宜居環(huán)境與地外生命

田豐

【作者單位：清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心】

宜居環(huán)境與地外生命

田豐

眾所周知太陽(yáng)系包括8大行星、矮行星、小行星、彗星等天體，但是目前只有地球上發(fā)現(xiàn)了生命。是生命的起源和演化太復(fù)雜了，對(duì)環(huán)境的要求太挑剔了，使得地球成為獨(dú)一無(wú)二的生命的搖籃？是我們對(duì)地球以外的環(huán)境了解得還太少，沒(méi)有得到足夠多的數(shù)據(jù)來(lái)展現(xiàn)那些已經(jīng)存在的生命？還是我們這些地球生命過(guò)于以自我為中心，忽視了其他生命形式的可能？這些是長(zhǎng)久以來(lái)縈繞在無(wú)數(shù)人心頭的問(wèn)題。人類(lèi)科學(xué)發(fā)現(xiàn)史上最重要的事件之一是發(fā)現(xiàn)處于主序恒星周?chē)奶?yáng)系外行星。近年來(lái)對(duì)宜居環(huán)境的發(fā)現(xiàn)成為太陽(yáng)系深空探測(cè)的中心，而對(duì)太陽(yáng)系外行星的研究重點(diǎn)也從起初的大量發(fā)現(xiàn)系外行星逐步轉(zhuǎn)移到對(duì)宜居行星的發(fā)現(xiàn)、觀測(cè)和研究。未來(lái)10～20年在這些科學(xué)前沿方向的工作不僅將更好地回答“地球人類(lèi)在宇宙中是否獨(dú)一無(wú)二?”這個(gè)問(wèn)題，還可能革命性地改變我們對(duì)地球本身宜居性的認(rèn)識(shí)。

1 非碳基生命的普遍性

地球生命所需的元素是氫、碳、氮、氧、磷、硫和其他一些微量元素如鐵、錳、鉬等。當(dāng)人們討論地外生命的時(shí)候，比較常問(wèn)到的一個(gè)問(wèn)題是“地外生命是否一定像地球生命一樣是基于碳元素的？”?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的地球生命都來(lái)源于一個(gè)祖先。這個(gè)祖先以蛋白質(zhì)作為構(gòu)成細(xì)胞的基礎(chǔ)，以RNA和DNA傳遞生命遺傳特征，并且利用ATP/ADP來(lái)完成新陳代謝；而蛋白質(zhì)，RNA，DNA和ATP/ADP都是碳基的。由于硅和碳屬于元素周期表內(nèi)的同一族，很多科幻小說(shuō)中描述了以硅為基礎(chǔ)的地外生命。但是硅基生命是否像碳基生命一樣普遍呢？

首先讓我們來(lái)看看元素的多少。我們知道比氫和氦重的元素都是在恒星內(nèi)部通過(guò)聚變過(guò)程形成的，在這個(gè)過(guò)程中碳、氮、氧先形成，更重的元素后形成，因此絕大多數(shù)恒星和行星所誕生的分子云都應(yīng)該有更多的碳，而硅在銀河系中的元素豐度比碳要少7倍。但是在地球上碳和硅含量是差不多的，而且在地殼里硅還比碳多。這是因?yàn)樵诘厍蜻@一類(lèi)行星的形成過(guò)程中恒星風(fēng)驅(qū)散了分子云中大部分揮發(fā)性物質(zhì)，其中包括大多數(shù)含碳的分子，而大多數(shù)硅以塵埃的形式留了下來(lái)。因此單單從硅和碳的物質(zhì)總量來(lái)講硅基生命可以像碳基生命一樣普遍。

硅基生命的主要問(wèn)題是在化學(xué)方面。碳基生命利用碳和其他原子所組成的分子完成其功能，碳與氫、氮、碳和氧元素形成一階鍵的鍵能彼此相差不大，形成二階鍵的鍵能彼此相差也不大，這就使得碳與其他元素之間能夠形成很多不需要太多能量就能夠變化的不同分子結(jié)構(gòu)。如果硅基生命也如此作為的話將有一些問(wèn)題。硅-氧鍵的鍵能比硅與氫、氮、碳和硅本身形成一階鍵時(shí)的鍵能要大很多，這就造成硅在有氧存在的環(huán)境（在行星所形成的分子云中有氧元素）里容易形成沙子（沙子的主要成分是二氧化硅，其中每個(gè)硅原子與4個(gè)氧原子相連，每個(gè)氧原子與2個(gè)硅原子相連，都是一階鍵）。此外在乙烯（C2H4）和乙炔（C2H2）分子中碳與碳之間發(fā)生2s2p2軌道雜化形成一個(gè)σ鍵，而且碳與碳之間間距約150 pm，這樣2個(gè)碳原子未雜化的2p電子就能形成鍵能與σ鍵差不多的π鍵。因此碳與碳二階鍵鍵能是一階鍵鍵能的2倍，三階鍵鍵能是一階鍵鍵能的3倍，有利于形成更加復(fù)雜的碳基分子。當(dāng)硅形成二階鍵的時(shí)候發(fā)生3s3p2軌道雜化，但是硅與硅之間間距約220 pm，不能形成鍵能大的π鍵，因此硅與硅之間的二階和三階鍵都非常不穩(wěn)定，不利于形成復(fù)雜硅基分子。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人工智能將會(huì)愈來(lái)愈先進(jìn)，可以想象有一天人類(lèi)創(chuàng)造出智能生命；但是這種單質(zhì)硅基生命不會(huì)在自然界自發(fā)形成。因此我們可以說(shuō)在一般的行星形成和演化環(huán)境里硅基生命不像碳基生命一樣普遍。

2 太陽(yáng)系天體的宜居性

金星是太陽(yáng)系中質(zhì)量和離太陽(yáng)距離都最接近地球的行星，但是其表面溫度因?yàn)闈夂竦亩趸即髿舛^(guò)高。最新的理論認(rèn)為由于金星距離太陽(yáng)過(guò)近，其上的海洋在最初的1億年左右的時(shí)間里逃逸了，因此很早就失去了生命發(fā)生、發(fā)展的機(jī)遇；而地球因?yàn)榫嚯x太陽(yáng)不太近，因而能夠維持自己的海洋。

過(guò)去10年人們對(duì)火星的探測(cè)發(fā)現(xiàn)一些早期火星表面或次表面液態(tài)水活動(dòng)的證據(jù)，獲得了今天火星大氣和表面礦物中的碳、氮、氧、氫、惰性氣體和其他幾種元素的更精確的同位素含量，初步探測(cè)了火星次表面的成分。但就像所有的科學(xué)研究一樣，更多的發(fā)現(xiàn)帶來(lái)了更多科學(xué)問(wèn)題。對(duì)火星表面碳酸鹽礦物和碳同位素的分析認(rèn)為距今38億年前的火星大氣二氧化碳?jí)簭?qiáng)不超過(guò)50000 Pa，這就對(duì)早期火星保持長(zhǎng)期溫暖氣候帶來(lái)重大挑戰(zhàn)，也同時(shí)引出了火星碳缺失的問(wèn)題。如果火星與地球的元素構(gòu)成大致相仿的話，目前唯一能解釋目前火星的低碳含量的理論是早諾亞時(shí)期的快速二氧化碳大氣逃逸；如果這一理論成立的話，因?yàn)榛鹦琴|(zhì)量遠(yuǎn)小于地球，這顆行星從其演化的早期就與地球分道揚(yáng)鑣了。現(xiàn)在一般認(rèn)為火星次表面可能存在地球微生物可以適應(yīng)的環(huán)境，下一階段的火星探測(cè)將聚焦于探測(cè)火星次表面可能存在的生命。

冰衛(wèi)星木衛(wèi)二有內(nèi)部海洋是早就為人所知的，人們也一直關(guān)注木衛(wèi)二海洋的宜居性。2005年之前人們一般認(rèn)為這個(gè)海洋的存在與木衛(wèi)一的火山活動(dòng)一樣都是木星的4個(gè)伽利略衛(wèi)星之間的引力共振造成的，但2005年卡西尼探測(cè)器關(guān)于土衛(wèi)二南極噴泉的發(fā)現(xiàn)和觀測(cè)很大程度上改變了這個(gè)看法。由于土衛(wèi)二質(zhì)量小、引力弱，噴泉中的絕大部分水汽分子可以脫離土衛(wèi)二的引力場(chǎng)。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)噴泉中不僅包含水汽分子、鹽和冰顆粒，從而可以形成土星的E環(huán)，還含有一些簡(jiǎn)單的有機(jī)分子和納米大小的硅酸鹽顆粒。最新的對(duì)土衛(wèi)二南極噴泉測(cè)量數(shù)據(jù)的分析認(rèn)為其內(nèi)部海洋很有可能支持地球生命。目前國(guó)際上已經(jīng)有科學(xué)團(tuán)隊(duì)提出計(jì)劃發(fā)射新的探測(cè)器專(zhuān)門(mén)針對(duì)土衛(wèi)二的噴泉開(kāi)展觀測(cè)以發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部海洋中可能存在的生命。在土衛(wèi)二噴泉發(fā)現(xiàn)后人們還在木衛(wèi)二上也發(fā)現(xiàn)了噴泉的跡象，目前正在努力確認(rèn)和重復(fù)這一發(fā)現(xiàn)。

長(zhǎng)期以來(lái)人們知道土衛(wèi)六的濃厚大氣以氮?dú)夂图淄闉橹鳎虼苏J(rèn)為這顆衛(wèi)星的大氣光化學(xué)過(guò)程很可能在一定程度上反映了地球生命起源時(shí)期的大氣光電化學(xué)?？ㄎ髂崽綔y(cè)器對(duì)土衛(wèi)六的觀測(cè)在其大氣中發(fā)現(xiàn)了上百種復(fù)雜的有機(jī)分子和非常復(fù)雜的正、負(fù)離子，這些觀測(cè)和隨后的理論工作極大地豐富了人們對(duì)早期地球大氣光電化學(xué)過(guò)程和地球生命起源的認(rèn)知。有趣的是最近有研究利用與土衛(wèi)六環(huán)境中有機(jī)物相似的物質(zhì)在實(shí)驗(yàn)室中形成了類(lèi)似于細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，這進(jìn)一步增添了土衛(wèi)六作為太陽(yáng)系內(nèi)可能有生命天體的吸引力。

除了上述天體外，近年來(lái)對(duì)灶神星和谷神星的探測(cè)揭示了早期內(nèi)部分異過(guò)程和內(nèi)部水冰的存在，谷神星表面的幾處亮點(diǎn)可能源于水蒸氣羽流。2015年“新地平線號(hào)”探測(cè)器飛越冥王星，發(fā)現(xiàn)了復(fù)雜的地貌現(xiàn)象、表面成分分布和分層的大氣氣溶膠，這意味著即使在太陽(yáng)系邊緣的庫(kù)珀帶天體仍然存在復(fù)雜地質(zhì)活動(dòng)和大氣化學(xué)反應(yīng)。因?yàn)樵钌裥?、谷神星和冥王星被認(rèn)為是早期太陽(yáng)系行星形成時(shí)期殘留下來(lái)的星子遺跡，這些探索可能對(duì)我們了解早期太陽(yáng)系的演化和生命在太陽(yáng)系的環(huán)境提供重要的背景信息。有人認(rèn)為這些小天體能夠滿足生命存在所需的3個(gè)基本條件——液態(tài)水、能量來(lái)源和化學(xué)成分（碳、氫、氮、氧、磷、硫等），因此在未來(lái)太陽(yáng)系生命探測(cè)的過(guò)程中不應(yīng)該完全忽視它們。

3 太陽(yáng)系外天體的宜居性

1992年人們發(fā)現(xiàn)了脈沖星周?chē)囊活w系外行星，1995年人們發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)類(lèi)型恒星周?chē)囊活w系外行星，這些發(fā)現(xiàn)揭開(kāi)了系外行星研究的新篇章。到2016年系外行星的數(shù)目超過(guò)了3000顆，還有數(shù)千顆候選行星。盡管其中絕大多數(shù)是非宜居行星，距地球50光年之內(nèi)有數(shù)顆確認(rèn)存在的疑似宜居系外行星（表1）。

表1 50光年以內(nèi)的疑似宜居系外行星和部分太陽(yáng)系天體

下一步對(duì)這些行星的宜居性的分析會(huì)革命性地改變我們對(duì)地球宜居性的認(rèn)識(shí)。從這個(gè)意義上講，回答“地球人類(lèi)在宇宙中是否獨(dú)一無(wú)二?”這個(gè)問(wèn)題在過(guò)去的20年間已經(jīng)向前邁出了巨大的一步。

地球殊異假說(shuō)（Rare Earth Hypothesis）認(rèn)為地球上復(fù)雜（多細(xì)胞）生命的形成需要影響生命進(jìn)化的天文和地質(zhì)條件及偶然事件的不同尋常的結(jié)合。這些條件和事件包括了星系和恒星周?chē)囊司訋?、行星系統(tǒng)中存在距離恒星較遠(yuǎn)的類(lèi)木行星、宜居行星要有合適的質(zhì)量、磁場(chǎng)、板塊運(yùn)動(dòng)、巖石圈、大氣圈、海洋，并且擁有一顆巨大天然衛(wèi)星（比如月球）、宜居行星的演化過(guò)程中要發(fā)生小行星撞擊、大規(guī)?；鹕胶蛶r漿活動(dòng)等等。國(guó)際科學(xué)界對(duì)地球殊異假說(shuō)有比較大的爭(zhēng)議，近年來(lái)系外行星研究在與此相關(guān)的領(lǐng)域取得了一些新進(jìn)展，比如我們現(xiàn)在知道類(lèi)似地球質(zhì)量的巖石行星是比較普遍的現(xiàn)象，對(duì)宜居行星的存在概率的認(rèn)識(shí)也比2000年深刻得多。盡管我們對(duì)行星演化的理解仍然是很片面的，重要的是我們?cè)诓贿h(yuǎn)的未來(lái)有可能利用對(duì)系外行星的實(shí)際觀測(cè)檢驗(yàn)這一假說(shuō)。

行星宜居性目前是系外行星研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。嚴(yán)格意義上講，行星宜居性反映了行星環(huán)境對(duì)生命多樣性、生產(chǎn)率或空間覆蓋率的支持程度。科學(xué)界充分意識(shí)到：（1）液態(tài)水（海洋）的存在是地球生命的必要條件，而非充分條件；（2）迄今為止地球是我們所知的唯一存在生命的天體，關(guān)于行星宜居性的研究在很大程度上依賴于地球生命的研究；（3）宜居行星的適當(dāng)定義提供了理解其他天體上存在或者缺乏生命跡象的前提?？紤]到人們目前只對(duì)地球生命的新陳代謝活動(dòng)有所了解，目前對(duì)太陽(yáng)系外生命天體的研究仍然主要關(guān)注適宜液態(tài)水在行星表面存在的環(huán)境。從這個(gè)角度講，影響一顆系外行星宜居性的主要是行星的質(zhì)量、其恒星的光度和恒星—行星間距離。符合這些條件的行星可以稱為疑似宜居系外行星，其宜居性和生命是否存在最終要靠對(duì)行星大氣成分或行星表面的觀測(cè)來(lái)確定。

表1中的絕大多數(shù)疑似宜居系外行星的恒星都是紅矮星?；谀壳皩?duì)于系外行星的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，宜居行星出現(xiàn)在太陽(yáng)類(lèi)型恒星周?chē)母怕蕿?%～20%，出現(xiàn)在紅矮星（質(zhì)量約為太陽(yáng)質(zhì)量的一半以下）周?chē)母怕蕿?0%～50%。由于紅矮星的數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)太陽(yáng)類(lèi)型和更大質(zhì)量的恒星，人們目前搜尋宜居系外行星的努力主要針對(duì)紅矮星。紅矮星周?chē)念?lèi)地行星因?yàn)槌毕i定的原因可能一面永遠(yuǎn)面向恒星，只要有一定的大氣和海洋存在，陽(yáng)面的能量可以被大氣和海洋傳輸?shù)疥幟?，從而能夠有效避免行星大氣和海洋在陰面凝結(jié)。因此紅矮星周?chē)司有行堑臍夂蚍€(wěn)定性本身沒(méi)有太大的問(wèn)題。如果考慮所有恒星的話，可能有生命的系外行星離地球僅有～10光年。

影響紅矮星周?chē)行且司有缘闹饕獑?wèn)題不在于氣候穩(wěn)定性，而在于恒星早期演化對(duì)其大氣圈和水圈的影響。近期多組獨(dú)立理論研究工作顯示紅矮星早期光度有接近一個(gè)量級(jí)的降低，造成其周?chē)司訋騼?nèi)遷移，因此一顆成年紅矮星周?chē)司訋?nèi)的類(lèi)地行星可能曾經(jīng)經(jīng)歷過(guò)快速大氣逃逸和脫水。這一過(guò)程對(duì)行星宜居性的影響是現(xiàn)在理論研究的熱點(diǎn)之一。

4 發(fā)現(xiàn)宜居環(huán)境和地外生物的展望

表1中的絕大多數(shù)疑似宜居系外行星的質(zhì)量都比地球大，質(zhì)量大的行星比較容易被觀測(cè)到，通過(guò)觀測(cè)行星反射和發(fā)射光譜也便于搜尋生命信號(hào)。與此相比太陽(yáng)系內(nèi)的可能存在生命的地外天體質(zhì)量均較小，而且表面溫度都很低，可能存在生命的環(huán)境都在次表面或深部，在這些地方發(fā)現(xiàn)地外生命的可能性是存在的。太陽(yáng)系內(nèi)的火星、木衛(wèi)二、土衛(wèi)二和土衛(wèi)六因?yàn)槠浯伪砻婊騼?nèi)部存在生命的可能性較高，被外層空間條約列為第一級(jí)行星保護(hù)目標(biāo)。這意味著任何發(fā)射前往這些天體的有著陸可能的探測(cè)器都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的滅菌程序，以保護(hù)這些天體上面可能存在的土著生命不受地球生命的破壞。由于探測(cè)火星、木衛(wèi)二和土衛(wèi)六上可能存在的生命要求對(duì)其次表面進(jìn)行鉆探，這些探測(cè)計(jì)劃都會(huì)比以前的探測(cè)項(xiàng)目難度大很多。對(duì)土衛(wèi)二噴泉的探測(cè)可以避開(kāi)鉆探的需求，但缺點(diǎn)是很難知道噴泉中的物質(zhì)在多大程度上代表了土衛(wèi)二的內(nèi)部海洋中的物質(zhì)組成。對(duì)于太陽(yáng)系內(nèi)天體我們可以發(fā)射探測(cè)器和鉆探器來(lái)研究其次表面和內(nèi)部，也有可能獲得樣品返回地球來(lái)作更加詳盡的分析；當(dāng)然保護(hù)地球不被地外生命污染也是外層空間條約行星保護(hù)條文的重要部分。由于經(jīng)費(fèi)限制，當(dāng)前國(guó)際上確定的地外生命探測(cè)計(jì)劃的焦點(diǎn)是火星，同時(shí)美國(guó)正計(jì)劃對(duì)木衛(wèi)二開(kāi)展軌道器和著陸器探測(cè)，而對(duì)土星系統(tǒng)開(kāi)展生命探測(cè)的計(jì)劃可能要等到幾十年以后才會(huì)真正實(shí)行。

目前發(fā)現(xiàn)的疑似宜居系外行星個(gè)數(shù)遠(yuǎn)多于表1中所列出的，美國(guó)航天局的開(kāi)普勒天文衛(wèi)星就發(fā)現(xiàn)了十幾顆。但開(kāi)普勒衛(wèi)星所發(fā)現(xiàn)的疑似宜居系外行星都在距地球500光年以外，難以用未來(lái)望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀測(cè)以確定其宜居性，更無(wú)法通過(guò)觀測(cè)來(lái)發(fā)現(xiàn)上面的生命。目前國(guó)際上正在進(jìn)行中的利用地基和空間望遠(yuǎn)鏡搜尋系外行星的計(jì)劃有近50個(gè)，這里只列舉一二：地基望遠(yuǎn)鏡EPRESSO（歐洲南方天文臺(tái)，2016年）將利用視像速度法搜尋太陽(yáng)類(lèi)型恒星周?chē)膸r石行星；地基望遠(yuǎn)鏡NGTS（2015年開(kāi)始運(yùn)行）將利用掩星法搜尋太陽(yáng)附近的超級(jí)地球和迷你海王星；TESS空間衛(wèi)星（美國(guó)航天局，2018年）將利用掩星法搜尋紅矮星（＜0.5太陽(yáng)質(zhì)量）周?chē)囊伤埔司有行牵籔lato 2.0空間衛(wèi)星（2024年歐洲航天局）將利用掩星法搜尋K型和太陽(yáng)類(lèi)型恒星周?chē)囊伤埔司有行?。?jù)估計(jì)這些系外行星搜尋計(jì)劃將在不久的未來(lái)發(fā)現(xiàn)成百上千顆太陽(yáng)附近的巖石行星。

對(duì)系外行星開(kāi)展生命探測(cè)與太陽(yáng)系內(nèi)地外生命探測(cè)最大的不同是對(duì)系外行星在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)是不可能做到就位探測(cè)和鉆探，也不能采樣返回，只能依靠生命對(duì)其所處環(huán)境（大氣成分、表面反射率等）的影響來(lái)判斷地外生命是否存在。就這一點(diǎn)而言，對(duì)系外行星生命的探測(cè)是有其局限性的。從另一個(gè)角度來(lái)講，太陽(yáng)系內(nèi)可能的宜居天體寥寥無(wú)幾，而太陽(yáng)附近可能有成百上千的宜居行星可以觀測(cè)。因此在概率意義上發(fā)現(xiàn)系外生命的可能性不比發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系內(nèi)的地外生命的可能性小。

雖然地基望遠(yuǎn)鏡受地球大氣層的限制，目前國(guó)際上正在建設(shè)中的30～40 m級(jí)地基望遠(yuǎn)鏡（footnote: 1, Thirty Meter Telescope Detailed Science Case, 2015;2, An Expanded View of the Universe: Science with the European Extremely Large Telescope）和即將在2018年發(fā)射的下一代空間望遠(yuǎn)鏡JWST也都有明確的對(duì)系外行星生命信號(hào)開(kāi)展觀測(cè)的計(jì)劃。這些望遠(yuǎn)鏡將可能獲得環(huán)繞小質(zhì)量紅矮星（＜0.2太陽(yáng)質(zhì)量）宜居帶內(nèi)巖石行星的大氣成分、行星組成和演化等方面的信息。目前對(duì)這類(lèi)恒星周?chē)行堑囊司有赃€有較大爭(zhēng)議，未來(lái)的觀測(cè)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)這些行星上的生命信號(hào)，也可能發(fā)現(xiàn)這些行星并非宜居的。在后一種情況下，在2035—2040年左右實(shí)施的未來(lái)超大口徑空間望遠(yuǎn)鏡將會(huì)給人們帶來(lái)地球附近的類(lèi)地行星上生命是否存在這個(gè)問(wèn)題的比較確定的答案。無(wú)論如何，千萬(wàn)年以來(lái)一直困擾著人類(lèi)的關(guān)于生命的問(wèn)題將有可能在這一時(shí)代得到部分的但是重要的答案——人類(lèi)對(duì)世界的認(rèn)識(shí)將會(huì)改變。那么中國(guó)在這一歷史時(shí)刻會(huì)有何作為呢？讓我們拭目以待。?

【作者單位：清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心】

（摘自《科學(xué)通報(bào)》2016年第19期）