眾所周知，我們人類賴以呼吸的空氣實際上要歸功於我們周圍的綠色植物。我們從小就學到，植物（以及藻類和藍細菌）執行著至關重要的生物“魔術”，即光合作用，這有助於產生我們每次呼吸時吸入的大氣氧氣。
植物、藻類和藍細菌以只有生命才能做到的方式改變著我們的星球：它們利用光合作用完全改變地球大氣層的組成。自從人們懷疑火星上的塵捲風是植被的季節性變化以來，光合作用一直被認為是識別其他行星上是否存在生命的關鍵。
大氣氧（在液態水的存在下）和植物葉片的反射光譜都產生了可以從太空看到的生命跡象——被稱為“生物特徵”。因此，光合生物特徵是在遙遠太陽系行星上尋找生命的優先事項。 最大的問題是，太陽系外的光合作用會使用與地球上相同的色素嗎？
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續講述關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事。
更廣泛的光波長範圍
光合作用的過程顯然不僅僅是簡單的魔術。 基本上，光合生物吸收二氧化碳（CO2）、水（H2O）和光能，以產生糖類（即，使植物成為我們飲食主食的食物）。在此過程中，光合生物使用一種稱為葉綠素a（Chl a）的光色素來分解水分子併產生氧氣。[十大有毒植物]
直到最近，科學家們還認為葉綠素a是產氧光合作用中使用的唯一光色素。葉綠素a使用波長為400-700奈米的可見光光子。
根據NASA博士後Steve Mielke（一項新研究的主要作者）的說法，“人們過去認為，由於分解水分子對能量的嚴格要求，較長波長的光（能量較低）不能用於產氧光合作用。”
這種假設在1996年發生了改變，當時宮下秀明（Hideaki Miyashita）及其同事發現了一種藍細菌，名為Acaryochloris marina，它使用葉綠素d（Chl d）而不是葉綠素a，利用從可見光到近紅外（NIR）波長高達740奈米的光子進行產氧光合作用。
這一發現引發了關於光合作用所需光波長的許多問題。 科學家們想知道，A. marina利用低能量光子為生化反應提供動力有多困難。 它生存在幾乎沒有可見光的環境中，因為它獲得了葉綠素a生物體剩餘的光子。
然而，A. marina是否經常不能成功地利用較長波長的光子？它利用近紅外光的能力是否效率低下，處於產氧光合作用分子機制能夠處理的邊緣？或者，這些獨特的生物體實際上能在低能量光子下茁壯成長嗎？
新的研究表明，A. marina在低能量光子下生存時根本沒有困難。 事實上，這種藍細菌在能量儲存方面與依賴葉綠素a進行光合作用的生物體一樣有效，甚至更有效。
Mielke及其合作者使用了一種稱為脈衝時間分辨光聲學（PTRPA）的技術，將A. marina的光合作用能力與一種名為Synechococcus leopoliensis的葉綠素a藍細菌進行了比較。PTRPA涉及在受控波長下的雷射脈衝，並使研究團隊能夠測量藍細菌細胞的光子能量儲存效率（儲存的能量與輸入的能量之比）。
當在它們各自分解水分子所需的波長下測試葉綠素d和葉綠素a時，研究小組表明，A. marina中的全細胞能量儲存與使用葉綠素a的S. leopoliensis細胞一樣有效，有時甚至更有效。 研究小組首次表明，產氧光合作用可以在較長波長下良好地運作。
外星光合作用？
這一發現使得A. marina和葉綠素d對於試圖在圍繞太陽系以外恆星執行的太陽系外行星上尋找生命的科學家來說非常有趣。[最奇怪的系外行星]
NASA戈達德空間研究所（GISS）的Nancy Kiang解釋說：“葉綠素d將用於產氧光合作用的有效太陽輻射延長了18％——這意味著生命可以使用更多波長的光（即更多型別的發光恆星）來生存。 這意味著許多有趣的事情。”
Kiang強調了這些發現可能對外星行星上的生命探索以及地球上生命的未來產生的意義。 例如，Kiang說，A. marina似乎是相對最近才進化出來的，佔據了由葉綠素a生物體剩餘的光子產生的光生態位。 既然它可以比葉綠素a生物體利用更多的太陽輻射，那麼我們的星球會進化到讓葉綠素d勝過葉綠素a嗎？
此外，她說，“圍繞紅矮星執行的行星可能沒有太多可見光，但它們會獲得大量的近紅外光。” “因此，現在我們知道，在這樣的行星上尋找產氧光合作用仍然是有意義的，我們可以尋找近紅外光中的色素特徵。”
最後，Kiang表示，這一發現可能對可再生能源的開發產生影響。
她指出：“仿生光合作用仍然是可再生能源開發中的一項探索，但尚未有人開發出像自然界一樣好的分解水的人工系統。” “對於依賴陽光的可再生能源，與葉綠素d一起使用的較低能量光子是否意味著我們不需要如此強大的人工催化劑來生產氫燃料和生物燃料？”
研究人員表示，這些發現可能會徹底改變我們對地球現代生物圈至關重要的生物反應的理解。 這些結果也可能為人類在可再生能源等領域的未來開啟新的大門。 但對於NASA來說，這項研究也可能對地球及更遠地方的生命未來產生真正深遠的影響。
這項工作由NASA博士後專案研究員Steven P. Mielke在GISS的Nancy Y. Kiang的指導下，在紐約市洛克菲勒大學David Mauzerall的實驗室中進行，並與聖路易斯華盛頓大學的Robert Blankenship以及紐約城市學院的Marilyn Gunner合作完成。
這個故事由太空生物學雜誌提供給SPACE.com。 在Twitter上關注SPACE.com以獲取最新的太空科學和探索新聞@Spacedotcom，並在Facebook上關注。
版權所有 2012 SPACE.com，TechMediaNetwork公司。保留所有權利。 未經允許，不得釋出、廣播、改寫或重新分發本材料。