叶子为什么会变红（叶子为什么是绿色）

本文转载自公众号“把科学带回家”（ID：steamforkids）

你想过吗？为什么地球上的植物非得是绿色的，而不是其他什么颜色，比如黑色？

植物是绿色，因为它们含有叶绿素，叶绿素主要吸收可见光中的红光和蓝光，但不吸收绿光，所以绿光可以穿透叶绿素或者反射出去，这就是为什么叶子是绿色的。中学课本已经讲得很清楚了。

可是，为什么叶绿素不把所有光都吸收呢？

把所有色光都吸收了，不是可以获得更多的能量吗？最诡异的是，虽然叶绿素不怎么吸收绿光，但是绿光一旦被吸收以后产生的光合作用效率也奇高无比，甚至比红光更高。

关于这点，有人认为绿光以外的光已经够用了，再把绿光加进去的话，恐怕叶绿素就要烧焦了。这么解释有一定道理，因为地球上最早产生叶绿素的蓝菌就住在海面下方，避免浮在海水表面被太阳晒伤。

那么，为什么植物要抛弃绿光，而不是红光、紫光、黄光、蓝光呢？

许多科学家对此百思不得其解，因为太阳发出的可见光中，能量最高的部分集中在绿光的波段，不利用绿光反而去利用能量更少的蓝光和红光，这太奇怪了吧。

最上面的黑线代表阳光在地球表面的辐射，2条绿线代表了叶绿素对阳光的吸收率，很明显它们避开了阳光辐射最大的波段，也就是绿色

就连人类的眼睛也明白阳光中能量最大的部分是绿光，所以人眼对绿光特别敏感。

那么比人类更早出现在地球上的植物为什么没弄明白这一点呢？

哈，某个叫 Shil DasSarma 的生物学家也有这个疑问，然后他想出了一个惊天的解释——因为地球上最早开始光合作用的生物其实是喜欢绿光的，因此一开始地球不是绿色的，而是紫色的。

等等，这是啥意思？紫色的地球？

没错，这就是紫色地球假说。DasSarma 认为，其实地球上第一批学会光合作用的生物根本不是绿色的，而是紫色的，因为它们用来光合作用的物质不是叶绿素，而是一种叫做视黄醛（retinal）的物质。

视黄醛是个什么东西？

它由维生素A转化而成的，是一种古老的色素，它可以吸收太阳能，对动物的视觉也很重要。但是，任何脊椎动物都无法直接合成视黄醛，必须要靠吃别的含有视黄醛的生物，或者吃一些胡萝卜素来合成。所以你妈让你多吃胡萝卜就是考虑到你是脊椎动物，而不是胡萝卜比较便宜的缘故。

那么，能够自己制造视黄醛的生物是谁呢？

目前地球上能直接制造视黄醛的是一种叫做盐杆菌（halobacterium）的古菌。这种古菌的细胞膜，也就是它的“皮肤”是深紫色的，里面充满了视黄醛。

盐杆菌菌落

视黄醛主要吸收绿光，不吸收红光和紫光，所以盐杆菌才是紫色的。盐杆菌除了能用绿光进行光合作用以外，还喜欢生活在极端环境里，比如盐沼湖里。最关键的是，盐杆菌是一种非常古老的生物，它们比叶绿素出现的时间要早多了。

西非塞内加尔的玫瑰湖。和玫瑰湖一样，许多盐沼里都有盐杆菌，所以呈现出粉色。现在地球上的盐杆菌能适应氧气环境，和它们的祖先不同。

所以说，盐杆菌能利用阳光中能量最多的绿光，而且还可以生活在极端环境里，这意味着，或许它们就是地球上最早利用光能的生物。

既然盐杆菌喜欢绿光不要红光和紫光，因此后来出现的光合作用生物没法用绿光，就被迫只能用别人不要的红光和紫光了。这说的就是叶绿素。

那么为什么后来地球上都是绿色植物了呢？

这可能是因为，盐杆菌虽然能进行光合作用，但是它们光合作用却不能产生氧气（不产氧光合作用）。另外，盐杆菌根本不喜欢氧气，太多的氧气使它窒息。所以出现了能产生氧气的叶绿素之后，大量的盐杆菌就逐渐被越来越多的氧气毒死了。

更关键的是，叶绿素虽然用的是阳光中能量较少的红光和蓝光，但是它的能量转化效率很高，所以后来的生物大都采用叶绿素，而不是视黄醛进行光合作用了。

当然了，紫色地球假说还很年轻，能支持它的证据还很少。但是对于搜寻外星生命来说，紫色地球假说却有重大的意义。比如在没有氧气的火星上或许也存在着类似于盐杆菌的生命，它们利用绿光进行光合作用。

如果紫色地球假说最终被证实的话，那么在太阳系以外搜寻有生命的星球的话，或许就要看它们是不是发出紫光了。

另外，按照这个思路走的话，在其他星球上或许存在黑色的植物。一些科学家认为，如果某个行星绕着红矮星旋转，由于红矮星释放的光能不足，所以这个行星上的生命必须要把红矮星的所有光线都吸收了才能吃饱。这样的行星上能进行光合作用的生命很可能是黑色的。

美国加州理工学院 Doug Cummings 描绘的其他星球上的可能植被

话说，都不知道你们有没有看懂，天线宝宝的人设很用心的。

丁丁、迪西、拉拉和小波的颜色和身高暗示的是，地球上光合作用的不同色素出现的先后次序和重要性：

丁丁——紫色的视黄醛，最早出现，所以丁丁最大 (′・∀・『)

迪西——绿色的叶绿素，在视黄醛之后出场，目前霸占了地球，所以个子第二；

拉拉——黄色的类胡萝卜素，虽然历史比叶绿素悠久，但是现在变成了叶绿素的陪衬；

小波——红色的藻红蛋白，虽然也很古老，但是比较原始，常见植物都不含有它，它的重要性比较低，所以个子最小。

而且在每集动画片开始的时候，丁丁、迪西、拉拉，和小波都会按照这个顺序依次出场。小编看了一百集不会骗你。

还有这个一直在傻笑的货，就是地球在幼年时期更年轻的太阳。它一出现，几个色素宝宝都很开心，它一下山，几个色素宝宝都要规规矩矩地和它说再见，甚至还经常不甘心地要太阳“再来一次！再来一次！”

这说明了什么，没有太阳哪有你们光合作用，哪有万物，哪有人类？

真的，天线宝宝是被严重低估的一档科普节目。

下次看天线宝宝的时候，记得向一起看的小伙伴指出：

看，有了阳光以后，视黄醛、叶绿素、类胡萝卜素和藻红蛋白都依次活跃起来了，它们4个给地球带来了多么美丽的生命呀。

图片来源：softpedia, tenor, Nature，giphy

参考资料：

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3188376/

http://www2.palomar.edu/users/warmstrong/ploct97.htm

https://zh.scribd.com/document/162517889/Microbiol-Rev-1994-Woese-1-9

https://www.livescience.com/1398-early-earth-purple-study-suggests.html

https://www.newscientist.com/article/mg16722564-200-purple-earth/

Kiang, N. Y. (2008). The color of plants on other worlds. Scientific American, 298(4), 48-55.

Vázquez, M., Pallé, E., & Rodríguez, P. M. (2010). The Earth as a distant planet: a Rosetta stone for the search of Earth-like worlds. Springer Science & Business Media.

来源：把科学带回家

编辑：重光

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