在地球上，絕大多數植物的葉子都是綠色的，因為它們要通過葉片中的葉綠素來進行光合作用，將陽光轉化成能量。從光學的角度來說，葉片之所以是綠色的，是因為它們吸收了光譜中的紅色和藍色區的幾乎所有的光子，而只吸收不到90%的綠色光。這是一個奇怪的現象，因為太陽輻射的大部分能量都在光譜的綠色部分。為什么植物會反射綠光呢?其他星球的植物的光合作用與地球一樣嗎?

　　植物舍大取小的智慧

　　在不久前的一項研究中，美國加州大學的物理學家納撒尼爾·加伯終于找到植物在光合作用的過程中不完全吸收綠光的原因。納撒尼爾·加伯的專業領域是研究太陽能電池，他一直在思考如何制造一種能從太陽光譜中吸收能量最高的光譜，也就是綠光的收集器。2016年，他想起了植物會舍棄大約10%的綠光這件事，為了搞清楚在光合作用的過程中到底發生了什么事，他組建了一個團隊，和一些植物學家伙伴一起研究這個問題。

　　
 

　　在昏暗的恒星周圍，或在距離明亮的恒星較遠的行星上，植物可能會顯得暗淡，因為它們更努力地捕獲可見光，甚至是接近紅外和紫外線光譜的光。

　　我們都知道，光合作用的第一步發生在一個集光復合體中，這是一個內含色素的蛋白質網，形成天線復合物，可以捕獲光子。綠色植物中的葉綠素吸收光并將能量轉移到反應中心，在那里開始產生供細胞使用的光學能。在這一階段，幾乎所有被吸收的光都被轉換成系統可以使用的電子。

　　但是細胞內部的天線復合物一直在移動，這種運動降低了能量流動的效率;另外，落在植物上的光照強度快速波動，也會使光能的輸入受到干擾。而作為研究太陽能電池的物理學家來說，加伯清楚地知道，穩定的電能輸入和穩定的化學能輸出是電池最理想的狀態——輸入到反應中心的光子過少，會導致能量衰竭;過多則會導致各種過充電現象。這樣說來，綠光的能量最強，如果在吸收過程中綠光輸入過快過多，那么植物是否也會出現“過充電”的現象呢?

　　為了驗證這個問題，加伯和他的同事開發了一個植物采光系統模型，并將其置于樹冠上。結果顯示，當吸收的綠光過多時，植物的能量流動受到了干擾，能量的利用效率也變低了，這說明大量吸收綠光對植物來說是有害的。

　　可見，植物的光合作用策略是穩中求發展，而不是“貪心不足蛇吞象”。所幸植物“不貪心”，如果地球上的植物再多吸收一些綠光，那我們看到的植物可能就是黑色的了。

　　光合作用對于地球生命如此重要，在其他星球上可能也起著重要的作用。那么其他星球的光合作用與地球一樣嗎?

　　另類的光合作用

　　近年來，一些科學家認為，紅矮星周圍可能是尋找地外生命的理想場所，因為它們的體積小，更容易在周圍找到地球大小的行星。此外，紅矮星的壽命長，可以為生命的出現和演化提供足夠長的時間。不過這些恒星也有缺點——溫度太低，表面溫度大約只有3000K，因此它們如其名是紅色的，相對暗淡。那么圍繞在它們周圍的行星上是否有類似地球的生物圈呢?

　　為了解決這個問題，一組研究人員研究了光合作用所必需的光的波長。這種被稱為“光合有效輻射(簡稱PAR)”的可見光波長在400納米～700納米之間。研究人員建立了模型，并將數據加入模型中，計算出如果地球繞著不同類型的恒星運行時，它會接收到多少輻射，從而得出給定恒星光度下PAR光子的產生率。結果顯示，與太陽相比，紅矮星發出更多的低能光子，并且發光較少，這意味著它們每秒發射更少的PAR光子，因此圍繞著它們運行的星球也將接收到更少的PAR。最終的研究結果不樂觀，研究人員認為，紅矮星周圍可能并不會有生命。

　　
 

　　在比太陽更亮的恒星周圍的行星上，植物可能會反射紅色和黃色光，還反射過多的藍色光，因此植物的顏色很鮮艷。

　　不過在2018年，英國倫敦帝國理工學院的研究人員在美國黃石國家公園發現了藍綠藻的一種特殊的光合作用。通常光合作用主要是綠色色素葉綠素a進行的，所有的植物和光合細菌都有葉綠素a，而研究人員們發現，在適當的條件下，另一種叫做葉綠素f的色素也可以進行光合作用，而且是利用更低能量的紅外光來進行光合作用。葉綠素f是地球上已知的第五種葉綠素分子類型，最早是在2010年由澳大利亞悉尼大學的研究人員在西澳大利亞鯊魚灣的疊層巖發現的。疊層巖是由光合細菌建造的巖石狀結構，這些光合細菌被稱為藍細菌。

　　這個發現意味著，系外行星，如紅矮星周圍的行星上也可能有生命，它們像藍細菌一樣利用紅外光進行光合作用。如此看來，科學家們需要重新調整尋找外星生命的條件了。

　　那么，外星球的光合生物是什么樣的呢?

　　外星球的彩虹植物

　　由于每顆行星圍繞的恒星不同，每顆行星的大氣層也不同，而光合生物吸收和反射的光也可能不同，因此系外行星上的光合生物可能大部分都不是綠色的，而是黑色、紅色、黃色或者藍色等其他顏色。

　　一些富有想象力的科學家在思考，不同的光子數量和能量如何在其他行星環境中驅動光合作用。他們分析了目標行星圍繞的恒星所發出的輻射，并計算了該行星表面獲得的恒星輻射，從而確定出最有利于該行星的光合作用的光譜。結果顯示，一顆行星上的光合生物是什么顏色，大部分取決于該行星圍繞什么樣的恒星運行。

　　
 

　　比如F型恒星更大、更熱，并發出更多高能光，受到F型主序星光照射的植物會得到大量的藍光，很可能反射過多的高能光子，因此在F型主序星周圍的行星上的植物可能是藍色的。而M型恒星更小、更冷，發射低能光子。M型恒星周圍的行星上，光子非常寶貴，這可能促使那里的光合生物進化出吸收不同光譜的能力。這意味著，如果我們有機會到一顆圍繞M型恒星的系外行星去，說不定我們會看到長滿五顏六色葉子的植物，甚至可能看到吸收所有可見光譜的黑色植物。

　　隨著科學家對光合作用的了解越來越多，我們不僅更深入地了解地球生命獲得能量的過程，也為尋找外星生命提供了線索。或許未來，我們就能根據系外行星的光譜找到另一個生命樂園，而且在那里或許我們還能看到彩虹色系的生物。