為了尋找系外行星的生命證據，人類應該尋找「紫色星球」？

原標題：為了尋找系外行星的生命證據，人類應該尋找「紫色星球」？

在太陽系之外尋找潛在的可居住行星並不是一件容易的事。雖然確認的太陽系外行星的數量在最近幾十年里有了突飛猛進的增長(3791顆，還在不斷增加！)，但絕大多數是用間接方法探測到的。這意味著，這些行星的大氣和表面狀況一直是估計和有根據的猜測的問題。

同樣，科學家們尋找類似地球上存在的條件，因為地球是我們所知道的唯一支持生命的行星。但是，正如許多科學家所指出的那樣，隨著時間的推移，地球的狀況發生了巨大的變化。在最近的一項研究中，一對研究人員認為，一種更簡單的光合生命形式可能比那些依賴葉綠素的生命形式要早，這對尋找適宜居住的系外行星可能有重大的影響。

正如他們在最近發表在「國際天文學雜誌」上的研究中所述，雖然生命的起源仍未完全了解，但人們普遍認為生命起源於37至41億年前(在冥古宙晚期或太古宙早期)。此時，大氣層與我們今天知道和依賴的大氣完全不同。

太古宙

地球的早期大氣不是主要由氮和氧(目前它們在地球分別佔78%和21%，其餘部分是微量氣體)組成的，而是二氧化碳和甲烷的結合。然後，大約29億到30億年前，光合細菌出現了，它們開始用氧氣豐富大氣。

由於諸多的因素，地球在大約23億年前經歷了所謂的「大氧化事件」，它永久地改變了我們星球的大氣層。儘管有這一普遍共識，但生物進化到利用葉綠素將陽光轉化為化學能的過程和時間安排仍然是許多猜測的主題。

然而，根據希拉迪亞·達薩馬拉（Shiladitya DasSarma）和愛德華·施維特曼（Edward Schwieterman）博士的研究，一種不同類型的光合作用可能早於葉綠素。他們的理論被稱為「紫色地球」，即利用視黃醛(一種紫色色素)進行光合作用的有機體比那些使用葉綠素的有機體先出現在地球上。

這種形式的光合作用今天在地球上仍然很普遍，並傾向於在高鹽環境(即鹽濃度特別高的地方)中佔主導地位。此外，依賴視黃醛的光合作用是一個更簡單、效率更低的過程。正是由於這些原因，達薩馬拉和施維特曼考慮了基於視黃醛的光合作用更早進化的可能性。

植物細胞葉綠體內的機器將陽光轉化為能量，在此過程中發出熒光。科學家可以檢測衛星數據中的熒光特徵。

與葉綠素相比，視黃醛是一種相對簡單的化學物質。它具有類異戊二烯結構，早在25-37億年前，就有證據表明這些化合物存在於地球早期。視黃醛的吸收發生在可見光譜的黃綠色部分，那裡發現了大量的太陽能，它補充了葉綠素在光譜兩側藍色和紅色區域的吸收。基於視黃醛的光營養比依賴葉綠素的光合作用簡單得多，只需要視黃醛蛋白質、膜泡和ATP合成酶就能將光能轉換成化學能(ATP)。更簡單的依賴視黃醛的光合作用比更複雜的依賴葉綠素的光合作用更早進化，這似乎是合理的。

這些有機體的出現可能是在細胞生命發展之後不久，作為產生細胞能量的一種早期手段。因此，葉綠素光合作用的進化可以看作是隨後的發展，與它的前輩一起進化，兩者都填補了某些生態位。

達薩馬拉說：「視黃醛依賴的光泵用於光碟機動的質子泵，這會導致跨膜質子動力勢。質子動力勢可能與ATP合成過程發生化學滲透耦合。然而，在現存的(現代)有機體中，如植物和藍藻中，還沒有發現它與氧的產生有關，這些生物在光合作用的兩個階段都使用葉綠素色素。「

施維特曼補充說：「另一個很大的區別是葉綠素和(以視黃醛為基礎的)視紫紅質吸收的光譜，葉綠素在視覺光譜的藍色和紅色部分吸收最強，而細菌視紫紅質在綠色和黃色部分吸收最強烈。」

因此，葉綠素驅動的光合生物會吸收紅光和藍光並反射綠光，而視黃醛驅動的生物會吸收綠光和黃光並反射紫色光。雖然達薩馬拉在過去曾暗示過這種生物的存在，但她和施維特曼的研究關注「紫色地球」在尋找適合居住的太陽系外行星中可能具有的含義。

經過幾十年的地球觀測，科學家們終於認識到，利用所謂的植被紅邊(VRE)，可以從太空中識別出綠色植被。這一現象是指綠色植物在反射綠光的同時吸收紅光和黃光，同時在紅外波長上發光的現象。

從空間上看，利用寬頻光譜，可以根據它們的紅外特徵識別出大量的植被。許多科學家(包括卡爾·薩根)也提出了同樣的方法來研究系外行星。然而，它的適用性將僅限於那些已經進化出葉綠素驅動的光合植物的行星，並且分布在行星的相當一部分上。

開普勒-69c的想像圖，一個超級地球大小的行星，在像我們的太陽這樣的恆星的宜居帶中，位於離地球約2700光年的天鵝座中

此外，光合生物只在地球相對較近的歷史中進化。地球已經存在了大約46億年，而綠色維管束植物只是在4.7億年前才開始出現。因此，尋找綠色植被的系外行星調查只能找到在進化過程中一直存在的適合居住的行星。正如施維特曼所解釋的那樣：

我們的研究是關於那些可能適合居住的外行星的子集，這些行星的光譜特徵有朝一日可以被分析以尋找生命跡象。作為生物信號的VRE僅由一類生物體產生，如植物和藻類的光合器。這種類型的生命在今天的地球上佔主導地位，但並非總是如此，在所有系外行星上可能不是這樣。雖然我們確實期望別處的生命具有一些普遍的特徵，但我們通過考慮別處的生物可能具有的各種特徵，來最大限度地增加我們尋找生命的成功機會。」

在這些和其他類似的研究中，科學家們提出，「宜居地帶」的概念可以擴大，因為考慮到了地球的大氣層曾經與今天有很大的不同。

因此，與其尋找氧氣、氮氣和水的跡象，調查還可以尋找火山活動的跡象(這在過去地球上更為普遍)以及氫和甲烷，這對地球早期的狀況很重要。施維特曼說，以同樣的方式，他們可以用類似於監測地球上植被的方法來尋找紫色生物：

「我們在論文中討論的視黃醛光收集將產生一個不同於VRE的特徵。雖然由於紅光的強吸收和紅外光的反射，植物具有獨特的「紅邊」，紫膜細菌視紫紅質吸收綠光最強，產生一個「綠邊」。這一特徵在水中或陸地上的生物之間會有所不同，就像普通的光合作用者一樣。如果在一顆系外行星上存在足夠高丰度的基於視黃醛的光營養物，這個特徵將被嵌入該行星的反射光譜中，並有可能被未來先進的太空望遠鏡看到(它們也將尋找VRE、氧、甲烷和其他潛在的生物特徵)。「。

在未來的幾年裡，我們鑒定系外行星的能力將大大提高，這要歸功於先進的空間望遠鏡。有了這些新增的功能，以及更大範圍的監視，「潛在宜居」這一名稱就有了新的含義！

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