假如树叶是黑色的

在1977年之前，没有人知道在幽暗的海洋深处居然封存着一个神秘的世界，直到一艘执行科考任务的美国深海探测器到加拉帕戈斯群岛附近作业，才意外地在两千五百米的海底发现了一个火山口，之前人们对此一无所知。对深海火山口生物群的研究，为我们揭示了一个全新的世界。

深海火山一般呈集群分布，其上密布着大大小小的管状火山口，就像工厂上空的黑烟囱，火山口的直径从几厘米到几米不等。火山口附近的水温最高可达400℃，周围存活着大量的微生物。这些微生物极其依赖火山口的热量，一旦被推到外围常温海水中，就会被“冻死”，因此被称为嗜热菌。嗜热菌大约在三十五亿年前就已成为海底火山口的常客，最初它们利用火山口喷出来的硫化氢，从中抽取化学能量。

硫化氢之所以能成为嗜热菌的食物，主要是因为其化学性质比较活跃，缺点是往往局限在火山口附近。所以，深海火山口附近才会成为原始生命的起源地。原始生命一旦在火山口附近形成，就会触发进化的扳机。那些原始生命不断逃离火山口，借助海洋的力量四处扩散，同时也立即面临一个现实的问题——远离火山口之后，它们该如何获取新的能量呢？

远在一亿五千万公里之外的太阳发出的光线很快成为替代能源。只要开发出利用阳光的能力，就可以迅速推动生命升级。那只是分子重组的一小步，却是生命进化的一大步。

与海底火山口相比，阳光的优势极其明显——几乎没有区域限制，而且几乎没有数量限制。原始生命只要学会利用光能，就可以在任何有阳光的地方展开生命活动，无论陆地还是海洋。因此，利用阳光成为原始生命的重要进化目标。大批可以进行光合作用的生物就此应运而生，它们分布在不同的海水层，吸收不同的光谱，采用不同的光合机制，制造不同的光合产物，唯一的共同点就是从阳光中获取能量，因此统称为光合细菌，其中最重要的先锋生物是紫细菌。

紫细菌是第一批学会进行光合作用的生物。之所以叫作紫细菌，因为它们看起来是紫色的，也就是说，紫细菌放弃了紫光。原因很简单，那并不是与其他生物竞争的结果，而是与海水竞争的结果。海水会吸收大部分紫光，紫细菌只能放弃紫光，转而利用没有被海水吸收的光谱。正因为如此，紫细菌的光合色素叫作细菌视紫红质，那是许多动植物色素的共同祖先。

细菌视紫红质的吸收峰非常宽泛，特别是在560nm处有最大吸收，而那是绿光的主要区域。

也就是说，紫细菌主要吸收绿光。

现在请你像记自己的银行卡密码一样牢牢地记住这一点，这将是解释绿色植物的重要切入口。

随着紫细菌的不断进化，终于，另一种光合细菌出现了，它就是蓝细菌。一般认为，蓝细菌是第一种可以通过光合作用产生氧气的生命形式。从不会产生氧气的紫细菌到会产生氧气的蓝细菌，大自然用了整整十亿年时间。

为什么产生氧气的光合作用要经过如此漫长的岁月才演化出来？因为产生氧气的化学反应很难发生。

光合系统受到光子攻击后会失去电子，从而形成电子空缺，这种状态很不稳定，光合系统迫切需要从其他物质那里夺取电子弥补空缺，才可以重新恢复稳定状态。提供候补电子的物质就叫作电子供体。有些紫细菌一直使用硫化氢作为电子供体，直至如今依然如此。硫化氢可以被光合系统裂解为三个产物，分别是电子、质子和硫。这个反应相对比较容易进行，所以硫化氢才会成为光合系统首选的电子供体。

稍作对比，我们就会发现，硫化氢的分子结构与氧化氢的非常相似。如果你对氧化氢不太熟悉，那你一定熟悉它的别名，那就是水。简单观察一下硫化氢与氧化氢的化学分子式（硫化氢为H ₂ S，氧化氢为H ₂ O），我们就可以看出，两者的差异不过在于硫化氢以S替代了O而已。硫与氧其实是同一个家族的元素，它们的外层电子数相同，因而化学性质相似，但硫对电子的束缚能力要弱于氧，导致硫化氢的化学性质要比氧化氢（水）更活跃，因此更容易失去电子。也就是说，当硫化氢和氧化氢同时存在时，生物更倾向于使用硫化氢作为电子供体，而不是水。尽管水分子无处不在，却一直不在生物进行光合作用的计划范围之内，因为水分子很难裂解。

利用硫化氢的光合作用当然无法产生氧气，只会把硫单质释放出来。但是，喜欢硫化氢的光合细菌面临着一个巨大的困境，它们为了接受光能，就必须生活在浅海地区，而浅海地区又远离海底火山口，特别是在光合细菌提高采光效率以后，硫化氢很快就会消耗殆尽。寻找新的光合作用原材料成为当务之急，让无处不在的水分子来替代硫化氢分子就这样被提上了日程。

水分子的化学结构极其稳定。我们每天都会烧开水，除了被烫着，从没有人被开水电到过，因为水分子将电子紧紧地束缚着，电子不会轻易逃逸。无数实验室现在仍然在为裂解水分子而不断努力，但到目前为止，石油依然很贵，就是因为水分子结构稳定，很难为人类提供清洁而廉价的能源。

既然从水分子中夺取电子非常困难，要想利用水分子替代硫化氢分子，光合细菌就必须开发出能力更强的电子捕捉装置。在长达十亿年的时间里，它们都没有找到很好的办法。直到蓝细菌出现，解决这一问题才突然有了转机，因为蓝细菌学会了利用锰。

锰是一种相当生猛的化学元素，一言不合就会释放电子。遭到光子攻击时，锰更是二话不说，立即交出电子投降。当蓝细菌发现了这个宝贝之后，便很快设法将它整合到光合系统中。一旦锰原子被光照失去电子，就会毫不客气地从其他化合物中夺取电子，以弥补自身的电子损失，于是水分子就这样被锰离子强行裂解，成了最终的“牺牲品”。

只要光合细菌学会利用氧化氢替代硫化氢，就不会再释放S单质，而是释放O单质，也就是氧气，外加一个质子和一对电子。质子和电子另有重用，只有氧气作为副产品而白白流失，源源不断地进入大气中，数亿年以来从未间断。

由于水分子无处不在，阳光也无处不在，产生氧气的光合作用根本不用担心原材料问题，这是蓝细菌取得重大成功的前提。而蓝细菌的成功，同时也意味着地球大气中的氧气浓度不断提升，由此而产生了一系列意想不到的连锁反应。

氧气首先和矿石中的金属元素结合，大地第一次因为氧化而不断变色，不过那次伟大的变色过程无人旁观。

当反应性能活泼的金属元素被氧化消耗殆尽时，多余的氧气就在空气中堆积起来。大气中的氧气浓度不断上升，在数千万年的时间里就从大气总量的百万分之一上升到百分之二十，整整提升了二十多万倍。对比一下火星大气，我们就可以明白地球大气成分的变化有多么惊人。当前火星空气中的二氧化碳比例高达95%以上，而地球大气中的二氧化碳比例已经下降到了0.03%，减少的部分都被光合作用消耗掉了，由此可以产生多少氧气，也就可想而知了。

在没有氧气之前，原始地球暴露在强烈的紫外线照射之下，生命只能依靠水来屏蔽紫外线。当氧气出现之后，大气成分不断改变，氧气的含量逐渐增加，并且在紫外线的作用下形成了臭氧。臭氧层则可以吸收大量的紫外线，削弱紫外线对地表生命的杀伤力，为高等植物登陆创造了有利条件。

高等植物一旦登陆，不但可以通过叶绿体持续产生氧气，而且可以通过线粒体消耗氧气，并将有机物质分解为二氧化碳和水，为地球提供了一个宏观的循环体系，使生态圈得以可持续发展。

在叶绿体和线粒体的共同作用下，地球的氧气含量维持着微妙的平衡，数亿年来没有发生较大的波动。氧气浓度既不会太高，也不会太低，而是恰好适合动物与植物的共同需求。如果氧气浓度再高一些，草原和森林就很容易发生自燃，地球将变成一个巨大的火球；如果氧气浓度再低一些，就会影响动物的代谢效率，甚至造成致命的伤害。目前，大气中的氧气平衡已经受到人类活动的强烈影响，出现相对剧烈的波动，这是现代社会需要关注的重要议题。

回顾一下紫细菌和蓝细菌的进化次序，我们可以发现紫细菌比蓝细菌提前十亿年登上生命舞台。既然紫细菌大量吸收绿光，此后出现的蓝细菌要想更好地存活下去，就必须避免与紫细菌竞争相同的光源，它们只能放弃绿光，转而吸收被紫细菌忽略的光源，那就是处于绿色光谱两侧的红色和蓝色光谱——原本是被紫细菌摒弃不用的垃圾光谱。蓝细菌是一切高等植物的祖先，所有陆生植物的叶绿体全部是由蓝细菌进化而来的，它们采用的光合策略与蓝细菌的几乎相同，自然也要放弃绿光，这就是所有高等植物的叶片全部呈现绿色的根本原因。不过这种策略居然歪打正着，最终帮助高等植物称霸世界，塑造了地球陆地的基本色调——绿色。

我把这个理论称为光源竞争理论，这一理论似乎可以完美地解释高等植物为什么主要是绿色的，而不是其他颜色的。

光源竞争理论虽然合情合理，而且有着光合作用进化链条的支持，几乎没有漏洞，却仍然难以令人满意。

既然绿光具有较高的能量，对光合作用也有极强的利用价值，那为什么高等植物在登陆之后的数亿年间，居然没有对光合系统做出改进以吸收绿光呢？如果考虑到高等植物一直在修改光合系统，这件事情就显得尤为奇怪。迄今为止，高等植物对叶绿素的所有修改都巧妙地避开了绿色光源，这才是真正让人感到奇怪的地方。

在绿色背后，必然隐藏着更多不为人知的秘密。

事实上，高等植物不是没有能力吸收绿光，而是必须考虑吸收绿光的代价。

阳光照射植物，就像河水流过沙滩，会留下许多难以察觉的痕迹。陆地上的光照强度明显比海水中的强烈，而阳光对于植物并非有益无害，尤其是强烈的光照，会对植物造成严重的伤害，并制造两大副产品：一是大量的氧自由基，一是大量的热能。任何一种副产品积累过度，都会对植物造成致命的威胁。如何处理自由基和热能，是摆在高等植物面前的重要任务，否则它们很难在陆地站稳脚跟。

散热是一个物理问题，植物也用物理策略来加以解决。解决的策略就是叶片要么很细，要么很薄。又轻又薄的树叶一方面可以最大限度地吸收阳光，一方面又能够最大限度地散热。加上叶片表面布满了气孔，可以持续不断地蒸发水分，同时借助风的力量，随时带走多余的热量。在几种因素的共同作用下，植物才把叶片温度控制在合理的范围之内。我们触摸植物的叶片时，从来不会觉得烫手，说明植物叶片从来没有出现过温度失控的情况。

对自由基的处理就稍显麻烦。作为光合作用的原材料，大气中的二氧化碳浓度是限制整个过程的关键因素。当原材料供应达到上限时，多余的阳光并不能制造更多的营养。光合作用强度达到最高点的光照就是光饱和点，就像人吃饱了饭一样，实在不能再撑了。超过光饱和点后，过量的光线就会对叶片造成伤害。在自然环境中，光照经常超过光饱和点，有时叶片接受的阳光有三分之二都是多余的，而多余的阳光会对光合作用产生明显的抑制作用，甚至分解光合系统，同时产生大量的氧自由基，造成严重的代谢紊乱，直至危及整个植株的健康。

所谓自由基，就是含有未配对电子的分子，这种分子总想从别处拉一个电子过来配对，这样就对其他分子造成了危害。自由基的种类很多，最常见的当属氧自由基。因为氧气对机体不可或缺，所以氧自由基也如同鬼魅一般难以清除。

氧自由基又叫激发态分子氧，其典型特征就是具有高度的反应能力和不稳定性，就像到处惹是生非的恶棍，随时准备欺负其他分子，破坏其他分子的电荷平衡。

如何处理氧自由基是所有生物都要面临的重要挑战，机体所能做的只能是将它们不断淬灭。当氧自由基的产生与淬灭处于平衡状态时，生物体就运行良好，不会出什么大的差错，但在应激条件下，机体突然遭到恶劣环境的打击——比如寒冷或者光照过强时——就会影响机体对自由基进行清除的工作，这不但会对蛋白质和脂肪造成巨大危害，甚至直接影响到DNA的安全。

对于植物叶片来说，清除自由基的工作尤为迫切，因为叶片中的氧气浓度在所有机体中最高，并且要日夜不停地进行各种生化反应，几乎没有休息的机会。

不幸的是，叶片应对氧自由基的策略并不多，它们只能呆呆地立在阳光下，无人打伞，而且无处可逃，除了求助于色彩，还有什么办法能帮助它们减少阳光的伤害呢？有些维生素，比如维生素C和维生素E，都可以强力去除氧自由基，但它们都是在伤害发生以后起一定的修补作用的。

为了健康生长，植物必须防患于未然，真正有效的手段，是在造成伤害之前就减少阳光的吸收。假如树叶是黑色的话，就会吸收包括绿光在内的所有光线，在强烈的阳光下将很快被晒成枯叶，这对植物来说无疑是一种灾难。为了减少伤害，植物必须放弃部分多余的光源，而不是像在海水中那样来者不拒。毕竟水生藻类不必担心叶片过热，而且海水中的光线资源有限，浪费可惜。陆生植物则面对截然不同的情况，在阳光的直射之下，它们必须有所取舍，绿光就是被舍弃的部分。之所以舍弃绿光而不是舍弃蓝光或者红光，是因为它们的祖先蓝细菌就已经舍弃了绿光，后来的植物只不过是顺水推舟继续舍弃绿光而已。

这才是植物叶片呈现绿色的终极原因。

一言以蔽之，陆生植物为了保护叶片免受过度光照的伤害，权衡利弊之后，不得不放弃绿光。这种观点可以称为绿光伤害理论，它不需要引入过多的因素，就能很好地解释植物为什么是绿色的。

明白了绿色叶片的逻辑，我们就可以着手回答本书引言中那位小女孩提出的问题了：人类为什么没有绿色的头发？在绿色为主的植物世界里，绿色的头发可以起到很好的伪装作用，所以人类应该进化出绿色的头发才对，那么为什么没有呢？

从客观上来说，这个问题不应该在人类身上找原因。从分类学的角度来看，人类属于灵长目动物，而灵长目只是哺乳动物纲的一个分支，数量只占哺乳动物的十分之一。目前有记录的哺乳动物共有五千多种，绝大部分都身披毛发，但无论肉食动物还是草食动物，它们的毛发居然都不是绿色的！当我们将这种情况与漫山遍野郁郁葱葱的绿色植物相比时，就显得非常刺眼：绿色树丛中的绿色动物不是能够更好地隐蔽自己吗？

所以我们必须扩大问题的范围，把“我们（人类）为什么没有绿色的头发”，改成“哺乳动物为什么没有绿色的毛发”。如果这个问题得到了解决，人类头发的问题也就好办了。

那么哺乳动物为什么没有绿色的毛发呢？

只要我们头脑中浮现了这个问题，就已经开始触及问题的本质。因为无论鸟类、爬行动物还是昆虫，都有绿色的外衣。有绿色的蝗虫、绿色的鹦鹉，也有绿色的蜥蜴，但为什么偏偏没有绿色的哺乳动物？

这要从动物体色的生物学功能谈起。 mYvAHccSK7Fty9V4NRsdX7vXSjIwpNFqPsgypQyEKHOEgYVSfUtgf/n+GmertH1F