寻找外星生命的前景不再是科幻小说或不明飞行物猎人的领域。我们不再等待外星人来到我们这里，而是主动去寻找他们。我们可能找不到技术先进的文明，但我们可以寻找基本生命过程的物理和化学迹象：“生物特征”。在太阳系之外，天文学家已经发现了 200 多个围绕其他恒星运行的世界，即所谓的系外行星。尽管我们尚无法判断这些行星是否孕育着生命，但这只是时间问题。去年 7 月，天文学家通过观察星光穿过一颗系外行星大气层的过程，证实了该行星上存在水蒸气。世界各地的航天机构目前正在开发望远镜，通过观察行星的光谱来寻找类地行星上的生命迹象。
特别是光合作用，可能会产生非常明显的生物特征。光合作用在另一颗行星上产生的可能性有多大？非常大。在地球上，这个过程非常成功，以至于它成为了几乎所有生命的基石。尽管一些生物以海洋热液喷口的熱量和甲烷为生，但地球表面丰富的生态系统都依赖于阳光。
光合生物特征可能分为两种：生物产生的 атмосферные газы，例如氧气及其产物臭氧；以及表明存在特殊色素（如绿色叶绿素）的表面颜色。寻找此类色素的想法由来已久。一个世纪前，天文学家试图将火星季节性变暗归因于植被的生长。他们研究了从火星表面反射的光谱，以寻找绿色植物的迹象。作家 H. G. 威尔斯 (H. G. Wells) 在《世界大战》中想象了一个不同的场景，他清楚地看到了这种策略的一个困难：“火星上的植物王国，不是以绿色为主色调，而是鲜艳的血红色。” 尽管我们现在知道火星上没有地表植被（变暗是由沙尘暴引起的），但威尔斯预言另一颗行星上的光合生物可能不是绿色的，这很有先见之明。
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即使是地球，除了绿色植物外，也拥有多种光合生物。一些陆地植物有红色叶子，水下藻类和光合细菌则呈现彩虹般的颜色。紫色细菌吸收太阳红外辐射以及可见光。那么，在另一颗行星上，哪种颜色会占主导地位呢？当我们看到它时，我们如何知道呢？答案取决于外星光合作用如何适应来自与我们的太阳不同类型的母星的光，以及如何通过可能与地球大气成分不同的 атмосферные газы 过滤光的细节。
采集光线
在试图弄清楚光合作用如何在其他行星上运作时，第一步是解释它在地球上的运作方式。地球表面太阳光的能量光谱在蓝绿色区域达到峰值，因此科学家们长期以来一直挠头思考，为什么植物会反射绿色，从而浪费似乎是最好的可用光线。答案是光合作用 не зависит от общей суммы световой энергии，而是取决于每个光子的能量和构成光的光子数量。
虽然蓝色光子比红色光子携带更多的能量，但太阳发出更多的红色光子。植物利用蓝色光子的质量，利用红色光子的数量。介于两者之间的绿色光子既没有能量也没有数量，因此植物已经适应吸收较少的光子。
基本的光合作用过程，即将一个碳原子（从二氧化碳 CO2 中获得）固定成一个简单的糖分子，至少需要八个光子。需要一个光子来分解水 (H2O) 中的氧氢键，从而获得用于生化反应的电子。必须断裂总共四个这样的键才能产生一个氧分子 (O2)。每个光子都至少要有一个额外的光子来匹配，用于形成糖的第二种类型的反应。每个光子都必须具有最小的能量才能驱动反应。
植物采集阳光的方式是大自然的奇迹。光合色素，如叶绿素，不是孤立的分子。它们像天线阵列一样在网络中运作，每个天线都经过调整，以挑选出特定波长的光子。叶绿素优先吸收红色和蓝色光，类胡萝卜素色素（产生秋叶鲜艳的红色和黄色）吸收略微不同的蓝色色调。所有这些能量都被漏斗到一个化学反应中心的特殊叶绿素分子中，该分子分裂水并释放氧气。
漏斗过程是色素选择颜色的关键。只有当反应中心的分子复合物接收到红色光子或以其他形式接收到等量的能量时，才能进行化学反应。为了利用蓝色光子，天线色素协同工作，将高能量（来自蓝色光子）转换为低能量（更红），就像一系列降压变压器，将 10 万伏的电力线电压降低到 120 或 240 伏的墙壁插座电压。当一个蓝色光子击中一个吸收蓝色的色素并激活分子中的一个电子时，这个过程就开始了。当该电子降回其原始状态时，它会释放能量——但由于能量损失到热量和振动，它释放的能量比它吸收的能量少。
色素分子释放能量的形式不是另一个光子，而是与另一个色素分子的电相互作用，该色素分子能够在较低的能量水平上吸收能量。反过来，这种色素又释放出更低的能量，因此这个过程持续下去，直到最初的蓝色光子能量被降级为红色。色素阵列还可以将青色、绿色或黄色转换为红色。反应中心作为级联的接收端，适应于吸收最低能量的可用光子。在地球表面，红色光子既是最丰富的，也是可见光谱中能量最低的。
对于水下光合作用生物来说，红色光子不一定是最丰富的。光生态位随深度而变化，这是因为水、溶解物质和上层生物本身对光的过滤作用。其结果是生命形式根据其色素混合物而清晰地分层。下层水域中的生物具有适应吸收上层剩余光颜色的色素。例如，藻类和蓝藻具有称为藻胆素的色素，可以采集绿色和黄色光子。非产氧（厌氧）细菌具有 бактериохлорофиллы，可以吸收远红光和近红外光，这些光是穿透到浑浊深处的所有光。
适应弱光条件的生物往往生长较慢，因为它们必须付出更多的努力来采集任何可用的光。在地球表面，光线充足，植物制造额外的色素是不利的，因此它们在使用颜色时具有选择性。同样的进化原则也适用于其他世界。
正如水生生物已经适应了被水过滤的光线一样，陆地居民也已经适应了被大气气体过滤的光线。在地球大气层的顶部，黄色光子（波长为 560 到 590 纳米）是最丰富的类型。光子数量随着波长的增加而逐渐减少，随着波长的减少而急剧减少。当阳光穿过高层大气时，水蒸气会吸收 700 纳米以外几个波段的红外光。氧气在 687 纳米和 761 纳米处产生吸收线——气体阻挡的窄波长范围。我们都知道平流层中的臭氧 (O3) 会强烈吸收紫外线 (UV)。鲜为人知的是，它也会在可见光范围内微弱地吸收光线。
综合来看，我们的大气层划分了辐射可以到达地球表面的窗口。可见辐射窗口在其蓝色边缘由太阳发出的短波长光子的强度下降和臭氧对紫外线的吸收来定义。红色边缘由氧气吸收线定义。由于臭氧在整个可见光范围内广泛吸收，因此光子丰度的峰值从黄色转移到红色（约 685 纳米）。
植物已经适应了这个光谱，这个光谱很大程度上是由氧气决定的——然而植物正是将氧气放入大气层中的原因。当早期光合生物首次出现在地球上时，大气中缺乏氧气，因此它们一定使用了与叶绿素不同的色素。只有随着时间的推移，随着光合作用改变了大气成分，叶绿素才成为最佳选择。
光合作用的可靠化石证据可以追溯到大约 34 亿年前 (Ga)，但更早的化石显示出可能是光合作用的迹象。早期的光合作用生物必须从水下开始，部分原因是水是生化反应的良好溶剂，部分原因是它可以提供抵抗太阳紫外线辐射的保护——在没有大气臭氧层的情况下，这种保护至关重要。这些最早的光合作用生物是水下细菌，它们吸收红外光子。它们的化学反应涉及氢气、硫化氢或铁，而不是水，因此它们不产生氧气。海洋中蓝藻产生的产氧（有氧）光合作用始于 27 亿年前。氧气水平和臭氧层缓慢积累，使红藻和褐藻得以出现。随着较浅的水域变得免受紫外线伤害，绿藻进化了。它们缺乏藻胆素，更适合地表水域的强光。最终，植物从绿藻进化而来，出现在陆地上——在氧气开始在大气中积累的 20 亿年后。
然后，植物生命的复杂性爆发了，从地面上的苔藓和苔类植物到具有高大树冠的维管植物，这些植物可以捕捉更多的光线，并且对特定气候具有特殊的适应性。针叶树具有圆锥形的树冠，可以在阳光角度较低的高纬度地区有效地捕捉光线；适应阴影的植物具有花青素作为抵御过多光线的防晒霜。绿色叶绿素不仅非常适合目前的大气成分，而且还有助于维持这种成分——一个保持我们星球绿色的良性循环。未来的进化步骤可能会偏爱利用树冠下阴影的生物，使用吸收绿色和黄色光的藻胆素。但是顶部的生物仍然很可能保持绿色。
将世界染成红色
为了在另一个太阳系中的另一颗行星上寻找光合色素，天文学家必须准备好看到处于其进化任何可能阶段的行星。例如，他们可能会看到一颗看起来像 20 亿年前地球的行星。他们还必须考虑到系外光合作用生物可能已经进化出地球上的同类生物所没有的能力，例如使用更长波长的光子分解水。
迄今为止在地球上的光合作用中观察到的最长波长约为 1015 纳米（在红外线中），在紫色厌氧细菌中。在产氧光合作用中观察到的最长波长约为 720 纳米，在海洋蓝藻中。但是物理定律没有设定严格的上限。大量长波长光子可以达到与少量短波长光子相同的目的。
限制因素不是新型色素的可行性，而是行星表面可用的光谱，这主要取决于恒星类型。天文学家根据颜色对恒星进行分类，颜色与温度、大小和寿命有关。只有某些类型的恒星寿命足够长，才能让复杂的生命进化。这些恒星按从热到冷的顺序排列为 F 型、G 型、K 型和 M 型恒星。我们的太阳是一颗 G 型恒星。F 型恒星更大，燃烧得更明亮、更蓝，需要几十亿年才能耗尽燃料。K 型和 M 型恒星更小、更暗、更红，寿命更长。
在这些恒星的周围，都有一个宜居带，这是一个行星可以维持允许液态水存在的温度的轨道范围。在我们的太阳系中，宜居带是一个环，环绕着地球和火星的轨道。对于一颗 F 型恒星来说，类地行星的宜居带更远；对于 K 型或 M 型恒星来说，宜居带更近。一颗位于 F 型或 K 型恒星宜居带的行星接收到的可见辐射量与地球接收到的辐射量大致相同。这样的行星可以轻松支持像地球上那样的产氧光合作用。色素颜色可能只是在可见光波段内移动。
M 型恒星，也称为红矮星，特别令人感兴趣，因为它们是我们星系中最丰富的类型。它们发出的可见辐射远低于我们的太阳；它们的输出在近红外线中达到峰值。苏格兰邓迪大学的生物学家约翰·雷文 (John Raven) 和爱丁堡皇家天文台的天文学家雷·沃尔斯滕克罗夫特 (Ray Wolstencroft) 提出，理论上可以用近红外光子进行产氧光合作用。生物体将需要使用三个或四个近红外光子来分解 H2O，而不是地球植物所需的两个。光子像火箭的级一样协同工作，为电子在进行化学反应时提供必要的能量。
M 型恒星对生命提出了额外的挑战：当它们年轻时，会发出强烈的紫外线耀斑。生物体可以躲避水下深处有害的紫外线辐射，但它们会因此而缺乏光照吗？如果是这样，光合作用可能不会出现。然而，随着 M 型恒星老化，它们会停止产生耀斑，此时它们发出的紫外线辐射甚至比我们的太阳还少。生物体不需要吸收紫外线的臭氧层来保护它们；即使它们不产生氧气，它们也可以在陆地上茁壮成长。
总而言之，天文学家必须根据恒星的年龄和类型考虑四种情况：
厌氧、海洋生命。母星是任何类型的年轻恒星。生物体不一定产生氧气；大气层可能主要由甲烷等其他气体组成。
有氧、海洋生命。母星是任何类型的较老恒星。已经经过足够的时间让产氧光合作用进化并开始积累大气氧气。
有氧、陆地生命。母星是任何类型的成熟恒星。植物覆盖陆地。地球上的生命现在处于这个阶段。
厌氧、陆地生命。恒星是一颗静止的 M 型恒星，因此紫外线辐射可以忽略不计。植物覆盖陆地，但可能不产生氧气。
对于这些不同的情况，光合生物特征显然不会相同。根据地球卫星图像的经验，天文学家预计海洋中的任何生命都太稀疏，望远镜无法看到。因此，前两种情况不会产生强烈的色素生物特征；生命只会通过它产生的大气气体向我们显现自身。因此，研究外星植物颜色的研究人员专注于陆地植物，要么是在 F 型、G 型和 K 型恒星周围的行星上进行产氧光合作用，要么是在 M 型恒星周围的行星上进行任何类型的光合作用。
黑色是新的绿色
无论具体情况如何，光合色素仍然必须满足与地球上相同的规则：色素倾向于吸收最丰富的光子、最短的可用波长（能量最高）或最长的可用波长（反应中心吸收）。为了解决恒星类型如何决定植物颜色的问题，来自多个学科的研究人员齐心协力，将所有恒星、行星和生物学知识拼凑在一起。
加州大学伯克利分校的恒星天文学家马丁·科恩 (Martin Cohen) 收集了一颗 F 型恒星（天市右垣十一，sigma Bootis）、一颗 K 型恒星（波江座ε，epsilon Eridani）、一颗活跃耀斑 M 型恒星（天龙座 AD，AD Leo）和一颗温度为 3100 开尔文的假想静止 M 型恒星的数据。墨西哥国立自治大学的天文学家安提戈娜·塞古拉 (Antígona Segura) 运行了类地行星在这些恒星宜居带中的计算机模拟。塞古拉使用现在亚利桑那大学的亚历山大·帕夫洛夫 (Alexander Pavlov) 和宾夕法尼亚州立大学的詹姆斯·卡斯廷 (James Kasting) 开发的模型，研究了恒星辐射与 атмосферные газы 可能的成分之间的相互作用（假设这些世界上的火山排放的气体与地球上的火山排放的气体相同），以推断行星的大气化学成分，包括氧气可以忽略不计和类地氧气水平的情况。
伦敦大学学院的物理学家乔瓦娜·蒂内蒂 (Giovanna Tinetti) 使用塞古拉的结果，通过应用加利福尼亚州帕萨迪纳市喷气推进实验室的大卫·克里斯普 (David Crisp) 开发的模型（这是用于计算到达火星探测器太阳能电池板的光量的模型之一）计算了辐射的过滤。解释这些计算需要我们五个人共同的知识：莱斯大学的微生物生物学家珍妮特·西弗特 (Janet Siefert)、圣路易斯华盛顿大学的生物化学家罗伯特·布兰肯希普 (Robert Blankenship)、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的戈温杰 (Govindjee)、华盛顿大学的行星科学家维多利亚·梅多斯 (Victoria Meadows) 以及我，美国国家航空航天局戈达德空间研究所的生物气象学家。
我们发现，到达 F 型恒星周围行星表面的光子往往是蓝色的，最丰富的波长为 451 纳米。在 K 型恒星周围，峰值在红色区域，为 667 纳米，几乎与地球上的相同。臭氧发挥着重要作用，使 F 型星光比原本更蓝，使 K 型星光更红。用于光合作用的有用辐射将在可见光范围内，与地球上一样。
因此，F 型和 K 型恒星行星上的植物颜色可能与地球上的植物颜色完全相同，但略有差异。对于 F 型恒星，高能量蓝色光子的涌入非常强烈，以至于植物可能需要反射它，使用类似于花青素的屏蔽色素，使其呈现蓝色色调。或者，植物可能只需要采集蓝色光，丢弃质量较低的绿色到红色光。这将会在反射光谱中产生独特的蓝色边缘，这将会在望远镜观测者面前脱颖而出。
M 型恒星的温度范围使得外星植物颜色可能发生非常广泛的变化。一颗围绕静止 M 型恒星运行的行星接收到的能量约为地球从太阳接收到的能量的一半。尽管这对于生物采集来说已经足够多了——大约是适应阴影的地球植物所需最小能量的 60 倍——但大多数光子都是近红外光子。进化可能会偏爱更多种类的光合色素，以挑选出全范围的可见光和红外光。由于反射的光很少，植物甚至可能在我们眼中看起来是黑色的。
淡紫色点
地球上的生命经验表明，围绕 F 型、G 型和 K 型恒星运行的行星上的早期海洋光合作用生物可以在最初的无氧大气中生存下来，并发展出最终导致陆地植物出现的产氧光合作用。对于 M 型恒星来说，情况更加复杂。我们计算出一个水下约 9 米的“最佳位置”，早期的光合作用生物既可以在这里躲避紫外线耀斑，又可以获得足够的光照来保持生产力。尽管我们可能无法通过望远镜看到它们，但这些生物可以为行星表面的生命奠定基础。在围绕 M 型恒星运行的世界中，利用更广泛颜色范围的陆地植物将与地球上的植物几乎一样具有生产力。
对于所有恒星类型，一个重要的问题是行星的陆地面积是否足够大，以供即将到来的太空望远镜看到。第一代望远镜将行星视为一个点；它们将缺乏绘制地表地图的分辨率。科学家们将拥有的只是全球平均光谱。蒂内蒂计算得出，为了让陆地植物在这个光谱中显现出来，至少 20% 的地表必须是陆地，并且陆地既被植被覆盖又没有云层覆盖。另一方面，海洋光合作用会向大气中释放更多的氧气。因此，色素生物特征越突出，氧气生物特征就越弱，反之亦然。天文学家可能会看到其中一个，但不会两者都看到。
如果太空望远镜在行星的反射光谱中看到一个预测颜色之一的暗带，那么从计算机上监控观测结果的人可能是第一个看到另一个世界生命迹象的人。当然，必须排除其他错误的解释，例如矿物是否可能具有相同的特征。目前，我们可以识别出指示另一颗行星上植物生命的合理颜色调色板；例如，我们预测另一个地球将拥有绿色、黄色或橙色的植物。但是目前很难做出更精细的预测。在地球上，我们已经能够确定叶绿素的特征是植物独有的，这就是为什么我们可以用卫星探测植物和海洋浮游植物。我们将不得不弄清楚其他行星上植被的独特特征。
在其他行星上找到生命——丰富的生命，而不仅仅是化石或在极端条件下勉强维持生计的微生物——是一个迅速逼近的现实。鉴于有如此多的恒星，我们应该以哪些恒星为目标呢？我们能否测量 M 型恒星行星的光谱，这些行星往往非常靠近它们的恒星？新型望远镜需要什么样的波长范围和分辨率？我们对光合作用的理解将是设计这些任务和解释其数据的关键。这些问题以一种刚刚开始的方式推动了科学的综合。我们探索宇宙其他地方生命的能力最终需要我们对地球生命的深刻理解。�