土衛(wèi)六孕育生命的可能

朱佳豪 張佳蕾 張 睿 孟天宇,3 張 晨,4 魏 勇,5 王譽(yù)棋,5

（1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 101408；2.自然資源部第一海洋研究所 266061；3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 100037；4.中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所 100190；5.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 100029）

關(guān)于地外生命的探索，科學(xué)家一直都沒(méi)有停止腳步。探索完太陽(yáng)系的八大行星之后，科學(xué)家一面找尋可能存在生命的地外行星，另一面把關(guān)注點(diǎn)放到了太陽(yáng)系的衛(wèi)星中。對(duì)于土衛(wèi)六這顆普通但又并不普通的星球，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了其孕育生命的可能，于是對(duì)其展開(kāi)了近距離研究。

土星是太陽(yáng)系八大行星之一，與太陽(yáng)的距離排在太陽(yáng)系第六位。提起土星，它最特殊的一定是漂亮的光環(huán)了，雖說(shuō)太陽(yáng)系中木星、土星、天王星和海王星都擁有光環(huán)，但作為首個(gè)被發(fā)現(xiàn)的行星環(huán)，土星光環(huán)最為明顯突出，也因此吸引了眾多研究者的目光。由于土星是一個(gè)巨型氣態(tài)行星，并不存在地球碳基生命生存的條件，因此地外生命研究者把目光轉(zhuǎn)向了土星的衛(wèi)星。土星的衛(wèi)星有很多，但大多都比較小，只有一顆例外，那就是土衛(wèi)六(圖1)。土衛(wèi)六是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆土星衛(wèi)星，1655年荷蘭天文學(xué)家惠更斯用自制的天文望遠(yuǎn)鏡首次發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)六，并以希臘神靈“泰坦”命名。在太陽(yáng)系的衛(wèi)星中，其體積僅次于木衛(wèi)三，是太陽(yáng)系第二大衛(wèi)星。土衛(wèi)六上得天獨(dú)厚的物理化學(xué)環(huán)境決定了它必定成為地外生命研究的熱點(diǎn)目標(biāo)。

圖1 可見(jiàn)光波段與紅外波段下的土衛(wèi)六（中間為可見(jiàn)光波段）

1.土衛(wèi)六的氣象水文

1944年，荷裔美籍天文學(xué)家柯伊伯在土衛(wèi)六光譜中發(fā)現(xiàn)了甲烷譜線，確認(rèn)土衛(wèi)六存在大氣。懷著對(duì)土衛(wèi)六的種種好奇，人們選擇送探測(cè)器對(duì)其進(jìn)行近距離觀察探究，于是旗艦級(jí)探測(cè)器“卡西尼”號(hào)應(yīng)運(yùn)而生。為了全方位多角度地對(duì)土星及其衛(wèi)星進(jìn)行立體研究，“卡西尼”號(hào)攜帶了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的探測(cè)設(shè)備，還搭載了專門用來(lái)研究土衛(wèi)六的“惠更斯”號(hào)探測(cè)器。探測(cè)器在土衛(wèi)六著陸后，通過(guò)無(wú)線電傳回的圖像數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)六似乎具有巨大的排水溝渠網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)證實(shí)，確定這些“水”是液態(tài)的碳?xì)浠衔铩Ｓ捎谕列l(wèi)六地表溫度很低，因此液態(tài)水不可能存在，液態(tài)甲烷和液態(tài)乙烷在土衛(wèi)六中占主導(dǎo)地位。由于土衛(wèi)六大氣密布，在自身的自轉(zhuǎn)和圍繞土星的公轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)類似地球上的天氣系統(tǒng)以及“水”循環(huán)。在土衛(wèi)六上，甲烷和乙烷等液態(tài)碳?xì)浠衔锓肿诱舭l(fā)，凝結(jié)成云層，然后再匯聚成“雨”落回到地面。落回地面的液態(tài)碳?xì)浠衔飬R聚成“河流”，通過(guò)“地表徑流”的方式流入“海洋”(圖2)，這些與地球的水循環(huán)非常類似。

圖2 土衛(wèi)六北極極地區(qū)域的湖泊和海洋

除了“水”循環(huán)，“卡西尼”號(hào)傳回地球的數(shù)據(jù)顯示土衛(wèi)六赤道地區(qū)有巨大的沙塵暴。這使土衛(wèi)六成為太陽(yáng)系中除地球和火星外第三個(gè)被觀察到存在沙塵暴的天體，也是第一個(gè)具有沙塵暴的衛(wèi)星。根據(jù)卡西尼號(hào)拍攝到的圖片(圖3)，中央部分箭頭所指的亮斑被科學(xué)家解釋為強(qiáng)烈的甲烷風(fēng)暴。關(guān)于是不是甲烷風(fēng)暴，科學(xué)家曾進(jìn)行過(guò)長(zhǎng)時(shí)間論證，他們排除了冰冷熔巖、甲烷云以及凍結(jié)的甲烷雨這幾種固態(tài)液態(tài)的形式，認(rèn)為圖片中顯示的特征必須是氣態(tài)的才能解釋。觀測(cè)到的風(fēng)暴位于土衛(wèi)六赤道周圍的沙丘區(qū)域正上方，由此推測(cè)這些亮斑實(shí)際上是從沙丘上揚(yáng)起的塵埃流。當(dāng)陽(yáng)光與甲烷的相互作用形成的有機(jī)分子大到足以掉落到表面時(shí)，就會(huì)形成有機(jī)粉塵，若同時(shí)近地表風(fēng)速是無(wú)沙塵暴時(shí)的五倍，就會(huì)產(chǎn)生如此強(qiáng)度的沙塵暴。這個(gè)發(fā)現(xiàn)意味著覆蓋土衛(wèi)六赤道地區(qū)的巨大沙丘仍然在活躍并且不斷變化。風(fēng)可能會(huì)將沙丘上揚(yáng)起的塵埃傳送到很遠(yuǎn)的距離，從而導(dǎo)致土衛(wèi)六上的有機(jī)塵埃全球循環(huán)。

圖3 “卡西尼”號(hào)攜帶的視覺(jué)和紅外映射光譜儀拍攝的出現(xiàn)亮斑的土衛(wèi)六圖像

2.土衛(wèi)六的地形地貌

隨著研究的進(jìn)行，美國(guó)宇航局公布了土衛(wèi)六的首張全球地貌圖(圖4)，揭示了其地表上沙丘、“湖泊”、平原、火山口等眾多地貌形態(tài)。土衛(wèi)六地勢(shì)地貌與地球十分相似，表面近2/3 是平坦的平原；約14%的地表是丘陵或山地；17%是由嚴(yán)寒的固態(tài)有機(jī)物質(zhì)構(gòu)成的沙粒，它們被風(fēng)吹成了沙丘，大部分在赤道附近；還有以液態(tài)甲烷構(gòu)成的“湖泊”“海洋”，以及與地球相似“水蝕”和風(fēng)蝕構(gòu)成的頁(yè)巖鑿刻痕跡。同時(shí)，土衛(wèi)六的隕石坑少得驚人，這表明它的地質(zhì)形成時(shí)間相當(dāng)晚。

圖4 土衛(wèi)六全球地貌圖(a)墨卡托投影；(b)通用極球面投影＞55°N/°S

土衛(wèi)六液態(tài)碳?xì)浠衔锾畛渫莸氐男问揭约斑@些地表洼地的來(lái)源備受關(guān)注。隨著研究深入，科學(xué)家逐漸確定了液態(tài)碳?xì)浠衔锾畛渫莸氐膬煞N形式。首先是“徑流”填充形成“海洋”，寬闊的海洋跨越數(shù)千公里，深約幾米到數(shù)十米，由分支狀的類似“河道”的“河水”補(bǔ)給；其次是“湖泊”，它的形成通常認(rèn)為與“河流”無(wú)關(guān)，被認(rèn)為是由“降水”和從地下注入“湖泊”的液體填滿。對(duì)于容納“湖泊”的洼地的形成，可以參考地球上的巖溶地貌。這些洼地是由于“地下水”中溶解性巖石(如石灰?guī)r、石膏等)被侵蝕以及“降雨”滲透到巖石中而形成的。這種侵蝕作用的速率取決于各種因素，如巖石的化學(xué)性質(zhì)、降水速率、地表溫度等等。因此科學(xué)家認(rèn)為盡管土衛(wèi)六與地球相差甚遠(yuǎn)，但是其潛在的氣象以及地質(zhì)過(guò)程相似。

3.生命的孕育

土衛(wèi)六表面的氣象條件、地質(zhì)活動(dòng)甚至是影響全球的循環(huán)系統(tǒng)過(guò)程都與我們的地球極其相似。有科學(xué)家猜測(cè)，土衛(wèi)六現(xiàn)今的地表進(jìn)程就如同我們?cè)缒甑牡厍?。地球形成初期并不具備適合生命發(fā)展演化的條件，隨著地球冷卻，具有了氨、甲烷、二氧化碳和水等物質(zhì)，到這時(shí)生命出現(xiàn)的舞臺(tái)才搭建好。年輕的地球表面曾受多種因素劇烈影響，如宇宙射線、閃電、火山、隕石撞擊等等，同時(shí)它們也都為地球提供了大量的能量，最終將地球上的氨、甲烷、二氧化碳和水塑造成為氨基酸和核苷酸堿基。氨基酸構(gòu)建蛋白質(zhì)，核苷酸堿基序列構(gòu)成基因，從而二者結(jié)合形成生命體，確定生物體的特征。

這就是關(guān)于生命起源的化學(xué)演化假說(shuō)，它的中心思想是，生命是從無(wú)生命的分子進(jìn)化而來(lái)的。對(duì)此，科學(xué)家早在1953 年就進(jìn)行了著名的尤里-米勒實(shí)驗(yàn)，成功構(gòu)建出了氨基酸甚至是核苷酸堿基序列。研究發(fā)現(xiàn)，土衛(wèi)六大氣中存在一種與生命起源相關(guān)的物質(zhì)——丙烯氰，伴隨著大氣中的雷電風(fēng)暴活動(dòng)，可能形成復(fù)雜有機(jī)物和早期生命形式。

如今的土衛(wèi)六雖然表面溫度極低，空氣中充斥著相對(duì)于生命來(lái)講的“毒氣”，狂風(fēng)席卷，漫天飛沙，環(huán)境惡劣，但是原始地球也曾是如此，在似乎絕對(duì)不可能的條件下一步一步發(fā)展孕育出了生命。土衛(wèi)六目前溫度只有-150攝氏度左右，但它緊鄰的木星內(nèi)部正在緩慢收縮，向外輻射熱量，起到類似于太陽(yáng)的作用。也就是說(shuō)土衛(wèi)六表面溫度會(huì)逐漸上升，隨著時(shí)光變遷、能量輸入，在遙遠(yuǎn)的將來(lái)，土衛(wèi)六或許將成為下一個(gè)孕育生命的星球。與此同時(shí)，對(duì)土衛(wèi)六的進(jìn)一步研究很有可能反過(guò)來(lái)成為破解地球生命起源的密碼。

自古以來(lái)，人們向天追問(wèn)：“遂古之初，誰(shuí)傳道之？上下未形，何由考之？冥昭瞢暗，誰(shuí)能極之？馮翼惟像，何以識(shí)之？”現(xiàn)在，我們依舊向天追問(wèn)：還有沒(méi)有別的星球孕育有生命的存在？人類在宇宙中孤獨(dú)嗎？尋找地外生命、尋找新的家園一直都是我們努力“問(wèn)天”的一個(gè)重要方向。雖然長(zhǎng)路漫漫，但有兩點(diǎn)可以確認(rèn)：第一，中國(guó)一定會(huì)積極參與其中；第二，故事才剛剛開(kāi)始，我們的征途始終是星辰大海。