綠色外星人是太過時了。在其他世界，植物可能是紅色、藍色、甚至黑色的。

關(guān)鍵概念

外星植物會是什么顏色？這個問題在科學(xué)上很重要，因為一個星球的表面顏色可以揭示出那里是否有任何生物存在——特別是，生物體是否通過光合作用的過程從母星收集能量。

光合作用是適應(yīng)到達生物體的光的光譜的。這個光譜是母星輻射光譜的結(jié)果，再加上行星大氣層的過濾作用，對于水生生物來說，還有液態(tài)水的過濾作用。

在比太陽更熱、更藍的恒星周圍，植物會傾向于吸收藍光，看起來可能是綠色、黃色和紅色。在紅矮星等較冷的恒星周圍，行星接受的可見光較少，所以植物可能會盡量吸收更多的可見光，使它們看起來是黑色的。

——編輯部

發(fā)現(xiàn)地外生命的前景不再是科幻小說或UFO獵人的領(lǐng)域。我們不是在等待外星人來找我們，而是在尋找他們。我們可能找不到技術(shù)上先進的文明，但我們可以尋找基本生命過程的物理和化學(xué)跡象。"在太陽系之外，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了上千顆圍繞其他恒星運行的世界，即所謂的太陽系外行星。盡管我們還不能確定這些行星是否孕育著生命，但現(xiàn)在只是一個時間問題。2007年7月，天文學(xué)家通過觀察星光穿過一顆太陽系外行星的大氣層，證實了該行星上存在水蒸氣。世界上的航天機構(gòu)現(xiàn)在正在開發(fā)望遠鏡，通過觀察行星的光光譜來尋找地球大小的行星上的生命跡象。

尤其是光合作用，可以產(chǎn)生非常明顯的生物特征。在另一個星球上出現(xiàn)光合作用的可能性有多大？非常有可能。在地球上，這個過程是成功的，以至于它是幾乎所有生命的基礎(chǔ)。盡管有些生物依靠海洋熱液噴口的熱量和甲烷生存，但地球表面豐富的生態(tài)系統(tǒng)都依賴于陽光。

光合作用的生物特征可能有兩種：生物產(chǎn)生的大氣氣體，如氧氣及其產(chǎn)物臭氧；以及表明存在特殊色素（如綠色葉綠素）的表面顏色。尋找這種色素的想法由來已久。一個世紀(jì)前，天文學(xué)家試圖將火星的季節(jié)性變暗歸因于植被的生長。他們研究了從火星表面反射的光的光譜，以尋找綠色植物的跡象。作家威爾斯（H. G. Wells）看到了這種策略的一個困難，他在《星際戰(zhàn)爭》中想象了一個不同的場景："火星上的蔬菜王國，不是以綠色為主色調(diào)，而是鮮艷的血紅色。" 雖然我們現(xiàn)在知道火星表面沒有植被（變黑是由沙塵暴造成的），但威爾斯有先見之明，他推測另一個星球上的光合生物體可能不是綠色。

即使是地球，除了綠色植物，也有多種多樣的光合作用生物。一些陸地植物有紅色的葉子，而水下的藻類和光合細菌有彩虹般的顏色。紫色細菌吸收太陽紅外輻射以及可見光。那么，在另一個星球上什么顏色會占主導(dǎo)地位？當(dāng)我們看到它時，我們將如何了解？答案取決于外星光合作用如何適應(yīng)來自與我們的太陽不同類型的母星的光，通過可能與地球成分不同的大氣層過濾的細節(jié)。

吸收光線

在試圖弄清光合作用在其他星球上可能如何運作時，第一步是要解釋它在地球上的情況。地球表面的太陽光能量光譜在藍綠色中達到頂峰，因此科學(xué)家們長期以來一直在撓頭，不明白為什么植物會反射綠色，從而浪費了似乎是最好的可用光線。答案是，光合作用并不取決于光能的總量，而是取決于每個光子的能量和構(gòu)成光的光子的數(shù)量。

而藍色光子比紅色光子攜帶更多的能量，太陽發(fā)出的紅色光子更多。植物利用藍色光子的質(zhì)量，利用紅色光子的數(shù)量。介于兩者之間的綠色光子既沒有能量，也沒有數(shù)量，所以植物已經(jīng)適應(yīng)吸收較少的綠色光子。

基本的光合作用過程將一個碳原子（從二氧化碳CO2，中獲得）固定為一個簡單的糖分子，至少需要八個光子。需要一個光子來分裂水（H2O）中的氧-氫鍵，從而獲得一個電子用于生化反應(yīng)。要創(chuàng)造一個氧氣分子（O2），必須打破總共四個這樣的鍵。這些光子中的每一個都至少有一個額外的光子與之匹配，進行第二類反應(yīng)，形成糖。每個光子必須有最低限度的能量來驅(qū)動這些反應(yīng)。

植物收獲陽光的方式是大自然的一個奇跡。光合色素，如葉綠素，不是孤立的分子。它們在一個網(wǎng)絡(luò)中運行，就像一個天線陣列，每個天線都被調(diào)諧到接收特定波長的光子。葉綠素優(yōu)先吸收紅光和藍光，類胡蘿卜素（產(chǎn)生秋天葉子上鮮艷的紅色和黃色）吸收稍微不同的藍色。所有這些能量都被輸送到化學(xué)反應(yīng)中心的一個特殊的葉綠素分子，使水分裂并釋放氧氣。

輸送過程是色素選擇顏色的關(guān)鍵。反應(yīng)中心的分子復(fù)合體只有在接收到紅色光子或其他形式的等量能量時才能進行化學(xué)反應(yīng)。為了利用藍色光子，天線色素協(xié)同工作，將高能量（從藍色光子）轉(zhuǎn)換為較低能量（更紅），就像一系列降壓變壓器，將十萬 伏的電力線降低到120 或 240 伏的墻上插座。當(dāng)藍色光子撞擊吸收藍色的色素并激發(fā)分子中的一個電子時，該過程就開始了。當(dāng)那個電子下降回到它的原始狀態(tài)時，它會釋放這種能量——但由于熱量和振動的能量損失，它釋放的能量少于它吸收的能量。

色素分子不是以另一個光子的形式釋放能量，而是以與另一個能夠在較低水平吸收能量的色素分子的電相互作用的形式釋放能量。反過來，這種色素釋放的能量甚至更少，因此該過程一直持續(xù)到原始的藍色光子能量被降級為紅色。色素陣列還可以將青色、綠色或黃色轉(zhuǎn)化為紅色。反應(yīng)中心作為級聯(lián)的接收端，適應(yīng)吸收最低能量的可用光子。在我們星球的表面，紅色光子是可見光譜中最豐富和最低的能量。

對于水下光合作用者來說，紅色光子不一定是最豐富的。由于水、溶解物質(zhì)和上覆生物本身對光的過濾，光生態(tài)位隨深度而變化。結(jié)果是根據(jù)色素的混合對生命形式進行了清晰的分層。較低水層中的生物體具有適合吸收上層留下的淺色的色素。例如，藻類和藍細菌具有被稱為藻膽素的色素，可以收獲綠色和黃色光子。非產(chǎn)氧（無氧）細菌具有吸收遠紅光和近紅外光的細菌葉綠素，這是穿透黑暗深處的全部。

適應(yīng)低光照條件的生物體往往生長較慢，因為它們必須付出更多的努力來收獲它們所能得到的任何光線。在星球的表面，光照充足，植物制造額外的色素是不利的，所以它們在使用顏色方面是有選擇性的。同樣的進化原則也會在其他世界發(fā)揮作用。

正如水生生物適應(yīng)了被水過濾的光線一樣，陸地居民也適應(yīng)了被大氣氣體過濾的光線。在地球大氣層的頂部，黃色光子（波長為560至590nm）是最豐富的一種。光子的數(shù)量隨著波長的延長而逐漸減少，隨著波長的縮短而陡然減少。當(dāng)太陽光通過大氣層上部時，水蒸氣吸收了超過700nm的幾個波長的紅外光。氧氣在687和761nm處產(chǎn)生吸收線——氣體阻擋的狹窄的波長范圍。我們都知道，平流層中的臭氧（O3）強烈吸收紫外線（UV）。鮮為人知的是，它對整個可見光范圍的吸收也很弱。

綜上所述，我們的大氣層劃出了窗口，輻射可以通過這些窗口到達地球表面?？梢娸椛浯翱诘乃{色邊緣由太陽發(fā)射的短波長光子強度的下降和臭氧對紫外線的吸收定義。紅色邊緣由氧氣吸收線定義。由于臭氧對可見光的廣泛吸收，光子豐度的峰值從黃色變?yōu)榧t色（約 685 nm）。

植物適應(yīng)了這種主要由氧氣決定的光譜——然而植物是將氧氣首先輸送到大氣中的。當(dāng)早期的光合生物第一次出現(xiàn)在地球上時，大氣中缺乏氧氣，所以它們一定使用了與葉綠素不同的色素。只是隨著時間的推移，隨著光合作用改變了大氣成分，葉綠素才成為最佳選擇。

光合作用的確切化石證據(jù)可以追溯到大約34億年前（3.4Ga），但更早的化石顯示了可能是光合作用的跡象。早期的光合作用必須從水下開始，部分原因是水是生化反應(yīng)的良好溶劑，部分原因是它提供了對太陽紫外線輻射的保護，這在沒有大氣臭氧層的情況下是至關(guān)重要的。這些最早的光合作用者是吸收紅外光子的水下細菌。它們的化學(xué)反應(yīng)涉及氫氣、硫化氫或鐵，而不是水，所以它們不產(chǎn)生氧氣。生成氧氣（含氧）的海洋中的藍細菌的光合作用始于27億年前（ 2.7 Ga ）。氧氣水平和臭氧層慢慢建立起來，允許紅藻和褐藻出現(xiàn)。隨著較淺的水變得不受紫外線影響，綠藻進化了。它們?nèi)狈χ参锏鞍?，能更好地適應(yīng)表層水的亮光。最后，在氧氣開始在大氣中積累的20億年后，綠藻的后代植物出現(xiàn)在陸地上。

然后，植物生命的復(fù)雜性爆發(fā)了，從地面上的苔蘚和地錢到具有高大樹冠的維管束植物，這些植物可以捕捉更多的光線，并對特定的氣候有特殊的適應(yīng)性。針葉樹有圓錐形的樹冠，在陽光角度較低的高緯度地區(qū)能有效地捕捉光線；適應(yīng)陰涼的植物有花青素作為防曬劑，防止光線太強。綠色的葉綠素不僅很適合目前的大氣成分，而且還有助于維持這種成分——一種保持我們星球綠色的良性循環(huán)。也許進化的另一步將有利于一種生物體利用樹冠下的陰涼，利用吸收綠色和黃色光線的葉綠素。但是頂部的生物仍然可能保持綠色。

把世界涂成紅色

為了在另一個太陽系的另一顆行星上尋找光合色素，天文學(xué)家必須準(zhǔn)備好在其演化的任何可能階段觀察行星。例如，他們可能會看到一顆看起來像20億年前的地球的行星。他們還必須考慮到，太陽系外的光合作用者可能已經(jīng)進化出了它們在這里的同行所沒有的能力，例如使用更長波長的光子來分裂水。

目前在地球上觀察到的最長波長的光合作用是大約1,015nm（紅外線），在紫色的無氧細菌中。觀察到的最長波長的含氧光合作用是大約720nm，在一種海洋藍藻中。但物理學(xué)定律沒有設(shè)定嚴(yán)格的上限。大量的長波長光子可以達到與少數(shù)短波長光子相同的目的。

限制因素不是新型色素的可行性，而是行星表面可用的光譜，這主要取決于恒星的類型。天文學(xué)家根據(jù)顏色對恒星進行分類，這與溫度、大小和壽命有關(guān)。只有某些類型的恒星壽命足夠長，可以讓復(fù)雜的生命進化。這些恒星從最熱到最冷，依次是F、G、K和M型。我們的太陽是一顆G型恒星。F型恒星更大，燃燒得更亮更藍，需要幾十億年才能用完它們的燃料。K和M星更小，更暗，更紅，壽命更長。

在這些恒星的周圍都有一個宜居區(qū)，這是一個行星可以保持一定溫度的軌道范圍，可以產(chǎn)生液態(tài)水。在我們的太陽系中，宜居區(qū)是一個包括地球和火星軌道的環(huán)。對于F型恒星來說，地球大小行星的宜居區(qū)在更遠的地方；對于K或M型恒星來說，則更近。一顆位于F或K型恒星宜居區(qū)的行星所接受的可見輻射量與地球差不多。這樣一顆行星可以很容易地支持像地球上那樣的含氧光合作用。色素的顏色可能只是在可見光波段內(nèi)發(fā)生了變化。

M型主序星，也被稱為紅矮星，具有特殊的意義，因為它們是我們銀河系中最豐富的恒星類型。它們發(fā)出的可見輻射比我們的太陽少得多；它們的輸出在近紅外線中達到高峰。蘇格蘭鄧迪大學(xué)的生物學(xué)家約翰·雷文（John Raven）和愛丁堡皇家天文臺的天文學(xué)家雷·沃爾斯滕克羅夫特（Ray Wolstencroft）提出，理論上可以用近紅外光子進行含氧光合作用。一個生物體必須使用三或四個近紅外光子來分裂H2O，而不是地球上的植物所需的兩個。這些光子像火箭的各個階段一樣共同工作，在電子進行化學(xué)反應(yīng)時為其提供必要的能量。

M型主序星對生命構(gòu)成了一個額外的挑戰(zhàn)：當(dāng)年輕時，它們會發(fā)出強烈的紫外線耀斑。生物體可以在水下深處避開破壞性的紫外線輻射，但是它們會不會因此而缺乏光照？如果是這樣，光合作用可能就不會出現(xiàn)。不過，隨著M型主序星的老化，它們不再產(chǎn)生耀斑，這時它們發(fā)出的紫外線輻射甚至比我們的太陽還少。生物體將不需要一個吸收紫外線的臭氧層來保護它們；即使它們不產(chǎn)生氧氣，它們也可以在陸地上茁壯成長。

總之，天文學(xué)家必須根據(jù)恒星的年齡和類型來考慮四種情況。

厭氧的、海洋生命。母星是一顆任何類型的年輕恒星。生物體不一定產(chǎn)生氧氣；大氣層可能主要是其它氣體，如甲烷。

有氧的、海洋生命。母星是一顆任何類型的較老的恒星。已經(jīng)有足夠的時間來進行含氧光合作用，并開始積累大氣中的氧氣。

有氧，陸地生命。母星是一顆任何類型的成熟恒星。植物覆蓋土地。地球上的生命現(xiàn)在正處于這個階段。

無氧，陸地生命。這顆恒星是一顆安靜的M型主序星，所以紫外線輻射可以忽略不計。植物覆蓋土地，但可能不產(chǎn)生氧氣。

這些不同情況下的光合作用生物特征顯然不會相同。根據(jù)地球衛(wèi)星圖像的經(jīng)驗，天文學(xué)家們預(yù)計，海洋中的任何生命都會分布得太稀疏，望遠鏡無法看到。因此，前兩種情況不會產(chǎn)生強烈的色素生物特征；生命將只通過其產(chǎn)生的大氣氣體向我們展示自己。因此，研究外星植物顏色的研究人員把重點放在陸地植物上，要么是在F、G和K型恒星周圍具有含氧光合作用的行星上，要么是在M型主序星周圍具有任何類型光合作用的行星上。

黑色是其它星球的綠色

無論具體情況如何，光合色素仍然必須滿足與地球上相同的規(guī)則：色素傾向于吸收最豐富的光子、最短的可用波長（最具能量）或最長的可用波長（反應(yīng)中心吸收的地方）。為了解決恒星類型如何決定植物顏色的問題，來自許多學(xué)科的研究人員把所有的恒星、行星和生物部分放在一起研究。

加州大學(xué)伯克利分校的恒星天文學(xué)家馬丁·科恩（Martin Cohen）收集了F型主序星（梗河二）、K型主序星（天苑四）、一顆活躍燃燒的M型主序星（AD Leo）和一顆溫度為3100開爾文（2826.85-°C）的假設(shè)安靜的M型主序星的數(shù)據(jù)。墨西哥國立自治大學(xué)的天文學(xué)家安提戈娜·塞古拉（Antígona Segura）對這些恒星宜居區(qū)的類地行星進行了計算機模擬。塞古拉利用現(xiàn)在在亞利桑那大學(xué)的亞歷山大·帕夫洛夫（Alexander Pavlov）和賓夕法尼亞州立大學(xué)的詹姆斯·卡斯特（James Kasting）開發(fā)的模型，研究了恒星輻射和大氣層的可能成分之間的相互作用（假設(shè)這些世界上的火山釋放出與地球上相同的氣體），以推斷行星的大氣化學(xué)成分，包括可忽略的氧氣和類似地球的氧氣水平。

倫敦大學(xué)學(xué)院的物理學(xué)家焦萬娜·蒂內(nèi)蒂（Giovanna Tinetti）利用塞古拉的結(jié)果，通過應(yīng)用加州帕薩迪納噴氣推進實驗室的戴維·克里斯普（David Crisp）開發(fā)的模型來計算輻射的過濾情況。解釋這些計算需要我們五個人的綜合知識：萊斯大學(xué)的微生物生物學(xué)家珍妮特·施法特費爾特（Janet Siefert），圣路易斯華盛頓大學(xué)的生物化學(xué)家羅伯特·布蘭肯西普（Robert Blankenship）和伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的戈文吉（Govindjee），華盛頓大學(xué)的行星科學(xué)家維多利亞·米道斯（Victoria Meadows），以及我，NASA戈達德空間研究所（NASA Goddard Institute for Space Studies）的生物氣象學(xué)家。

我們發(fā)現(xiàn)，到達F型主序星周圍行星表面的光子往往是藍色的，在451納米處的豐度最大。在K型主序星周圍，峰值為667納米的紅色，幾乎與地球上相同。臭氧發(fā)揮了強大的作用，使F型主序星的光比其他地方更藍，K型主序星的光更紅。對光合作用有用的輻射將在可見光范圍內(nèi)，與地球上一樣。

因此，F(xiàn)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樣的顏色，但有細微的變化。對于F型主序星來說，大量的高能藍色光子太強烈，植物可能需要用一種類似于花青素的篩選色素來反射它，使它們具有藍色的色調(diào)。或者，植物可能只需要收獲藍色，通過紅光拋棄低質(zhì)量的綠色。這將在反射光的光譜中產(chǎn)生一個獨特的藍色邊緣，這對望遠鏡觀察者來說會很突出。

M型主序星的溫度范圍使得外星植物的顏色有非常大的變化成為可能。一顆圍繞著安靜的M型主序星的行星將收到地球從我們的太陽那里得到的大約一半的能量。盡管這對生物來說是足夠的，比適應(yīng)陰涼的地球植物所需的最低能量多出大約60倍，但大部分的光子都是近紅外的。進化可能有利于更多種類的光合作用色素，以挑選出全部的可見光和紅外線。由于反射的光很少，植物在我們眼里甚至可能是黑色的。

蒼白的紫點

地球上的生命經(jīng)驗表明，F(xiàn)、G和K型恒星周圍行星上的早期海洋光合作用者可以在最初的無氧大氣中生存下來，并發(fā)展出最終導(dǎo)致陸地植物的含氧光合作用。對于M型恒星，情況就比較棘手了。我們計算出一個 "最佳位置"，大約在水下9米處，早期的光合作用器可以在該位置既能經(jīng)受住紫外線耀斑，又能獲得足夠的光照以進行生產(chǎn)。盡管我們可能無法通過望遠鏡看到它們，但這些生物體可能為行星表面的生命創(chuàng)造條件。在M型恒星周圍的世界上，利用更廣泛顏色的陸地植物將幾乎和地球上的植物一樣有生產(chǎn)力。

對于所有的恒星類型，一個重要的問題將是一個行星的陸地面積是否大到足以讓即將到來的太空望遠鏡看到。第一代的這些望遠鏡將把行星看成一個單點；它們將缺乏分辨率來制作表面地圖。科學(xué)家們所擁有的只是一個全球平均的光譜。Tinetti計算出，要使陸地植物在這個光譜中顯示出來，至少有20%的表面必須是被植被覆蓋且沒有云層的陸地。另一方面，海洋的光合作用向大氣中釋放更多的氧氣。因此，色素的生物特征越突出，氧氣的生物特征就越弱，反之亦然。天文學(xué)家可能會看到其中之一，但不會同時看到兩者。

如果太空望遠鏡在一顆行星的反射光譜中看到了預(yù)測顏色之一的暗帶，那么從電腦上監(jiān)控觀察的人可能是第一個看到另一個世界上生命跡象的人。當(dāng)然，還必須排除其他錯誤的解釋，例如礦物是否會有同樣的特征?，F(xiàn)在，我們可以確定一個貌似合理的調(diào)色板，表明另一個星球上有植物生命；例如，我們預(yù)測另一個地球有綠色、黃色或橙色植物。但目前還很難做出更精細的預(yù)測。在地球上，我們已經(jīng)能夠確定葉綠素的特征是植物所特有的，這就是為什么我們可以用衛(wèi)星探測植物和海洋浮游植物。我們將不得不為其他星球找出植被的獨特特征。

在其他星球上尋找生命——豐富的生命，而不僅僅是化石或在極端條件下勉強維持生計的微生物——是一個快速接近的現(xiàn)實。鑒于宇宙中有這么多的恒星，我們應(yīng)該以哪些恒星為目標(biāo)？我們是否能夠測量M型恒星行星的光譜，這些行星往往離它們的恒星非常近？新望遠鏡需要什么樣的波長范圍和分辨率？我們對光合作用的理解將是設(shè)計這些任務(wù)和解釋其數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。這樣的問題以一種剛剛開始的方式推動了科學(xué)的綜合。我們尋找宇宙中其他地方的生命的能力最終需要我們對地球上的生命有最深刻的了解。

關(guān)于作者

江耀蘭（Nancy Y. Kiang）是位于紐約市的NASA戈達德空間研究所的生物氣象學(xué)家。她專門研究生態(tài)系統(tǒng)和大氣層之間相互作用的計算機模擬，這有助于調(diào)節(jié)氣候。此外，她還是虛擬行星實驗室的成員，這是NASA天體生物學(xué)研究所的一個團隊，研究如何探測其它世界上的生命。江耀蘭也是一名獨立電影制片人；她的短片《團結(jié)》已經(jīng)在電影節(jié)上亮相。

拓展閱讀

1.光合作用的光譜特征IIii: 與其他恒星的共同進化和太陽系外世界的大氣層。Nancy Y. Kiang, Antígona Segura, Giovanna Tinetti, Govindjee, Robert E. Blankenship,Martin Cohen, Janet Siefert, David Crisp和Victoria S. Meadows發(fā)表在《天體生物學(xué)》雜志上。天體生物學(xué)，M星特刊，第7卷，第1期，第252-274頁。2007年2月1日。http://pubs.giss.NASAnasa.gov/docs/2007/2007_Kiang_etal_2.pdf

2.一個凌日太陽系外行星大氣層中的水蒸氣。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》雜志，第448卷。第169-171頁；2007年7月12日。www.arxiv.org/abs/0707.3064

3.虛擬行星實驗室。http://vpl.astro.washington.edu

4.天體生物學(xué)雜志。www.astrobio.net

原文地址

《科學(xué)美國人》（Scientific American）2008年4月 第298卷第4期?第48-55頁?The Color of Plants on Other Worlds?By?Nancy Y. Kiang?