外星植物

編譯 夏冰

遙遠(yuǎn)的星球上，外星太陽溫暖著海灘，海灘上長著深紅色樹葉的棕櫚樹在微風(fēng)中搖擺。池塘邊緣的每一塊大石頭上都披著一件類似藍(lán)藻的植物做成的外衣，奇怪的花朵在遠(yuǎn)處的沙丘上繁榮滋長。

天文學(xué)家?guī)缀蹩梢钥隙?，在我們的太陽系之外，宇宙中還會有其他長滿植物的星球——哪怕，他們完全無法確定那些星球上的植物到底長什么樣。宇宙中不乏環(huán)境條件適宜孕育生命并支持其成長的世界。近期，美國宇航局的研究者根據(jù)目前已經(jīng)認(rèn)證確定的大約4 000顆系外行星外推，估算得到僅銀河系內(nèi)，就可能擁有多達(dá)50億顆宜居行星。我們現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)是，如何證明其中至少一個確實宜居。

一小部分天文學(xué)家投身到這項任務(wù)中。他們追蹤著穿過外星大氣來到我們星球上的光，以尋找外星細(xì)菌或植物的線索。這是一番大有可為的事業(yè)，但至多也只能提供環(huán)境證據(jù)。很早之前，天文學(xué)家就已經(jīng)知曉還有一種更好的方法——搜尋系外行星地表反射出來的光，更有可能收獲成功。“這種光讓你有機(jī)會直接看到系外行星上的生命物質(zhì)本身?！奔永Ｄ醽喩骄俺堑赝馕拿魉褜ぱ芯克茖W(xué)家威廉·斯巴克斯（William Sparks）說。

這個構(gòu)想的問題在于，我們根本不可能找到這種光。不過，最近的一些突破性進(jìn)展表明，我們終究還是能梳理出系外行星地表反射出的部分光，從而找到其他星球上光合作用的確鑿證據(jù)。實現(xiàn)這個目標(biāo)所需的望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)在建造之中。與此同時，關(guān)于搜尋目標(biāo)的競爭也已如火如荼地展開了。天文學(xué)家目前正在努力識別地球植被反射出的信號，作為外星植物搜尋行動的借鑒。

具體到搜尋系外行星生命跡象這個目標(biāo)來說，天文學(xué)家的關(guān)注重點是大氣生化信號。舉個例子，地球大氣中有大量植物、樹木和漂浮在開放海洋上的微生物通過光合作用產(chǎn)生的氧。同時，細(xì)菌、腐爛的植物和反芻動物通過類似的過程將甲烷排泄到了大氣中。

在地球大氣中尋找生化信號并不難，但要想梳理出這些氣體在地外世界大氣中的蛛絲馬跡就很是困難了。恒星的光在穿過行星大氣時，會有部分顏色的光被吸收，至于具體是哪種顏色則取決于該行星的大氣成分。于是，我們在地球上探測到的系外行星光譜中就會出現(xiàn)空隙，這些空隙就會告訴我們這顆系外行星的大氣構(gòu)成。不過，要想在實踐中實現(xiàn)這個目標(biāo)，就需要分辨力高到足以準(zhǔn)確分解外星星光的大型望遠(yuǎn)鏡。并且，這樣的望遠(yuǎn)鏡基本上只能在地球表面建造，這就意味著，外星星光在抵達(dá)望遠(yuǎn)鏡之前還會經(jīng)過地球大氣，而地球大氣中的氧會在這些光信號中留下痕跡。這還只是干擾信息的諸多來源之一。

借助像詹姆斯·韋布天文臺（計劃于2021年10月發(fā)射升空）這樣的大型空間望遠(yuǎn)鏡，就能擺脫地球大氣的復(fù)雜效應(yīng)。然而，即便如此，這些信號離徹底擺脫干擾也還差得遠(yuǎn)。舉例來說，氧可能是恒星光分解大氣中的水產(chǎn)生的，氮可能是火山噴發(fā)產(chǎn)生的，而非腐爛植物。因此，外星星光中氮和氧的存在，并不必然意味著系外行星上存在植物。麻省理工學(xué)院科學(xué)家薩拉·西格爾（Sara Seager）就表示，現(xiàn)在，越來越多的研究者認(rèn)為，即便我們拿到了相關(guān)證據(jù)，也無法肯定說明任何事。“對于任何一名科學(xué)家來說，有多少種解釋這些氣體生物起源的方式，就有多少種解釋這些氣體非生物起源的方式。”

20年前，薩拉成為第一批探索利用其他以光為媒介的方式研究系外行星的天文學(xué)家之一。要想理解薩拉探索的新研究方式，你得把光看成電磁波。一般來說，光——比如我們看到的太陽光，或者燈泡發(fā)出的光——都是沒有偏振的，也即它們是在各個方向上振動的電磁波。另一方面，偏振光的振動就僅限于特定的某些方向。星光經(jīng)行星表面反射后，就會偏振化，且其具體的偏振方式就能提示我們究竟是什么導(dǎo)致了這種偏振——其中的一種可能原因就是外星生命。

這正是偏振測定學(xué)——一門主要研究如何測定偏振光的學(xué)科——吸引西格爾等人的地方。大氣中的生物信號可能什么也說明不了，但直接來自外星世界地表的信號——以偏振光的形式編碼而成——可以為我們提供更為可靠的線索。

舉個例子，通過偏振光，我們或許就能確定其他行星上是否有液態(tài)水存在。在大氣中尋找相關(guān)信號，只能告訴我們，大氣最頂層空氣中有水以氣體的形式存在。而通過偏振光測定手段，可以探測液態(tài)水滴云層，甚至可能直接探測海洋，因為太陽光照到水面時會出現(xiàn)強(qiáng)烈的偏振?！澳闵踔量梢杂纱朔治鲲L(fēng)速和浪高，”智利歐洲南方天文臺科學(xué)家邁克爾·斯特爾茲克（Michael Sterzik）說，“因為風(fēng)速、浪高等因素會改變海洋將那些偏振太陽光反射回宇宙空間的方式。目前看來，偏振光測定手段是查證類地系外行星特征最有前途的技術(shù)?！?/p>

不過，這項技術(shù)的好處可能還不止這些。最理想的情況下，偏振光可以為我們帶來無數(shù)生物學(xué)鐵證。光波中的某些振動信號只能由參與光合作用的葉綠素分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。而光合作用，正是地球上所有植物和某些細(xì)菌將太陽光轉(zhuǎn)化成糖分的過程。

應(yīng)用這項技術(shù)的難點在于，遙遠(yuǎn)行星地表反射出來的偏振光極其難以觀測。做一個大家都能理解的比較，這種光比直接穿過大氣來到地球上的恒星星光還要昏暗。另外，還有一個殘酷的事實：只有1%左右的反射光會發(fā)生偏振，這讓偏振光信號變得更微弱?！拔覀円呀?jīng)嘗試了好幾次，但都失敗了，”西格爾說，“我覺得，如果我們永遠(yuǎn)都探測不到遙遠(yuǎn)星球上發(fā)出的偏振光，也不奇怪?！?/p>

不過，現(xiàn)在，我們終于探測到了。2021年1月，兩支互相獨立的研究團(tuán)隊各自宣布，他們探測到了來自系外行星的偏振光。率先完成這一目標(biāo)的團(tuán)隊由荷蘭萊登大學(xué)科學(xué)家羅布·范霍爾斯泰因（Rob Van Holstein）領(lǐng)導(dǎo)。他們利用智利的甚大望遠(yuǎn)鏡捕捉到了來自系外行星DH Tau b周圍塵埃和氣體盤的紅外偏振光。不到半個月后，澳大利亞新南威爾士大學(xué)杰瑞米·貝利（Jeremy Bailey）領(lǐng)銜的研究小組宣布，他們探測到了飛馬座51b反射的偏振星光——飛馬座51b是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆圍繞類太陽恒星運動的系外行星。

無論是DH Tau b，還是飛馬座51b，都不是類地行星——它們的質(zhì)量都比木星還大。然而，這兩項發(fā)現(xiàn)仍舊是偉大的突破?！?0年了，我們一直在等待像這樣的技術(shù)突破?！必惱f。

現(xiàn)在，科學(xué)家面臨著雙重挑戰(zhàn)。一方面，天文學(xué)家必須進(jìn)一步提升這類探測技術(shù)，以便探測體型更小的類地系外行星的反射偏振光。要知道，系外行星越小，距恒星越遠(yuǎn)，其地表反射出的光就越微弱。另一方面，也是更重要的方面，我們必須弄清楚，植物會在我們能夠探測到的偏振光信號中留下何種線索。

這兩項挑戰(zhàn)都不是輕輕松松就能解決的，但偏振光測定技術(shù)至少讓我們以這類方式探測外星生命成為可能，因為，生命——尤其是植物——令光產(chǎn)生偏振的方式的確有特別之處。云層和海洋反射的星光會產(chǎn)生線性偏振，也即光（波）的振動方向與傳播方向一致。而植物反射的光會產(chǎn)生圓偏振：反射光在與傳播方向呈直角的平面上轉(zhuǎn)動。

非生命物質(zhì)是無法產(chǎn)生這樣的信號的，但植物中的葉綠素卻能以一種獨一無二的方式做到這一點。圓偏振光究竟是順時針還是逆時針轉(zhuǎn)動，取決于產(chǎn)生偏振的葉綠素分子的手性?，F(xiàn)在，先請你看看自己的雙手。左右手互為鏡像，卻永遠(yuǎn)無法完美重合地上下疊放在一起。這就是手性的含義。

在化學(xué)中，分子也以類似的左右手性存在。非生物物質(zhì)令反射光產(chǎn)生圓偏振時，左右手性產(chǎn)生的效應(yīng)必然是等量的。然而，地球上的生命只使用左手性的氨基酸和右手性的糖。這種特別的性質(zhì)叫作“同手性”。斯巴克斯認(rèn)為，這也正是我們能從類地系外行星反射出來的偏振光中看到的現(xiàn)象。他表示，左右手性偏振光的比例差異達(dá)到6:4，就足以確定該星球上有生命存在了，因為，就我們目前所知，還沒有任何非生命物質(zhì)的左右手性比例偏離1:1?！斑@是一種更加獨特的生物學(xué)信號?！彼拱涂怂拐f。

一直以來，科學(xué)界始終認(rèn)為，圓偏振信號強(qiáng)度只有相應(yīng)的線偏振信號的成千上萬分之一，因此也就弱到完全無法探測。然而，斯巴克斯最近開始質(zhì)疑這種觀點。他在實驗中用非偏振光照射培養(yǎng)的細(xì)菌——這些細(xì)菌在光合作用中不產(chǎn)生氧。2020年10月，斯巴克斯和同事證明了，這些細(xì)菌反射出的光中，有多達(dá)1%產(chǎn)生了圓偏振——和線偏振反射光比例基本相同?！皩嶒炞C明，圓偏振反射光強(qiáng)度要比我們原來認(rèn)為的更高。”斯巴克斯說。他們在進(jìn)一步的研究中還發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌分解并向環(huán)境中釋放原始色素時，圓偏振反射光信號最強(qiáng)。“也就是說，我們未來要尋找的并不是生命，”斯巴克斯說，“而是死亡?！边@個結(jié)果也支持了斯巴克斯論文合作作者之一、匈牙利植物生物學(xué)研究所盧卡斯·帕蒂（Lucas Patty）早些時候的一項發(fā)現(xiàn)。2019年，帕蒂發(fā)現(xiàn)，褐藻反射光中，圓偏振信號的比例可能高達(dá)2%。不過，即便外星光合作用生物的偏振信號比原先預(yù)計的強(qiáng)，我們就真的能夠在廣袤的宇宙空間中探測到它們嗎？“毫無疑問，這肯定會很艱難，”斯巴克斯說，“在理解光和生命間相互作用的道路上，我們還剛剛起步。”

其他行星上的青苔會以一種特別的方式令光發(fā)生扭曲

幸運的是，我們生活的這顆行星是一個絕好的試驗場。斯特爾茲克一直在使用甚大望遠(yuǎn)鏡觀察月球反射回來的地球光，也就是所謂的“地球反照”。這其中包含了一部分地球植物反射到空間中的偏振光，而斯特爾茲克成功地區(qū)分出了信號中的植物反射光可見區(qū)?！坝眠@種方式使用偏振光測定技術(shù)，簡單直白得令人驚訝?！?/p>

斯特爾茲克還注意到了一些令他驚訝的東西。“我們在光譜的紅光區(qū)域看到了比預(yù)計更多的偏振光?！甭淙~植物葉子的反射光落在光譜可見光區(qū)域和紅外區(qū)域邊界處的尤其多。這種所謂的“紅際效應(yīng)”就是一種潛在的生物信號。如果事實證明，光譜紅際區(qū)域的偏振光效應(yīng)也同樣更強(qiáng)，那么，我們就有了另一種搜尋遙遠(yuǎn)行星植物的好方法。不過，我們還可以做得更好。就地球反照來說，我們必須扣除月球表面反射光信號產(chǎn)生的相關(guān)效應(yīng)。在國際空間站里安上一個偏振計就能解決這個問題，但如果只是這樣做，我們還是無法一次看到整個星球?！耙胱龅竭@點，就必須離開地球，從月亮上給我們地球拍個自拍。”荷蘭萊登大學(xué)團(tuán)隊成員，參與探測DH Tau b偏振光信號的多拉·克林德茲克（Dora Klindzic）說。克林德茲克是地球不可分辨偏振光月球?qū)嶒炇遥↙OUPE）項目背后的推動者之一。2020年11月，她提出了自己的主要想法：在未來的月球任務(wù)中帶去一個偏振計，并且讓這個儀器在撞擊月球表面時收集大量偏振光。LOUPE任務(wù)并不會產(chǎn)生精細(xì)聚焦的漂亮地球圖片——就比如執(zhí)行“阿波羅任務(wù)”的宇航員拍攝的那些著名照片，相反，這項任務(wù)只會把收集到的所有地球光全部匯聚到單個不可分辨的像素中。其背后的主要思想，是模擬我們收集到遙遠(yuǎn)系外行星星光時的場景。

邂逅月球

通過解碼LOUPE項目收集到的偏振信號，我們就能把它們拿來同地球生物圈的已知類似特征做比較。這樣一來，在我們把目光投向更廣闊的宇宙中時，就能準(zhǔn)確知道自己是在尋找哪種偏振生物信號。這種方式可能有助于我們區(qū)分光合作用細(xì)菌和傳統(tǒng)植物反射的信號之間的差異——這是斯巴克斯和帕蒂都表示我們目前還做不到的事情。

位于智利北部阿塔卡馬沙漠中的甚大望遠(yuǎn)鏡

這個計劃真正付諸實施的那天，我們應(yīng)該也不會等待太久。“大概一年內(nèi)，我們就能測試第一個原型?！笨肆值缕澘苏f。近年來，無論是政府航天機(jī)構(gòu)，還是私人航天公司，對月球這個天體的興趣都越來越濃厚了。因此，偏振計有大把的機(jī)會搭順風(fēng)車。

另一個正在籌備中的大型項目就是極大望遠(yuǎn)鏡。這件設(shè)備目前正在智利阿塔卡馬沙漠中緊鑼密鼓地籌建。它的主鏡直徑達(dá)到了驚人的39米——相較之下，甚大望遠(yuǎn)鏡的主鏡直徑只有8.2米，并且將會裝備下一代分光偏振計。范霍爾斯泰因說：“我絕對肯定，借助歐洲極大望遠(yuǎn)鏡，完全有可能探測到類地系外行星，并且識別出它們的某些特征?！?/p>

“如此種種，都增添了我們研究地球生命——尤其是植物——如何令太陽光發(fā)生偏振的動力。一旦下一代望遠(yuǎn)鏡投入工作，我們現(xiàn)在所做的一切就將收獲豐厚回報?！笨肆值缕澘苏f。這很可能預(yù)示著一個新時代的到來。屆時，我們將掌握搜尋宇宙其他各處生命的能力，并且極有可能根據(jù)這類行動的結(jié)果回答那個經(jīng)久不衰的問題：人類在宇宙中是否孤獨？

資料來源 New Scientist