光合作用热力学极限 I. 居住区行星的热力学限制

光合作用是地球生态系统的核心，也是维持居住区系外行星复杂生命的首选方法，但仍缺乏对恒星-行星系统在行星表面的光辐射功潜力的热力学一致处理。我们构建了一个光热力学框架，量化给定恒星-行星配置可提取的最大有用功，给出光合作用功率和长波段吸收截止值的热力学极限。从中我们推导出高 ΔG 光化学动力学受限的红色极限，适用于接受相同 bolometric 通量的类 FGK 和 M 型黑体星系，计算阈值化子供应和在光系统 II 红极限以下的截断热力学功率。对于此类行星，约束将单光子氧化光合作用限制在太阳型星系的近红外波段，以及在晚期 M 型星系的稍亮蓝波段。在整个星光谱上，阈值化子供应和驱动光系统水分解步骤的截断热力学功率在 FGK 星系上是 M 型暗星系（T*≈3000 K）的约 5 倍。对于太阳-地球系统，基于热力学的氧气产量上限显著高于观测到的氧气throughput，符合地球光合作用效率。冷 M 型暗星系遭受双重惩罚：阈值以上光子更少，短波段热力学功率比例更低，导致相对于 FGK 星系，高 ΔG 光合作用的上限更紧。我们的框架为居住区行星提供了光合作用可收获功率的上限，使能够在系外行星系统之间进行光合作用潜力的比较，并且可推广至多带光系统。