地球上的植物曾经是紫色的吗？

紫色，可能曾经是地球植物的主色调。

在宜居的系外行星，植被可能会利用紫色的视黄醛进行光合作用，从阳光中汲取能量。这样一来在这个行星的光谱中，绿光就会下跌。NASA / Ames / JPL–Caltech

早期地球生命形态可能会在叶绿素和光合作用演化出来之前，利用一种名为视黄醛的紫色分子把阳光转化为代谢能。假如其他行星也演化出了视黄醛，那么它就会在以与地球植被吸收红蓝光相同的方式吸收绿光的过程中，产生一种具有辨识性的生物学特征。

地球的大气中并不一直都含有足量的氧。在我们这个行星的头个二十亿年间，大气富含二氧化碳和甲烷，但到了距今24亿年前，地球大气中的自由氧浓度急剧上升。这就是所谓的大气“富氧化事件”。原因据信和蓝藻菌有关。蓝藻菌能够利用一种名为叶绿素的绿色分子，以阳光和二氧化碳为原料，通过光合作用，为生命的新陈代谢提供能量。光合作用的产品是糖类，而“废料”就是氧气。

事实上，能够进行光合作用的生命形态在距今大约35亿年前就已经出现，远早于“富氧化事件”。大气富氧化之所以没有出现得更早，和当时地球上存在一些竞争性自然过程有关。比如当时的某些地质机制能够消耗掉大气中的自由氧。但是叶绿素究竟是如何产生的？光合作用究竟是何时出现的？这些问题的答案依然是不明确的。

在今天的地球上，尤其在海洋中，许多生物会利用一种名叫“视黄醛”的色素进行光合作用。最近有科学家认为，在叶绿素出现之前，视黄醛曾经是地球生物进行光合作用的主要工具。它与随后出现的叶绿素曾经协同演化，让生物能够充分地利用阳光中的能量。

叶绿素吸收的阳光波长集中在475纳米和665纳米附近。这是树叶为何大多是绿色的原因，因为它们不吸收绿光。但阳光的能量主要集中在550纳米左右的波长上，这个波长上包括了黄光和绿色光。

视黄醛分子包含在不少能够吸收阳光的蛋白质中，这些蛋白质中有一种名叫视紫红质，它主要吸收波长为568纳米的光线，这是太阳光能量的集中区，且刚好是叶绿素所不吸收的波长范围。

这样的“巧合”促使科学家思考这两种色素——视黄醛和叶绿素曾经协同演化的可能。视黄醛的分子结构比叶绿素简单，因此它有可能先行出现，在光合作用方面效率更高的叶绿素是随后才演化出来的。这两种色素在对阳光的吸收方面刚好形成互补。

实验显示如果将视紫红质置于菌膜囊内，模拟出的生物原始细胞能够有效地在细胞内捕捉和储存阳光。有理由相信，这种机制的演化曾与首批细胞的出现同步发生。利用细胞膜的能量捕捉能力，细胞膜势能，亦即细胞内外的电位差，能够让细胞成为能量的提供者。这是细胞之所以成为生命基本单元的一个重要原因。

地球植被吸收红光，反射红外线，因此如果我们用光谱仪观察植被就会发现，其光谱在红光波段上会有一个显著的下跌，这个陡然的下跌被称为“红边”。科学家认为，如果我们在观察系外行星时在其光谱中发现类似的现象，就表明在这个行星上存在会进行光合作用或其他类似过程的生物，它是一种生物特征。

而由于视黄醛吸收绿光和黄光，反射或传播红光和蓝光，以视黄醛进行光合作用的生物在我们看来应该是紫色的。地球植被在历史上可能有一个时期就是紫色的。由于视黄醛比叶绿素简单，因此它可能更普遍地存在于宇宙各个角落的生物体内，一个光谱中存在“绿边”的行星，也可能存在生命，只不过它们进行光合作用的不是叶绿素，而是紫色的视黄醛。

参阅：

https://www.cambridge.org/core/journals/international-journal-of-astrobiology/article/early-evolution-of-purple-retinal-pigments-on-earth-and-implications-for-exoplanet-biosignatures/63A1AD8AF544BEEF4C6D4A2D53130327

星空天文系头条号签约作者