倍可親(backchina.com)撰文 南希•Y•江(Nancy Y. Kiang)/翻譯 劉暘
與其坐等外星生命光臨地球，不如主動尋找它們——尋找地外生命，早已不再是科幻小說虛構的故事，也不只是UFO迷才會關心的領域，而是許多科學家當前的研究任務。也許在現階段，我們很難找到發展出高級文明的智慧生命，但可以把目標鎖定到與基礎生命過程相關的物理及化學標誌(即生物標記，biosignatures)。迄今為止，天文學家已發現了200多顆圍繞其他恆星旋轉的行星(太陽系外行星，extrasolar planet)，雖然科學家還無法說出哪幾顆行星孕育着生命，但我相信，發現地外生命只是時間問題。2007年7月，天文學家在觀察一顆行星時，發現恆星光線在穿過這顆行星的大氣層時有些異常，而最終分析結果讓他們驚喜不已：這顆行星周圍存在水蒸氣。現在，世界各地的航天機構都在開發新型望遠鏡，通過觀察行星光譜，在與地球大小相似的行星上搜尋生命證據。
這裏不得不提光合作用(Photosynthesis)，因為這一眾所周知的生命過程，能產生非常明顯的生物標記。在地球上，光合作用幾乎是所有生命的基礎：除了深海熱液噴口周圍以熱量和甲烷為生的生物，地面生態系統中的所有生命都得依靠陽光才能生存下去。而在其他行星上，光合作用發生的幾率同樣很高。
《環球科學》2008年第5期封面
外星植物會是什麼顏色
外星植物想像圖
光合作用產生的生物標記分為兩類：一是生命活動產生的氣體及其衍生物，如氧氣和臭氧；二是與某種色素相關的表面顏色，就像葉綠素(chlorophyll)與綠色的關係。實際上，在地外行星上尋找「生命色素」的想法由來已久。一個世紀前，火星的季節性變暗引起了天文學家的注意，他們猜測這是由植物生長導致。為了證實這個想法，他們開始研究火星表面反射光線的光譜，希望從中發現綠色植物存在的證據。但在英國著名科幻作家H•G•威爾斯(H. G. Wells)看來，天文學家們的研究策略存在一個明顯缺陷。他在科幻小說《大戰火星人》(The War of the Worlds)中寫道：「在火星植物王國里，佔據統治地位的不是綠色，而是鮮艷的血紅色。」雖然火星上沒有植物早已成為共識(火星變暗是由沙塵暴引起的)，威爾斯的觀點卻不無道理：在其他行星上，光合生物(photosynthetic organism)可能並非綠色。
即便在地球上，光合生物的顏色也多種多樣。一些陸生植物的葉子是紅色的，水生海藻和光合細菌更具有彩虹般的繽紛色彩；紫色細菌也不少見，它們不僅吸收陽光中的可見光，還能利用紅外線。那麼，在地外行星上，植物們的主流色彩是什麼？當我們看見它們時，又該如何辨認？這些問題的答案，取決於照射到植物表面的光線類型(而光線類型又取決於恆星類型和行星大氣層的組成，因為恆星發出光線後，要穿過行星大氣層才能抵達植物表面)。
捕捉陽光
對於大多數地球生物，光合作用實在太重要了：植物或微生物吸收陽光，通過光合作用合成有機分子，釋放氧氣，其他生物必須直接或間接地利用光合作用的產物，才能維持生命活動。植物或微生物究竟是如何捕捉陽光，將太陽能轉化為化學能的？
要了解光合作用在其他行星上是怎麼發生的，我們首先得弄清楚地球上光合作用的具體機制。在地球表面，陽光的能譜(energy spectrum)會在藍色和綠色之間達到峰值，這讓科學家一直大感困惑：為什麼植物會反射綠色光線，浪費掉陽光中最易得到的部分？(物體反射某種顏色的光線，就會呈現某種顏色。)原因就在於，光合作用並不依賴陽光的總能量，而與單個光子含有的能量以及光線中的光子數量有關。
藍色光子攜帶的能量比紅色光子多，而太陽發出的紅色光子數量則要多一些。植物因為單個光子的能量優勢而吸收藍色光子，因為數量優勢而吸收紅色光子。相對而言，綠色光子在能量和數量上都不佔優勢，植物就很少吸收它們。
將一個碳原子固定到一個簡單的糖分子內，是光合作用的基本過程。這個過程要順利完成，至少需要8個光子。4個光子會「撕開」兩個水分子的4條氫氧鍵(一個光子撕開一條)，釋放4個自由電子，生成1個氧分子；同時，這4個光子還得分別匹配至少1個額外光子，以參加下一步反應：生成糖分子。而且，每個光子的能量不能太低。
植物捕獲陽光的方式堪稱自然界的奇蹟。以葉綠素為代表的光合色素宛如一個天線陣，其中每根「天線」都可以捕獲某種波長的光子：葉綠素主要吸收紅色和藍色光子，類胡蘿蔔素(正是這種色素使秋天的樹葉呈現鮮艷的紅色和黃色)也吸收藍色光子，但兩種色素吸收的藍色光子並不完全相同。所有光子的能量都會被輸送到位於反應中心的特殊葉綠素分子上——在這裏，水分子被分解，釋放出氧氣。
色素分子選擇何種顏色的光子，取決於能量的輸送方式。只有獲得一個紅色光子，或以其他形式得到與紅色光子相當的能量，反應中心的分子複合體才能啟動化學反應。為了充分利用藍色光子，色素分子們必須相互協作，降低藍色光子的能量(把它變為紅色)，正如一系列變壓器，將高壓線中的100,000伏電壓降低到220伏，才能為家用電器供電。一個藍色光子擊中一個吸收藍光的色素分子，激發分子中的一個電子時，「降壓」反應便開始了；當受到激發的電子回到初始能量狀態，蘊藏其中的能量便會釋放出去。由於在電子恢復能量狀態的過程中，會發生振動並產生熱量，釋放的能量總是小於當初所吸收的能量。
電子並非以光子的形式釋放能量，而是利用電反應，將能量傳遞給另一個色素分子。這個色素分子會進一步降低藍色光子中的能量，直到高能的藍色光子被轉換為低能狀態的紅色光子。利用同樣的方式，這一系列色素也能將青色、綠色或黃色光子轉換成紅色光子。流程終端的反應中心只能吸收能量最低的光子，而在地球表面，紅色光子是可見光波段中數量最多、能量最低的光子。
但對水生光合生物來說，紅色光子的數量不一定是最充足的。水、水中的各種物質和水生生物本身，都有濾光作用，因此光線組成會隨水深而變化。在海洋里，生活在不同深度的生物會擁有不同的體色。淺水層生物的色素適合吸收穿過水層的光子，藻類和藍細菌就可以利用藻膽素(phycobilins)，吸收綠光和黃光；不產氧細菌(Anoxygenic bacteria)的細菌葉綠素則可以吸收紅外和近紅外光——只有這兩種光線能穿透厚厚的水層，到達黑暗的水底。
一般說來，在光線較暗的環境中，生物體的生長速度都很慢，因為它們要付出更多的努力，才能捕捉到那少得可憐的光線。在光線充足的地表，植物沒有必要製造多餘的色素，因此它們可以「挑剔」地選擇吸收某種光線。這樣的進化原則可能也適用於其他行星。
正如水生生物適應水的濾光作用一樣，陸生生物也適應了大氣的濾光作用。在地球大氣層頂端，黃色光子(波長為560～590納米)的數量最多。隨着海拔降低，波長較長的光子逐漸減少，短波長光子更是急劇減少。陽光透過上層大氣時，水蒸氣吸收波長大於700納米的紅外線，氧分子吸收波長為687和761納米的光線(即氧氣的吸收譜線)。在平流層，臭氧(O3)會吸收大量的紫外線以及少量可見光。
總而言之，大氣層設置了一系列「窗戶」，陽光要穿過這些窗戶，才能抵達地面。「窗戶」為可見光波段設定了範圍：波長較短的稱為藍色端，是由陽光中的短波長光子數量銳減，以及臭氧層大量吸收紫外線而形成的；波長較長的則被稱為紅色端，由氧氣的吸收譜線形成。由於臭氧對可見光區內的多種光線都有吸收作用，各種光子的數量也發生了變化，原本數量最多的是黃色光子，現在則為紅色光子(波長約為685納米)。
在很大程度上，植物的吸收光譜由氧氣決定，而這些氧氣又是植物釋放出來的。最早的光合生物在地球上出現時，大氣中氧氣濃度極低，因此這些生物用於捕捉陽光的色素，必然不同於葉綠素(如果是葉綠素，植物光合作用就會釋放大量氧氣)。隨着時間流逝，光合作用改變了大氣組成，葉綠素也就成為了植物的最佳選擇。
根據化石記錄，科學家推斷光合作用產生於距今34億年前。不過也有一些化石顯示，光合作用可能在更早以前就出現了。早期光合生物只能在水下生存，因為水是很好的溶劑，有利於生化反應的進行，而且它還能為生物遮擋陽光中的紫外線。在臭氧層還未形成的時候，水對生物的這種保護作用至關重要。最早的光合生物是吸收紅外線的水下細菌，它們體內化學反應的主要反應物是氫、硫化氫或鐵，由於水沒有參與反應，這些細菌不會釋放氧氣。到27億年前，能利用光合作用製造氧氣的藍細菌(cyanobacteria)出現了，地球大氣層中的氧氣濃度逐漸升高，臭氧層也開始形成——這給紅藻和褐藻的出現創造了條件。隨着臭氧層的日漸完善，紫外線對淺水層生物不再構成威脅時，綠藻便進化出來，它們沒有藻膽素，更適應陽光下的生活。又過了20億年，氧氣濃度進一步提高，綠藻終於進化成為陸生植物。
自此以後，植物數量便開始爆炸式增長，植株個體也越來越複雜——從地表的苔蘚和地錢，到直衝雲霄的參天大樹，因為個體越高大，越利於捕捉陽光，也能更好地適應特殊氣候。由於擁有圓錐形樹冠，即便在太陽照射角度較低的高海拔地區，松樹也能獲得充足的陽光；利用花青素(anthocyanin)，喜陰植物還可以抵禦強烈的陽光。綠色植物的葉綠素因大氣成分的改變而出現，反過來又有助於維持目前的大氣組成，這就形成了一個良性循環，使地球的綠色得以維持。也許，下一步進化會使樹蔭下的某個物種具有某種優勢，讓它們能利用藻膽素吸收綠光和黃光，不過處於高大的植物仍傾向於保持綠色。
恆星決定生命形式
在很大程度上，恆星的質量、溫度決定着行星表面的環境狀態，而環境狀態又決定了生命能否出現、以什麼樣的形式出現。
要想在另一個「太陽系」的行星上找到光合色素，天文學家必須研究行星演化的各個階段，因為目標行星很可能相當於20億年前的地球。另外，科學家還得考慮到，太陽系外的光合生物可能進化出與地球生物完全不同的特性，利用長波長光子就能分解水分子。
在地球上，紫色不產氧光合細菌(purple anoxygenic bacteria)吸收的近紅外光波長為1,015納米，是所有光合生物能利用的波長最長的光線。而在產氧光合生物能利用的光線中，波長最長為720納米，吸收這種光線的是一種海洋藍細菌。雖然地球上的生物無法利用波長更長的光線，但這並不意味着，其他行星上的生物就不能利用長波長光線。大量長波光子也能起到與少量短波光子相同的作用。
限制光合作用的因素，並不是植物是否具有某種新型色素，而是到達行星表面的、可為植物利用的光線——這些光線取決於恆星的類型。天文學家依據顏色對恆星進行分類，而顏色又與恆星的溫度、體積和壽命有關。只有壽命足夠長的恆星，才能孕育出複雜生命。滿足這一條件的恆星，按照溫度的高低，被天文學家分為F、G、K和M型(其中F型恆星溫度最高，M型最低)。我們的太陽屬於G型恆星；質量更大的F型恆星更亮更藍，它們的能量將在20億年內耗盡；K型和M型恆星質量較小，較紅較暗，但壽命更長。
在每種恆星周圍，都有一個適合生物生存的區域(即宜居帶，habitable zone)。在此區域之內，行星可以維持一定溫度，保證液態水的存在。在太陽系中，這個區域覆蓋了地球和火星軌道；但在F型恆星周圍，與地球大小類似的行星必須離得更遠，才可能適合生物生存；而在K型或M型恆星周圍，「生命行星」與恆星的距離則應該更近一些。在F或K型恆星的宜居帶內，行星能接收到的可見光與地球大致相當，因而可能孕育出類似於地球光合生物的生命形式，它們的色素顏色也只會在可見光範圍內變動。
M型恆星也叫紅矮星，是銀河系中數量最多的恆星。它發出的可見光子遠少於太陽，近紅外光子的數量卻很多。蘇格蘭鄧迪大學的生物學家約翰•雷文(John Raven)和愛丁堡皇家天文台的天文學家雷•沃爾斯登克羅夫特(Ray Wolstencroft)曾提出，產氧光合作用理論上可以利用近紅外光。不過，地球植物用兩個可見光子就可以分解一個水分子，而其他行星的生命體需要三四個近紅外光子才能做到這一點。這些光子必須協同工作，為一個電子提供充足的能量，以驅動化學反應的進行。
另一方面，M型恆星也為生命的誕生製造了一個大難題：年輕的M型恆星會發出強烈的紫外線。為了躲避紫外線，生命體不得不躲到深水層，但這樣一來，它們就可能無法獲得足夠的光線，以致被「餓死」。如果情況得不到改變，光合生物就永遠無法出現在M型恆星周圍的行星上。幸好，隨着M型恆星逐漸衰老，紫外線的強度將會減弱(甚至可能比太陽發出的還弱)，那時，行星上的生命體便無需臭氧層的保護，它們即使不釋放氧氣，也可以安全地呆在陸地表面。
總之，天文學家必須根據恆星的年齡和類型，考慮以下4種情況：
厭氧海洋生物。恆星可以是任何類型，但都處於幼年期。生物不一定會產生氧氣；大氣的主要成分可能是甲烷等氣體。
需氧海洋生物。恆星可以是任何類型，但都處於老年期。它已度過漫長歲月，產氧光合生物已進化出來，大氣中的氧氣開始積累。
需氧陸生生物。恆星處於成熟期，類型不限。植物廣泛分佈在行星上，地球正處於這一時期。
厭氧陸生生物。恆星屬於M型，已進入寧靜期，紫外線輻射忽略不計。植物覆蓋行星表面，卻可能不產生氧氣。
對於上述4種情況，光合作用的生物標記顯然是不同的。從地球衛星圖像來看，海洋生物的分佈太稀疏，望遠鏡很難發現，因此其他行星上的海洋生物不會產生明顯的色素型生物標記，只能通過影響大氣組成來暗示它們的存在。鑑於此，研究外星植物顏色的科學家們要把主要精力集中在陸地上，比如在F、G和K型恆星周圍的行星表面尋找產氧光合生物，或在M型恆星周圍的行星上尋找產氧或厭氧光合生物。
外星植物的顏色
不同的恆星，甚至不同年齡階段的同一顆恆星，發出的光線也會有所不同。吸收不同光線的光合生物，將會擁有不同的光合色素，進而呈現出不同的顏色。
除了特殊情況，任何行星上的光合色素都會遵從相同的規律：傾向於吸收數量最多、在可利用範圍內的波長最短(攜帶的能量最多)或波長最長的光子。為了弄清楚恆星類型如何決定植物的顏色，科學家們開始收集恆星、行星以及生物學等多方面的證據。
美國加利福尼亞大學伯克利分校的恆星天文學家馬丁•科恩(Martin Cohen)收集了一系列恆星的數據，包括一顆 F型恆星(牧夫座σ星)、一顆K型恆星(波江座ε星)、一顆散發耀眼光芒、處於活躍期的M型恆星(獅子座AD星)，還考慮了一顆假想的、處於寧靜期的M型恆星(溫度為3,100 K)。針對這些恆星宜居帶內的類地行星，墨西哥國立自治大學的天文學家安蒂戈納•塞古拉(Antigona Segura)進行了計算機模擬試驗。他利用美國亞利桑那大學亞歷山大•巴甫洛夫(Alexander Pavlov)和賓夕法尼亞州立大學詹姆斯•卡斯丁(James Kasting)建立的模型，研究了恆星光線和行星大氣可能成分(假設行星上的火山放出的氣體同地球火山一樣多)之間的相互作用，分別推算出了在氧氣濃度可以忽略不計、與地球表面氧氣濃度相當兩種情況下，地外行星上大氣的化學組成。
參考塞古拉得到的結果，並利用加利福尼亞帕薩迪納噴氣推進實驗室戴維•克里斯普(David Crisp)開發的模型(這也是科學家用於計算火星探測器太陽能電池板可以接收到多少陽光的模型之一)，英國倫敦大學學院的物理學家喬凡娜•蒂內蒂(Giovanna Tinetti)模擬了恆星光線穿過行星大氣時的情形。對於這些計算結果，需要聯合我和其他4位科學家的智慧才能完整解讀：他們分別是美國萊斯大學的微生物學家珍妮特•希菲特(Janet Siefert)、華盛頓大學聖路易斯分校的生化學家羅伯特布蘭肯希普(Robert Blankenship)、伊利諾伊大學厄本那-香檳分校的生化學家戈文迪(Govindjee)和華盛頓大學的行星科學學家維多利亞•梅多斯(Victoria Meadows)。
我們發現，在F型恆星周圍，行星接收到的光子通常是藍色的，尤其以波長為451納米的光子最多；在K型恆星周圍，到達行星的光子一般為紅色，波長的峰值位於667納米處，這與地球上的情況類似。臭氧的存在會讓F型恆星的光線更藍，K型恆星的光線更紅。與地球的情況類似，光合作用將吸收的光線也集中在可見光區。
因此，在F和K型恆星周圍的行星上，植物的顏色可能與地球植物相似，但也有一些細微的差別。F型恆星發出的高能量藍色光線太強烈，以至於植物可能需要利用類似花青素的篩選色素來反射光子，從而使植物呈藍色；又或者，植物只需要藍色光子，完全「忽略」從紅到綠這部分光線——這樣一來，反射光的光譜就會的藍色端突然截止，容易被望遠鏡觀測到。
M型恆星的溫度範圍較廣，周圍行星上的植物可能具有各種顏色。圍繞寧靜期M型恆星旋轉的行星能接收到的能量，僅相當於地球從太陽獲得的能量的一半。儘管這已比地球喜陰植物的最低能量需求多了60倍，對於維持生命體的生存已經足夠，但是大多數光子卻處於近紅外區。在這種情況下，植物也許會進化出多種光合色素，儘可能捕捉更多的可見及紅外光。如此一來，這些植物就幾乎不會反射光線，看上去可能是黑色的。
尋找另一種「葉綠素」
葉綠素是地球植物獨有的標記，是衛星能觀測到植物和海洋浮游生物的原因。要找到外星植物，科學家首先要做的，就是在其他行星上找到另一種「葉綠素」。
地球生物的「經歷」暗示，在F、G和K型恆星周圍的行星上，早期海洋光合生物可以從缺氧環境中生存下來，並進化出產氧光合生物，最終導致陸生植物的出現。M型恆星的情況則比較複雜。水下9米是早期光合生物的最佳生存點：在這個位置，紫外線的強度不能對光合生物造成威脅，而穿過水層的其他光線，則能為生命活動提供足夠的能量。雖然我們可能無法通過望遠鏡觀測到這些「生命先驅」，但它們卻可為行星表面生命的出現打下基礎。在M型恆星周圍的行星上，能吸收多種光線的植物，也許能長得和地球植物一樣繁茂。
對於研究人員來說，不管恆星是哪種類型，都會面臨一個問題：未來的太空望遠鏡能否觀測到圍繞恆星旋轉的行星？即便利用即將面世的新型太空望遠鏡，很多行星看起來也只是一個小點，科學家可以獲取的，就只有行星表面的平均光譜，根本無法為它們繪製表面地圖。蒂內蒂計算發現，如果植物的存在要在光譜中表現出來，那麼在行星表面，至少有20%的陸地覆蓋着植物，而且還不能有雲層遮擋。另一方面，海洋光合生物可以向空氣釋放更多氧氣。因此，植物色素的生物標記越明顯，氧氣的生物標記便會越弱，反之亦然。天文學家只能看到這兩種生物標記中的一種，不能兩者兼顧。
如果一台太空望遠鏡在某行星的反射光譜上監測到一條暗帶，而這條暗帶對應的光線類型恰恰與科學家的預測相符合，那麼在電腦屏幕上觀察到這條暗帶的人，便可能成為發現外星生物的第一人。不過，我們首先要排除某些干擾因素，比如礦物質是否也會產生同樣的生物標記等。如今，對於某些行星，我們已經能鑑定出一些可能代表植物生命活動的顏色，甚至可以預言這些行星上存在着綠色、黃色或橘紅色的植物，但目前很難做出更加準確的預言(即外星植物到底是哪種顏色)。在地球上，我們可以很確切的說，葉綠素是植物獨有的標記，這是衛星能觀測到植物和海洋浮游生物的原因。因此，要找到外星植物，我們首先要做的，就是在其他行星上找到另一種「葉綠素」。
找到外星生物並非遙遙無期。當然，這裏指的是大量生物，而不是化石或生活在極端環境中的罕見微生物。茫茫宇宙中繁星無數，我們該把目光集中於哪些恆星？M型恆星與其周圍行星的距離很近，這種情況下我們能否測出行星光譜？新型望遠鏡需要多大的波長觀測範圍和解像度？我們對光合作用的了解，將幫助我們回答上述問題，為制定研究計劃、解讀觀測數據提供依據。我們找尋外星生命的能力，最終將取決於我們對地球生命的了解。
