尋找生命起源的鑰匙

艾藍

系外行星探測衛(wèi)星Tess于2018年4月由NASA發(fā)射，接替Kepler。它有一個為期兩年的任務(wù)， 在此期間，它將搜尋太陽系外行星。預(yù)計它將發(fā)現(xiàn)大約20000顆行星。

1976年，維京1號和2號成為首個成功著陸火星并在火星表面運行的航天器，全世界都熱切地期待這顆紅色的星球孕育著生命。維京號著陸器的設(shè)計初衷是為了測試微生物，但所有人其實都期盼著它能在火星上發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的生命，哪怕是細微的痕跡。畢竟，在天文學(xué)家（以及“水手2號”金星探測器）告訴我們恐龍永遠不會爬行在金星潮濕的沼澤地上之后，火星是我們最后也是最好的希望。如果火星不行，希望就渺茫了，水星離太陽太近了，而小行星帶之外據(jù)說是沒有微生物的氣體巨行星和冰凍行星。

自維京號以來，我們對太陽系的探索就象征著，一個世界接一個世界地尋找——任何可能暗示著我們所知（或不知）的生命跡象。今天，木衛(wèi)二歐羅巴（Europa）的海洋對于我們就像二十世紀金星的濕地和火星的河道一樣：可能是破解人類孤獨的密碼。

未知的起源

歐羅巴快艇探測計劃（Europa Clipper）是美國國家航空航天局（NASA）的下一個外行星的旗艦任務(wù)，它將要探測這顆冰凍衛(wèi)星的宜居性?，F(xiàn)在太陽系的宜居帶也許包括太陽系中的每一顆星球。圍繞土星運行的土衛(wèi)二和土衛(wèi)六，以及圍繞海王星運行的海衛(wèi)一，也是不錯的候選星球。生命，就像水一樣，可能無處不在。

木衛(wèi)二歐羅巴的3D模型，這是一個可能隱藏著地下海洋的冰凍衛(wèi)星。

目前為止，我們只在地球發(fā)現(xiàn)了生命，地球繁盛的生命似乎堅不可摧，盡管發(fā)生了許多次滅絕級別的事件。一顆小行星與地球相撞，幾乎把地球上的一切都毀滅了。微生物在致命沖擊造成的斷裂帶中安家，一切又重新開始了。根據(jù)我們對單一世界的研究樣本，一旦生命開始，再滅絕它會非常非常難。所以我們繼續(xù)尋找著。

生命從無生命狀態(tài)中生發(fā)出來的過程（被稱作“自然發(fā)生”），科學(xué)家們剛剛才開始有所了解。天文學(xué)家、生物學(xué)家、化學(xué)家和行星科學(xué)家煞費苦心地通力合作，試圖解出一個跨學(xué)科和天體的謎團。例如，碳質(zhì)球粒——太陽系中一些最古老的巖石——最近被發(fā)現(xiàn)含有丙酮酸，而丙酮酸對新陳代謝至關(guān)重要。當(dāng)碳質(zhì)球粒以隕石的形式降落在這個星球上時，它們很可能給一個沒有生命的地球提供了肥料。這個理論并不能完全回答“我們從哪里來？”這個問題，但它確實為尋找生命的起源提供了另一條線索。

自然發(fā)生甚至不需要DNA，并不是所有已知的生命形式中都存在DNA。DNA由四個核苷酸堿基組成，而在今年早些時候，遺傳學(xué)家用八個核苷酸堿基創(chuàng)造了一個合成DNA（即Hachimoji DNA）。這種奇異的基因序列可以形成穩(wěn)定的雙螺旋。它可以繁殖，甚至可以變異?？茖W(xué)家沒有創(chuàng)造出生命，然而，他們確實證明了我們對生命的認知是非常狹隘的。

地球2.0

實驗室的工作有助于確認生命是如何從無生命物質(zhì)中產(chǎn)生，而美國發(fā)射的開普勒（Kepler）（去年結(jié)束運行）和苔絲（TESS）（今年發(fā)射）等太空望遠鏡正在尋找新的行星進行研究。這些探測衛(wèi)星利用“凌日法”尋找系外行星，即當(dāng)被觀測行星運行到其母恒星和地球之間時，恒星的亮度因行星遮掩而減弱，并且這種亮度減弱現(xiàn)象的出現(xiàn)是周期性的，照此可以了解恒星周圍有行星存在。25年前，圍繞其他恒星運行的行星存在只是假設(shè)，現(xiàn)在系外行星跟圍繞太陽旋轉(zhuǎn)的行星一樣，都是真實的。僅開普勒就發(fā)現(xiàn)了至少2662顆系外行星。正如我們所知，它們大多數(shù)都不適合生命生存，但有一小部分會被看做“類地球”。

當(dāng)我們說，“我們發(fā)現(xiàn)了最像地球的行星”，有時是說半徑是相似的，質(zhì)量是相似的，并且必須在宜居帶內(nèi);但我們知道大多數(shù)被發(fā)現(xiàn)的系外行星都圍繞著紅矮星運行。它們的環(huán)境并不一定跟地球很相似，而且它們中很多可能沒有大氣層。

太陽系八大行星， 從左至右依次是： 水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。

并不是說地球是宇宙中最特別的星球。在我們的太陽系中，金星很容易被“外星獵人”認做地球的雙胞胎兄弟。但真正像地球這樣的行星非常難找到，因為它們比氣體巨星要小，并且它們不像紅矮星周圍的行星那樣近距離地圍繞它們的主恒星運行。

到目前為止發(fā)現(xiàn)的最理想的“地球2.0”的系外行星是開普勒-452b，它比地球稍大一些，質(zhì)量更大，圍繞一顆類似太陽的恒星一年運行385天。問題在于，正如去年的一項研究顯示的那樣，它可能并不存在，也許只是統(tǒng)計的誤差。

一旦在本世紀20年代初發(fā)射，詹姆斯·韋伯（James Webb）太空望遠鏡將看到開普勒和泰斯發(fā)現(xiàn)的許多系外行星。它只能將遙遠的世界解析為一兩個像素，但它將回答系外行星科學(xué)中迫切需要解決的問題，比如，盡管圍繞紅矮星旋轉(zhuǎn)的行星經(jīng)常發(fā)生耀斑和噴發(fā)，但它能否保持大氣層不變。詹姆斯·韋伯甚至可能提供外星海洋的間接證據(jù)。

“自然發(fā)生”的條件

波多黎各大學(xué)的行星宜居性實驗室發(fā)布的《宜居的系外行星目錄》（The Habitable Exoplanet Catalog）目前列出了太陽系外52個可能存在生命的星球，不過這個消息也許沒有那么令人興奮。表面溫度在冰點以上和沸點以下的行星，以及恒星到行星的恰當(dāng)距離，并不是生命存在的唯一條件，當(dāng)然也不是生命開始的唯一條件。據(jù)波多黎各大學(xué)的研究員馬科斯·尤西諾-馬爾多納（ Marcos Jusino-Maldonado）說，主恒星上恰當(dāng)數(shù)量的紫外線（UV）照射到行星上，是生命在前生物環(huán)境中從有機分子起源的一種方式（盡管不是唯一的方式）。

尤西諾-馬爾多納說：“要使自然發(fā)生的反應(yīng)出現(xiàn)，行星必須位于宜居帶內(nèi)，因為它需要液態(tài)地表水?！备鶕?jù)原始湯理論，分子和鹽水發(fā)生反應(yīng)，最終產(chǎn)生了生命。但是我們認為這些反應(yīng)只會在一個叫做自然發(fā)生帶的地方發(fā)生?！斑@是恒星周圍的關(guān)鍵區(qū)域，在這里，光化學(xué)反應(yīng)可以產(chǎn)生對生命至關(guān)重要的前驅(qū)分子?！?/p>

紫外線輻射可能是激發(fā)自然發(fā)生反應(yīng)的關(guān)鍵，這些反應(yīng)帶來了地球上生命基石的形成，如核苷酸、氨基酸、脂類，還有RNA。2015年的研究表明，氫氰酸——可能是隕石中的碳與大氣中的氮發(fā)生反應(yīng)時被帶到地球上的——也許是在這些反應(yīng)中被紫外線驅(qū)動的關(guān)鍵成分。

去年，《科學(xué)進步與化學(xué)通訊》（Science Advances and Chemistry Communications）雜志報道稱，為了進一步驗證這一理論，科學(xué)家們使用紫外線燈照射硫化氫和氰化氫離子的混合物，然后將光化學(xué)反應(yīng)下的結(jié)果與沒有紫外線光照射的相同混合物進行比較，研究人員發(fā)現(xiàn)，紫外光對于產(chǎn)生生命所需的RNA前體是所需的。

為了使紫外光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生這些組成細胞的構(gòu)件，紫外光的波長必須在200到280納米之間。尤西諾-馬爾多納說，在他的研究中，這個概念被應(yīng)用于宜居系外行星的模型中。“在所有宜居的系外行星中，只有8顆位于宜居帶和自然發(fā)生帶內(nèi)?！?/p>

“雖然這8個星球都在宜居帶和自然發(fā)生帶內(nèi)，但沒有一個特別適合生命生存?！边@八顆行星要么是“超級地球”，要么是“迷你海王星”。最有希望的候選是開普勒- 452 b（如果它存在的話），或者 τ Cet e （如果它的半徑合適的話）。在宜居帶和自然發(fā)生帶內(nèi)，至今還沒有發(fā)現(xiàn)地球大小的行星。

如何衡量“宜居性”

隨著對真正宜居的外星世界的探索不斷推進，天體生物學(xué)家正試圖建立一個框架，將這些行星進行分類、討論和研究。重大的科學(xué)工作需要定義和衡量的標(biāo)準(zhǔn)。相對而言，天體生物學(xué)是一個年輕的研究領(lǐng)域，它面臨的一個緊迫而重要的問題是，你如何定義宜居性？你如何定義生命？

“我研究這個問題已經(jīng)有十年了，”波多黎各大學(xué)的一位行星天體生物學(xué)家，同時也是行星宜居性實驗室主任亞伯·門德斯（Abel Mendez）說?！拔抑酪司有詥栴}需要解決。每個人都在研究如何定義它”。今年早些時候，在得克薩斯州休斯頓舉行的第50屆月球與行星科學(xué)年會上，門德斯展示了他的關(guān)于星球表面宜居性模型的研究成果，這個模型既適用于我們的太陽系內(nèi)的行星，也適用于系外行星。

在梳理過文獻之后，他意識到天體生物學(xué)家并不是第一個在宜居性的定義、分類和統(tǒng)一上遇到問題的人。40年前，生態(tài)學(xué)家也面臨著同樣的挑戰(zhàn)。門德斯說：“每個人都在不同的論文中按照他們所愿對宜居性進行了定義。在20世紀80年代，生態(tài)學(xué)家們一起創(chuàng)造了一個正式的定義?！彼麄兦枚撕饬恳司有缘钠骄?，開發(fā)了一個從0到1的系統(tǒng)，0表示不適合居住，1表示非常適合居住。

“如果我們計算一個地區(qū)的宜居性——不考慮生命，而是考慮有多少可承載獨立生命的質(zhì)量和能量——這更像是一種環(huán)境測量。我們會將之與我們測量的這個地區(qū)真實的生物生產(chǎn)力相關(guān)聯(lián)?！碑?dāng)他的團隊繪制環(huán)境宜居性和生物生產(chǎn)力的圖表時，他們發(fā)現(xiàn)了門德斯所說的“良好的關(guān)聯(lián)性”。

如今，門德斯的宜居性模型考慮到了巖石行星支持地表水的能力、恒星的年齡和行為，以及作用于這些星球的軌道動力學(xué)和潮汐力。該模型考慮了一個系統(tǒng)內(nèi)的質(zhì)量和能量，以及一個物種或生物圈可用的上述質(zhì)量和能量的百分比。（這個百分比是等式中最難的部分。比如，你無法聲稱地球上百分之百的質(zhì)量都為生命可用。）

2015年7月24日，NASA宣布發(fā)現(xiàn)了新的太陽系外行星開普勒- 4 5 2 b ， 直徑為地球的1.6倍，位于距地球1400光年的天鵝座，它是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最接近地球的系外行星。圖片中是與地球相似的宜居帶系外行星，從左至右依次是：開普勒-22b、開普勒- 6 9 c 、開普勒- 4 5 2 b 、開普勒- 6 2 f 和開普勒-186f。排在最后的是地球。

該模型將地球的表面宜居性定為1，早期火星的宜居性小于或等于0.034，土衛(wèi)六泰坦（Titan）的宜居性小于或等于0.000139。這個模型沒有將生命類型例如動物或植物，考慮進去，也沒有將木衛(wèi)二這種有著“地下生物圈”的行星考慮進去。

這樣的基礎(chǔ)工作是非常有價值的，但它預(yù)測宜居性的能力仍然受限，部分原因是它只適用于我們所知的生命。2017年，康奈爾大學(xué)的研究人員發(fā)表了一篇論文，揭示了土衛(wèi)六泰坦（Titan）上存在丙烯腈（乙烯基氰化物）分子的證據(jù)。在設(shè)想中，泰坦上存在的丙烯腈分子可能是在一個無氧世界中形成以甲烷為基礎(chǔ)的生命的關(guān)鍵——這是真正的外星生命，跟我們所知的任何都不一樣。

無論如何，到目前為止還沒有表層適合生命生存的星球，這意味著人類必須繼續(xù)改進天文探測器，并將目光投向遙遠的領(lǐng)域。這是一個巨大的星系，充斥著失望。我們不再期待著火星人挖水道，也不再期待著恐龍去找金星樹上的苔蘚，但我們?nèi)匀粔粝胫鵀踬\游過歐羅巴海，況且誰知道泰坦上碳氫化合物的湖里潛伏著什么。如果這些行星也未能實現(xiàn)這一目標(biāo)，那就要看系外行星了——它們還在我們的探測能力之外，而且距離我們的家園非常遙遠。

（責(zé)編：劉婕）