行星上的光合作用會是什麼樣子?

北京時間11月11日消息,據國外媒體報道,卡爾·薩根將地球稱為“暗淡藍點”,但使地球如此獨一無二的顏色其實不是藍色、而是綠色。地球表面被綠色植被和藍藻細菌覆蓋,它們可以吸收大量紅光,同時反射大量來自太陽的可見光與紅外光。植物反射的光線與吸收的光線之間的這種反差形成了所謂的“紅邊”效應,成為了地球生命獨有的一項特徵

我們可以在地球的天體光譜中觀察到紅邊的存在。由於植物會吸收大量紅光,但極少吸收紅外光,因此該波段的光譜曲線會呈現出一道“陡坡”。地球上方的衛星會利用這一特徵追蹤植被生長狀態,天體生物學家或許也可以在其它行星上尋找這種特徵,將其作為生命存在的跡象之一。

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在《天文學與太空科學前沿》最近刊登的一項新研究中,科學家利用了多種光合作用的化學與物理模型,找到了在不同恆星周圍、最適宜植物吸收的最佳波長。

地球上的生命通過一種名叫“葉綠素a”的化學物質與陽光進行互動。該物質可以捕捉光線、用於光合作用。它們吸收的光線可以被植物用作生物過程中所需的能量。生物學家認為,植物之所以依賴葉綠素a,是因為它能使從陽光中吸收的能量最大化,同時使進行光合作用所需的能量最小化,從而使植物的能量產出率達到最高水平。

但如果太陽發出的光線顏色不同呢?葉綠素a還會是最適合這項任務的化學物質嗎?大概率不會,因為依賴其它恆星生長的植物也需要根據對應的光線進行調整,儘可能增大能量效率。這就意味着,如果我們要在其它恆星周圍的行星上尋找紅邊效應,很可能會一無所獲,因為這些行星上不一定是“紅”邊,可能是藍邊,可能是另一種色調的紅邊,甚至可能不在可見光範圍內。

圖中可以看出不同恆星周圍植物吸收的哪種光線最多。其中F型恆星最明亮,M型恆星最黯淡。

圖中可以看出不同恆星周圍植物吸收的哪種光線最多。其中F型恆星最明亮,M型恆星最黯淡。

這項新研究的研究人員由NASA艾姆斯研究中心、NASA戈達德太空飛行中心、以及華盛頓大學的科學家構成。他們考慮了多種因素,比如恆星光線中各個波長上的光量、類似地球的大氣造成的影響、以及細胞進行光合作用的能量消耗。他們的目標是,弄清未來的望遠鏡是否應當將“紅”邊視為系外生命存在的跡象、對其展開搜尋。

利用一系列化學與物理方程,他們建立了多個模型,確定不同類型恆星周圍植物進行光合作用的最佳波長。然後將這些模型的結果與地球植被相比較,重建了菠菜等植物的吸收光譜。通過將這些模型套用到菠菜等我們熟知的植物上,他們可以檢驗自己的計算正確與否。結果發現,在比太陽更明亮、更熾熱的恆星周圍(比如溫度比太陽高一半的F型恆星,植物傾向於吸收能量更高的光線,從而產生“藍邊”;而在溫度比太陽低的恆星周圍(比如K型和M型恆星),植物吸收的則主要是能量較低的光線,產生的邊顏色更紅、甚至接近紅外光。

有趣的是,除了溫度最低的一類恆星之外(溫度只有太陽的一半、甚至更低),這些模型產生的邊全部處於可見光範圍內。雖然光譜範圍很大,但最適合植物產生能量的光線依然集中在小小的可見光波段。研究人員在模型中還發現,無論在哪種恆星周圍,植物的生長都不會受能量多少的限制,反倒是土地、營養物質等因素造成的影響更大些。

這些模型在此前研究的基礎上有所改進。科學家此前認為,利用不同類型恆星的詳細光譜,恆星發出的光線可以建立為一個簡單的曲線模型。此外,他們之前一直在地球大氣的基礎上進行推斷,但系外行星的大氣成分可能與地球截然不同。由於大氣會吸收恆星發出的部分光線,大氣也會對行星表面植物吸收的光線造成影響。

雖然還有更多、更複雜的因素可以添加到這些模型中,比如不同的大氣成分、不同的葉片形狀等,但此次研究已經為搜索外星植物奠定了很好的基礎。在未來幾十年間,利用HabEx和LUVOIR等下一代太空望遠鏡,這些信息說不定真的能幫助科學家找到外星植被。這兩台太空望遠鏡應當能為我們提供類地行星的大氣光譜信息,甚至還可能在系外行星上發現紅邊(或藍邊)效應。(葉子)