在遙遠(yuǎn)行星上尋找生命的竅門

思 羽/編譯

在遙遠(yuǎn)行星上尋找生命的竅門

思 羽/編譯

● 系外行星的大氣層里存在氧氣到底是生命存在的征兆，還是更為司空見慣的現(xiàn)象？請看娜塔莉·沃爾喬韋爾（Natalie Wolchover）帶來的報道。

六年前一個下著毛毛雨的早晨，天體生物學(xué)家肖恩·多瑪加爾-戈德曼 （Shawn Domagal-Goldman）窩在西雅圖的一家咖啡店里，茫然地盯著筆記本電腦屏幕，呆若木雞。他一直在運行一次行星演化的仿真模擬，虛擬行星的大氣層中的氧氣突然開始積聚，氧氣濃度不斷上升，從0上升到5%，接著上升到10%。

“出了什么問題嗎？”他的妻子問道。

“是啊?！睂τ趯ふ彝庑巧@件事來說，氧氣的上升是個壞消息。

人類在宇宙中是否孤單，我們對這個問題思考了千年之久——按照美國宇航局（NASA）的天體生物學(xué)家琳恩·羅斯柴爾德（Lynn Rothschild）的說法，人類最具深度、大概也最早的一個問題是“你晚上準(zhǔn)備吃什么？”——如今，對其他星球上生命的搜尋得以加強。過去的幾十年里，人類發(fā)現(xiàn)了數(shù)以千計的系外行星 （或者稱之為那些圍繞太陽以外的恒星旋轉(zhuǎn)的行星）。在它們中間，有潛在的超級地球、類海王星、熱木星以及開普勒-452b這樣的星球。開普勒-452b可能是一顆擁有水的巖質(zhì)行星，堪稱地球的堂兄弟，與地球有1 400光年的距離。按照預(yù)期，NASA的詹姆斯-韋伯空間望遠(yuǎn)鏡將于2018年發(fā)射升空，天文學(xué)家從此將能夠望見許多光年之外的星球，查看那些最有希望存在生命的系外行星的大氣層。他們將會尋找“生物標(biāo)記氣體”，也就是僅可能由外星生命產(chǎn)生的水蒸氣的存在跡象。

為了實現(xiàn)這個目的，他們將會觀察系外行星位于所屬恒星前方時，行星周圍的細(xì)細(xì)的星光環(huán)。系外行星的大氣層中的氣體會吸收某些頻率的星光，在光譜圖中留下急劇下降的線條，由此泄露出秘密。

多瑪加爾-戈德曼當(dāng)時還是華盛頓大學(xué)虛擬行星實驗室（VPL）的一名研究員，他清楚地知道，生物標(biāo)記氣體中的“金本位”就是氧氣。不僅因為地球上的植物群制造出大量氧氣，從而其他行星上可能也發(fā)生了同樣的事，還因為50年的傳統(tǒng)智慧認(rèn)為，單單靠地質(zhì)學(xué)或光化學(xué)的作用是無法制造出可探測濃度的氧氣，使得氧氣成為證明生命存在的防偽標(biāo)記。在多瑪加爾-戈德曼模擬的星球里，天空中充滿了氧氣，然而這并不是生物活動的結(jié)果，而是因為極端的恒星輻射令氧原子從空氣中的二氧化碳分子中剝離出來，而且速度比重新結(jié)合的速度更快?？傊裕鯕膺@種生物標(biāo)記是可以偽造的。

維多利亞·梅多斯（左），天體生物學(xué)家，華盛頓大學(xué)虛擬行星實驗室的項目負(fù)責(zé)人；莎拉·西格爾（右），麻省理工學(xué)院的一位天體物理學(xué)家和行星科學(xué)家

在遙遠(yuǎn)的系外行星附近尋找生物標(biāo)記氣體是個“本質(zhì)上很麻煩”的問題，維多利亞·梅多斯（Victoria Meadows）說道，她是個精力充沛的澳大利亞人，領(lǐng)導(dǎo)著VPL項目。多瑪加爾-戈德曼做出發(fā)現(xiàn)后的幾年里，梅多斯已經(jīng)改變了她領(lǐng)導(dǎo)的這支75人團(tuán)隊的目標(biāo)，改成確定系外行星上出現(xiàn)的主要的“氧氣偽陽性”結(jié)果，同時找到方法來區(qū)分這些假警報和真正的生物活動產(chǎn)生的氧氣標(biāo)記。梅多斯依然認(rèn)為氧氣是最好的生物標(biāo)記氣體。然而，她也說道：“假如我要尋找這種東西，我想要確保當(dāng)我見到它時，我知道自己看到了什么。”

與此同時，麻省理工學(xué)院的莎拉·西格爾（Sara Seager）將生物標(biāo)記氣體的研究向著不同方向進(jìn)行推動。莎拉是一名執(zhí)著的“雙子地球”探尋者，外界普遍認(rèn)為是她創(chuàng)造出用廣譜分析系外行星大氣層的技術(shù)。西格爾承認(rèn)氧氣是有希望的，但她強烈要求天體生物學(xué)界在看待外星生命可能的運轉(zhuǎn)方式上，不要這么“地球中心論”——想法要超越地球的地球化學(xué)特征和我們呼吸的氧氣。“我的觀點是，我們不想要忽略掉某個角角落落；我們需要把一切因素都納入考慮?！彼f道。

未來的空間望遠(yuǎn)鏡會擴(kuò)展對類地星球的勘測，在遙遠(yuǎn)星球的天空探測到潛在的生物標(biāo)記氣體只是一個時間早晚的問題。這看起來會是人類有史以來的最大發(fā)現(xiàn)：表明我們并不孤單的證據(jù)。但我們怎么能知道一定如此呢？

假如科學(xué)家要選擇最佳的系外行星，用詹姆斯-韋伯空間望遠(yuǎn)鏡來對準(zhǔn)它，那么科學(xué)家必須快馬加鞭，打磨好模型，證明資格。因為查看每個行星大氣層的光譜需要花費幾百個小時，同時還有許多需求參與競爭。詹姆斯-韋伯空間望遠(yuǎn)鏡很可能只會觀察一到三個附近恒星的適居帶內(nèi)的類地星球。已知的系外行星的名單越來越長，要從中挑選的話，科學(xué)家會想要避開那些產(chǎn)生氧氣偽陽性結(jié)果的行星情況?！拔覀兯械碾u蛋就算沒有全放進(jìn)一只籃子，也只有幾個籃子可放，”梅多斯說，“因此琢磨明白我們應(yīng)該尋找怎么樣的星球很重要。尤其是弄明白我們怎樣才不會被愚弄?！?/p>

自從化學(xué)家詹姆斯·洛夫洛克（James Lovelock）在1965年為NASA研究探測火星上生命的方法，最早考慮生物標(biāo)記氣體起，氧氣就一直被認(rèn)為是關(guān)鍵的衡量標(biāo)準(zhǔn)。正如弗蘭克·德雷克（Frank Drake）與其他天體生物學(xué)的先驅(qū)試圖探測來自遙遠(yuǎn)外星文明的無線電信號，洛夫洛克的推理是這樣的：在其他行星的大氣層上尋找不相容的氣體，假如有，就能推論出生命的存在。假如能探測到兩種會互相反應(yīng)的氣體，那么肯定有某種活躍的生物化學(xué)作用在不斷地對行星大氣層進(jìn)行補給。

以地球為例，盡管O2很容易就會與空氣和土地中的碳?xì)浠衔锱c礦物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生水和二氧化碳，可O2仍然在大氣中占據(jù)21%的穩(wěn)定比例。氧氣的持續(xù)存在是因為地球上的光合作用系統(tǒng)——植物、水藻和藍(lán)綠藻——向天空源源不斷地注入氧氣。它們利用陽光，從水分子中剝離出氫原子，制造碳水化合物，將氧氣副產(chǎn)品作為廢物釋放出來。假如光合作用終止，天空中存在的氧氣會和地殼中的元素發(fā)生反應(yīng)，氧氣水平會在一千萬年內(nèi)跌落到微量水平。最終，地球會變得像火星一樣，大氣里充滿了二氧化碳，星球表面呈現(xiàn)氧化后的鐵銹色——洛夫洛克主張，這個證據(jù)表明火星這顆“紅色星球”目前并沒有生命存在。

然而，就算氧氣是地球上存在生命的標(biāo)志，為什么在其他地方一定如此呢？梅多斯主張，光合作用提供了絕對的進(jìn)化優(yōu)勢，而這很可能在任何生物圈內(nèi)都變得普遍。光合作用用任何星球上的最大能量來源——恒星——來加工星球上最普通的原材料：水和二氧化碳?！凹偃缒阆胍獡碛畜@人的新陳代謝，你會試圖進(jìn)化出一些能讓你利用陽光的功能，因為那就是目標(biāo)?！泵范嗨拐f。

O2也擁有著可見光和近紅外光區(qū)域的強吸收帶特性，而這正好是耗資八十億美元的詹姆斯-韋伯空間望遠(yuǎn)鏡以及廣域紅外線巡天望遠(yuǎn)鏡（WFIRST）的敏感范圍，后者是計劃在21世紀(jì)20年代實施的任務(wù)。見到氧氣身上承載了這么多期望，梅多斯決定弄清楚相關(guān)疑問。到目前為止，她的團(tuán)隊已經(jīng)確認(rèn)三種主要的非生物機(jī)制，這些機(jī)制能讓星球大氣層中充滿氧氣，并制造出生命存在的偽陽性結(jié)果。譬如說，在小而年輕的M型矮恒星周圍形成的行星上，陽光中強烈的紫外線能在某些情況下煮干星球上的海洋，創(chuàng)造出有著大量水蒸氣的大氣層。VPL的科學(xué)家們在去年的《天體生物學(xué)》期刊上報告說，在高海拔情況下，強烈的紫外線輻射能讓輕量級的氫原子分裂出來。這些原子隨后逃逸到太空中，留下氧氣構(gòu)成的大氣，它的氧氣濃度比地球大氣層濃了數(shù)千倍。

因為M型矮恒星較小，使得科學(xué)家更容易觀測到矮恒星前方經(jīng)過的體積更小的巖質(zhì)行星，它們也就成為了NASA將在明年發(fā)射的系外凌日現(xiàn)象觀測衛(wèi)星（TESS）計劃中的觀測目標(biāo)。在TESS的觀測發(fā)現(xiàn)中挑選出適合的類地行星，再由詹姆斯-韋伯空間望遠(yuǎn)鏡對其進(jìn)行研究。有了這些即將出現(xiàn)的候選星球，天體生物學(xué)家們必須學(xué)會如何區(qū)分外星球上的光合作用系統(tǒng)和失控的海洋沸騰。梅多斯和她的研究團(tuán)隊的一份正在準(zhǔn)備發(fā)表的研究工作中顯示出，當(dāng)O2分子碰撞時，會松散地產(chǎn)生由四聚氧造成的光譜吸收帶。O2在大氣中越稠密，越多的分子碰撞會發(fā)生，四聚氧的信號也會變得更強烈。“我們可以尋找四聚氧來給予我們信號，我們不只是查看擁有著20%氧氣的大氣層”——類似地球的大氣層暗示存在光合作用——梅多斯解釋說，“我們在查看一些有著大量氧氣的星球。”

強烈的一氧化碳信號會確認(rèn)多瑪加爾-戈德曼在2010年那個下著毛毛雨的早晨頭一次碰到的偽陽性結(jié)果。多瑪加爾-戈德曼如今是位于馬里蘭州綠帶市的NASA戈達(dá)德太空飛行中心的一名科研人員，他表示自己并不擔(dān)心氧氣作為一種可靠的生物標(biāo)記氣體的長期前景。氧氣偽陽性結(jié)果只在極少案例中發(fā)生，他這么說道，“具有哪些情況的行星也會有一些我們應(yīng)該能探測到的觀察特性，只要我們預(yù)先思考過，而這正是我們目前在做的工作。”

2013年，詹姆斯-韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的全尺寸模型在得克薩斯州奧斯汀市展出，它足足有一個網(wǎng)球場大小

不過，他和其他天體生物學(xué)家也很警惕氧氣偽陰性結(jié)果——也就是那些擁有生命，但大氣層里探測不到氧氣的行星。偽陽性和偽陰性結(jié)果都有助于說服莎拉·西格爾，研究者需要在思考時超越氧氣，探索更加奇特的生物標(biāo)記。

假如說過去十年內(nèi)人類發(fā)現(xiàn)的各種各樣的系外行星教會了我們?nèi)魏问拢敲淳褪切行谴笮?、?gòu)成和化學(xué)性質(zhì)會千差萬別。西格爾爭論說，將氧氣當(dāng)成至關(guān)重要的生物標(biāo)記氣體的話，我們也許會遺漏一些東西。今年44歲的西格爾本人有著發(fā)現(xiàn)外星生命跡象的夢想，所以她無法容忍那種做法。

西格爾指出，即使在地球上，光合作用系統(tǒng)也是在幾億年里一直生成氧氣后，這個過程才蓋過了地球氧氣下降的勢頭，24億年前，氧氣開始在空氣里積聚。大約6億年前，單單根據(jù)氧氣水平來遠(yuǎn)遠(yuǎn)判斷的話，地球也許看上去并不存在生命。

梅多斯和合作者們已經(jīng)研究了幾種能替代生成氧氣的光合作用的方法。但西格爾與威廉·貝恩斯 （William Bains）和雅努什·佩特寇斯基（Janusz Petkowski）一起捍衛(wèi)著他們稱之為“全分子”的方法。他們正在匯編一個詳盡的分子數(shù)據(jù)庫，迄今為止數(shù)據(jù)庫中有14 000種分子，這些分子都可能以氣態(tài)形式存在。在地球上，許多這類分子都由聚生在洋底熱泉噴口和其他極端環(huán)境下的奇特生物排放出來的；它們不會在大氣層里積聚。然而，這些氣體也許會在其他行星環(huán)境下積累。正如研究者在2014年爭論的那樣，在富含甲烷的星球上，光合作用系統(tǒng)也許能從甲烷（CH4）、而不是二氧化碳中獲取碳元素，排出氫元素而非氧元素，結(jié)果就是產(chǎn)生大量的氨。“最終的長期目標(biāo)是觀察另一顆星球，在掌握資訊的情況下作一些猜想，猜想生命可能在那顆星球上制造什么東西?！必惗魉拐f道。

多瑪加爾-戈德曼同意這種觀點，即深入地思考氧氣和視野開闊地思考所有其他生物化學(xué)上的可能性都很重要?！耙驗槲覀冊谔綔y其他星球的質(zhì)量、球半徑和軌道性質(zhì)時，出現(xiàn)過令人意外的情況?！彼f，“天文學(xué)家們會繼續(xù)一直催促我這樣來自地球科學(xué)研究背景的人，說‘讓我們跳出盒子來進(jìn)一步思考。’這是一種健康而且必要的壓力?！?/p>

然而，梅多斯質(zhì)疑這種“全分子”方法的實用性。她在一封3 000個單詞長度的電子郵件中，批評了西格爾的想法。她寫道：“在你建造起這種詳盡的數(shù)據(jù)庫之后，你要如何確定生命最有可能生成那些分子？你要如何確定它們的偽陽性？”她做出結(jié)論：“你仍然將不得不以地球上的生命做指引，借助人類對行星環(huán)境、生命如何與那些環(huán)境互動的認(rèn)識?！?/p>

至少就目前而言，在思考生命可能長什么模樣的問題上，要避開我們擁有的唯一的數(shù)據(jù)點是極其困難的。

在2013年的一次專題研討會上，西格爾介紹了修改版的德雷克方程式。弗蘭克·德雷克在1961年提出了這個著名的方程式，用來估計SETI的成功概率。德雷克方程式將一長串多數(shù)未知的因子相乘，籍此估計銀河系中存在能進(jìn)行無線電通訊的文明數(shù)量。而西格爾提出的方程式估計了擁有可探測到的生物標(biāo)記氣體的星球數(shù)量。只考慮人類尋找外星生命的能力，而不去管那些外星生命是否有足夠的智能，是否能夠向太空播送信息，這樣人類成功找到外星生命的概率計算不再依賴諸如進(jìn)化出智能生命的比率、無線電技術(shù)在星系中的普及率這樣的不確定量。然而，一個最大的未知量仍然存在：在一顆類似地球、擁有水和大氣層的巖質(zhì)行星中出現(xiàn)生命的概率。

被稱為“生命起源”（Abiogenesis）的神秘事件似乎在地球上積聚了液態(tài)水后不久便發(fā)生了，這使得有些人推測，生命也許是輕易間就產(chǎn)生了，甚至無可避免地是在有利的情況下。但假如是這樣，那么“生命起源”難道不應(yīng)該在地球的45億年歷史中發(fā)生過許多次，產(chǎn)生好幾種生物化學(xué)上截然不同的后代，而不是一種單一的以DNA為基礎(chǔ)的生命？約翰·鮑羅什（John Baross）是華盛頓大學(xué)的一位微生物學(xué)家，專注研究生命起源，他解釋說“生命起源”很可能是重復(fù)發(fā)生，在早期地球上創(chuàng)造出豐富多樣的遺傳密碼、結(jié)構(gòu)和新陳代謝。但基因交換和達(dá)爾文選擇會將它們合并成一種后代，而后者從那之后就在地球上的每一種環(huán)境中繁衍生息，防止新來者占領(lǐng)陣地。簡而言之，實際上是不可能判斷“生命起源”是一次僥幸事件，還是常常會發(fā)生的事——在地球上如此，在宇宙中其他地方也是如此。

西格爾在研討會上最后一個發(fā)言，她為研討會后的派對定下了輕松的氛圍?！拔抑v了一通對我們有利的話?！彼f道。她假定生命有100%的可能性會在地球一樣的行星上出現(xiàn)，這些生物圈中有一半會產(chǎn)生可探測到的生物標(biāo)記氣體——這是她提出的方程式中的另一個不確定項。從這些極其樂觀的數(shù)字中，得出了最終的預(yù)測，即在未來十年中會發(fā)現(xiàn)兩個外星生命存在的跡象?！澳銘?yīng)該要對此歡笑。 ”西格爾說。

梅多斯、西格爾和同行們都同意，在今后的十年里探測到外星生命存在跡象的幾率微乎其微。盡管隨著未來的探測任務(wù)進(jìn)行，前景會有所改善，詹姆斯-韋伯空間望遠(yuǎn)鏡得要極其幸運，才能在早期嘗試中就有所斬獲。即便它觀測的一個目標(biāo)星球上確實存在生命，光譜測量也很容易會受到挫折。2013年，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡監(jiān)測到穿過一個名叫GJ1214b的中等大小行星的大氣層而發(fā)出的星光，但光譜很平坦，根本沒有化學(xué)指紋圖譜。西格爾與合作者在《自然》雜志中報告說，好像是高海拔的云團(tuán)遮掩了這顆行星的天空。

[資料來源：The Atlantic][責(zé)任編輯：彥 隱]