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(xiàn)、以什么樣的形式出現(xiàn)。

    要想在另一個(gè)“太陽系”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?yàn)槟繕?biāo)行星很可能相當(dāng)于20億年前的地球。另外，科學(xué)家還得考慮到，太陽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，利用長波長光子就能分解水分子。

    在地球上，紫色不產(chǎn)氧光合細(xì)菌(purpleanoxygenicbacteria)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(chǎn)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(lán)細(xì)菌。雖然地球上的生物無法利用波長更長的光線，但這并不意味著，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，并不是植物是否具有某種新型色素，而是到達(dá)行星表面的、可為植物利用的光線——這些光線取決于恒星的類型。天文學(xué)家依據(jù)顏色對恒星進(jìn)行分類，而顏色又與恒星的溫度、體積和壽命有關(guān)。只有壽命足夠長的恒星，才能孕育出復(fù)雜生命。滿足這一條件的恒星，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)。我們的太陽屬于G型恒星；質(zhì)量更大的F型恒星更亮更藍(lán)，它們的能量將在20億年內(nèi)耗盡；K型和M型恒星質(zhì)量較小，較紅較暗，但壽命更長。

    在每種恒星周圍，都有一個(gè)適合生物生存的區(qū)域(即宜居帶，habitablezone)。在此區(qū)域之內(nèi)，行星可以維持一定溫度，保證液態(tài)水的存在。在太陽系中，這個(gè)區(qū)域覆蓋了地球和火星軌道；但在F型恒星周圍，與地球大小類似的行星必須離得更遠(yuǎn)，才可能適合生物生存；而在K型或M型恒星周圍，“生命行星”與恒星的距離則應(yīng)該更近一些。在F或K型恒星的宜居帶內(nèi)，行星能接收到的可見光與地球大致相當(dāng)，因而可能孕育出類似于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范圍內(nèi)變動。

    M型恒星也叫紅矮星，是銀河系中數(shù)量最多的恒星。它發(fā)出的可見光子遠(yuǎn)少于太陽，近紅外光子的數(shù)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，地球植物用兩個(gè)可見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(qū)動化學(xué)反應(yīng)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型恒星會發(fā)出強(qiáng)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(yuǎn)無法出現(xiàn)在M型恒星周圍的行星上。幸好，隨著M型恒星逐漸衰老，紫外線的強(qiáng)度將會減弱(甚至可能比太陽發(fā)出的還弱)，那時(shí)，行星上的生命體便無需臭氧層的保護(hù)，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(jù)恒星的年齡和類型，考慮以下4種情況：

    厭氧海洋生物。恒星可以是任何類型，但都處于幼年期。生物不一定會產(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。恒星可以是任何類型，但都處于老年期。它已度過漫長歲月，產(chǎn)氧光合生物已進(jìn)化出來，大氣中的氧氣開始積累。

    需氧陸生生物。恒星處于成熟期，類型不限。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，紫外線輻射忽略不計(jì)。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(biāo)記顯然是不同的。從地球衛(wèi)星圖像來看，海洋生物的分布太稀疏，望遠(yuǎn)鏡很難發(fā)現(xiàn)，因此其他行星上的海洋生物不會產(chǎn)生明顯的色素型生物標(biāo)記，只能通過影響大氣組成來暗示它們的存在。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型恒星周圍的行星表面尋找產(chǎn)氧光合生物，或在M型恒星周圍的行星上尋找產(chǎn)氧或厭氧光合生物。