其它星球上的植物长啥颜色?


绿色外星人是太过时了。在其他世界,植物可能是红色、蓝色、甚至黑色的。
关键概念
外星植物会是什么颜色?这个问题在科学上很重要,因为一个星球的表面颜色可以揭示出那里是否有任何生物存在——特别是,生物体是否通过光合作用的过程从母星收集能量。
光合作用是适应到达生物体的光的光谱的。这个光谱是母星辐射光谱的结果,再加上行星大气层的过滤作用,对于水生生物来说,还有液态水的过滤作用。
在比太阳更热、更蓝的恒星周围,植物会倾向于吸收蓝光,看起来可能是绿色、黄色和红色。在红矮星等较冷的恒星周围,行星接受的可见光较少,所以植物可能会尽量吸收更多的可见光,使它们看起来是黑色的。
——编辑部
发现地外生命的前景不再是科幻小说或UFO猎人的领域。我们不是在等待外星人来找我们,而是在寻找他们。我们可能找不到技术上先进的文明,但我们可以寻找基本生命过程的物理和化学迹象。"在太阳系之外,天文学家已经发现了上千颗围绕其他恒星运行的世界,即所谓的太阳系外行星。尽管我们还不能确定这些行星是否孕育着生命,但现在只是一个时间问题。2007年7月,天文学家通过观察星光穿过一颗太阳系外行星的大气层,证实了该行星上存在水蒸气。世界上的航天机构现在正在开发望远镜,通过观察行星的光光谱来寻找地球大小的行星上的生命迹象。
尤其是光合作用,可以产生非常明显的生物特征。在另一个星球上出现光合作用的可能性有多大?非常有可能。在地球上,这个过程是成功的,以至于它是几乎所有生命的基础。尽管有些生物依靠海洋热液喷口的热量和甲烷生存,但地球表面丰富的生态系统都依赖于阳光。
光合作用的生物特征可能有两种:生物产生的大气气体,如氧气及其产物臭氧;以及表明存在特殊色素(如绿色叶绿素)的表面颜色。寻找这种色素的想法由来已久。一个世纪前,天文学家试图将火星的季节性变暗归因于植被的生长。他们研究了从火星表面反射的光的光谱,以寻找绿色植物的迹象。作家威尔斯(H. G. Wells)看到了这种策略的一个困难,他在《星际战争》中想象了一个不同的场景:"火星上的蔬菜王国,不是以绿色为主色调,而是鲜艳的血红色。" 虽然我们现在知道火星表面没有植被(变黑是由沙尘暴造成的),但威尔斯有先见之明,他推测另一个星球上的光合生物体可能不是绿色。
即使是地球,除了绿色植物,也有多种多样的光合作用生物。一些陆地植物有红色的叶子,而水下的藻类和光合细菌有彩虹般的颜色。紫色细菌吸收太阳红外辐射以及可见光。那么,在另一个星球上什么颜色会占主导地位?当我们看到它时,我们将如何了解?答案取决于外星光合作用如何适应来自与我们的太阳不同类型的母星的光,通过可能与地球成分不同的大气层过滤的细节。

矮星)是脆弱的,所以在一个类似地球的轨道上的植物 可能需要黑色的植物来吸收所有可用的光线 (第一幅)。年轻的M型主序星用紫外线耀斑炸毁行星表面,所以任何生物都必须是水生的(第二幅)。我们的太阳是G型(第三幅)。在F型主序星周围,植物可能得到太多的光量,需要反射大部分的光(第四幅)。
吸收光线
在试图弄清光合作用在其他星球上可能如何运作时,第一步是要解释它在地球上的情况。地球表面的太阳光能量光谱在蓝绿色中达到顶峰,因此科学家们长期以来一直在挠头,不明白为什么植物会反射绿色,从而浪费了似乎是最好的可用光线。答案是,光合作用并不取决于光能的总量,而是取决于每个光子的能量和构成光的光子的数量。
而蓝色光子比红色光子携带更多的能量,太阳发出的红色光子更多。植物利用蓝色光子的质量,利用红色光子的数量。介于两者之间的绿色光子既没有能量,也没有数量,所以植物已经适应吸收较少的绿色光子。
基本的光合作用过程将一个碳原子(从二氧化碳CO2,中获得)固定为一个简单的糖分子,至少需要八个光子。需要一个光子来分裂水(H2O)中的氧-氢键,从而获得一个电子用于生化反应。要创造一个氧气分子(O2),必须打破总共四个这样的键。这些光子中的每一个都至少有一个额外的光子与之匹配,进行第二类反应,形成糖。每个光子必须有最低限度的能量来驱动这些反应。
植物收获阳光的方式是大自然的一个奇迹。光合色素,如叶绿素,不是孤立的分子。它们在一个网络中运行,就像一个天线阵列,每个天线都被调谐到接收特定波长的光子。叶绿素优先吸收红光和蓝光,类胡萝卜素(产生秋天叶子上鲜艳的红色和黄色)吸收稍微不同的蓝色。所有这些能量都被输送到化学反应中心的一个特殊的叶绿素分子,使水分裂并释放氧气。

输送过程是色素选择颜色的关键。反应中心的分子复合体只有在接收到红色光子或其他形式的等量能量时才能进行化学反应。为了利用蓝色光子,天线色素协同工作,将高能量(从蓝色光子)转换为较低能量(更红),就像一系列降压变压器,将十万 伏的电力线降低到120 或 240 伏的墙上插座。当蓝色光子撞击吸收蓝色的色素并激发分子中的一个电子时,该过程就开始了。当那个电子下降回到它的原始状态时,它会释放这种能量——但由于热量和振动的能量损失,它释放的能量少于它吸收的能量。
色素分子不是以另一个光子的形式释放能量,而是以与另一个能够在较低水平吸收能量的色素分子的电相互作用的形式释放能量。反过来,这种色素释放的能量甚至更少,因此该过程一直持续到原始的蓝色光子能量被降级为红色。色素阵列还可以将青色、绿色或黄色转化为红色。反应中心作为级联的接收端,适应吸收最低能量的可用光子。在我们星球的表面,红色光子是可见光谱中最丰富和最低的能量。
对于水下光合作用者来说,红色光子不一定是最丰富的。由于水、溶解物质和上覆生物本身对光的过滤,光生态位随深度而变化。结果是根据色素的混合对生命形式进行了清晰的分层。较低水层中的生物体具有适合吸收上层留下的浅色的色素。例如,藻类和蓝细菌具有被称为藻胆素的色素,可以收获绿色和黄色光子。非产氧(无氧)细菌具有吸收远红光和近红外光的细菌叶绿素,这是穿透黑暗深处的全部。

适应低光照条件的生物体往往生长较慢,因为它们必须付出更多的努力来收获它们所能得到的任何光线。在星球的表面,光照充足,植物制造额外的色素是不利的,所以它们在使用颜色方面是有选择性的。同样的进化原则也会在其他世界发挥作用。
正如水生生物适应了被水过滤的光线一样,陆地居民也适应了被大气气体过滤的光线。在地球大气层的顶部,黄色光子(波长为560至590nm)是最丰富的一种。光子的数量随着波长的延长而逐渐减少,随着波长的缩短而陡然减少。当太阳光通过大气层上部时,水蒸气吸收了超过700nm的几个波长的红外光。氧气在687和761nm处产生吸收线——气体阻挡的狭窄的波长范围。我们都知道,平流层中的臭氧(O3)强烈吸收紫外线(UV)。鲜为人知的是,它对整个可见光范围的吸收也很弱。
综上所述,我们的大气层划出了窗口,辐射可以通过这些窗口到达地球表面。可见辐射窗口的蓝色边缘由太阳发射的短波长光子强度的下降和臭氧对紫外线的吸收定义。红色边缘由氧气吸收线定义。由于臭氧对可见光的广泛吸收,光子丰度的峰值从黄色变为红色(约 685 nm)。

植物适应了这种主要由氧气决定的光谱——然而植物是将氧气首先输送到大气中的。当早期的光合生物第一次出现在地球上时,大气中缺乏氧气,所以它们一定使用了与叶绿素不同的色素。只是随着时间的推移,随着光合作用改变了大气成分,叶绿素才成为最佳选择。
光合作用的确切化石证据可以追溯到大约34亿年前(3.4Ga),但更早的化石显示了可能是光合作用的迹象。早期的光合作用必须从水下开始,部分原因是水是生化反应的良好溶剂,部分原因是它提供了对太阳紫外线辐射的保护,这在没有大气臭氧层的情况下是至关重要的。这些最早的光合作用者是吸收红外光子的水下细菌。它们的化学反应涉及氢气、硫化氢或铁,而不是水,所以它们不产生氧气。生成氧气(含氧)的海洋中的蓝细菌的光合作用始于27亿年前( 2.7 Ga )。氧气水平和臭氧层慢慢建立起来,允许红藻和褐藻出现。随着较浅的水变得不受紫外线影响,绿藻进化了。它们缺乏植物蛋白,能更好地适应表层水的亮光。最后,在氧气开始在大气中积累的20亿年后,绿藻的后代植物出现在陆地上。
然后,植物生命的复杂性爆发了,从地面上的苔藓和地钱到具有高大树冠的维管束植物,这些植物可以捕捉更多的光线,并对特定的气候有特殊的适应性。针叶树有圆锥形的树冠,在阳光角度较低的高纬度地区能有效地捕捉光线;适应阴凉的植物有花青素作为防晒剂,防止光线太强。绿色的叶绿素不仅很适合目前的大气成分,而且还有助于维持这种成分——一种保持我们星球绿色的良性循环。也许进化的另一步将有利于一种生物体利用树冠下的阴凉,利用吸收绿色和黄色光线的叶绿素。但是顶部的生物仍然可能保持绿色。

把世界涂成红色
为了在另一个太阳系的另一颗行星上寻找光合色素,天文学家必须准备好在其演化的任何可能阶段观察行星。例如,他们可能会看到一颗看起来像20亿年前的地球的行星。他们还必须考虑到,太阳系外的光合作用者可能已经进化出了它们在这里的同行所没有的能力,例如使用更长波长的光子来分裂水。
目前在地球上观察到的最长波长的光合作用是大约1,015nm(红外线),在紫色的无氧细菌中。观察到的最长波长的含氧光合作用是大约720nm,在一种海洋蓝藻中。但物理学定律没有设定严格的上限。大量的长波长光子可以达到与少数短波长光子相同的目的。
限制因素不是新型色素的可行性,而是行星表面可用的光谱,这主要取决于恒星的类型。天文学家根据颜色对恒星进行分类,这与温度、大小和寿命有关。只有某些类型的恒星寿命足够长,可以让复杂的生命进化。这些恒星从最热到最冷,依次是F、G、K和M型。我们的太阳是一颗G型恒星。F型恒星更大,燃烧得更亮更蓝,需要几十亿年才能用完它们的燃料。K和M星更小,更暗,更红,寿命更长。
在这些恒星的周围都有一个宜居区,这是一个行星可以保持一定温度的轨道范围,可以产生液态水。在我们的太阳系中,宜居区是一个包括地球和火星轨道的环。对于F型恒星来说,地球大小行星的宜居区在更远的地方;对于K或M型恒星来说,则更近。一颗位于F或K型恒星宜居区的行星所接受的可见辐射量与地球差不多。这样一颗行星可以很容易地支持像地球上那样的含氧光合作用。色素的颜色可能只是在可见光波段内发生了变化。
M型主序星,也被称为红矮星,具有特殊的意义,因为它们是我们银河系中最丰富的恒星类型。它们发出的可见辐射比我们的太阳少得多;它们的输出在近红外线中达到高峰。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·沃尔斯滕克罗夫特(Ray Wolstencroft)提出,理论上可以用近红外光子进行含氧光合作用。一个生物体必须使用三或四个近红外光子来分裂H2O,而不是地球上的植物所需的两个。这些光子像火箭的各个阶段一样共同工作,在电子进行化学反应时为其提供必要的能量。
M型主序星对生命构成了一个额外的挑战:当年轻时,它们会发出强烈的紫外线耀斑。生物体可以在水下深处避开破坏性的紫外线辐射,但是它们会不会因此而缺乏光照?如果是这样,光合作用可能就不会出现。不过,随着M型主序星的老化,它们不再产生耀斑,这时它们发出的紫外线辐射甚至比我们的太阳还少。生物体将不需要一个吸收紫外线的臭氧层来保护它们;即使它们不产生氧气,它们也可以在陆地上茁壮成长。
总之,天文学家必须根据恒星的年龄和类型来考虑四种情况。
厌氧的、海洋生命。母星是一颗任何类型的年轻恒星。生物体不一定产生氧气;大气层可能主要是其它气体,如甲烷。
有氧的、海洋生命。母星是一颗任何类型的较老的恒星。已经有足够的时间来进行含氧光合作用,并开始积累大气中的氧气。
有氧,陆地生命。母星是一颗任何类型的成熟恒星。植物覆盖土地。地球上的生命现在正处于这个阶段。
无氧,陆地生命。这颗恒星是一颗安静的M型主序星,所以紫外线辐射可以忽略不计。植物覆盖土地,但可能不产生氧气。
这些不同情况下的光合作用生物特征显然不会相同。根据地球卫星图像的经验,天文学家们预计,海洋中的任何生命都会分布得太稀疏,望远镜无法看到。因此,前两种情况不会产生强烈的色素生物特征;生命将只通过其产生的大气气体向我们展示自己。因此,研究外星植物颜色的研究人员把重点放在陆地植物上,要么是在F、G和K型恒星周围具有含氧光合作用的行星上,要么是在M型主序星周围具有任何类型光合作用的行星上。

黑色是其它星球的绿色
无论具体情况如何,光合色素仍然必须满足与地球上相同的规则:色素倾向于吸收最丰富的光子、最短的可用波长(最具能量)或最长的可用波长(反应中心吸收的地方)。为了解决恒星类型如何决定植物颜色的问题,来自许多学科的研究人员把所有的恒星、行星和生物部分放在一起研究。
加州大学伯克利分校的恒星天文学家马丁·科恩(Martin Cohen)收集了F型主序星(梗河二)、K型主序星(天苑四)、一颗活跃燃烧的M型主序星(AD Leo)和一颗温度为3100开尔文(2826.85°C)的假设安静的M型主序星的数据。墨西哥国立自治大学的天文学家安提戈娜·塞古拉(Antígona Segura)对这些恒星宜居区的类地行星进行了计算机模拟。塞古拉利用现在在亚利桑那大学的亚历山大·帕夫洛夫(Alexander Pavlov)和宾夕法尼亚州立大学的詹姆斯·卡斯特(James Kasting)开发的模型,研究了恒星辐射和大气层的可能成分之间的相互作用(假设这些世界上的火山释放出与地球上相同的气体),以推断行星的大气化学成分,包括可忽略的氧气和类似地球的氧气水平。
伦敦大学学院的物理学家焦万娜·蒂内蒂(Giovanna Tinetti)利用塞古拉的结果,通过应用加州帕萨迪纳喷气推进实验室的戴维·克里斯普(David Crisp)开发的模型来计算辐射的过滤情况。解释这些计算需要我们五个人的综合知识:莱斯大学的微生物生物学家珍妮特·施法特费尔特(Janet Siefert),圣路易斯华盛顿大学的生物化学家罗伯特·布兰肯西普(Robert Blankenship)和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的戈文吉(Govindjee),华盛顿大学的行星科学家维多利亚·米道斯(Victoria Meadows),以及我,NASA戈达德空间研究所(NASA Goddard Institute for Space Studies)的生物气象学家。

我们发现,到达F型主序星周围行星表面的光子往往是蓝色的,在451纳米处的丰度最大。在K型主序星周围,峰值为667纳米的红色,几乎与地球上相同。臭氧发挥了强大的作用,使F型主序星的光比其他地方更蓝,K型主序星的光更红。对光合作用有用的辐射将在可见光范围内,与地球上一样。
因此,F型主序星和K型主序星行星上的植物都可以有像地球上的植物一样的颜色,但有细微的变化。对于F型主序星来说,大量的高能蓝色光子太强烈,植物可能需要用一种类似于花青素的筛选色素来反射它,使它们具有蓝色的色调。或者,植物可能只需要收获蓝色,通过红光抛弃低质量的绿色。这将在反射光的光谱中产生一个独特的蓝色边缘,这对望远镜观察者来说会很突出。
M型主序星的温度范围使得外星植物的颜色有非常大的变化成为可能。一颗围绕着安静的M型主序星的行星将收到地球从我们的太阳那里得到的大约一半的能量。尽管这对生物来说是足够的,比适应阴凉的地球植物所需的最低能量多出大约60倍,但大部分的光子都是近红外的。进化可能有利于更多种类的光合作用色素,以挑选出全部的可见光和红外线。由于反射的光很少,植物在我们眼里甚至可能是黑色的。
苍白的紫点
地球上的生命经验表明,F、G和K型恒星周围行星上的早期海洋光合作用者可以在最初的无氧大气中生存下来,并发展出最终导致陆地植物的含氧光合作用。对于M型恒星,情况就比较棘手了。我们计算出一个 "最佳位置",大约在水下9米处,早期的光合作用器可以在该位置既能经受住紫外线耀斑,又能获得足够的光照以进行生产。尽管我们可能无法通过望远镜看到它们,但这些生物体可能为行星表面的生命创造条件。在M型恒星周围的世界上,利用更广泛颜色的陆地植物将几乎和地球上的植物一样有生产力。
对于所有的恒星类型,一个重要的问题将是一个行星的陆地面积是否大到足以让即将到来的太空望远镜看到。第一代的这些望远镜将把行星看成一个单点;它们将缺乏分辨率来制作表面地图。科学家们所拥有的只是一个全球平均的光谱。Tinetti计算出,要使陆地植物在这个光谱中显示出来,至少有20%的表面必须是被植被覆盖且没有云层的陆地。另一方面,海洋的光合作用向大气中释放更多的氧气。因此,色素的生物特征越突出,氧气的生物特征就越弱,反之亦然。天文学家可能会看到其中之一,但不会同时看到两者。
如果太空望远镜在一颗行星的反射光谱中看到了预测颜色之一的暗带,那么从电脑上监控观察的人可能是第一个看到另一个世界上生命迹象的人。当然,还必须排除其他错误的解释,例如矿物是否会有同样的特征。现在,我们可以确定一个貌似合理的调色板,表明另一个星球上有植物生命;例如,我们预测另一个地球有绿色、黄色或橙色植物。但目前还很难做出更精细的预测。在地球上,我们已经能够确定叶绿素的特征是植物所特有的,这就是为什么我们可以用卫星探测植物和海洋浮游植物。我们将不得不为其他星球找出植被的独特特征。
在其他星球上寻找生命——丰富的生命,而不仅仅是化石或在极端条件下勉强维持生计的微生物——是一个快速接近的现实。鉴于宇宙中有这么多的恒星,我们应该以哪些恒星为目标?我们是否能够测量M型恒星行星的光谱,这些行星往往离它们的恒星非常近?新望远镜需要什么样的波长范围和分辨率?我们对光合作用的理解将是设计这些任务和解释其数据的关键。这样的问题以一种刚刚开始的方式推动了科学的综合。我们寻找宇宙中其他地方的生命的能力最终需要我们对地球上的生命有最深刻的了解。
关于作者

江耀兰(Nancy Y. Kiang)是位于纽约市的NASA戈达德空间研究所的生物气象学家。她专门研究生态系统和大气层之间相互作用的计算机模拟,这有助于调节气候。此外,她还是虚拟行星实验室的成员,这是NASA天体生物学研究所的一个团队,研究如何探测其它世界上的生命。江耀兰也是一名独立电影制片人;她的短片《团结》已经在电影节上亮相。
拓展阅读
1.光合作用的光谱特征IIii: 与其他恒星的共同进化和太阳系外世界的大气层。Nancy Y. Kiang, Antígona Segura, Giovanna Tinetti, Govindjee, Robert E. Blankenship,Martin Cohen, Janet Siefert, David Crisp和Victoria S. Meadows发表在《天体生物学》杂志上。天体生物学,M星特刊,第7卷,第1期,第252-274页。2007年2月1日。http://pubs.giss.NASAnasa.gov/docs/2007/2007_Kiang_etal_2.pdf
2.一个凌日太阳系外行星大气层中的水蒸气。Giovanna Tinetti, Alfred Vidal-Madjar, Mao-Chang Liang, Jean-Philippe Beaulieu, Yuk Yung,Sean Carey, Robert J. Barber, Jonathan Tennyson, Ignasi Ribas, Nicole Allard, Gilda E. Ballester, David K. Sing和 Franck Selsis在《自然》杂志,第448卷。第169-171页;2007年7月12日。www.arxiv.org/abs/0707.3064
3.虚拟行星实验室。http://vpl.astro.washington.edu
4.天体生物学杂志。www.astrobio.net
原文地址

《科学美国人》(Scientific American)2008年4月 第298卷第4期 第48-55页 The Color of Plants on Other Worlds By Nancy Y. Kiang