众所周知，我们人类赖以呼吸的空气实际上要归功于我们周围的绿色植物。我们从小就学到，植物（以及藻类和蓝细菌）执行着至关重要的生物“魔术”，即光合作用，这有助于产生我们每次呼吸时吸入的大气氧气。
植物、藻类和蓝细菌以只有生命才能做到的方式改变着我们的星球：它们利用光合作用完全改变地球大气层的组成。自从人们怀疑火星上的尘卷风是植被的季节性变化以来，光合作用一直被认为是识别其他行星上是否存在生命的关键。
大气氧（在液态水的存在下）和植物叶片的反射光谱都产生了可以从太空看到的生命迹象——被称为“生物特征”。因此，光合生物特征是在遥远太阳系行星上寻找生命的优先事项。 最大的问题是，太阳系外的光合作用会使用与地球上相同的色素吗？
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更广泛的光波长范围
光合作用的过程显然不仅仅是简单的魔术。 基本上，光合生物吸收二氧化碳（CO2）、水（H2O）和光能，以产生糖类（即，使植物成为我们饮食主食的食物）。在此过程中，光合生物使用一种称为叶绿素a（Chl a）的光色素来分解水分子并产生氧气。[十大有毒植物]
直到最近，科学家们还认为叶绿素a是产氧光合作用中使用的唯一光色素。叶绿素a使用波长为400-700纳米的可见光光子。
根据NASA博士后Steve Mielke（一项新研究的主要作者）的说法，“人们过去认为，由于分解水分子对能量的严格要求，较长波长的光（能量较低）不能用于产氧光合作用。”
这种假设在1996年发生了改变，当时宫下秀明（Hideaki Miyashita）及其同事发现了一种蓝细菌，名为Acaryochloris marina，它使用叶绿素d（Chl d）而不是叶绿素a，利用从可见光到近红外（NIR）波长高达740纳米的光子进行产氧光合作用。
这一发现引发了关于光合作用所需光波长的许多问题。 科学家们想知道，A. marina利用低能量光子为生化反应提供动力有多困难。 它生存在几乎没有可见光的环境中，因为它获得了叶绿素a生物体剩余的光子。
然而，A. marina是否经常不能成功地利用较长波长的光子？它利用近红外光的能力是否效率低下，处于产氧光合作用分子机制能够处理的边缘？或者，这些独特的生物体实际上能在低能量光子下茁壮成长吗？
新的研究表明，A. marina在低能量光子下生存时根本没有困难。 事实上，这种蓝细菌在能量储存方面与依赖叶绿素a进行光合作用的生物体一样有效，甚至更有效。
Mielke及其合作者使用了一种称为脉冲时间分辨光声学（PTRPA）的技术，将A. marina的光合作用能力与一种名为Synechococcus leopoliensis的叶绿素a蓝细菌进行了比较。PTRPA涉及在受控波长下的激光脉冲，并使研究团队能够测量蓝细菌细胞的光子能量存储效率（存储的能量与输入的能量之比）。
当在它们各自分解水分子所需的波长下测试叶绿素d和叶绿素a时，研究小组表明，A. marina中的全细胞能量存储与使用叶绿素a的S. leopoliensis细胞一样有效，有时甚至更有效。 研究小组首次表明，产氧光合作用可以在较长波长下良好地运作。
外星光合作用？
这一发现使得A. marina和叶绿素d对于试图在围绕太阳系以外恒星运行的太阳系外行星上寻找生命的科学家来说非常有趣。[最奇怪的系外行星]
NASA戈达德空间研究所（GISS）的Nancy Kiang解释说：“叶绿素d将用于产氧光合作用的有效太阳辐射延长了18％——这意味着生命可以使用更多波长的光（即更多类型的发光恒星）来生存。 这意味着许多有趣的事情。”
Kiang强调了这些发现可能对外星行星上的生命探索以及地球上生命的未来产生的意义。 例如，Kiang说，A. marina似乎是相对最近才进化出来的，占据了由叶绿素a生物体剩余的光子产生的光生态位。 既然它可以比叶绿素a生物体利用更多的太阳辐射，那么我们的星球会进化到让叶绿素d胜过叶绿素a吗？
此外，她说，“围绕红矮星运行的行星可能没有太多可见光，但它们会获得大量的近红外光。” “因此，现在我们知道，在这样的行星上寻找产氧光合作用仍然是有意义的，我们可以寻找近红外光中的色素特征。”
最后，Kiang表示，这一发现可能对可再生能源的开发产生影响。
她指出：“仿生光合作用仍然是可再生能源开发中的一项探索，但尚未有人开发出像自然界一样好的分解水的人工系统。” “对于依赖阳光的可再生能源，与叶绿素d一起使用的较低能量光子是否意味着我们不需要如此强大的人工催化剂来生产氢燃料和生物燃料？”
研究人员表示，这些发现可能会彻底改变我们对地球现代生物圈至关重要的生物反应的理解。 这些结果也可能为人类在可再生能源等领域的未来打开新的大门。 但对于NASA来说，这项研究也可能对地球及更远地方的生命未来产生真正深远的影响。
这项工作由NASA博士后项目研究员Steven P. Mielke在GISS的Nancy Y. Kiang的指导下，在纽约市洛克菲勒大学David Mauzerall的实验室中进行，并与圣路易斯华盛顿大学的Robert Blankenship以及纽约城市学院的Marilyn Gunner合作完成。
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