地球的紫色往事

生命或許不總是綠色的。新的假說認為，地球還有一段“紫色的往事”。這并不意味著地球曾經被紫色的植物、動物占據過。實際上，紫色和綠色的決戰，早在多細胞生物產生之前就已發生。當時的地球被單細胞微生物統治著。

今天的地球上有大把的綠色，這些綠色大多來自進行光合作用的植物。光合作用把陽光的能量轉化成植物營養中儲存的化學能，同時產生其他生命所需的氧氣。在光合作用過程中，最重要的一環是葉綠素。這種綠色的分子能夠吸收陽光的能量，并使用這些能量將二氧化碳與水轉化成糖類。

為什么葉綠素是綠色的？因為這種色素分子的光吸收峰在465納米（紅光）和665納米（藍光）附近。換句話說，因為葉綠素不吸收陽光中的綠色光，所以它才顯示出綠色。

然而，美國馬里蘭大學的分子生物學教授 Shiladitya DasSarma注意到：太陽的光譜中能量最強的部分在550納米，也就是黃綠色光范圍。經過數億年進化的植物擁有了高度復雜、令生物學家驚嘆的光合作用機制，為什么卻偏偏避開了這個能量高峰不用呢？按照DasSarma的說法，人類的眼睛經過演化都變得對綠光最敏感（因此夜視儀的畫面是綠色的），為什么植物卻把綠光都反射回太空？

DasSarma領導的研究主要集中在嗜鹽古菌方面。這類古老的微生物如今仍然存在于一些極端環境中,例如美國大鹽湖或者死海，它們能利用視黃醛來產生能量。

（左圖）澳大利亞一處鹽池中繁殖了大量嗜鹽古細菌；（右圖）從嗜鹽古細菌裂解物中分離出的紫色色素（圖片來源：IFLScience.com）

視黃醛是一種演化史上很早就出現的色素分子，因此眾多物種體內都有它的蹤跡。人類的視覺系統也利用它來辨認綠光。與葉綠素不同的是，視黃醛分子吸收490~600納米光（綠色與黃色光）的能力很“出色”。于是，可見光光譜中剩下的紅色和藍色光的組合就會讓這種分子，以及以這種分子為基礎的生命顯示出紫色。研究者發現，許多能夠吸收陽光的蛋白都含有視黃醛色素分子，尤其是光譜吸收峰為568納米的“菌視紫紅質”蛋白。

DasSarma研究的這些紫色微生物如今生活在其他生命無法生長的環境中，但在古老地球的惡劣環境中，它們可能是最具優勢的生命形式——視黃醛很可能是葉綠素之前地球上吸收陽光的最主要分子。視黃醛和葉綠素可能曾經共同進化，但視黃醛分子可能更早出現，因為它的分子結構更加簡單，早期的生命即使在低氧的古海洋環境中也很容易制造。更何況，視黃醛在細胞中的生產過程與脂肪酸幾乎完全一致，而后者是構成細胞結構的主要成分之一。

于是，以DasSarma為首的研究者將葉綠素出現之前的這段特殊時期命名為“紫色地球”。

他們的觀點是：當地球上的生命有能力產生比視黃醛更復雜的光合色素時，遠古的海洋中已經充滿了吸收綠光的紫色微生物。新的光合機制別無選擇。只好就地吸收剩下的紅色和藍色光——對應的色 素在陽光光譜下顯示出綠色。

盡管研究者不得不承認，“紫色地球”理論目前為止還停留在假說階段，因為數十億年前的微生物很難留下有用的證據。不過這一理論仍然引起了很多科學家的興趣，因為它符合當代古生物學對遠古地球的認識。實際上，科學家正在給“紫色地球”假說增加更多可能性。

喬治亞理工學院的副教授Jennifer Glass認為，紫色細菌的后代未必需要生活在高鹽環境中。它們如今可能生活在一些湖泊的底層水域，因此很難被發現。然而在氧氣尚未在大氣中積累的時候，這些細菌可能占領了低氧的古代海洋。不過，這些細菌想要大規模登上陸地，還有一道關卡難以克服——它們得像如今的植物那樣，有能力保護自身不受紫外線的殺傷。

那段紫色的時光距今大約35億~24億年。有證據顯示，采用光合作用的生命形式最早在35億年前就存在；而在距今24億年時，地球上發生了“大氧化事件”（Great Oxygenation Event）。

這一轉化事件的源頭，目前科學界認為是藍細菌的興盛。這類原始的微生物利用葉綠素進行光合作用。隨著光合作用的效率越來越高，這一過程中的副產物——游離氧，在大氣中也積累得越來越多?！按笱趸录敝螅瑓捬醯奈锓N紛紛走向式微，紫色古細菌也沒能幸免。地球于是變成了綠色統治的世界。

后來居上的綠色植物錯過了陽光中能量最強的部分，是不是有點可惜了？誠然，視黃醛可以通過吸收陽光的能量來創造細胞中的能量分子ATP。然而，這一過程與光合作用相比，能量轉化效率并不高。不僅如此，這個過程中也不產生自由氧或者積累糖分。也就是說，紫色的地球不會像綠色地球那樣生機勃勃。

視黃醛給了早期地球迥然不同的色彩。這種可能性不僅給地球歷史增添了一些趣味，也為尋找地外行星的科學家帶來了新的方向——既然視黃醛能比葉綠素更早出現，那么以其為基礎的生命，很可能在宇宙中更廣泛存在。

如今地球上的植物吸收紅光，同時反射紅外光。因此用光譜儀觀察植物時會看到紅色波段反射光顯著減少，這種現象被稱為“紅邊”（red edge）?？茖W家在尋找潛在宜居的系外行星時，光譜數據中的“紅邊”可以作為一種生命指示信號。

有趣的是，既然視黃醛色素吸收黃綠色光，那么以這種分子為基礎的生命就不會出現紅邊。視黃醛是比葉綠素更簡單的分子，在宇宙中可能更普遍存在，因此科學家在宜居系外行星的光譜中，或許應該著力尋找綠邊。

或者說，我們在宇宙中尋找其他家園時，不應該局限于尋找“紫點”或者“綠點”，而應把更多色彩納入考慮范圍。生命的偉大之處，就在于它不止一種色彩、不止一種可能?！?/span>

參考資料：

CNN，What purple can tell us about life on other planets

太空網，Was Life on the Early Earth Purple?