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。