在地球上，絕大多數植物的葉子都是綠色的，因為它們要通過(guò)葉片中的葉綠素來(lái)進(jìn)行光合作用，將陽(yáng)光轉化成能量。從光學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，葉片之所以是綠色的，是因為它們吸收了光譜中的紅色和藍色區的幾乎所有的光子，而只吸收不到90%的綠色光。這是一個(gè)奇怪的現象，因為太陽(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

　　在不久前的一項研究中，美國加州大學(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(guò)程中不完全吸收綠光的原因。納撒尼爾·加伯的專(zhuān)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(guò)程中到底發(fā)生了什么事，他組建了一個(gè)團隊，和一些植物學(xué)家伙伴一起研究這個(gè)問(wèn)題。

　　
 

　　在昏暗的恒星周?chē)?，或在距離明亮的恒星較遠的行星上，植物可能會(huì )顯得暗淡，因為它們更努力地捕獲可見(jiàn)光，甚至是接近紅外和紫外線(xiàn)光譜的光。

　　我們都知道，光合作用的第一步發(fā)生在一個(gè)集光復合體中，這是一個(gè)內含色素的蛋白質(zhì)網(wǎng)，形成天線(xiàn)復合物，可以捕獲光子。綠色植物中的葉綠素吸收光并將能量轉移到反應中心，在那里開(kāi)始產(chǎn)生供細胞使用的光學(xué)能。在這一階段，幾乎所有被吸收的光都被轉換成系統可以使用的電子。

　　但是細胞內部的天線(xiàn)復合物一直在移動(dòng)，這種運動(dòng)降低了能量流動(dòng)的效率;另外，落在植物上的光照強度快速波動(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(lái)說(shuō)，加伯清楚地知道，穩定的電能輸入和穩定的化學(xué)能輸出是電池最理想的狀態(tài)——輸入到反應中心的光子過(guò)少，會(huì )導致能量衰竭;過(guò)多則會(huì )導致各種過(guò)充電現象。這樣說(shuō)來(lái)，綠光的能量最強，如果在吸收過(guò)程中綠光輸入過(guò)快過(guò)多，那么植物是否也會(huì )出現“過(guò)充電”的現象呢?

　　為了驗證這個(gè)問(wèn)題，加伯和他的同事開(kāi)發(fā)了一個(gè)植物采光系統模型，并將其置于樹(shù)冠上。結果顯示，當吸收的綠光過(guò)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(shuō)明大量吸收綠光對植物來(lái)說(shuō)是有害的。

　　可見(jiàn)，植物的光合作用策略是穩中求發(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。

　　光合作用對于地球生命如此重要，在其他星球上可能也起著(zhù)重要的作用。那么其他星球的光合作用與地球一樣嗎?

　　另類(lèi)的光合作用

　　近年來(lái)，一些科學(xué)家認為，紅矮星周?chē)赡苁菍ふ业赝馍睦硐雸?chǎng)所，因為它們的體積小，更容易在周?chē)业降厍虼笮〉男行?。此外，紅矮星的壽命長(cháng)，可以為生命的出現和演化提供足夠長(cháng)的時(shí)間。不過(guò)這些恒星也有缺點(diǎn)——溫度太低，表面溫度大約只有3000K，因此它們如其名是紅色的，相對暗淡。那么圍繞在它們周?chē)男行巧鲜欠裼蓄?lèi)似地球的生物圈呢?

　　為了解決這個(gè)問(wèn)題，一組研究人員研究了光合作用所必需的光的波長(cháng)。這種被稱(chēng)為“光合有效輻射(簡(jiǎn)稱(chēng)PAR)”的可見(jiàn)光波長(cháng)在400納米～700納米之間。研究人員建立了模型，并將數據加入模型中，計算出如果地球繞著(zhù)不同類(lèi)型的恒星運行時(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(zhù)它們每秒發(fā)射更少的PAR光子，因此圍繞著(zhù)它們運行的星球也將接收到更少的PAR。最終的研究結果不樂(lè )觀(guān)，研究人員認為，紅矮星周?chē)赡懿⒉粫?huì )有生命。

　　
 

　　在比太陽(yáng)更亮的恒星周?chē)男行巧?，植物可能?huì )反射紅色和黃色光，還反射過(guò)多的藍色光，因此植物的顏色很鮮艷。

　　不過(guò)在2018年，英國倫敦帝國理工學(xué)院的研究人員在美國黃石國家公園發(fā)現了藍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菌都有葉綠素a，而研究人員們發(fā)現，在適當的條件下，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(lái)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(lèi)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(yú)灣的疊層巖發(fā)現的。疊層巖是由光合細菌建造的巖石狀結構，這些光合細菌被稱(chēng)為藍細菌。

　　這個(gè)發(fā)現意味著(zhù)，系外行星，如紅矮星周?chē)男行巧弦部赡苡猩?，它們像藍細菌一樣利用紅外光進(jìn)行光合作用。如此看來(lái)，科學(xué)家們需要重新調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，不同的光子數量和能量如何在其他行星環(huán)境中驅動(dòng)光合作用。他們分析了目標行星圍繞的恒星所發(fā)出的輻射，并計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 )得到大量的藍光，很可能反射過(guò)多的高能光子，因此在F型主序星周?chē)男行巧系闹参锟赡苁撬{色的。而M型恒星更小、更冷，發(fā)射低能光子。M型恒星周?chē)男行巧?，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(zhù)，如果我們有機會(huì )到一顆圍繞M型恒星的系外行星去，說(shuō)不定我們會(huì )看到長(cháng)滿(mǎn)五顏六色葉子的植物，甚至可能看到吸收所有可見(jiàn)光譜的黑色植物。

　　隨著(zhù)科學(xué)家對光合作用的了解越來(lái)越多，我們不僅更深入地了解地球生命獲得能量的過(guò)程，也為尋找外星生命提供了線(xiàn)索?；蛟S未來(lái)，我們就能根據系外行星的光譜找到另一個(gè)生命樂(lè )園，而且在那里或許我們還能看到彩虹色系的生物。