在遥远行星上寻找生命的窍门

思 羽/编译

在遥远行星上寻找生命的窍门

思 羽/编译

● 系外行星的大气层里存在氧气到底是生命存在的征兆，还是更为司空见惯的现象？请看娜塔莉·沃尔乔韦尔（Natalie Wolchover）带来的报道。

六年前一个下着毛毛雨的早晨，天体生物学家肖恩·多玛加尔-戈德曼 （Shawn Domagal-Goldman）窝在西雅图的一家咖啡店里，茫然地盯着笔记本电脑屏幕，呆若木鸡。他一直在运行一次行星演化的仿真模拟，虚拟行星的大气层中的氧气突然开始积聚，氧气浓度不断上升，从0上升到5%，接着上升到10%。

“出了什么问题吗？”他的妻子问道。

“是啊。”对于寻找外星生命这件事来说，氧气的上升是个坏消息。

人类在宇宙中是否孤单，我们对这个问题思考了千年之久——按照美国宇航局（NASA）的天体生物学家琳恩·罗斯柴尔德（Lynn Rothschild）的说法，人类最具深度、大概也最早的一个问题是“你晚上准备吃什么？”——如今，对其他星球上生命的搜寻得以加强。过去的几十年里，人类发现了数以千计的系外行星 （或者称之为那些围绕太阳以外的恒星旋转的行星）。在它们中间，有潜在的超级地球、类海王星、热木星以及开普勒-452b这样的星球。开普勒-452b可能是一颗拥有水的岩质行星，堪称地球的堂兄弟，与地球有1 400光年的距离。按照预期，NASA的詹姆斯-韦伯空间望远镜将于2018年发射升空，天文学家从此将能够望见许多光年之外的星球，查看那些最有希望存在生命的系外行星的大气层。他们将会寻找“生物标记气体”，也就是仅可能由外星生命产生的水蒸气的存在迹象。

为了实现这个目的，他们将会观察系外行星位于所属恒星前方时，行星周围的细细的星光环。系外行星的大气层中的气体会吸收某些频率的星光，在光谱图中留下急剧下降的线条，由此泄露出秘密。

多玛加尔-戈德曼当时还是华盛顿大学虚拟行星实验室（VPL）的一名研究员，他清楚地知道，生物标记气体中的“金本位”就是氧气。不仅因为地球上的植物群制造出大量氧气，从而其他行星上可能也发生了同样的事，还因为50年的传统智慧认为，单单靠地质学或光化学的作用是无法制造出可探测浓度的氧气，使得氧气成为证明生命存在的防伪标记。在多玛加尔-戈德曼模拟的星球里，天空中充满了氧气，然而这并不是生物活动的结果，而是因为极端的恒星辐射令氧原子从空气中的二氧化碳分子中剥离出来，而且速度比重新结合的速度更快。总之而言，氧气这种生物标记是可以伪造的。

维多利亚·梅多斯（左），天体生物学家，华盛顿大学虚拟行星实验室的项目负责人；莎拉·西格尔（右），麻省理工学院的一位天体物理学家和行星科学家

在遥远的系外行星附近寻找生物标记气体是个“本质上很麻烦”的问题，维多利亚·梅多斯（Victoria Meadows）说道，她是个精力充沛的澳大利亚人，领导着VPL项目。多玛加尔-戈德曼做出发现后的几年里，梅多斯已经改变了她领导的这支75人团队的目标，改成确定系外行星上出现的主要的“氧气伪阳性”结果，同时找到方法来区分这些假警报和真正的生物活动产生的氧气标记。梅多斯依然认为氧气是最好的生物标记气体。然而，她也说道：“假如我要寻找这种东西，我想要确保当我见到它时，我知道自己看到了什么。”

与此同时，麻省理工学院的莎拉·西格尔（Sara Seager）将生物标记气体的研究向着不同方向进行推动。莎拉是一名执着的“双子地球”探寻者，外界普遍认为是她创造出用广谱分析系外行星大气层的技术。西格尔承认氧气是有希望的，但她强烈要求天体生物学界在看待外星生命可能的运转方式上，不要这么“地球中心论”——想法要超越地球的地球化学特征和我们呼吸的氧气。“我的观点是，我们不想要忽略掉某个角角落落；我们需要把一切因素都纳入考虑。”她说道。

未来的空间望远镜会扩展对类地星球的勘测，在遥远星球的天空探测到潜在的生物标记气体只是一个时间早晚的问题。这看起来会是人类有史以来的最大发现：表明我们并不孤单的证据。但我们怎么能知道一定如此呢？

假如科学家要选择最佳的系外行星，用詹姆斯-韦伯空间望远镜来对准它，那么科学家必须快马加鞭，打磨好模型，证明资格。因为查看每个行星大气层的光谱需要花费几百个小时，同时还有许多需求参与竞争。詹姆斯-韦伯空间望远镜很可能只会观察一到三个附近恒星的适居带内的类地星球。已知的系外行星的名单越来越长，要从中挑选的话，科学家会想要避开那些产生氧气伪阳性结果的行星情况。“我们所有的鸡蛋就算没有全放进一只篮子，也只有几个篮子可放，”梅多斯说，“因此琢磨明白我们应该寻找怎么样的星球很重要。尤其是弄明白我们怎样才不会被愚弄。”

自从化学家詹姆斯·洛夫洛克（James Lovelock）在1965年为NASA研究探测火星上生命的方法，最早考虑生物标记气体起，氧气就一直被认为是关键的衡量标准。正如弗兰克·德雷克（Frank Drake）与其他天体生物学的先驱试图探测来自遥远外星文明的无线电信号，洛夫洛克的推理是这样的：在其他行星的大气层上寻找不相容的气体，假如有，就能推论出生命的存在。假如能探测到两种会互相反应的气体，那么肯定有某种活跃的生物化学作用在不断地对行星大气层进行补给。

以地球为例，尽管O2很容易就会与空气和土地中的碳氢化合物与矿物质发生反应，产生水和二氧化碳，可O2仍然在大气中占据21%的稳定比例。氧气的持续存在是因为地球上的光合作用系统——植物、水藻和蓝绿藻——向天空源源不断地注入氧气。它们利用阳光，从水分子中剥离出氢原子，制造碳水化合物，将氧气副产品作为废物释放出来。假如光合作用终止，天空中存在的氧气会和地壳中的元素发生反应，氧气水平会在一千万年内跌落到微量水平。最终，地球会变得像火星一样，大气里充满了二氧化碳，星球表面呈现氧化后的铁锈色——洛夫洛克主张，这个证据表明火星这颗“红色星球”目前并没有生命存在。

然而，就算氧气是地球上存在生命的标志，为什么在其他地方一定如此呢？梅多斯主张，光合作用提供了绝对的进化优势，而这很可能在任何生物圈内都变得普遍。光合作用用任何星球上的最大能量来源——恒星——来加工星球上最普通的原材料：水和二氧化碳。“假如你想要拥有惊人的新陈代谢，你会试图进化出一些能让你利用阳光的功能，因为那就是目标。”梅多斯说。

O2也拥有着可见光和近红外光区域的强吸收带特性，而这正好是耗资八十亿美元的詹姆斯-韦伯空间望远镜以及广域红外线巡天望远镜（WFIRST）的敏感范围，后者是计划在21世纪20年代实施的任务。见到氧气身上承载了这么多期望，梅多斯决定弄清楚相关疑问。到目前为止，她的团队已经确认三种主要的非生物机制，这些机制能让星球大气层中充满氧气，并制造出生命存在的伪阳性结果。譬如说，在小而年轻的M型矮恒星周围形成的行星上，阳光中强烈的紫外线能在某些情况下煮干星球上的海洋，创造出有着大量水蒸气的大气层。VPL的科学家们在去年的《天体生物学》期刊上报告说，在高海拔情况下，强烈的紫外线辐射能让轻量级的氢原子分裂出来。这些原子随后逃逸到太空中，留下氧气构成的大气，它的氧气浓度比地球大气层浓了数千倍。

因为M型矮恒星较小，使得科学家更容易观测到矮恒星前方经过的体积更小的岩质行星，它们也就成为了NASA将在明年发射的系外凌日现象观测卫星（TESS）计划中的观测目标。在TESS的观测发现中挑选出适合的类地行星，再由詹姆斯-韦伯空间望远镜对其进行研究。有了这些即将出现的候选星球，天体生物学家们必须学会如何区分外星球上的光合作用系统和失控的海洋沸腾。梅多斯和她的研究团队的一份正在准备发表的研究工作中显示出，当O2分子碰撞时，会松散地产生由四聚氧造成的光谱吸收带。O2在大气中越稠密，越多的分子碰撞会发生，四聚氧的信号也会变得更强烈。“我们可以寻找四聚氧来给予我们信号，我们不只是查看拥有着20%氧气的大气层”——类似地球的大气层暗示存在光合作用——梅多斯解释说，“我们在查看一些有着大量氧气的星球。”

强烈的一氧化碳信号会确认多玛加尔-戈德曼在2010年那个下着毛毛雨的早晨头一次碰到的伪阳性结果。多玛加尔-戈德曼如今是位于马里兰州绿带市的NASA戈达德太空飞行中心的一名科研人员，他表示自己并不担心氧气作为一种可靠的生物标记气体的长期前景。氧气伪阳性结果只在极少案例中发生，他这么说道，“具有哪些情况的行星也会有一些我们应该能探测到的观察特性，只要我们预先思考过，而这正是我们目前在做的工作。”

2013年，詹姆斯-韦伯空间望远镜的全尺寸模型在得克萨斯州奥斯汀市展出，它足足有一个网球场大小

不过，他和其他天体生物学家也很警惕氧气伪阴性结果——也就是那些拥有生命，但大气层里探测不到氧气的行星。伪阳性和伪阴性结果都有助于说服莎拉·西格尔，研究者需要在思考时超越氧气，探索更加奇特的生物标记。

假如说过去十年内人类发现的各种各样的系外行星教会了我们任何事，那么就是行星大小、构成和化学性质会千差万别。西格尔争论说，将氧气当成至关重要的生物标记气体的话，我们也许会遗漏一些东西。今年44岁的西格尔本人有着发现外星生命迹象的梦想，所以她无法容忍那种做法。

西格尔指出，即使在地球上，光合作用系统也是在几亿年里一直生成氧气后，这个过程才盖过了地球氧气下降的势头，24亿年前，氧气开始在空气里积聚。大约6亿年前，单单根据氧气水平来远远判断的话，地球也许看上去并不存在生命。

梅多斯和合作者们已经研究了几种能替代生成氧气的光合作用的方法。但西格尔与威廉·贝恩斯 （William Bains）和雅努什·佩特寇斯基（Janusz Petkowski）一起捍卫着他们称之为“全分子”的方法。他们正在汇编一个详尽的分子数据库，迄今为止数据库中有14 000种分子，这些分子都可能以气态形式存在。在地球上，许多这类分子都由聚生在洋底热泉喷口和其他极端环境下的奇特生物排放出来的；它们不会在大气层里积聚。然而，这些气体也许会在其他行星环境下积累。正如研究者在2014年争论的那样，在富含甲烷的星球上，光合作用系统也许能从甲烷（CH4）、而不是二氧化碳中获取碳元素，排出氢元素而非氧元素，结果就是产生大量的氨。“最终的长期目标是观察另一颗星球，在掌握资讯的情况下作一些猜想，猜想生命可能在那颗星球上制造什么东西。”贝恩斯说道。

多玛加尔-戈德曼同意这种观点，即深入地思考氧气和视野开阔地思考所有其他生物化学上的可能性都很重要。“因为我们在探测其他星球的质量、球半径和轨道性质时，出现过令人意外的情况。”他说，“天文学家们会继续一直催促我这样来自地球科学研究背景的人，说‘让我们跳出盒子来进一步思考。’这是一种健康而且必要的压力。”

然而，梅多斯质疑这种“全分子”方法的实用性。她在一封3 000个单词长度的电子邮件中，批评了西格尔的想法。她写道：“在你建造起这种详尽的数据库之后，你要如何确定生命最有可能生成那些分子？你要如何确定它们的伪阳性？”她做出结论：“你仍然将不得不以地球上的生命做指引，借助人类对行星环境、生命如何与那些环境互动的认识。”

至少就目前而言，在思考生命可能长什么模样的问题上，要避开我们拥有的唯一的数据点是极其困难的。

在2013年的一次专题研讨会上，西格尔介绍了修改版的德雷克方程式。弗兰克·德雷克在1961年提出了这个著名的方程式，用来估计SETI的成功概率。德雷克方程式将一长串多数未知的因子相乘，籍此估计银河系中存在能进行无线电通讯的文明数量。而西格尔提出的方程式估计了拥有可探测到的生物标记气体的星球数量。只考虑人类寻找外星生命的能力，而不去管那些外星生命是否有足够的智能，是否能够向太空播送信息，这样人类成功找到外星生命的概率计算不再依赖诸如进化出智能生命的比率、无线电技术在星系中的普及率这样的不确定量。然而，一个最大的未知量仍然存在：在一颗类似地球、拥有水和大气层的岩质行星中出现生命的概率。

被称为“生命起源”（Abiogenesis）的神秘事件似乎在地球上积聚了液态水后不久便发生了，这使得有些人推测，生命也许是轻易间就产生了，甚至无可避免地是在有利的情况下。但假如是这样，那么“生命起源”难道不应该在地球的45亿年历史中发生过许多次，产生好几种生物化学上截然不同的后代，而不是一种单一的以DNA为基础的生命？约翰·鲍罗什（John Baross）是华盛顿大学的一位微生物学家，专注研究生命起源，他解释说“生命起源”很可能是重复发生，在早期地球上创造出丰富多样的遗传密码、结构和新陈代谢。但基因交换和达尔文选择会将它们合并成一种后代，而后者从那之后就在地球上的每一种环境中繁衍生息，防止新来者占领阵地。简而言之，实际上是不可能判断“生命起源”是一次侥幸事件，还是常常会发生的事——在地球上如此，在宇宙中其他地方也是如此。

西格尔在研讨会上最后一个发言，她为研讨会后的派对定下了轻松的氛围。“我讲了一通对我们有利的话。”她说道。她假定生命有100%的可能性会在地球一样的行星上出现，这些生物圈中有一半会产生可探测到的生物标记气体——这是她提出的方程式中的另一个不确定项。从这些极其乐观的数字中，得出了最终的预测，即在未来十年中会发现两个外星生命存在的迹象。“你应该要对此欢笑。 ”西格尔说。

梅多斯、西格尔和同行们都同意，在今后的十年里探测到外星生命存在迹象的几率微乎其微。尽管随着未来的探测任务进行，前景会有所改善，詹姆斯-韦伯空间望远镜得要极其幸运，才能在早期尝试中就有所斩获。即便它观测的一个目标星球上确实存在生命，光谱测量也很容易会受到挫折。2013年，哈勃空间望远镜监测到穿过一个名叫GJ1214b的中等大小行星的大气层而发出的星光，但光谱很平坦，根本没有化学指纹图谱。西格尔与合作者在《自然》杂志中报告说，好像是高海拔的云团遮掩了这颗行星的天空。

[资料来源：The Atlantic][责任编辑：彦 隐]