捕捉阳光

    对于大多数地球生物，光合作用实在太重要了：植物或微生物吸收阳光，通过光合作用合成有机分子，释放氧气，其他生物必须直接或间接地利用光合作用的产物，才能维持生命活动。植物或微生物究竟是如何捕捉阳光，将太阳能转化为化学能的？

    要了解光合作用在其他行星上是怎么发生的，我们首先得弄清楚地球上光合作用的具体机制。在地球表面，阳光的能谱(energyspectrum)会在蓝色和绿色之间达到峰值，这让科学家一直大感困惑：为什么植物会反射绿色光线，浪费掉阳光中最易得到的部分？(物体反射某种颜色的光线，就会呈现某种颜色。)原因就在于，光合作用并不依赖阳光的总能量，而与单个光子含有的能量以及光线中的光子数量有关。

    蓝色光子携带的能量比红色光子多，而太阳发出的红色光子数量则要多一些。植物因为单个光子的能量优势而吸收蓝色光子，因为数量优势而吸收红色光子。相对而言，绿色光子在能量和数量上都不占优势，植物就很少吸收它们。

    将一个碳原子固定到一个简单的糖分子内，是光合作用的基本过程。这个过程要顺利完成，至少需要8个光子。4个光子会“撕开”两个水分子的4条氢氧键(一个光子撕开一条)，释放4个自由电子，生成1个氧分子；同时，这4个光子还得分别匹配至少1个额外光子，以参加下一步反应：生成糖分子。而且，每个光子的能量不能太低。

    植物捕获阳光的方式堪称自然界的奇迹。以叶绿素为代表的光合色素宛如一个天线阵，其中每根“天线”都可以捕获某种波长的光子：叶绿素主要吸收红色和蓝色光子，类胡萝卜素(正是这种色素使秋天的树叶呈现鲜艳的红色和黄色)也吸收蓝色光子，但两种色素吸收的蓝色光子并不完全相同。所有光子的能量都会被输送到位于反应中心的特殊叶绿素分子上——在这里，水分子被分解，释放出氧气。

    色素分子选择何种颜色的光子，取决于能量的输送方式。只有获得一个红色光子，或以其他形式得到与红色光子相当的能量，反应中心的分子复合体才能启动化学反应。为了充分利用蓝色光子，色素分子们必须相互协作，降低蓝色光子的能量(把它变为红色)，正如一系列变压器，将高压线中的100,000伏电压降低到220伏，才能为家用电器供电。一个蓝色光子击中一个吸收蓝光的色素分子，激发分子中的一个电子时，“降压”反应便开始了；当受到激发的电子回到初始能量状态，蕴藏其中的能量便会释放出去。由于在电子恢复能量状态的过程中，会发生振动并产生热量，释放的能量总是小于当初所吸收的能量。

    电子并非以光子的形式释放能量，而是利用电反应，将能量传递给另一个色素分子。这个色素分子会进一步降低蓝色光子中的能量，直到高能的蓝色光子被转换为低能状态的红色光子。利用同样的方式，这一系列色素也能将青色、绿色或黄色光子转换成红色光子。流程终端的反应中心只能吸收能量最低的光子，而在地球表面，红色光子是可见光波段中数量最多、能量最低的光子。

    但对水生光合生物来说，红色光子的数量不一定是最充足的。水、水中的各种物质和水生生物本身，都有滤光作用，因此光线组成会随水深而变化。在海洋里，生活在不同深度的生物会拥有不同的体色。浅水层生物的色素适合吸收穿过水层的光子，藻类和蓝细菌就可以利用藻胆素(phycobilins)，吸收绿光和黄光；不产氧细菌(Anoxygenicbacteria)的细菌叶绿素则可以吸收红外和近红外光——只有这两种光线能穿透厚厚的水层，到达黑暗的水底。

    一般说来，在光线较暗的环境中，生物体的生长速度都很慢，因为它们要付出更多的努力，才能捕捉到那少得可怜的光线。在光线充足的地表，植物没有必要制造多余的色素，因此它们可以“挑剔”地选择吸收某种光线。这样的进化原则可能也适用于其他行星。

    正如水生生物适应水的滤光作用一样，陆生生物也适应了大气的滤光作用。在地球大气层顶端，黄色光子(波长为560～590纳米)的数量最多。随着海拔降低，波长较长的光子逐渐减少，短波长光子更是急剧减少。阳光透过上层大气时，水蒸气吸收波长大于700纳米的红外线，氧分子吸收波长为687和761纳米的光线(即氧气的吸收谱线)。在平流层，臭氧(O3)会吸收大量的紫外线以及少量可见光。

    总而言之，大气层设置了一系列“窗户”，阳光要穿过这些窗户，才能抵达地面。“窗户”为可见光波段设定了范围：波长较短的称为蓝色端，是由阳光中的短波长光子数量锐减，以及臭氧层大量吸收紫外线而形成的；波长较长的则被称为红色端，由氧气的吸收谱线形成。由于臭氧对可见光区内的多种光线都有吸收作用，各种光子的数量也发生了变化，原本数量最多的是黄色光子，现在则为红色光子(波长约为685纳米)。

    在很大程度上，植物的吸收光谱由氧气决定，而这些氧气又是植物释放出来的。最早的光合生物在地球上出现时，大气中氧气浓度极低，因此这些生物用于捕捉阳光的色素，必然不同于叶绿素(如果是叶绿素，植物光合作用就会释放大量氧气)。随着时间流逝，光合作用改变了大气组成，叶绿素也就成为了植物的最佳选择。

    根据化石记录，科学家推断光合作用产生于距今34亿年前。不过也有一些化石显示，光合作用可能在更早以前就出现了。早期光合生物只能在水下生存，因为水是很好的溶剂，有利于生化反应的进行，而且它还能为生物遮挡阳光中的紫外线。在臭氧层还未形成的时候，水对生物的这种保护作用至关重要。最早的光合生物是吸收红外线的水下细菌，它们体内化学反应的主要反应物是氢、硫化氢或铁，由于水没有参与反应，这些细菌不会释放氧气。到27亿年前，能利用光合作用制造氧气的蓝细菌(cyanobacteria)出现了，地球大气层中的氧气浓度逐渐升高，臭氧层也开始形成——这给红藻和褐藻的出现创造了条件。随着臭氧层的日渐完善，紫外线对浅水层生物不再构成威胁时，绿藻便进化出来，它们没有藻胆素，更适应阳光下的生活。又过了20亿年，氧气浓度进一步提高，绿藻终于进化成为陆生植物。

    自此以后，植物数量便开始爆炸式增长，植株个体也越来越复杂——从地表的苔藓和地钱，到直冲云霄的参天大树，因为个体越高大，越利于捕捉阳光，也能更好地适应特殊气候。由于拥有圆锥形树冠，即便在太阳照射角度较低的高海拔地区，松树也能获得充足的阳光；利用花青素(anthocyanin)，喜阴植物还可以抵御强烈的阳光。绿色植物的叶绿素因大气成分的改变而出现，反过来又有助于维持目前的大气组成，这就形成了一个良性循环，使地球的绿色得以维持。也许，下一步进化会使树荫下的某个物种具有某种优势，让它们能利用藻胆素吸收绿光和黄光，不过处于高大的植物仍倾向于保持绿色。