地球上的植物曾经是紫色的吗？

在可居住的系外行星上，植被可能使用紫色视网膜进行光合作用，从阳光中汲取能量。这样一来，在这颗星球的光谱中，就会落下绿光。NASA/Ames/JPL–Caltech

在叶绿素和光合作用进化之前，早期地球生命形式可能使用一种叫做视黄醛的紫色分子将阳光转化为代谢能。如果其他行星已经进化出视网膜，它就会在吸收绿光的过程中产生可识别的生物特征，就像地球上的植被吸收红光和蓝光一样。

地球的大气层并不总是含有足够的氧气。在我们星球诞生的前20亿年里，大气中富含二氧化碳和甲烷，但到24亿年前，地球大气中游离氧的浓度急剧上升。这就是所谓的大气“富氧事件”。原因被认为与蓝藻细菌有关。蓝藻菌可以利用一种叫做叶绿素的绿色分子，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。光合作用的产物是糖类，“废品”是氧气。

其实，能够进行光合作用的生命体出现在大约35亿年前，远早于“富氧事件”。大气富氧之所以没有更早出现，与当时地球上存在一些相互竞争的自然过程有关。例如，当时的一些地质机制可以消耗大气中的游离氧。但是叶绿素是怎么来的呢？光合作用是什么时候出现的？这些问题的答案仍不清楚。

在今天的地球上，尤其是在海洋中，许多生物利用一种叫做“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，视网膜曾经是地球上生物进行光合作用的主要工具。它与后来出现的叶绿素共同进化，让生物体可以充分利用阳光中的能量。

叶绿素吸收的太阳光波长集中在475纳米和665纳米左右。这就是为什么叶子大部分是绿色的原因，因为它们不吸收绿光。但太阳光的能量主要集中在550纳米左右的波长上，其中包括黄光和绿光。

视黄醛分子包含在许多可以吸收阳光的蛋白质中。这些蛋白质中有视紫红质，它主要吸收波长为568纳米的光。这是太阳光能量的集中区，而恰好是叶绿素不吸收的波长范围。

这样的“巧合”促使科学家们思考视黄醛和叶绿素这两种色素共同进化的可能性。视黄醛的分子结构比叶绿素简单，所以有可能是它先出现，光合作用效率更高的叶绿素才进化出来的。这两种色素在吸收阳光方面正好互补。

实验表明，如果将视紫红质置于囊泡中，模拟的生物原细胞可以有效地在细胞内捕获和储存阳光。有理由相信，这种机制的演变与第一批细胞的出现同时发生。利用细胞膜的能量捕获能力，细胞膜的势能，即细胞内外的电位差，可以使细胞成为能量的提供者。这就是为什么细胞是生命的基本单位的一个重要原因。

地球植被吸收红光，反射红外光，所以如果我们用光谱仪观察植被，会发现它的光谱在红光波段会有明显的下降，这种陡峭的下降称为“红边”.科学家们认为，如果我们在系外行星的光谱中发现类似的现象，则说明这颗行星上存在可以进行光合作用或其他类似过程的生物体，这是一种生物特征。

而且因为视网膜吸收绿光和黄光并反射或透射红光和蓝光，所以使用视网膜进行光合作用的生物体在我们看来应该是紫色的。地球上的植被可能在其历史上的某一时期是紫色的。由于视网膜比叶绿素更简单，它可能更普遍存在于宇宙各个角落的生物体中。光谱中有“绿边”的行星也可能有生命，但进行光合作用的不是叶绿素，而是紫视网膜。

[参见]https://www.cambridge.org/core/journals/international-journal-of-astrobiology/article/early-evolution-of-purple-retinal-pigments-on-earth-and-implications-对于系外行星生物签名/63A1AD8AF544BEEF4C6D4A2D53130327