外星天空下植物仍能茁壮生长

这是一张艺术家为一颗岩质超级地球HD219314绘制的插图。它围绕着一颗K型恒星—一种稳定的、长寿的主序星旋转。这种恒星的光与太阳不同。地球植物能否在这些恒星附近进行有效的光合作用？

图片版权：美国航空航天局/喷气推进实验室-加州理工学院

光合作用有力地改造了地球的环境。当使用光合作用的生物首次出现时，它们导致了“大氧化事件”。氧气为多细胞生物的演化提供了条件，并形成了臭氧层。从此，生命得以免受太阳强烈紫外线的威胁而登陆。

我们的太阳是一颗G类星球，有时被称为黄矮星

一些科学家认为，K矮行星是系外行星中适合居住的最佳宿主星。它们的质量约为G型恒星的50%至80% 比类太阳恒星更加丰富，并且具有能持续数十亿年的稳定亮度。太阳将在主序上稳定大约100亿年，而K型恒星可以稳定大约700亿年。尽管如此，许多系外行星的宜居性研究大多集中于中矮星或红矮星上，即使由于耀斑和潮汐锁定，它们实际上可能更不适合生命居住

在一个新的研究中，三名研究人员模拟了k型矮星的光输出并且在这种环境下种了两种光合生物去观察它们的反应。这次研究的标题是《在一种k型矮星的模拟光照下水芹和蓝藻的显著光合作用的观察》，该文章发表在国际天体生物学杂志，其主要作者是一位在柏林工科大学天体生物学研究小组的博士生Iva Vilovi?。

这些来自该文章的数据显示了太阳和k型矮星的光谱还有它们的模拟光谱。图片信息:Vilovi? et al. 2024.

这些来自该文章的数据显示太阳和k型矮星的光谱还有它们的模拟光谱。图片信息:Vilovi? et al. 2024.

水芹，拉丁名为荠菜，是一种常见的被用于沙拉、汤水和三明治的花园蔬菜。这是一种适应能力强能快速生长的植物。蓝细菌拟甲色球藻是一种因可休眠1300万年并且保存存活。它可以抵抗辐射、干燥和极端温度并且在天体生物学中引起人们的兴趣。

我们期待光合作用在天文生物发挥作用。星光给生物提供了能量去合成有机化合物。为了理解天文生物中的光合作用，我们需要去理解其他行星是怎样为光合作用供能的。“因此，理解所有星球在它的星球环境中的情况是在评定它的宜居性的一个关键步骤。”作者写道。

天文学家在类似太阳的恒星附近寻找类地行星，因为这是我们唯一知道的生命。他们也特别重视M型矮星因为它们数量特别多，并且众所周知，在它们的宜居带拥有岩石系外星行星。科学家已经证明了来自地球的光合生物可以在M型矮星的模拟光下生长。但是M型矮星的宜居性面临一系列潜在的困难。

艺术家对于被系外行星环绕的燃烧的红色矮星的印象。红色矮星可以猛烈的燃烧，强烈程度可以让它们宜居带上的行星无法维持生命。在它们的宜居带上的行星也经常被潮汐锁定，这是M型矮星宜居性的另一个障碍。信息:NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

在这次的研究中，研究人员聚焦于K型矮星。它们缺乏磁性活动，但M型矮星上似乎能产生够强大到让这个星球上的液态水宜居带消失的耀斑。因为K型矮星周围的液态水区域离这个星球太远了，所以这个星球不能被水完全覆盖，这是另一个对M型矮星宜居性产生障碍的潜在因素。由于M型矮星的远紫外线和X射线流量的快速削弱，在它们的生命周期中，K型矮星将变得比M型矮星更宜居。

“所有的事结合起来，在寻找可能孕育生命的行星时，K型矮星可以被认为是‘金发女孩之星’。”作者写到。

这张来自该研究文章的表显示了研究人员在他们的研究中重现的条件。图片来源：Vilovi?et al.2024.

三位研究人员将豆瓣菜种子暴露在三种不同的光源种类下：太阳光、K型矮星上的光和无光。从外表来看，种在太阳光和k型矮星的光下的样品有相似的结果，尽管大部分的情况下，在k型矮星光下的种子要比在太阳光下的种子早发芽一或两天。在k型矮星光下的样品有略大一些的叶片面积。

研究人员在一个沙质基质上种了100颗原种水芹于太阳光（有效温度5800k）、k型矮星上的光（有效温度4300k）和黑暗条件三种环境中。这些图片表现了选定天数时种子的直观结果。相对于在太阳光和黑暗条件下，水芹在k型矮星光下发芽更早。图片来源：Vilovi?et al.2024.

七天过后，样品的侧视图表明株高和茎伸长率也有不同。在k型矮星光下豆瓣菜长得更高。

研究人员也测量了样品的含水量和净重。与在太阳光下的情况相比，在k型矮星的条件下，豆瓣有稍微高一点的含水量但是净重偏低。

这些数据显示了所有水芹样品的含水量和净重。图片信息：Vilovi?et al.2024.研究人员也测试了植物样品的光和效率，但是发现样品在太阳光条件和k型矮星条件下没有明显差别。

耐寒极端微生物蓝细菌拟甲色球藻属CCMEE 029出现在来自快速增长的水芹的光谱的另一端。它是一个能承受长期休眠和极端的生长条件的幸存者。研究人员也在太阳光、k型矮星上的光和黑暗条件下培育了这种细菌。

研究人员测量了蓝藻培养物的生长的指标，即平均累计密度（IntD）。他们发现K型矮星样本的数值高于太阳样本，但差异并不明显。研究人员在他们的论文中写道：“在黑暗环境中，蓝藻的IntD值微乎其微以至于无法测量。”

这张来自研究论文的图片显示了在太阳、K型矮星和黑暗条件下，蓝藻在选定的不同日期下的增长率和累计密度。研究人员表示，尽管蓝藻在K型矮星条件下的综合密度值较高，但差异并不显著。图片来源：Vilovi?等人.2024.

研究人员指出，他们的研究并没有完全复制自然条件。太阳光照强度在一天中不断变化，但他们在研究中没有考虑这一点。“地球上的光照强度在一天中不断变化，其峰值往往出现在正午时分。这对植物适应及应对不断变化的光照条件至关重要，包括激活非光化学猝灭 (NPQ) 以减轻过量光照的影响。”他们写道。NPQ帮助植物通过将能量以热量的形式散发出去，来应对过量光照，即超过植物光合作用能力范围的光照量的时期。

“了解K型矮星辐射对植物光合作用及生长的影响至关重要，这不仅是为了评估其对光能营养生物的培养能力，也是为了解释太阳系外的大气生命特征。”作者解释道。该领域的其他研究集中在M型矮星上，这三位研究人员表示，据他们所知，这是人们首次在光合作用和K型矮星上做研究。

“这些实验结果能让我们在寻找宜居星球时，更快地定位哪些恒星环境可能是最理想的候选者，”作者写道，“这些发现不仅指明了光能营养生物对改变的辐射环境的应对机制，还揭示了围绕 K型矮星运行的系外行星的主要宜居条件。”

BY： Evan Gough

FY：Astronomical volunteer team

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