2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫——行星大氣中光合作用研究與模擬考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述行星大氣成分（特別是光照、溫度、大氣壓力、主要?dú)怏w成分）對潛在光合作用過程的基本限制條件。二、比較地球光合作用與假想硫光合作用的原理、生化途徑及可能發(fā)生的行星大氣環(huán)境差異。硫光合作用在探測外行星大氣時(shí)可能提供哪些獨(dú)特的生物標(biāo)記物線索？三、闡述利用遙感手段探測系外行星大氣生物標(biāo)記物的基本原理。列舉至少三種可能被探測到的生物標(biāo)記物及其在行星大氣中的潛在來源和意義。簡述當(dāng)前遙感探測技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)。四、描述在地球?qū)嶒?yàn)室模擬行星表面或低層大氣光合作用過程的常用方法和技術(shù)。這些模擬實(shí)驗(yàn)對于理解外行星光合作用潛力有何價(jià)值？五、解釋什么是行星大氣生物地球化學(xué)循環(huán)模型，并說明其中模擬光合作用過程的關(guān)鍵物理化學(xué)方程或參數(shù)化方案。簡述選擇特定參數(shù)化方案時(shí)需要考慮的主要因素。六、論述數(shù)值模擬在研究行星光合作用及其與大氣長期演化的相互作用中的重要作用。指出在構(gòu)建和運(yùn)行此類模型時(shí)可能遇到的主要不確定性來源及其對結(jié)果的影響。七、假設(shè)你正在設(shè)計(jì)一個(gè)太空任務(wù)，目的是利用探測器對某顆位于宜居帶的類地行星進(jìn)行光合作用潛力評(píng)估。請簡述你將重點(diǎn)關(guān)注哪些大氣生物標(biāo)記物，選擇哪些探測儀器，并說明你設(shè)計(jì)的探測策略考慮了哪些關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)挑戰(zhàn)。八、比較分析基于光譜吸收特征和基于反演大氣動(dòng)力學(xué)模型兩種方法在探測行星大氣光合作用生物標(biāo)記物方面的優(yōu)缺點(diǎn)。在哪些情況下一種方法可能優(yōu)于另一種？試卷答案一、行星大氣成分對潛在光合作用過程的基本限制條件包括：1.光照:必須有足夠強(qiáng)度和合適光譜（如地球光合作用需要可見光）的能量來源，驅(qū)動(dòng)光合作用的光反應(yīng)。2.溫度:需要維持在特定范圍內(nèi)，以保證生物大分子（如酶）的活性和化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，過高或過低都會(huì)抑制光合速率。3.大氣壓力:合適的大氣壓力對于氣體（如CO2）的溶解、擴(kuò)散以及維持液態(tài)水相都至關(guān)重要。4.水:光合作用需要液態(tài)水作為反應(yīng)物和介質(zhì)。5.大氣組分:需要提供光合作用所需的反應(yīng)物（如CO2或H2O，取決于光合作用類型）和可能的電子受體（如O2）。大氣壓力和成分也影響氣體擴(kuò)散效率。極端成分（如高濃度有毒氣體）可能直接抑制光合作用或相關(guān)生物化學(xué)過程。二、地球光合作用與假想硫光合作用的主要區(qū)別：1.原理與生化途徑:地球光合作用（氧氣光合作用）利用水作為電子供體，將CO2還原成有機(jī)物，并釋放氧氣；硫光合作用假說利用硫化物（如H2S）作為電子供體，將CO2還原成有機(jī)物，并可能釋放二氧化硫（SO2）或其他硫氧化物。2.行星大氣環(huán)境差異:地球光合作用需要富含CO2和O2（或近于無氧）的大氣，以及液態(tài)水；硫光合作用可能發(fā)生在CO2含量高、O2含量低或無氧，且可能缺乏水的環(huán)境，但需要存在硫化物來源（如火山活動(dòng)）和合適的光照。潛在生物標(biāo)記物線索:硫光合作用可能產(chǎn)生獨(dú)特的生物標(biāo)記物組合，如大氣中高濃度的SO2、H2S、二硫化物，以及沉積物中獨(dú)特的含硫有機(jī)物或硫同位素異常。價(jià)值:這些標(biāo)記物組合如果與已知生物活動(dòng)相關(guān)聯(lián)，將強(qiáng)有力支持外行星存在生命或曾經(jīng)存在生命的假說，并揭示其獨(dú)特的生物化學(xué)過程。三、利用遙感手段探測系外行星大氣生物標(biāo)記物的基本原理：通過望遠(yuǎn)鏡觀測系外行星穿過其宿主恒星時(shí)引起的光譜微小變化（光變曲線），分析光變曲線中宿主恒星光譜的吸收特征，識(shí)別出由行星大氣吸收造成的特定氣體（生物標(biāo)記物）的特征吸收線。通過測量吸收線的深度、寬度和位置，可以推斷行星大氣的成分、溫度、壓力和云層結(jié)構(gòu)。可能探測到的生物標(biāo)記物及其來源和意義：1.氧(O2)和甲烷(CH4)的特定組合:在隔離的行星大氣中，O2和CH4同時(shí)存在通常被認(rèn)為是活躍生物過程（如光合作用和呼吸作用）的強(qiáng)有力證據(jù)，因?yàn)樗鼈儍A向于通過非生物過程（如紫外分解）相互消耗。2.氨(NH3):氨是強(qiáng)吸收氣體，其存在可能表明行星表面存在液態(tài)水或強(qiáng)效溫室效應(yīng)。3.硫化物(如SO2,H2S):如前所述，可能與特定的生物化學(xué)過程（硫光合作用）相關(guān)。意義:這些標(biāo)記物是判斷系外行星是否存在生命或生命相關(guān)過程的“指紋”，有助于篩選出具有較高宜居潛力的行星進(jìn)行后續(xù)更詳細(xì)的研究。主要挑戰(zhàn):光譜信號(hào)微弱、易受儀器噪聲和數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度影響、需要精確的大氣模型來去除非生物吸收線和散射效應(yīng)、難以完全排除非生物成因的可能性。四、在地球?qū)嶒?yàn)室模擬行星表面或低層大氣光合作用過程的方法和技術(shù)：1.光照模擬:使用特定光譜和強(qiáng)度的光源（如LED陣列、氙燈）模擬不同行星或恒星的光照條件。2.氣體環(huán)境控制:在密閉容器中精確控制大氣成分（如CO2、O2、H2O、N2等）的濃度和比例，模擬目標(biāo)行星的大氣壓力和化學(xué)環(huán)境。3.溫控:維持恒定的或可變的溫度，模擬目標(biāo)行星表面的溫度條件。4.水/液相控制:提供液態(tài)水，或模擬水蒸氣環(huán)境，滿足光合作用反應(yīng)物需求。5.生物樣品:使用特定微生物（如藍(lán)細(xì)菌、綠硫細(xì)菌等）或培養(yǎng)的植物作為光合作用主體。常用技術(shù)包括：培養(yǎng)箱、生化反應(yīng)器、光譜儀監(jiān)測產(chǎn)物/消耗物濃度、熒光計(jì)監(jiān)測光反應(yīng)效率等。模擬實(shí)驗(yàn)的價(jià)值:便于在受控條件下研究特定環(huán)境因素（如不同光照強(qiáng)度、氣體比例、溫度）對光合作用效率的影響，驗(yàn)證光合作用假說的可行性，探索極端環(huán)境下的生命潛力，為設(shè)計(jì)行星探測任務(wù)和著陸器生物實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)。五、行星大氣生物地球化學(xué)循環(huán)模型是用于描述大氣中關(guān)鍵化學(xué)物質(zhì)（如溫室氣體、生物標(biāo)記物）在物理過程（如大氣環(huán)流、輻射傳輸、降水）和生物地球化學(xué)過程（如光合作用、呼吸作用、火山活動(dòng)、土壤化學(xué)）共同作用下，其濃度隨時(shí)間和空間變化的數(shù)學(xué)框架。模擬光合作用過程的關(guān)鍵物理化學(xué)方程或參數(shù)化方案：1.光合作用通量方程:通常表示為G=Φ*F(光合效率函數(shù))*A(光合作用面積或活性表面)，其中Φ是光合速率，A是與葉面積指數(shù)或生物量相關(guān)的參數(shù)。2.參數(shù)化方案:常見的有基于葉面積指數(shù)（LAI）的方案（如Collatzetal.,1992），將光合作用與植被指數(shù)遙感數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)；基于生物量或碳質(zhì)量的方案；或更復(fù)雜的包含生理生態(tài)學(xué)過程的模型。選擇特定參數(shù)化方案時(shí)需要考慮的主要因素：1.目標(biāo)行星的植被/光合體類型:是類似地球的植物、藍(lán)細(xì)菌，還是其他類型？2.可用的輸入數(shù)據(jù):是否有可靠的遙感數(shù)據(jù)（如LAI,反照率）或地面觀測數(shù)據(jù)（如生物量）？3.模型的復(fù)雜度和計(jì)算資源:方案的復(fù)雜性是否與可用計(jì)算資源和數(shù)據(jù)精度相匹配？4.過程的重要性:需要考慮哪些光合相關(guān)過程（如光照限制、CO2濃度限制、溫度限制）對總通量貢獻(xiàn)最大？六、數(shù)值模擬在研究行星光合作用及其與大氣長期演化的相互作用中的重要作用：1.過程理解:模擬可以分離和評(píng)估不同因素（如光照變化、大氣成分變化、生物活動(dòng)強(qiáng)度）對光合作用的影響，深化對基本過程的理解。2.機(jī)制探索:揭示光合作用與大氣成分（如O2,CH4,CO2）、氣候（溫度、降水）之間的復(fù)雜反饋機(jī)制。3.長期預(yù)測:推斷在行星演化過程中（如大氣成分變化、軌道參數(shù)變化），光合作用及其對大氣的反饋如何隨時(shí)間演變。4.數(shù)據(jù)同化:利用觀測數(shù)據(jù)約束和改進(jìn)模型，提高模擬的可靠性。構(gòu)建和運(yùn)行此類模型時(shí)可能遇到的主要不確定性來源及其對結(jié)果的影響：1.輸入?yún)?shù)的不確定性:如行星接收到的恒定通量、行星大氣初始成分、地表反照率、葉面積指數(shù)等，這些參數(shù)本身存在很大不確定性。2.模型參數(shù)化方案的不確定性:光合作用效率、生物量分布等參數(shù)化方案基于有限的地球觀測，可能不適用于其他行星。3.物理過程參數(shù)化:如云、輻射傳輸、大氣動(dòng)力學(xué)過程的參數(shù)化也包含不確定性。4.生物地球化學(xué)循環(huán)的相互作用:各個(gè)循環(huán)（碳、氮、硫等）之間的相互作用復(fù)雜，模型對其耦合過程的描述可能簡化或簡化過度。這些不確定性會(huì)導(dǎo)致模型預(yù)測結(jié)果存在一定范圍，使得模擬結(jié)果更應(yīng)被視為對行星光合作用和大氣演化可能性的探索，而非確定性的結(jié)論。七、設(shè)計(jì)太空任務(wù)評(píng)估某顆宜居帶類地行星光合作用潛力的策略：重點(diǎn)關(guān)注的大氣生物標(biāo)記物：1.O2和CH4的特定組合:如前所述，這是判斷潛在活躍生物過程的“金標(biāo)準(zhǔn)”。2.水蒸氣(H2O):液態(tài)水存在的證據(jù)，對光合作用至關(guān)重要。3.CO2:主要的反應(yīng)物之一。4.可能的硫化合物(如SO2):如果存在硫光合作用。選擇探測儀器：1.高分辨率光譜儀:用于精確測量行星大氣吸收光譜，識(shí)別和量化O2,CH4,H2O,CO2等關(guān)鍵氣體及其豐度。2.高光譜成像儀:提供空間分辨的光譜信息，有助于研究大氣垂直結(jié)構(gòu)、云層特性及表面反照率。3.（可選）大氣成分反演模型:結(jié)合行星軌道參數(shù)和大氣模型，幫助解釋光譜數(shù)據(jù)，去除部分非生物吸收。探測策略考慮的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)挑戰(zhàn)：關(guān)鍵科學(xué)問題：1.行星大氣中O2和CH4是否同時(shí)存在且具有地球生物成因的豐度？2.大氣成分的垂直分布如何？是否存在地表生物活動(dòng)相關(guān)的特征層？3.是否存在其他與生物過程相關(guān)的獨(dú)特標(biāo)記物（如特定有機(jī)物、硫化合物）？4.行星表面是否存在液態(tài)水？技術(shù)挑戰(zhàn)：1.需要極高光譜分辨率和信噪比才能探測到可能微弱的生物標(biāo)記物信號(hào)。2.需要精確了解目標(biāo)行星的輻射環(huán)境、大氣結(jié)構(gòu)和行星參數(shù)，以進(jìn)行可靠的反演。3.需要考慮星際介質(zhì)和儀器自身可能產(chǎn)生的背景信號(hào)或干擾。4.需要克服長期觀測中的系統(tǒng)誤差和漂移。八、比較分析探測行星大氣光合作用生物標(biāo)記物的方法：1.基于光譜吸收特征:*優(yōu)點(diǎn):直接探測氣體分子本身，物理基礎(chǔ)明確，如果標(biāo)記物存在且豐度足夠，信號(hào)相對直接。*缺點(diǎn):對標(biāo)記物豐度要求較高，易受大氣溫度、壓力、混合比、云層等影響（吸收線形狀和位置會(huì)變化），難以區(qū)分生物和非生物成因（如火星古代大氣可能殘留O2，非生物成因），可能需要高信噪比光譜。2.基于反演大氣動(dòng)力學(xué)模型:*優(yōu)點(diǎn):可以整合多圈層信息（大氣環(huán)流、輻射傳輸、表面過程），提供對大氣整體狀態(tài)和演化的更全面理解，可能有助于排除某些非生物解釋或推斷隱藏的信號(hào)特征。*缺點(diǎn):模型本身包含大量參數(shù)化和不確定性，對輸入數(shù)據(jù)依賴性強(qiáng)，模型驗(yàn)證困難，計(jì)算復(fù)雜度高，從模型輸出推斷具體生物標(biāo)記物豐度或分布可能不夠直接。在