如果系外行星表面被發(fā)現(xiàn)存在植物，它們可能會(huì)和地球上的植物非常不同。一些宇宙生物學(xué)家認(rèn)為那些星球上的植物顏色或許非常不同，而不一定是綠色。

　　這是加拿大黑云杉林的兩張照片。左側(cè)一張中，太陽(yáng)位于觀察者背后(后照)，右側(cè)一張中，太陽(yáng)位于觀察者前方(前照)。

　　據(jù)美國(guó)太空網(wǎng)報(bào)道，在對(duì)外星生命的搜尋中，科學(xué)家們正在開(kāi)始嘗試跳出單細(xì)胞生命結(jié)構(gòu)的限制，去尋找那些多細(xì)胞的生物。在最新一期出版的《宇宙生物學(xué)》雜志上，研究人員們發(fā)表了一篇論文，提出了一種獨(dú)特的數(shù)學(xué)方法，用以搜尋存在于系外行星表面的樹(shù)木類多細(xì)胞生物。

　　這項(xiàng)研究的首席作者克里斯多夫·道忒(ChristopherDoughty)說(shuō)：“這項(xiàng)技術(shù)將允許我們識(shí)別出那些可能擁有復(fù)雜高級(jí)生命的星系，并將這些生命與簡(jiǎn)單生命體區(qū)分開(kāi)來(lái)。”克里斯多夫是英國(guó)牛津大學(xué)環(huán)境變化研究院的高級(jí)研究員，其研究的方向是熱帶森林。

　　換句話說(shuō)，科學(xué)家們認(rèn)為他們能夠觀察一顆遠(yuǎn)在太陽(yáng)系之外，甚至在望遠(yuǎn)鏡中也只有一個(gè)模糊光點(diǎn)的行星，然后判斷其表面是否存在森林。他們認(rèn)為這些行星反射的光能夠讓科學(xué)家們識(shí)別出這些信息。

　　去除陰影效應(yīng)

　　到目前為止，科學(xué)家們已經(jīng)設(shè)計(jì)出多種方法來(lái)探測(cè)系外行星表面可能存在的生命。

　　一些科學(xué)家主張對(duì)系外行星的大氣成分進(jìn)行探測(cè)，重點(diǎn)尋找氧氣的線索，因?yàn)樵诘厍蛏?，氧氣主要是植物光合作用的副產(chǎn)品，被視作一種生物“簽名”。另外一些專家則主張對(duì)光譜中的“紅邊”信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。反射光譜中的“紅邊”特征可以讓研究人員識(shí)別出植物進(jìn)行的光合作用。

　　對(duì)地球氣候進(jìn)行研究時(shí)，了解地表的亮度非常關(guān)鍵。而為了確定地表亮度值，首先必須去除由于地表各種結(jié)構(gòu)造成的陰影效應(yīng)。

　　在數(shù)學(xué)上，用于估算陰影效應(yīng)程度的方法是“雙向反射分布函數(shù)”，簡(jiǎn)寫(xiě)為BRDF。它主要描述從不同的角度觀察物體，看到的不同陰影效果。這種方法已經(jīng)在現(xiàn)有的地球衛(wèi)星圖像分析中采用。

　　克里斯多夫解釋說(shuō)：“想象在一個(gè)陽(yáng)光明媚的日子外出，當(dāng)太陽(yáng)高高在上時(shí)，你看不到自己的影子。此時(shí)如果有人在你的正上方給你拍張照，他就會(huì)發(fā)現(xiàn)沒(méi)有陰影干擾，圖像亮度高。然后過(guò)了幾個(gè)小時(shí)之后，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)由于太陽(yáng)偏西，開(kāi)始出現(xiàn)影子了?，F(xiàn)在再?gòu)哪泐^頂上給你拍張照片的話，亮度相對(duì)就會(huì)低一些，因?yàn)橛辛擞白拥挠绊憽?rdquo;

　　地球上的樹(shù)木在進(jìn)化中發(fā)展出了傘狀的外形，這是因?yàn)殚L(zhǎng)期以來(lái)樹(shù)木對(duì)陽(yáng)光的競(jìng)爭(zhēng)，以及對(duì)水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需求所導(dǎo)致的。據(jù)此，研究人員們預(yù)計(jì)，如果外星球同樣存在樹(shù)木類的生物，并且同樣依賴光和作用，那么出于同樣的理由，它們也必定會(huì)進(jìn)化出傘狀的形態(tài)，并投下陰影。

　　克里斯多夫和研究合作者，來(lái)自美國(guó)普林斯頓大學(xué)的亞當(dāng)·沃爾夫(AdamWolf)運(yùn)用BRDF模型來(lái)模擬不同光照角度下行星反光的特征，以及在有無(wú)植被覆蓋的情況下行星亮度上將出現(xiàn)的細(xì)微差異。研究人員們認(rèn)為，在一顆擁有森林的行星上，當(dāng)你的觀察視線和當(dāng)?shù)?ldquo;太陽(yáng)”的光照角度一致時(shí)，你看到的行星亮度將最大。這一位置內(nèi)稱為“熱點(diǎn)”，因?yàn)樵谶@一位置沒(méi)有陰影存在。

　　克里斯多夫解釋說(shuō)：“即便由于分辨率限制，整個(gè)系外行星看上去僅僅是一個(gè)不足一像素的光點(diǎn)，在某些條件下，在它圍繞恒星公轉(zhuǎn)過(guò)程中，如果它表面存在植被，你總能察覺(jué)出它出現(xiàn)有特征的亮度變化。”

　　當(dāng)然還有其他會(huì)影響行星亮度的因素，比如是否存在水。一顆被水面或冰面覆蓋的行星，其反射亮度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一顆沒(méi)有水或冰面的行星。

　　搜尋生命線索

　　隨著越來(lái)越多的系外行星被發(fā)現(xiàn)，學(xué)界對(duì)于發(fā)展用以探測(cè)類地行星表面生命的技術(shù)越發(fā)感興趣。為了做到這一點(diǎn)，天文學(xué)家們需要依靠找到“生物學(xué)簽名”，即證明這些行星在過(guò)去或現(xiàn)在存在生命現(xiàn)象的證據(jù)。

　　除了對(duì)氧氣信號(hào)的探測(cè)，科學(xué)家們還考慮了對(duì)行星表面反射光譜進(jìn)行分析，并從中了解不同波段放射特征的技術(shù)

　　“科學(xué)界現(xiàn)在已經(jīng)有成熟的技術(shù)能在巖石行星的表面尋找生命的化學(xué)線索，但是這需要發(fā)射探測(cè)器實(shí)際登陸這顆行星表面進(jìn)行直接取樣檢測(cè)才行，就像火星車做的那樣。”南希·蔣(NancyKiang)說(shuō)。她是美國(guó)宇航局戈達(dá)德空間技術(shù)研究院的科學(xué)家，主要專業(yè)領(lǐng)域是地球生物氣象學(xué)以及生物地球化學(xué)。“而天文學(xué)上的探測(cè)技術(shù)則需要依靠望遠(yuǎn)鏡。目前我們對(duì)于生物簽名的探索主要依賴對(duì)于大氣成分以及地表反射特征的光譜學(xué)信號(hào)分析。”

　　但是此次論文中提出的方法與南希所說(shuō)的，是兩種不同的技術(shù)。

　　克里斯多夫表示：“這種技術(shù)(BRDF)可以區(qū)分出這顆行星上存在的是單細(xì)胞生物還是樹(shù)木類型的多細(xì)胞生物。”

　　而南希則認(rèn)為這項(xiàng)研究是“一個(gè)良好的開(kāi)端，對(duì)于生物簽名的概念是一種原創(chuàng)性的貢獻(xiàn)”。但她也同時(shí)指出，運(yùn)用BRDF函數(shù)方法需要事先知道另一種生物學(xué)簽名，即植物葉片的反射光譜信號(hào)，從而允許選擇正確的波段進(jìn)行函數(shù)計(jì)算。

　　南希說(shuō)：“這種方法將有助于研究人員將復(fù)雜的高級(jí)生物體和那些低等生物，如黏菌，區(qū)別開(kāi)來(lái)。”