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绿色是最让人感到“生机盎然”的颜色，因为这个星球的陆地生态系统正被一群称为“植物”的绿色生物供养着。 我们当然知道植物的绿色来自叶绿素，这关系到一套延续了20多亿年的光合系统。但是我们还想知道，为什么偏偏是这套光合系统，占据了如此广袤的世界。 －文字稿－ 说起光合作用，人们一定会想到植物界那些深深浅浅的绿色，想到那都是叶绿素的功劳——当然在地球上，光合作用的生物可以有许多不同的颜色：首先在细菌域中，蓝菌门可以是明亮的蓝色，因为它们含有许多藻青素；变形菌门有很多不产生氧气的光合细菌，它们富含紫菌红素和螺菌黄素等类胡萝卜素，可以显出娇艳的紫红色。同时在真核域，各种褐藻因为富含褐藻素，显出金黄色乃至棕褐色，而红藻与植物关系虽近，却因为富含“藻红素”而带有珊瑚似的粉红色。 这就让人感到奇怪——既然光合作用的生物可以有各种颜色，为什么在陆地生态系统占据绝对优势的植物，偏偏只有绿色？ 首先，我们要明白颜色对于光合作用的意义——不同的色素吸收了不同波长的光。就以最熟悉的绿色植物来说，叶绿素a是最重要的光合色素，它被包围在光反应中心里，接受光子后将活跃起来失去电子，然后设法从水分子中夺走电子，而叶绿素a最容易吸收波长680nm附近的红光，以及430纳米附近的蓝紫光，而对绿光吸收最少，因此呈现出鲜明的绿色。 显然，如果只有一种叶绿素a，大部分的可见光就都浪费了，所以光合作用生物还会合成其它各种色素——尤其比如各种类胡萝卜素，比如叶黄素、新叶黄素、三色堇黄素、玉米黄素、α-胡萝卜素、β-胡萝卜素，它们能充分吸收460nm附近的蓝紫光，然后释放出叶绿素容易吸收的红橙光，增加了光合作用的效率。 由于现存所有的产氧光合生物都是蓝细菌和蓝细菌的内共生后代，所以它们也都有叶绿素a的光反应中心，以及各种辅助色素，以便将波长更短的光转化为红光， 比如我们常吃的海带属于褐藻，这是一类不等鞭毛虫，它们的褐藻素也是一种类胡萝卜素，但专门吸收450nm到550nm的绿光，所以表现出了黄褐色。 这就帮助我们明确了最初的问题：植物为什不像海带一样制造吸收绿光的色素，提高光反应的效率呢？毕竟太阳光在500nm左右绿光波段功率最大。 对于这一进化结果，我们有许多方向的解释，最直接的：光反应并不是光合作用的全部，植物能制造多少有机物，更关键的是暗反应还原二氧化碳的效率，而其中第一步就是将二氧化碳固定下来。 可惜二氧化碳在大气中含量太少了，分子数量连0.04%都占不到，而那种固定二氧化碳的酶， “核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶”，却是一种相当不争气的酶，催化效率只有一般酶的0.3%左右，一秒钟只能固定3分子的二氧化碳，为了满足整个生态系统的消耗，全球光合生物们每秒就要合成1吨重的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶，在植物叶片中可达干重的60%以上，平均每个人都需要44公斤的这种酶才能供养，所以核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶很可能是世界上最多的蛋白质。 即便如此，暗反应的速度仍然远远低于光反应，对所有植物来说，继续加快光反应不但没有任何意义，反而会积累过多氧化剂，烧坏脆弱的反应链——所以陆地上的植物不但舍弃了功率最高的绿光，一些幼嫩的组织还要积累花青素等抗氧化剂保护保护自己。 而对于水中的光合作用生物来说，大量的红光都被水分子吸收和散射掉了，蓝光和绿光就变得重要起来——所以它们合成了格外丰富的色素，以便吸收各自深度里最丰富的光，尤其是与珊瑚共生的各种虫黄藻，它们与植物的关系较远，还有独特的多甲藻素和硅甲藻黄素，是地球上色彩最丰富的类群之一 。 但既然水中的光合生物需要绿光，为什么元祖的蓝细菌却要进化出以叶绿素a为中心的光合系统，优先利用红光和蓝紫光呢？ 对于这个历史悬案，我们不妨参考一个最近提出的“紫色地球假说” ：在细菌域和真核域之外，古菌域的嗜盐古菌也能光合作用，它们光反应的核心不是叶绿素a，而是菌视紫红质，我们的眼睛就是用类似的视紫红质感光。 这个假说认为，今天的嗜盐古菌优先利用绿光，把许多盐湖染成了红色，如果它们出现得比蓝细菌更早，就会把原始海洋染成同样的紫红色，蓝细菌的祖先出现得更晚，只好优先利用嗜盐古菌抛弃的红光了。 本文系网易新闻·网易号“各有态度”特色内容 |
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