思 羽/編譯

在遙遠行星上尋找生命的竅門

思 羽/編譯

● 系外行星的大氣層里存在氧氣到底是生命存在的征兆，還是更為司空見慣的現象？請看娜塔莉·沃爾喬韋爾（Natalie Wolchover）帶來的報道。

六年前一個下著毛毛雨的早晨，天體生物學家肖恩·多瑪加爾-戈德曼 （Shawn Domagal-Goldman）窩在西雅圖的一家咖啡店里，茫然地盯著筆記本電腦屏幕，呆若木雞。他一直在運行一次行星演化的仿真模擬，虛擬行星的大氣層中的氧氣突然開始積聚，氧氣濃度不斷上升，從0上升到5%，接著上升到10%。

“出了什么問題嗎？”他的妻子問道。

“是啊?！睂τ趯ふ彝庑巧@件事來說，氧氣的上升是個壞消息。

人類在宇宙中是否孤單，我們對這個問題思考了千年之久——按照美國宇航局（NASA）的天體生物學家琳恩·羅斯柴爾德（Lynn Rothschild）的說法，人類最具深度、大概也最早的一個問題是“你晚上準備吃什么？”——如今，對其他星球上生命的搜尋得以加強。過去的幾十年里，人類發(fā)現了數以千計的系外行星 （或者稱之為那些圍繞太陽以外的恒星旋轉的行星）。在它們中間，有潛在的超級地球、類海王星、熱木星以及開普勒-452b這樣的星球。開普勒-452b可能是一顆擁有水的巖質行星，堪稱地球的堂兄弟，與地球有1 400光年的距離。按照預期，NASA的詹姆斯-韋伯空間望遠鏡將于2018年發(fā)射升空，天文學家從此將能夠望見許多光年之外的星球，查看那些最有希望存在生命的系外行星的大氣層。他們將會尋找“生物標記氣體”，也就是僅可能由外星生命產生的水蒸氣的存在跡象。

為了實現這個目的，他們將會觀察系外行星位于所屬恒星前方時，行星周圍的細細的星光環(huán)。系外行星的大氣層中的氣體會吸收某些頻率的星光，在光譜圖中留下急劇下降的線條，由此泄露出秘密。

多瑪加爾-戈德曼當時還是華盛頓大學虛擬行星實驗室（VPL）的一名研究員，他清楚地知道，生物標記氣體中的“金本位”就是氧氣。不僅因為地球上的植物群制造出大量氧氣，從而其他行星上可能也發(fā)生了同樣的事，還因為50年的傳統(tǒng)智慧認為，單單靠地質學或光化學的作用是無法制造出可探測濃度的氧氣，使得氧氣成為證明生命存在的防偽標記。在多瑪加爾-戈德曼模擬的星球里，天空中充滿了氧氣，然而這并不是生物活動的結果，而是因為極端的恒星輻射令氧原子從空氣中的二氧化碳分子中剝離出來，而且速度比重新結合的速度更快?？傊?，氧氣這種生物標記是可以偽造的。

維多利亞·梅多斯（左），天體生物學家，華盛頓大學虛擬行星實驗室的項目負責人；莎拉·西格爾（右），麻省理工學院的一位天體物理學家和行星科學家

在遙遠的系外行星附近尋找生物標記氣體是個“本質上很麻煩”的問題，維多利亞·梅多斯（Victoria Meadows）說道，她是個精力充沛的澳大利亞人，領導著VPL項目。多瑪加爾-戈德曼做出發(fā)現后的幾年里，梅多斯已經改變了她領導的這支75人團隊的目標，改成確定系外行星上出現的主要的“氧氣偽陽性”結果，同時找到方法來區(qū)分這些假警報和真正的生物活動產生的氧氣標記。梅多斯依然認為氧氣是最好的生物標記氣體。然而，她也說道：“假如我要尋找這種東西，我想要確保當我見到它時，我知道自己看到了什么。”

與此同時，麻省理工學院的莎拉·西格爾（Sara Seager）將生物標記氣體的研究向著不同方向進行推動。莎拉是一名執(zhí)著的“雙子地球”探尋者，外界普遍認為是她創(chuàng)造出用廣譜分析系外行星大氣層的技術。西格爾承認氧氣是有希望的，但她強烈要求天體生物學界在看待外星生命可能的運轉方式上，不要這么“地球中心論”——想法要超越地球的地球化學特征和我們呼吸的氧氣?！拔业挠^點是，我們不想要忽略掉某個角角落落；我們需要把一切因素都納入考慮。”她說道。

未來的空間望遠鏡會擴展對類地星球的勘測，在遙遠星球的天空探測到潛在的生物標記氣體只是一個時間早晚的問題。這看起來會是人類有史以來的最大發(fā)現：表明我們并不孤單的證據。但我們怎么能知道一定如此呢？

假如科學家要選擇最佳的系外行星，用詹姆斯-韋伯空間望遠鏡來對準它，那么科學家必須快馬加鞭，打磨好模型，證明資格。因為查看每個行星大氣層的光譜需要花費幾百個小時，同時還有許多需求參與競爭。詹姆斯-韋伯空間望遠鏡很可能只會觀察一到三個附近恒星的適居帶內的類地星球。已知的系外行星的名單越來越長，要從中挑選的話，科學家會想要避開那些產生氧氣偽陽性結果的行星情況?！拔覀兯械碾u蛋就算沒有全放進一只籃子，也只有幾個籃子可放，”梅多斯說，“因此琢磨明白我們應該尋找怎么樣的星球很重要。尤其是弄明白我們怎樣才不會被愚弄?！?/p>

自從化學家詹姆斯·洛夫洛克（James Lovelock）在1965年為NASA研究探測火星上生命的方法，最早考慮生物標記氣體起，氧氣就一直被認為是關鍵的衡量標準。正如弗蘭克·德雷克（Frank Drake）與其他天體生物學的先驅試圖探測來自遙遠外星文明的無線電信號，洛夫洛克的推理是這樣的：在其他行星的大氣層上尋找不相容的氣體，假如有，就能推論出生命的存在。假如能探測到兩種會互相反應的氣體，那么肯定有某種活躍的生物化學作用在不斷地對行星大氣層進行補給。

以地球為例，盡管O2很容易就會與空氣和土地中的碳氫化合物與礦物質發(fā)生反應，產生水和二氧化碳，可O2仍然在大氣中占據21%的穩(wěn)定比例。氧氣的持續(xù)存在是因為地球上的光合作用系統(tǒng)——植物、水藻和藍綠藻——向天空源源不斷地注入氧氣。它們利用陽光，從水分子中剝離出氫原子，制造碳水化合物，將氧氣副產品作為廢物釋放出來。假如光合作用終止，天空中存在的氧氣會和地殼中的元素發(fā)生反應，氧氣水平會在一千萬年內跌落到微量水平。最終，地球會變得像火星一樣，大氣里充滿了二氧化碳，星球表面呈現氧化后的鐵銹色——洛夫洛克主張，這個證據表明火星這顆“紅色星球”目前并沒有生命存在。

然而，就算氧氣是地球上存在生命的標志，為什么在其他地方一定如此呢？梅多斯主張，光合作用提供了絕對的進化優(yōu)勢，而這很可能在任何生物圈內都變得普遍。光合作用用任何星球上的最大能量來源——恒星——來加工星球上最普通的原材料：水和二氧化碳。“假如你想要擁有驚人的新陳代謝，你會試圖進化出一些能讓你利用陽光的功能，因為那就是目標?！泵范嗨拐f。

O2也擁有著可見光和近紅外光區(qū)域的強吸收帶特性，而這正好是耗資八十億美元的詹姆斯-韋伯空間望遠鏡以及廣域紅外線巡天望遠鏡（WFIRST）的敏感范圍，后者是計劃在21世紀20年代實施的任務。見到氧氣身上承載了這么多期望，梅多斯決定弄清楚相關疑問。到目前為止，她的團隊已經確認三種主要的非生物機制，這些機制能讓星球大氣層中充滿氧氣，并制造出生命存在的偽陽性結果。譬如說，在小而年輕的M型矮恒星周圍形成的行星上，陽光中強烈的紫外線能在某些情況下煮干星球上的海洋，創(chuàng)造出有著大量水蒸氣的大氣層。VPL的科學家們在去年的《天體生物學》期刊上報告說，在高海拔情況下，強烈的紫外線輻射能讓輕量級的氫原子分裂出來。這些原子隨后逃逸到太空中，留下氧氣構成的大氣，它的氧氣濃度比地球大氣層濃了數千倍。

因為M型矮恒星較小，使得科學家更容易觀測到矮恒星前方經過的體積更小的巖質行星，它們也就成為了NASA將在明年發(fā)射的系外凌日現象觀測衛(wèi)星（TESS）計劃中的觀測目標。在TESS的觀測發(fā)現中挑選出適合的類地行星，再由詹姆斯-韋伯空間望遠鏡對其進行研究。有了這些即將出現的候選星球，天體生物學家們必須學會如何區(qū)分外星球上的光合作用系統(tǒng)和失控的海洋沸騰。梅多斯和她的研究團隊的一份正在準備發(fā)表的研究工作中顯示出，當O2分子碰撞時，會松散地產生由四聚氧造成的光譜吸收帶。O2在大氣中越稠密，越多的分子碰撞會發(fā)生，四聚氧的信號也會變得更強烈?！拔覀兛梢詫ふ宜木垩鮼斫o予我們信號，我們不只是查看擁有著20%氧氣的大氣層”——類似地球的大氣層暗示存在光合作用——梅多斯解釋說，“我們在查看一些有著大量氧氣的星球?！?/p>

強烈的一氧化碳信號會確認多瑪加爾-戈德曼在2010年那個下著毛毛雨的早晨頭一次碰到的偽陽性結果。多瑪加爾-戈德曼如今是位于馬里蘭州綠帶市的NASA戈達德太空飛行中心的一名科研人員，他表示自己并不擔心氧氣作為一種可靠的生物標記氣體的長期前景。氧氣偽陽性結果只在極少案例中發(fā)生，他這么說道，“具有哪些情況的行星也會有一些我們應該能探測到的觀察特性，只要我們預先思考過，而這正是我們目前在做的工作?！?/p>

2013年，詹姆斯-韋伯空間望遠鏡的全尺寸模型在得克薩斯州奧斯汀市展出，它足足有一個網球場大小

不過，他和其他天體生物學家也很警惕氧氣偽陰性結果——也就是那些擁有生命，但大氣層里探測不到氧氣的行星。偽陽性和偽陰性結果都有助于說服莎拉·西格爾，研究者需要在思考時超越氧氣，探索更加奇特的生物標記。

假如說過去十年內人類發(fā)現的各種各樣的系外行星教會了我們任何事，那么就是行星大小、構成和化學性質會千差萬別。西格爾爭論說，將氧氣當成至關重要的生物標記氣體的話，我們也許會遺漏一些東西。今年44歲的西格爾本人有著發(fā)現外星生命跡象的夢想，所以她無法容忍那種做法。

西格爾指出，即使在地球上，光合作用系統(tǒng)也是在幾億年里一直生成氧氣后，這個過程才蓋過了地球氧氣下降的勢頭，24億年前，氧氣開始在空氣里積聚。大約6億年前，單單根據氧氣水平來遠遠判斷的話，地球也許看上去并不存在生命。

梅多斯和合作者們已經研究了幾種能替代生成氧氣的光合作用的方法。但西格爾與威廉·貝恩斯 （William Bains）和雅努什·佩特寇斯基（Janusz Petkowski）一起捍衛(wèi)著他們稱之為“全分子”的方法。他們正在匯編一個詳盡的分子數據庫，迄今為止數據庫中有14 000種分子，這些分子都可能以氣態(tài)形式存在。在地球上，許多這類分子都由聚生在洋底熱泉噴口和其他極端環(huán)境下的奇特生物排放出來的；它們不會在大氣層里積聚。然而，這些氣體也許會在其他行星環(huán)境下積累。正如研究者在2014年爭論的那樣，在富含甲烷的星球上，光合作用系統(tǒng)也許能從甲烷（CH4）、而不是二氧化碳中獲取碳元素，排出氫元素而非氧元素，結果就是產生大量的氨。“最終的長期目標是觀察另一顆星球，在掌握資訊的情況下作一些猜想，猜想生命可能在那顆星球上制造什么東西。”貝恩斯說道。

多瑪加爾-戈德曼同意這種觀點，即深入地思考氧氣和視野開闊地思考所有其他生物化學上的可能性都很重要?！耙驗槲覀冊谔綔y其他星球的質量、球半徑和軌道性質時，出現過令人意外的情況。”他說，“天文學家們會繼續(xù)一直催促我這樣來自地球科學研究背景的人，說‘讓我們跳出盒子來進一步思考。’這是一種健康而且必要的壓力?！?/p>

然而，梅多斯質疑這種“全分子”方法的實用性。她在一封3 000個單詞長度的電子郵件中，批評了西格爾的想法。她寫道：“在你建造起這種詳盡的數據庫之后，你要如何確定生命最有可能生成那些分子？你要如何確定它們的偽陽性？”她做出結論：“你仍然將不得不以地球上的生命做指引，借助人類對行星環(huán)境、生命如何與那些環(huán)境互動的認識?！?/p>

至少就目前而言，在思考生命可能長什么模樣的問題上，要避開我們擁有的唯一的數據點是極其困難的。

在2013年的一次專題研討會上，西格爾介紹了修改版的德雷克方程式。弗蘭克·德雷克在1961年提出了這個著名的方程式，用來估計SETI的成功概率。德雷克方程式將一長串多數未知的因子相乘，籍此估計銀河系中存在能進行無線電通訊的文明數量。而西格爾提出的方程式估計了擁有可探測到的生物標記氣體的星球數量。只考慮人類尋找外星生命的能力，而不去管那些外星生命是否有足夠的智能，是否能夠向太空播送信息，這樣人類成功找到外星生命的概率計算不再依賴諸如進化出智能生命的比率、無線電技術在星系中的普及率這樣的不確定量。然而，一個最大的未知量仍然存在：在一顆類似地球、擁有水和大氣層的巖質行星中出現生命的概率。

被稱為“生命起源”（Abiogenesis）的神秘事件似乎在地球上積聚了液態(tài)水后不久便發(fā)生了，這使得有些人推測，生命也許是輕易間就產生了，甚至無可避免地是在有利的情況下。但假如是這樣，那么“生命起源”難道不應該在地球的45億年歷史中發(fā)生過許多次，產生好幾種生物化學上截然不同的后代，而不是一種單一的以DNA為基礎的生命？約翰·鮑羅什（John Baross）是華盛頓大學的一位微生物學家，專注研究生命起源，他解釋說“生命起源”很可能是重復發(fā)生，在早期地球上創(chuàng)造出豐富多樣的遺傳密碼、結構和新陳代謝。但基因交換和達爾文選擇會將它們合并成一種后代，而后者從那之后就在地球上的每一種環(huán)境中繁衍生息，防止新來者占領陣地。簡而言之，實際上是不可能判斷“生命起源”是一次僥幸事件，還是常常會發(fā)生的事——在地球上如此，在宇宙中其他地方也是如此。

西格爾在研討會上最后一個發(fā)言，她為研討會后的派對定下了輕松的氛圍。“我講了一通對我們有利的話。”她說道。她假定生命有100%的可能性會在地球一樣的行星上出現，這些生物圈中有一半會產生可探測到的生物標記氣體——這是她提出的方程式中的另一個不確定項。從這些極其樂觀的數字中，得出了最終的預測，即在未來十年中會發(fā)現兩個外星生命存在的跡象。“你應該要對此歡笑。 ”西格爾說。

梅多斯、西格爾和同行們都同意，在今后的十年里探測到外星生命存在跡象的幾率微乎其微。盡管隨著未來的探測任務進行，前景會有所改善，詹姆斯-韋伯空間望遠鏡得要極其幸運，才能在早期嘗試中就有所斬獲。即便它觀測的一個目標星球上確實存在生命，光譜測量也很容易會受到挫折。2013年，哈勃空間望遠鏡監(jiān)測到穿過一個名叫GJ1214b的中等大小行星的大氣層而發(fā)出的星光，但光譜很平坦，根本沒有化學指紋圖譜。西格爾與合作者在《自然》雜志中報告說，好像是高海拔的云團遮掩了這顆行星的天空。

[資料來源：The Atlantic][責任編輯：彥 隱]