尋找外星生命的關(guān)鍵

石無魚

把我們自己當(dāng)作外星人來考察地球

沒有什么事件比發(fā)現(xiàn)外星生命意義更重大的了。不論是在一顆巖石質(zhì)行星還是一顆氣態(tài)巨行星，不論那里炎熱還是寒冷，我們都不挑剔：只要外星生命存在，我們就想找到它。

我們搜尋的時(shí)候，當(dāng)然不是漫無目的的。我們心中的樣板是地球。畢竟，地球是迄今唯一一顆有生命的星球。就算遙遠(yuǎn)的外星球沒有海洋、大陸、雨林、沙漠和南北極冰川，但我們?cè)谒褜r(shí)，依然要看看它們是否有我們所熟悉的東西，比如說地表要有水，大氣中要有氧氣，甚至陸地上要有植被，等等。

但是，我們也許忽視了這樣一個(gè)事實(shí)：我們現(xiàn)在所熟悉的地球，很早以前并不是這個(gè)樣子的。在地球存在的45億年中，它經(jīng)歷了一系列的滄海巨變：冰期和氣候變暖時(shí)期，大氣無法呼吸的時(shí)期，大面積沙漠的時(shí)期，茂盛的熱帶森林覆蓋兩極的時(shí)期……雖然一直在發(fā)生著變化，但在絕大多數(shù)時(shí)間里，生命一直在頑強(qiáng)地生存著。

所以，問題來了：假如我們總是以現(xiàn)在的地球做樣本，那倘若外星生命處于類似早期地球的環(huán)境中，我們很可能就把它們錯(cuò)過了！

如何避免錯(cuò)過呢？一個(gè)辦法是把我們自己當(dāng)作外星人，來觀察地球，看看在地球歷史的早期，有生命存在的情況下，我們能從遙遠(yuǎn)的地方看出什么名堂來。

能顯示現(xiàn)在地球上生命跡象的信號(hào)

這個(gè)想法其實(shí)并不新鮮。1989年，當(dāng)“伽利略”號(hào)木星探測(cè)器發(fā)射時(shí)，它要繞地球軌道運(yùn)行兩周。當(dāng)時(shí)美國(guó)天文學(xué)家卡爾·薩根建議，利用這個(gè)機(jī)會(huì)把我們尋找外星人的最好設(shè)備對(duì)準(zhǔn)地球自身。他說，用這種辦法看看能否發(fā)現(xiàn)地球有無生命存在的跡象。如果在這種情況下都沒發(fā)現(xiàn)地球上生命存在的跡象，那我們也別指望用它們?nèi)グl(fā)現(xiàn)別的地方的生命。

“伽利略”號(hào)沒讓我們失望。它探測(cè)到一系列能顯示地球生命跡象的信號(hào)。比如，它探測(cè)到一些無線電波信號(hào)——這是自然界無法自己產(chǎn)生的，只能來自人工（我們當(dāng)然知道它來自人工）。

如果沒有任何來自人工的暗示，那么到目前為止，能顯示生命存在的最好跡象是氧氣。如果沒有植物通過光合作用源源不斷地產(chǎn)生，氧氣在我們大氣中將難以維持穩(wěn)定的濃度（21%）。因?yàn)檠鯕馐欠浅；顫姷臍怏w，會(huì)跟很多東西反應(yīng)，從而被消耗掉。

甲烷是一種比較模棱兩可的信號(hào)，雖然地球上的甲烷大多是細(xì)菌和家畜釋放的，但跟生命活動(dòng)無關(guān)的自然過程也能制造甲烷。所以，大氣中探測(cè)到甲烷還不足以證實(shí)生命的存在。

然而，倘若氧氣和甲烷同時(shí)存在，那將是生命存在的一個(gè)有力證據(jù)。因?yàn)檠鯕夂图淄榈幕旌衔锸遣环€(wěn)定的，很容易燃燒生成二氧化碳和水，不可能長(zhǎng)期共存——除非它們持續(xù)不斷地產(chǎn)生。誰(shuí)產(chǎn)生的呢？只能是生物。因?yàn)楹茈y想象兩者都靠與生命活動(dòng)無關(guān)的自然過程來長(zhǎng)期維持。

太古代的地球，火山噴發(fā)隨處可見。

另一個(gè)顯示生命的可靠跡象是植物反射的光。盡管地球上的植被吸收了除綠光之外的大部分可見光，但它吸收的紅外線要少得多。結(jié)果是，在地球的反射光譜上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)突然的跳躍，被稱為“近紅外反射峰”。如果沒有活的有機(jī)生命，這個(gè)現(xiàn)象很難發(fā)生。

大氣中有高濃度的氧氣，甲烷與氧氣共存，或者地球的反射光譜中存在一個(gè)近紅外反射峰，這些都是顯示地球上存在生命跡象的有力證據(jù)。但這個(gè)“地球”特指現(xiàn)在的地球。假如用這些標(biāo)準(zhǔn)去挑選像現(xiàn)在的地球那樣的行星，不失是個(gè)好辦法。

但是我們要知道，即使在上述跡象出現(xiàn)之前，地球上也早有生命存在了。倘若上述這些跡象都沒有，我們?cè)撛趺慈グl(fā)現(xiàn)生命呢（如果有的話）？

地球風(fēng)貌變遷史

地球生命的簡(jiǎn)短歷史

地球上已知的最早生命形式大約出現(xiàn)在40億年前的“太古代”。當(dāng)時(shí)地殼正在冷卻，大陸開始形成，大氣層被活火山產(chǎn)生的二氧化碳所充滿。在這個(gè)充滿敵意的環(huán)境中，生產(chǎn)甲烷的原始微生物出現(xiàn)了。當(dāng)時(shí)大氣中氧含量幸好很低，因?yàn)榈谝慌菂捬醯?，氧氣?duì)它們有毒。如果氧含量再高一點(diǎn)，出現(xiàn)的生命可能就是另外的樣子。

大約10億年后，地球進(jìn)入“元古代”。光合作用已經(jīng)在進(jìn)行。光合作用將二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣，這一過程對(duì)地球產(chǎn)生了持久的影響。氧氣、二氧化碳和甲烷首次在大氣中共存，加速了多細(xì)胞生命的進(jìn)化。

在這期間，發(fā)生了兩次“雪球地球”事件，當(dāng)時(shí)整個(gè)地球從南到北都被冰雪覆蓋。雖然生命并沒有滅絕，但問題是，我們不知道如何在這種情況下找出能顯示生命存在的跡象，因?yàn)榭茖W(xué)家對(duì)這一時(shí)期的大氣成分還沒有充分了解。

元古代有一個(gè)10億年的穩(wěn)定期，從18億年前延續(xù)到8億年前。這一時(shí)期，氣候穩(wěn)定，氧含量仍然保持在很低的水平，生命的進(jìn)化就算還在持續(xù)，看起來也非常緩慢。難怪地質(zhì)學(xué)家稱之為“無聊的10億年”。

有人認(rèn)為這樣說有點(diǎn)不公平。畢竟，這一時(shí)期進(jìn)化出了有性生殖，也是第一批真核生物（具有真細(xì)胞核——即細(xì)胞核被核膜包圍——的生物）出現(xiàn)的時(shí)候。這是一件大事。然而，倘若從外星人空間探測(cè)器的角度來看，幾乎看不出什么變化。

當(dāng)“無聊的10億年”結(jié)束后，生命進(jìn)化開始進(jìn)入快車道。生命形式的多樣性在寒武紀(jì)爆發(fā)中飛速發(fā)展，氧氣最終達(dá)到了可以從太空中遠(yuǎn)程探測(cè)的水平，植物開始在地表繁衍生息。這是第一次可以看到近紅外反射峰的時(shí)候。

這段復(fù)雜的歷史為那些只把地球目前的外觀做樣板去搜尋外星生命的人提供了一個(gè)教訓(xùn)。按他們那種做法，在地球歷史的大約五分之四的時(shí)間里，我們都將無法看到地表生命的跡象，因?yàn)椴徽撌菍ふ腋邼舛鹊难?、氧?甲烷共存還是近紅外反射峰，你都將空手而歸。既然如此，我們就需要研究其他可顯示生命存在跡象的途徑。

植被的出現(xiàn)極大地改變了從太空所看到的地球的風(fēng)貌

如何探測(cè)早期地球上的生命跡象？

一條有希望的新途徑是搜尋類似現(xiàn)在地球近紅外反射峰的東西。前面說了，在現(xiàn)在地球的反射光譜中，之所以出現(xiàn)近紅外反射峰，是因?yàn)橛写竺娣e植物存在之故。但從太古代開始，早在被植被覆蓋之前，地球大陸就可能被其他顏色的單細(xì)胞生物覆蓋了。如果這些微生物數(shù)量足夠多，它們對(duì)地球反射光的影響也將類似于植物，只是反射峰不一定出現(xiàn)在光譜的近紅外一端而已。

另一條新途徑是對(duì)行星進(jìn)行長(zhǎng)期觀察，而不僅僅是獲取其大氣成分的“快照”。例如通過觀察地球，我們可以揭示地球大氣中二氧化碳濃度的季節(jié)性變化，你會(huì)發(fā)現(xiàn)每年都要上下波動(dòng)一次。這是因?yàn)橹参镌谏L(zhǎng)季節(jié)消耗了更多的二氧化碳，而北半球由于其大陸面積比南半球大，在這一影響中占主要地位（南北半球因?yàn)榧竟?jié)相反，如果再加陸地面積相等，那就抵消掉了）。

如果行星上還沒有植物（如元古代的地球），微生物的光合作用恐怕不足以引起二氧化碳濃度的明顯波動(dòng)。但如果存在需要呼吸氧氣的生物，那么氧氣的濃度可能會(huì)有季節(jié)性變化。盡管氧含量本身可能太低，從遠(yuǎn)處不能察覺，但它的波動(dòng)對(duì)其他化學(xué)物質(zhì)（如臭氧）的影響也許能被探測(cè)到。

利用季節(jié)性變化的東西來作為生命存在信號(hào)的一個(gè)缺點(diǎn)是，有些外星球上壓根兒沒有季節(jié)。比如一些恒星由于亮度太低，輻射的熱量太少，行星軌道必須靠近它們，才能適宜居住，但這樣一來，行星就被潮汐鎖定了，始終保持相同的一面朝向恒星。在這樣的行星上，就不會(huì)有任何季節(jié)了。

還有一條新途徑也許會(huì)更有成果。它涉及重新思考生命的存在如何影響大氣的構(gòu)成。盡管前面已經(jīng)知道，如果沒有生物往地球大氣中源源不斷地注入甲烷和氧氣，兩者無法在大氣中共存，所以甲烷-氧氣可視作生命存在的信號(hào)，但這樣的氣體組合也許不止一種。

以上建議都為我們尋找外星生命提供了新視角，然而，要想找到一個(gè)足夠好的視角并不容易。弄清楚系外行星大氣中發(fā)生了什么，就意味著要盡可能多地收集來自系外行星的光。但是，當(dāng)然，行星自身并不產(chǎn)生光;它們只反射母恒星的光，而且反射的光與母恒星發(fā)出的光相比，顯得很少。為了將它們分開，我們將需要巨大的望遠(yuǎn)鏡，如美國(guó)宇航局的韋伯望遠(yuǎn)鏡，該望遠(yuǎn)鏡將于2021年發(fā)射，或是下一代基于地面的超大型望遠(yuǎn)鏡。即使有了這些設(shè)備，事情依然會(huì)很棘手。倘若要對(duì)系外行星的季節(jié)性變化進(jìn)行觀察，那么時(shí)間將會(huì)持續(xù)很久（因?yàn)橄低庑行堑囊荒辏苍S相當(dāng)于好幾十個(gè)地球年），以至于在你我的有生之年，都不一定能完成。

此外，也不是任何一項(xiàng)觀測(cè)就可以一錘定音的，因?yàn)槲覀冋业降闹炼嗖贿^是能顯示生命存在的跡象，而不是生命本身。這不像挖寶藏，能挖到實(shí)物，然后說，“就是它！我找到了！”