尋找外星生命的前景不再是科幻小說或不明飛行物獵人的領域。我們不再等待外星人來到我們這裡，而是主動去尋找他們。我們可能找不到技術先進的文明，但我們可以尋找基本生命過程的物理和化學跡象：“生物特徵”。在太陽系之外，天文學家已經發現了 200 多個圍繞其他恆星執行的世界，即所謂的系外行星。儘管我們尚無法判斷這些行星是否孕育著生命，但這只是時間問題。去年 7 月，天文學家透過觀察星光穿過一顆系外行星大氣層的過程，證實了該行星上存在水蒸氣。世界各地的航天機構目前正在開發望遠鏡，透過觀察行星的光譜來尋找類地行星上的生命跡象。
特別是光合作用，可能會產生非常明顯的生物特徵。光合作用在另一顆行星上產生的可能性有多大？非常大。在地球上，這個過程非常成功，以至於它成為了幾乎所有生命的基石。儘管一些生物以海洋熱液噴口的熱量和甲烷為生，但地球表面豐富的生態系統都依賴於陽光。
光合生物特徵可能分為兩種：生物產生的 атмосферные газы，例如氧氣及其產物臭氧；以及表明存在特殊色素（如綠色葉綠素）的表面顏色。尋找此類色素的想法由來已久。一個世紀前，天文學家試圖將火星季節性變暗歸因於植被的生長。他們研究了從火星表面反射的光譜，以尋找綠色植物的跡象。作家 H. G. 威爾斯 (H. G. Wells) 在《世界大戰》中想象了一個不同的場景，他清楚地看到了這種策略的一個困難：“火星上的植物王國，不是以綠色為主色調，而是鮮豔的血紅色。” 儘管我們現在知道火星上沒有地表植被（變暗是由沙塵暴引起的），但威爾斯預言另一顆行星上的光合生物可能不是綠色的，這很有先見之明。
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即使是地球，除了綠色植物外，也擁有多種光合生物。一些陸地植物有紅色葉子，水下藻類和光合細菌則呈現彩虹般的顏色。紫色細菌吸收太陽紅外輻射以及可見光。那麼，在另一顆行星上，哪種顏色會佔主導地位呢？當我們看到它時，我們如何知道呢？答案取決於外星光合作用如何適應來自與我們的太陽不同型別的母星的光，以及如何透過可能與地球大氣成分不同的 атмосферные газы 過濾光的細節。
採集光線
在試圖弄清楚光合作用如何在其他行星上運作時，第一步是解釋它在地球上的運作方式。地球表面太陽光的能量光譜在藍綠色區域達到峰值，因此科學家們長期以來一直撓頭思考，為什麼植物會反射綠色，從而浪費似乎是最好的可用光線。答案是光合作用 не зависит от общей суммы световой энергии，而是取決於每個光子的能量和構成光的光子數量。
雖然藍色光子比紅色光子攜帶更多的能量，但太陽發出更多的紅色光子。植物利用藍色光子的質量，利用紅色光子的數量。介於兩者之間的綠色光子既沒有能量也沒有數量，因此植物已經適應吸收較少的光子。
基本的光合作用過程，即將一個碳原子（從二氧化碳 CO2 中獲得）固定成一個簡單的糖分子，至少需要八個光子。需要一個光子來分解水 (H2O) 中的氧氫鍵，從而獲得用於生化反應的電子。必須斷裂總共四個這樣的鍵才能產生一個氧分子 (O2)。每個光子都至少要有一個額外的光子來匹配，用於形成糖的第二種型別的反應。每個光子都必須具有最小的能量才能驅動反應。
植物採集陽光的方式是大自然的奇蹟。光合色素，如葉綠素，不是孤立的分子。它們像天線陣列一樣在網路中運作，每個天線都經過調整，以挑選出特定波長的光子。葉綠素優先吸收紅色和藍色光，類胡蘿蔔素色素（產生秋葉鮮豔的紅色和黃色）吸收略微不同的藍色色調。所有這些能量都被漏斗到一個化學反應中心的特殊葉綠素分子中，該分子分裂水並釋放氧氣。
漏斗過程是色素選擇顏色的關鍵。只有當反應中心的分子複合物接收到紅色光子或以其他形式接收到等量的能量時，才能進行化學反應。為了利用藍色光子，天線色素協同工作，將高能量（來自藍色光子）轉換為低能量（更紅），就像一系列降壓變壓器，將 10 萬伏的電力線電壓降低到 120 或 240 伏的牆壁插座電壓。當一個藍色光子擊中一個吸收藍色的色素並激活分子中的一個電子時，這個過程就開始了。當該電子降回其原始狀態時，它會釋放能量——但由於能量損失到熱量和振動，它釋放的能量比它吸收的能量少。
色素分子釋放能量的形式不是另一個光子，而是與另一個色素分子的電相互作用，該色素分子能夠在較低的能量水平上吸收能量。反過來，這種色素又釋放出更低的能量，因此這個過程持續下去，直到最初的藍色光子能量被降級為紅色。色素陣列還可以將青色、綠色或黃色轉換為紅色。反應中心作為級聯的接收端，適應於吸收最低能量的可用光子。在地球表面，紅色光子既是最豐富的，也是可見光譜中能量最低的。
對於水下光合作用生物來說，紅色光子不一定是最豐富的。光生態位隨深度而變化，這是因為水、溶解物質和上層生物本身對光的過濾作用。其結果是生命形式根據其色素混合物而清晰地分層。下層水域中的生物具有適應吸收上層剩餘光顏色的色素。例如，藻類和藍藻具有稱為藻膽素的色素，可以採集綠色和黃色光子。非產氧（厭氧）細菌具有 бактериохлорофиллы，可以吸收遠紅光和近紅外光，這些光是穿透到渾濁深處的所有光。
適應弱光條件的生物往往生長較慢，因為它們必須付出更多的努力來採集任何可用的光。在地球表面，光線充足，植物製造額外的色素是不利的，因此它們在使用顏色時具有選擇性。同樣的進化原則也適用於其他世界。
正如水生生物已經適應了被水過濾的光線一樣，陸地居民也已經適應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 到 590 奈米）是最豐富的型別。光子數量隨著波長的增加而逐漸減少，隨著波長的減少而急劇減少。當陽光穿過高層大氣時，水蒸氣會吸收 700 奈米以外幾個波段的紅外光。氧氣在 687 奈米和 761 奈米處產生吸收線——氣體阻擋的窄波長範圍。我們都知道平流層中的臭氧 (O3) 會強烈吸收紫外線 (UV)。鮮為人知的是，它也會在可見光範圍內微弱地吸收光線。
綜合來看，我們的大氣層劃分了輻射可以到達地球表面的視窗。可見輻射視窗在其藍色邊緣由太陽發出的短波長光子的強度下降和臭氧對紫外線的吸收來定義。紅色邊緣由氧氣吸收線定義。由於臭氧在整個可見光範圍內廣泛吸收，因此光子丰度的峰值從黃色轉移到紅色（約 685 奈米）。
植物已經適應了這個光譜，這個光譜很大程度上是由氧氣決定的——然而植物正是將氧氣放入大氣層中的原因。當早期光合生物首次出現在地球上時，大氣中缺乏氧氣，因此它們一定使用了與葉綠素不同的色素。只有隨著時間的推移，隨著光合作用改變了大氣成分，葉綠素才成為最佳選擇。
光合作用的可靠化石證據可以追溯到大約 34 億年前 (Ga)，但更早的化石顯示出可能是光合作用的跡象。早期的光合作用生物必須從水下開始，部分原因是水是生化反應的良好溶劑，部分原因是它可以提供抵抗太陽紫外線輻射的保護——在沒有大氣臭氧層的情況下，這種保護至關重要。這些最早的光合作用生物是水下細菌，它們吸收紅外光子。它們的化學反應涉及氫氣、硫化氫或鐵，而不是水，因此它們不產生氧氣。海洋中藍藻產生的產氧（有氧）光合作用始於 27 億年前。氧氣水平和臭氧層緩慢積累，使紅藻和褐藻得以出現。隨著較淺的水域變得免受紫外線傷害，綠藻進化了。它們缺乏藻膽素，更適合地表水域的強光。最終，植物從綠藻進化而來，出現在陸地上——在氧氣開始在大氣中積累的 20 億年後。
然後，植物生命的複雜性爆發了，從地面上的苔蘚和苔類植物到具有高大樹冠的維管植物，這些植物可以捕捉更多的光線，並且對特定氣候具有特殊的適應性。針葉樹具有圓錐形的樹冠，可以在陽光角度較低的高緯度地區有效地捕捉光線；適應陰影的植物具有花青素作為抵禦過多光線的防曬霜。綠色葉綠素不僅非常適合目前的大氣成分，而且還有助於維持這種成分——一個保持我們星球綠色的良性迴圈。未來的進化步驟可能會偏愛利用樹冠下陰影的生物，使用吸收綠色和黃色光的藻膽素。但是頂部的生物仍然很可能保持綠色。
將世界染成紅色
為了在另一個太陽系中的另一顆行星上尋找光合色素，天文學家必須準備好看到處於其進化任何可能階段的行星。例如，他們可能會看到一顆看起來像 20 億年前地球的行星。他們還必須考慮到系外光合作用生物可能已經進化出地球上的同類生物所沒有的能力，例如使用更長波長的光子分解水。
迄今為止在地球上的光合作用中觀察到的最長波長約為 1015 奈米（在紅外線中），在紫色厭氧細菌中。在產氧光合作用中觀察到的最長波長約為 720 奈米，在海洋藍藻中。但是物理定律沒有設定嚴格的上限。大量長波長光子可以達到與少量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，這主要取決於恆星型別。天文學家根據顏色對恆星進行分類，顏色與溫度、大小和壽命有關。只有某些型別的恆星壽命足夠長，才能讓複雜的生命進化。這些恆星按從熱到冷的順序排列為 F 型、G 型、K 型和 M 型恆星。我們的太陽是一顆 G 型恆星。F 型恆星更大，燃燒得更明亮、更藍，需要幾十億年才能耗盡燃料。K 型和 M 型恆星更小、更暗、更紅，壽命更長。
在這些恆星的周圍，都有一個宜居帶，這是一個行星可以維持允許液態水存在的溫度的軌道範圍。在我們的太陽系中，宜居帶是一個環，環繞著地球和火星的軌道。對於一顆 F 型恆星來說，類地行星的宜居帶更遠；對於 K 型或 M 型恆星來說，宜居帶更近。一顆位於 F 型或 K 型恆星宜居帶的行星接收到的可見輻射量與地球接收到的輻射量大致相同。這樣的行星可以輕鬆支援像地球上那樣的產氧光合作用。色素顏色可能只是在可見光波段內移動。
M 型恆星，也稱為紅矮星，特別令人感興趣，因為它們是我們星系中最豐富的型別。它們發出的可見輻射遠低於我們的太陽；它們的輸出在近紅外線中達到峰值。蘇格蘭鄧迪大學的生物學家約翰·雷文 (John Raven) 和愛丁堡皇家天文臺的天文學家雷·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產氧光合作用。生物體將需要使用三個或四個近紅外光子來分解 H2O，而不是地球植物所需的兩個。光子像火箭的級一樣協同工作，為電子在進行化學反應時提供必要的能量。
M 型恆星對生命提出了額外的挑戰：當它們年輕時，會發出強烈的紫外線耀斑。生物體可以躲避水下深處有害的紫外線輻射，但它們會因此而缺乏光照嗎？如果是這樣，光合作用可能不會出現。然而，隨著 M 型恆星老化，它們會停止產生耀斑，此時它們發出的紫外線輻射甚至比我們的太陽還少。生物體不需要吸收紫外線的臭氧層來保護它們；即使它們不產生氧氣，它們也可以在陸地上茁壯成長。
總而言之，天文學家必須根據恆星的年齡和型別考慮四種情況：
厭氧、海洋生命。母星是任何型別的年輕恆星。生物體不一定產生氧氣；大氣層可能主要由甲烷等其他氣體組成。
有氧、海洋生命。母星是任何型別的較老恆星。已經經過足夠的時間讓產氧光合作用進化並開始積累大氣氧氣。
有氧、陸地生命。母星是任何型別的成熟恆星。植物覆蓋陸地。地球上的生命現在處於這個階段。
厭氧、陸地生命。恆星是一顆靜止的 M 型恆星，因此紫外線輻射可以忽略不計。植物覆蓋陸地，但可能不產生氧氣。
對於這些不同的情況，光合生物特徵顯然不會相同。根據地球衛星影像的經驗，天文學家預計海洋中的任何生命都太稀疏，望遠鏡無法看到。因此，前兩種情況不會產生強烈的色素生物特徵；生命只會透過它產生的大氣氣體向我們顯現自身。因此，研究外星植物顏色的研究人員專注於陸地植物，要麼是在 F 型、G 型和 K 型恆星周圍的行星上進行產氧光合作用，要麼是在 M 型恆星周圍的行星上進行任何型別的光合作用。
黑色是新的綠色
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則：色素傾向於吸收最豐富的光子、最短的可用波長（能量最高）或最長的可用波長（反應中心吸收）。為了解決恆星型別如何決定植物顏色的問題，來自多個學科的研究人員齊心協力，將所有恆星、行星和生物學知識拼湊在一起。
加州大學伯克利分校的恆星天文學家馬丁·科恩 (Martin Cohen) 收集了一顆 F 型恆星（天市右垣十一，sigma Bootis）、一顆 K 型恆星（波江座ε，epsilon Eridani）、一顆活躍耀斑 M 型恆星（天龍座 AD，AD Leo）和一顆溫度為 3100 開爾文的假想靜止 M 型恆星的資料。墨西哥國立自治大學的天文學家安提戈娜·塞古拉 (Antígona Segura) 運行了類地行星在這些恆星宜居帶中的計算機模擬。塞古拉使用現在亞利桑那大學的亞歷山大·帕夫洛夫 (Alexander Pavlov) 和賓夕法尼亞州立大學的詹姆斯·卡斯廷 (James Kasting) 開發的模型，研究了恆星輻射與 атмосферные газы 可能的成分之間的相互作用（假設這些世界上的火山排放的氣體與地球上的火山排放的氣體相同），以推斷行星的大氣化學成分，包括氧氣可以忽略不計和類地氧氣水平的情況。
倫敦大學學院的物理學家喬瓦娜·蒂內蒂 (Giovanna Tinetti) 使用塞古拉的結果，透過應用加利福尼亞州帕薩迪納市噴氣推進實驗室的大衛·克里斯普 (David Crisp) 開發的模型（這是用於計算到達火星探測器太陽能電池板的光量的模型之一）計算了輻射的過濾。解釋這些計算需要我們五個人共同的知識：萊斯大學的微生物生物學家珍妮特·西弗特 (Janet Siefert)、聖路易斯華盛頓大學的生物化學家羅伯特·布蘭肯希普 (Robert Blankenship)、伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的戈溫傑 (Govindjee)、華盛頓大學的行星科學家維多利亞·梅多斯 (Victoria Meadows) 以及我，美國國家航空航天局戈達德空間研究所的生物氣象學家。
我們發現，到達 F 型恆星周圍行星表面的光子往往是藍色的，最豐富的波長為 451 奈米。在 K 型恆星周圍，峰值在紅色區域，為 667 奈米，幾乎與地球上的相同。臭氧發揮著重要作用，使 F 型星光比原本更藍，使 K 型星光更紅。用於光合作用的有用輻射將在可見光範圍內，與地球上一樣。
因此，F 型和 K 型恆星行星上的植物顏色可能與地球上的植物顏色完全相同，但略有差異。對於 F 型恆星，高能量藍色光子的湧入非常強烈，以至於植物可能需要反射它，使用類似於花青素的遮蔽色素，使其呈現藍色色調。或者，植物可能只需要採集藍色光，丟棄質量較低的綠色到紅色光。這將會在反射光譜中產生獨特的藍色邊緣，這將會在望遠鏡觀測者面前脫穎而出。
M 型恆星的溫度範圍使得外星植物顏色可能發生非常廣泛的變化。一顆圍繞靜止 M 型恆星執行的行星接收到的能量約為地球從太陽接收到的能量的一半。儘管這對於生物採集來說已經足夠多了——大約是適應陰影的地球植物所需最小能量的 60 倍——但大多數光子都是近紅外光子。進化可能會偏愛更多種類的光合色素，以挑選出全範圍的可見光和紅外光。由於反射的光很少，植物甚至可能在我們眼中看起來是黑色的。
淡紫色點
地球上的生命經驗表明，圍繞 F 型、G 型和 K 型恆星執行的行星上的早期海洋光合作用生物可以在最初的無氧大氣中生存下來，並發展出最終導致陸地植物出現的產氧光合作用。對於 M 型恆星來說，情況更加複雜。我們計算出一個水下約 9 米的“最佳位置”，早期的光合作用生物既可以在這裡躲避紫外線耀斑，又可以獲得足夠的光照來保持生產力。儘管我們可能無法透過望遠鏡看到它們，但這些生物可以為行星表面的生命奠定基礎。在圍繞 M 型恆星執行的世界中，利用更廣泛顏色範圍的陸地植物將與地球上的植物幾乎一樣具有生產力。
對於所有恆星型別，一個重要的問題是行星的陸地面積是否足夠大，以供即將到來的太空望遠鏡看到。第一代望遠鏡將行星視為一個點；它們將缺乏繪製地表地圖的解析度。科學家們將擁有的只是全球平均光譜。蒂內蒂計算得出，為了讓陸地植物在這個光譜中顯現出來，至少 20% 的地表必須是陸地，並且陸地既被植被覆蓋又沒有云層覆蓋。另一方面，海洋光合作用會向大氣中釋放更多的氧氣。因此，色素生物特徵越突出，氧氣生物特徵就越弱，反之亦然。天文學家可能會看到其中一個，但不會兩者都看到。
如果太空望遠鏡在行星的反射光譜中看到一個預測顏色之一的暗帶，那麼從計算機上監控觀測結果的人可能是第一個看到另一個世界生命跡象的人。當然，必須排除其他錯誤的解釋，例如礦物是否可能具有相同的特徵。目前，我們可以識別出指示另一顆行星上植物生命的合理顏色調色盤；例如，我們預測另一個地球將擁有綠色、黃色或橙色的植物。但是目前很難做出更精細的預測。在地球上，我們已經能夠確定葉綠素的特徵是植物獨有的，這就是為什麼我們可以用衛星探測植物和海洋浮游植物。我們將不得不弄清楚其他行星上植被的獨特特徵。
在其他行星上找到生命——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——是一個迅速逼近的現實。鑑於有如此多的恆星，我們應該以哪些恆星為目標呢？我們能否測量 M 型恆星行星的光譜，這些行星往往非常靠近它們的恆星？新型望遠鏡需要什麼樣的波長範圍和解析度？我們對光合作用的理解將是設計這些任務和解釋其資料的關鍵。這些問題以一種剛剛開始的方式推動了科學的綜合。我們探索宇宙其他地方生命的能力最終需要我們對地球生命的深刻理解。�