外星植物是什么颜色 光合作用在外星如何进行
2008-05-12 09:05:45 来源: 环球科学 网友评论 38 条 点击查看
- 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。
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。
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。