当洞穴生物学家黑兹尔·巴顿进入漆黑的地下世界时，她最没有预料到的，是会遇到依靠光能生存的生物。她很快意识到，这种对黑暗环境中光合作用的新理解，暗示生命可能存在于宇宙中远比我们想象的更加意想不到的地方。
“墙面呈现出鲜亮的绿色，那是你见过的最明亮的绿色，但这些微生物生活在完全黑暗的环境中，”阿拉巴马大学地质科学教授巴顿说道。
在新墨西哥州南部的奇瓦瓦沙漠深处，隐藏着由119个洞穴组成的复杂网络。这些洞穴是卡尔斯巴德洞穴国家公园的一部分，形成时间跨度从四百万到一千一百万年前，由硫酸溶解石灰岩而形成。
公园的核心景点是表演洞穴——卡尔斯巴德洞穴，钟乳石闪耀着光泽，紧贴大厅屋顶。这个巨大的地下空间长近1220米，宽约191米。
“卡尔斯巴德洞穴很容易到达，是一个大型石灰岩洞穴，游客可以沿着台阶和梯子进入，”乌普萨拉大学微生物学家拉尔斯·贝伦特说。他补充道，洞穴的部分区域甚至对轮椅开放。每年约有35万人参观卡尔斯巴德洞穴，但大多数人并不知道，这里是过去十年中最令人费解的科学发现之一的发生地。
2018年，刚刚完成博士学位的贝伦特获得学术奖项和一些奖金，他联系巴顿，邀请她同行进行一次洞穴探险。幸运的是，她同意了。
“在卡尔斯巴德洞穴里，你先沿着旅游步道往下走，然后转过一个拐角，”巴顿回忆道，“我不记得自己走过那条路多少次了，大概有四十次。但当你绕过拐角，身后出现一个壁龛，完全黑暗。”
二十多年来，巴顿一直研究深藏地下的微生物生命。然而接下来的发现，连她自己都感到震惊。
贝伦特用火把照亮墙面。虽然壁龛一片漆黑，但火光映出墙上一层绿色的微生物毯子。后续检测显示，它们是蓝藻，也称蓝绿色细菌，这类单细胞生物与细菌相关，但与多数细菌不同，它们依靠光线制造食物。
“我们越走越深，”巴顿说，“最终到达完全无法在没有手电筒情况下看清的区域，我们不得不用车灯才能看清手前的景象，但墙上依然闪烁着绿色。”
植物之所以呈绿色，是因为叶绿素，这种化学物质能吸收光能并驱动光合作用，将二氧化碳和水转化为葡萄糖和氧气。蓝藻的光合作用原理类似，但洞穴里几乎没有可见光。
事实证明，这些洞穴蓝藻拥有特殊叶绿素，能够捕获近红外光。这种光波长比可见光长，人眼无法直接探测。普通植物利用叶绿素a进行光合作用，而卡尔斯巴德洞穴蓝藻则使用叶绿素d和f，通过近红外光产生能量。
虽然可见光只能进入洞穴几百英尺，但近红外光由于石灰岩的反射特性，可传播更远。“洞穴中的石灰岩几乎吸收所有可见光，但对近红外光来说，洞穴就像镜面大厅，”巴顿说。
研究发现，在洞穴最深处，近红外光的浓度是入口处的695倍。蓝藻分布在整个洞穴系统，但在最黑暗深处尤为集中。
科学家还前往卡尔斯巴德洞穴国家公园其他偏远洞穴进行测试，每个地方都发现了这种在地下进行光合作用的微生物。贝伦特说：“它们不仅存活在黑暗中，而且在完全受保护的环境里进行光合作用，可能已有4900万年未受破坏。”
巴顿和贝伦特并非唯一发现能在黑暗中生存光合作用微生物的科学家。1890年，乌克兰-俄罗斯微生物学家谢尔盖·维诺格拉茨基发现某些微生物可仅靠无机物存活，这一过程称为化能合成，它们通过化学反应从岩石和水中获取甲烷或硫化氢等化学物质以获得能量。
1996年，NASA博士后宫下秀明发现海洋蓝藻Acaryochloris marina，能够利用可见光和近红外光进行光合作用，这开启了光合作用光波长极限的研究。2018年，伦敦帝国理工学院科学家发现，光合作用蓝藻可在遮荫环境中或红外LED黑暗橱柜中存活，并可利用叶绿素f进行近红外光光合作用——超出人类视觉范围。这一发现对其他星球生命可能存在的形式产生了深远影响。
天文学家在寻找适居系外行星时，会考虑恒星类型。恒星按温度和光谱分类为O、B、A、F、G、K、M型。O、B型恒星高温、明亮，但紫外线强烈，对生命有潜在危害。太阳属于G型恒星，光谱偏黄色，可见光充足，但这类恒星只占银河系恒星的约8%。而红矮星，即M型恒星，是银河系中数量最多的恒星类型，大多数已发现的岩石系外行星都环绕此类恒星。红矮星质量较低，行星轨道靠近恒星，易于被观测。
液态水是地球生命的关键指标，因此天体生物学家通常关注恒星的适居带，即液态水可能存在的区域。然而，并非所有系外行星都能维持生命，定向观测如使用詹姆斯·韦伯太空望远镜需要大量资源。另一个关键因素是光合作用是否可行，因为它是食物链和氧气生产的基础。过去，科学家认为光合作用极限为700纳米红色光，但卡尔斯巴德洞穴蓝藻能利用叶绿素f捕获长达780纳米的近红外光。
巴顿指出：“银河系中绝大多数恒星是M型和K型，这意味着它们发出大量近红外光，但我们对在这种光条件下生命和光合作用的适应知之甚少。”巴顿计划改变这一现状，她和贝伦特向NASA提出提案，旨在确定光合作用生命的生存极限。他们将深入最黑暗的洞穴，测量蓝藻所需的最低光照，以指导系外行星生命搜索。
“我们的研究目标是确定光合作用的最长波长和最低光强，”巴顿说。“这样，我们可以把JWST能够指向的上千亿潜在恒星缩小到数十颗可能拥有生命的恒星。”科学家随后可测量这些恒星所环绕行星的大气成分，通过光吸收特征判断可能存在生命的标志，如氧气。
巴顿强调：“在没有生命的大气中生成氧气的方式非常有限。如果在系外行星大气中发现氧气，那将是强烈的生命迹象。”
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