立了多个模型，确定不同类型恒星周围植物进行光合作用的最佳波长。然后将这些模型的结果与地球植被相比较，重建了菠菜等植物的吸收光谱。通过将这些模型套用到菠菜等我们熟知的植物上，他们可以检验自己的计算正确与否。结果发现，在比太阳更明亮、更炽热的恒星周围（比如温度比太阳高一半的 F 型恒星，植物倾向于吸收能量更高的光线，从而产生“蓝边”；而在温度比太阳低的恒星周围（比如 K 型和 M 型恒星），植物吸收的则主要是能量较低的光线，产生的边颜色更红、甚至接近红外光。

有趣的是，除了温度最低的一类恒星之外（温度只有太阳的一半、甚至更低），这些模型产生的边全部处于可见光范围内。虽然光谱范围很大，但最适合植物产生能量的光线依然集中在小小的可见光波段。研究人员在模型中还发现，无论在哪种恒星周围，植物的生长都不会受能量多少的限制，反倒是土地、营养物质等因素造成的影响更大些。

这些模型在此前研究的基础上有所改进。科学家此前认为，利用不同类型恒星的详细光谱，恒星发出的光线可以建立为一个简单的曲线模型。此外，他们之前一直在地球大气的基础上进行推断，但系外行星的大气成分可能与地球截然不同。由于大气会吸收恒星发出的部分光线，大气也会对行星表面植物吸收的光线造成影响。

虽然还有更多、更复杂的因素可以添加到这些模型中，比如不同的大气成分、不同的叶片形状等，但此次研究已经为搜索外星植物奠定了很好的基础。在未来几十年间，利用 HabEx 和 LUVOIR 等下一代太空望远镜，这些信息说不定真的能帮助科学家找到外星植被。这两台太空望远镜应当能为我们提供类地行星的大气光谱信息，甚至还可能在系外行星上发现红边（或蓝边）效应。

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