恒星決定生命形式

    在很大程度上，恒星的質(zhì)量、溫度決定著(zhù)行星表面的環(huán)境狀態(tài)，而環(huán)境狀態(tài)又決定了生命能否出現、以什么樣的形式出現。

    要想在另一個(gè)“太陽(yáng)系”的行星上找到光合色素，天文學(xué)家必須研究行星演化的各個(gè)階段，因為目標行星很可能相當于20億年前的地球。另外，科學(xué)家還得考慮到，太陽(yáng)系外的光合生物可能進(jìn)化出與地球生物完全不同的特性，利用長(cháng)波長(cháng)光子就能分解水分子。

    在地球上，紫色不產(chǎn)氧光合細菌(purpleanoxygenicbacteria)吸收的近紅外光波長(cháng)為1,015納米，是所有光合生物能利用的波長(cháng)最長(cháng)的光線(xiàn)。而在產(chǎn)氧光合生物能利用的光線(xiàn)中，波長(cháng)最長(cháng)為720納米，吸收這種光線(xiàn)的是一種海洋藍細菌。雖然地球上的生物無(wú)法利用波長(cháng)更長(cháng)的光線(xiàn)，但這并不意味著(zhù)，其他行星上的生物就不能利用長(cháng)波長(cháng)光線(xiàn)。大量長(cháng)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，并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(xiàn)??這些光線(xiàn)取決于恒星的類(lèi)型。天文學(xué)家依據顏色對恒星進(jìn)行分類(lèi)，而顏色又與恒星的溫度、體積和壽命有關(guān)。只有壽命足夠長(cháng)的恒星，才能孕育出復雜生命。滿(mǎn)足這一條件的恒星，按照溫度的高低，被天文學(xué)家分為F、G、K和M型(其中F型恒星溫度最高，M型最低)。我們的太陽(yáng)屬于G型恒星；質(zhì)量更大的F型恒星更亮更藍，它們的能量將在20億年內耗盡；K型和M型恒星質(zhì)量較小，較紅較暗，但壽命更長(cháng)。

    在每種恒星周?chē)?，都有一個(gè)適合生物生存的區域(即宜居帶，habitablezone)。在此區域之內，行星可以維持一定溫度，保證液態(tài)水的存在。在太陽(yáng)系中，這個(gè)區域覆蓋了地球和火星軌道；但在F型恒星周?chē)?，與地球大小類(lèi)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型恒星周?chē)?，“生命行星”與恒星的距離則應該更近一些。在F或K型恒星的宜居帶內，行星能接收到的可見(jiàn)光與地球大致相當，因而可能孕育出類(lèi)似于地球光合生物的生命形式，它們的色素顏色也只會(huì )在可見(jiàn)光范圍內變動(dòng)。

    M型恒星也叫紅矮星，是銀河系中數量最多的恒星。它發(fā)出的可見(jiàn)光子遠少于太陽(yáng)，近紅外光子的數量卻很多。蘇格蘭鄧迪大學(xué)的生物學(xué)家約翰?雷文(JohnRaven)和愛(ài)丁堡皇家天文臺的天文學(xué)家雷?沃爾斯登克羅夫特(RayWolstencroft)曾提出，產(chǎn)氧光合作用理論上可以利用近紅外光。不過(guò)，地球植物用兩個(gè)可見(jiàn)光子就可以分解一個(gè)水分子，而其他行星的生命體需要三四個(gè)近紅外光子才能做到這一點(diǎn)。這些光子必須協(xié)同工作，為一個(gè)電子提供充足的能量，以驅動(dòng)化學(xué)反應的進(jìn)行。

    另一方面，M型恒星也為生命的誕生制造了一個(gè)大難題：年輕的M型恒星會(huì )發(fā)出強烈的紫外線(xiàn)。為了躲避紫外線(xiàn)，生命體不得不躲到深水層，但這樣一來(lái)，它們就可能無(wú)法獲得足夠的光線(xiàn)，以致被“餓死”。如果情況得不到改變，光合生物就永遠無(wú)法出現在M型恒星周?chē)男行巧?。幸好，隨著(zhù)M型恒星逐漸衰老，紫外線(xiàn)的強度將會(huì )減弱(甚至可能比太陽(yáng)發(fā)出的還弱)，那時(shí)，行星上的生命體便無(wú)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(xué)家必須根據恒星的年齡和類(lèi)型，考慮以下4種情況：

    厭氧海洋生物。恒星可以是任何類(lèi)型，但都處于幼年期。生物不一定會(huì )產(chǎn)生氧氣；大氣的主要成分可能是甲烷等氣體。

    需氧海洋生物。恒星可以是任何類(lèi)型，但都處于老年期。它已度過(guò)漫長(cháng)歲月，產(chǎn)氧光合生物已進(jìn)化出來(lái)，大氣中的氧氣開(kāi)始積累。

    需氧陸生生物。恒星處于成熟期，類(lèi)型不限。植物廣泛分布在行星上，地球正處于這一時(shí)期。

    厭氧陸生生物。恒星屬于M型，已進(jìn)入寧靜期，紫外線(xiàn)輻射忽略不計。植物覆蓋行星表面，卻可能不產(chǎn)生氧氣。

    對于上述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(lái)看，海洋生物的分布太稀疏，望遠鏡很難發(fā)現，因此其他行星上的海洋生物不會(huì )產(chǎn)生明顯的色素型生物標記，只能通過(guò)影響大氣組成來(lái)暗示它們的存在。鑒于此，研究外星植物顏色的科學(xué)家們要把主要精力集中在陸地上，比如在F、G和K型恒星周?chē)男行潜砻鎸ふ耶a(chǎn)氧光合生物，或在M型恒星周?chē)男行巧蠈ふ耶a(chǎn)氧或厭氧光合生物。