30.3: 寻找地球以外的生命

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Nov 1, 2022
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- 30.2: 天体生物学
- 30.4: 寻找外星情报

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

概述我们从火星环境探索中学到的东西
确定太阳系中生命最有可能可持续的位置以及为什么
描述我们在寻找太阳系以外的生命时的一些关键任务及其发现
解释在寻找太阳系以外生命的证据时使用生物标志物

天文学家和行星科学家继续在太阳系和整个宇宙中寻找生命。在本节中，我们将讨论两种类型的搜索。首先是直接探索我们自己的太阳系中的行星，尤其是火星和外太阳系的一些冰卫星。其次是在环绕其他恒星的行星上寻找生命证据（生物标记）是一项更加艰巨的任务。在下一节中，我们将研究SETI，即寻找外星情报。正如你将看到的，在这三种情况下采取的方法有很大的不同，尽管每种情况的目标都是一样的：确定地球上的生命在宇宙中是否是独一无二的。

火星上的生活

火星承载或曾经承载生命的可能性有着悠久的历史，其历史可以追溯到十九世纪末和二十世纪初有人声称在火星表面看到的 “运河”。随着太空时代的到来，人们有可能通过一系列火星任务来近距离解决这个问题，这些任务始于1964年机器人航天器的首次成功飞越，并导致了美国宇航局的好奇号探测器的部署，该探测器于2012年降落在火星表面。

最早的火星任务提供了一些暗示，即液态水——生命的主要需求之一——可能曾经流过地面，而后来的任务进一步证实了这一结论。美国宇航局维京着陆器于1976年抵达火星，其目的是直接寻找火星上生命的证据。维京人的机载仪器没有发现有机分子（生命的来源），也没有发现它所分析的火星土壤中有生物活性的证据。

这个结果并不特别令人惊讶，因为尽管过去有液态水在流动的证据，但今天火星表面的液态水总体上并不稳定。在火星的大部分地区，地表的温度和压力非常低，以至于纯净水要么冻结，要么沸腾（在非常低的压力下，水的沸腾温度将比平时低得多）。更糟糕的是，与地球不同，火星没有磁场和臭氧层来保护地表免受有害的太阳紫外线辐射和高能粒子的侵害。但是，维京人对土壤的分析丝毫没有说明在火星遥远的过去，那时液态水更加丰富，生命是否存在。我们确实知道，冰形式的水大量存在于火星上，而不是在火星表面之下那么深。水蒸气也是火星大气层的组成部分。

自维京人访问以来，我们对火星的理解已大大加深。轨道航天器提供了比以往任何时候都更详细的表面图像，并发现了只有在液态水存在的情况下才能形成的矿物质。两项大胆的水面任务，即火星探险漫游者精神与机会（2004），其次是更大的好奇号探测器（2012），证实了这些遥感数据。这三辆漫游者都发现了大量的液态水历史证据，这些证据不仅从他们分析的岩石矿物学中揭示出来，而且还从岩层的独特分层中揭示出来。

好奇心已经超越了水的证据，证实了古代火星上存在宜居环境。 “可居住” 不仅意味着存在液态水，还意味着生命对能量和元素原材料的需求也可以得到满足。古老的可居住环境的最有力证据来自于对一种叫做泥岩的非常细粒度的岩石的分析，这种岩石在地球上很普遍，但在好奇号发现之前在火星上还不为人所知（图 $\PageIndex{1}$ ）。泥岩可以告诉我们很多关于它们形成的潮湿环境的信息。

alt — 图 $\PageIndex{1}$ Mudstone。图中显示的是美国宇航局的好奇号火星探测器在泥岩中钻出的第一批洞，洞周围有 “新的” 钻桩。请注意红色的古代火星表面和钻孔中新近暴露的灰色岩粉之间的颜色差异。每个钻孔的直径约为 0.6 英寸 (1.6 厘米)。

五十年的机器人探索使我们能够描绘出火星如何随着时间的推移而演变的画面。早期的火星经历了更温暖潮湿的时代，这本来有利于地表生命。但是，火星最终失去了大部分早期的大气层，地表水开始枯竭。碰巧的是，火星表面不断缩小的液态水库变得越来越咸和酸性更强，直到地表终于没有大量的液态水并沐浴在强烈的太阳辐射中。因此，地表变得无法居住，但整个地球可能并非如此。

地下仍可能存在冰和液态水库，那里的压力和温度条件使其稳定。最近的证据表明，即使在今天，液态水（可能是非常咸的水）偶尔（也是短暂地）在地表流动。因此，火星在当今甚至可能有适宜居住的条件，但与我们在地球上通常想象的截然不同。

我们对火星的研究揭示了一颗有着迷人历史的行星——这颗行星承载地表生命的能力在数十亿年前就减少了，但也许可以让生命在有利的环境利基中适应和生存。即使生命无法存活，我们也预计，如果生命在火星上扎根，我们也能找到生命的证据。如果有，它就会藏在地壳里，我们还在学习如何最好地破译这些证据。

外太阳系中的生命

外太阳系中巨大的气体和冰巨行星——木星、土星、天王星和海王星——几乎可以肯定不适合我们所知道的生命居住，但它们的一些卫星可能是（图 $\PageIndex{2}$ ）。尽管外太阳系中的这些世界含有丰富的水，但它们在遥远的轨道上获得的温暖阳光却很少，以至于人们长期以来一直认为它们会成为 “地质死亡” 的硬冰和岩石球。但是，正如我们在环状卫星、月亮和冥王星一章中所看到的那样，前往外太阳系的任务发现了更有趣的东西。

木星的卫星欧罗巴向旅行者和伽利略任务展示了自己是一个活跃的世界，其冰冷的表面显然掩盖了深度为数十到一百公里的海洋。当月球绕木星运行时，行星的巨大重力会在欧罗巴上产生潮汐——就像我们自己的月球的重力创造我们的海潮一样，所有推拉的摩擦会产生足够的热量，使水保持液态状态（图 $\PageIndex{2}$ ）。如果其他卫星在靠近地球的轨道上运行，则类似的潮汐会作用于这些卫星。科学家们现在认为，出于同样的原因，外太阳系的六颗或更多冰冷的卫星可能藏有液态水海洋。其中，迄今为止，天体生物学家对欧罗巴和土星的卫星土卫二最感兴趣。

alt — 图 $\PageIndex{2}$ 木星的月亮。木星的伽利略卫星按相对比例显示，并按其与木星的轨道距离顺序排列。在最左边，艾奥的轨道离木星最近，因此在木星的巨大重力下经历了最强的潮汐加热。这种效应如此强烈，以至于艾奥被认为是我们太阳系中火山活性最强的天体。在最右边，卡利斯托显示的表面被价值数十亿年的陨石坑所伤痕累累，这表明月球表面已经很陈旧，卡利斯托的活跃程度可能远低于其兄弟卫星。在这些极端炎热和寒冷之间，左起第二位的欧罗巴在木星的潮汐加热可能 “恰到好处” 的距离上运行，以维持冰冷地壳下的液态水海洋。

欧罗巴在其历史的大部分或全部时间里可能都有一片海洋，但宜居性需要的不仅仅是液态水。生命也需要能量，因为阳光不会穿透到欧罗巴千米厚的冰壳之下，所以这必须是化学能。从天体生物学的角度来看，欧罗巴的关键属性之一是，它的海洋很可能与底层的岩石地幔直接接触，而水和岩石的相互作用，尤其是在高温下，例如在地球的热液喷口系统中，会产生还原的化学物质（分子往往会轻易放弃电子），就像化学电池的一半一样。要完成电池并提供可供生命使用的能量，还需要氧化化学物质（分子往往很容易接受电子）。在地球上，当化学还原的喷口液体与含氧海水相遇时，可用的能量通常支持远离太阳光的海底微生物和动物群落的繁荣。

伽利略任务发现，欧罗巴的冰冷表面确实含有大量的氧化性化学物质。这意味着维持生命的能量在很大程度上取决于地表和海洋的化学物质能否混合，尽管两者之间有数公里的冰。欧罗巴的冰壳在地质上看起来 “年轻”（平均只有数千万年的历史），而且很活跃，这让人想到这种混合确实可能发生。了解欧罗巴表面和海洋之间是否发生交换以及交换量将是未来前往欧罗巴的任务的关键科学目标，也是在理解这颗月球能否成为生命摇篮方面向前迈出的重要一步。

alt — 想象一下 $\PageIndex{3}$ 木星的欧罗巴卫星，由美国宇航局的伽利略任务拍摄。欧罗巴火山口的相对稀缺表明地表 “地质还很年轻”，而彩色山脊和裂缝网络表明活动和运动持续不断。伽利略的仪器还强烈表明，冰冷的地壳下存在大量的咸液态水。

2005 年，卡西尼号飞行任务对土星的一颗小（直径 500 千米）卫星 Enceladus（图 $\PageIndex{4}$ ）进行了近距离飞越，并发现了一个非凡的发现。大量气体和冰冷物质从月球的南极地区排出，总共排放的速度约为每秒250千克的物质。多项观察，包括发现与冰质相关的盐，都表明它们的来源是数十公里冰层下的液态水海。尽管海洋是局部的，还是全球性的，短暂的还是长寿的，还有待明确的证明，但它似乎确实与岩石内部接触并作出了反应。与欧罗巴一样，这可能是可居住的必要条件，尽管还不够。但是，土卫二之所以对行星科学家如此有吸引力，是因为那些似乎直接来自海洋的物质羽流：任何飞过的航天器都可以采集内部样本。对于未来的任务，这些样本不仅可以提供证据，证明土卫二是否适合居住，而且可以证明它是否是生命之家。

alt — 来自美国宇航局卡西尼号任务的土星卫星土卫二的人物 $\PageIndex{4}$ 图片。南极地区被发现有多股冰和气流，这些冰和气体加在一起，每秒向太空排放约250千克的物质。这些特征表明，土卫二和欧罗巴一样，有冰下海洋。

土星的大卫星泰坦与土卫二和欧罗巴有很大的不同（图 $\PageIndex{5}$ ）。尽管它的内部深处可能存在液态水层，但正是土卫六的表面及其不寻常的化学物质使这颗月球成为一个如此有趣的地方。土卫六厚的大气层——太阳系中唯一的大气层——主要由氮气组成，但也由大约 5% 的甲烷组成。在高层大气中，太阳的紫外线会分解并将这些分子重组为更复杂的有机化合物，统称为 tholins。 Tholins 将土卫六笼罩在橙色的雾霾中，来自卡西尼号和惠更斯探测器降落到土卫六表面的图像显示，较重的粒子似乎积聚在地表上，甚至形成了由液态碳氢化合物（例如液态甲烷）流切割和雕刻的 “沙丘”。一些科学家将这个有机化学工厂视为一个天然实验室，它可能会为太阳系的早期化学提供一些线索，甚至可能是支持生命起源的化学物质。

alt — 来自美国宇航局卡西尼号任务的土星卫星泰坦的人物 $\PageIndex{5}$ 图片。 (a) 朦胧、橙色的光芒来自土卫六浓密的大气层（太阳系卫星中唯一已知的大气层）。这种大气主要是氮气，但也含有甲烷，可能还有各种复杂的有机化合物。图像顶部附近的亮点是从非常平坦的表面反射的阳光，几乎可以肯定是液体。当阳光从湖面或海洋表面反射出来时，我们会看到这种叫做 “闪光” 的效果。 (b) 卡西尼号雷达图像显示了土卫六表面看起来很像地貌和湖泊的景象。但是土卫六的地表湖泊和海洋不是水；它们可能是由甲烷和乙烷等液态碳氢化合物组成的。

2005 年 1 月，惠更斯号探测器降落到土卫六表面，传送数据，包括着陆点的图像，持续约 90 分钟。你可以观看一段关于惠更斯降落到泰坦表面的视频。 https://youtu.be/KreECFCGEI0

绕其他恒星运行的可居住行星

在过去的二十年中，天文学领域最激动人心的发展之一是能够探测系外行星——绕其他恒星运行的行星。正如我们在关于恒星和行星形成的章节中所看到的那样，自1995年发现第一颗系外行星以来，已经有数千次已确认的探测结果，还有更多的候选行星尚未得到证实。其中包括几十颗可能适合居住的系外行星。这些数字最终使我们能够对系外行星及其维持生命的潜力做出一些预测。大多数质量与太阳相似的恒星似乎至少拥有一颗行星，而像我们这样的多行星系统并不罕见。这些行星中有多少可能适合居住，我们怎样才能在那里寻找生命？

NASA系外行星档案馆是最新的可搜索的在线数据和工具来源，涉及与系外行星有关的所有事物。探索恒星和系外行星的参数和特征，查找有关系外行星发现的最新消息，以交互方式绘制自己的数据，并链接到其他相关资源。

在评估遥远行星系统的生命前景时，天体生物学家提出了可居住区域的概念，即围绕恒星的区域，可能存在适合生命的条件。这个概念侧重于生命对液态水的需求，可居住区域通常被认为是距离中心恒星的距离范围，在该距离中，水可能以液态形式存在于行星表面。例如，在我们自己的太阳系中，金星的表面温度远高于水的沸点，而火星的表面温度几乎总是低于水的冰点。地球在两者之间运行，其表面温度 “恰到好处”，可以使我们的大部分地表水保持液态状态。

地表温度是否适合维持液态水取决于行星的 “辐射预算”（它吸收和保留了多少星光能量），以及风和海洋环流等过程是否或如何在地球上分配这些能量。反过来，行星接收多少恒星能量取决于恒星发出的光量和种类，行星离那颗恒星有多远，¹ 它反射回太空的程度，以及地球大气层通过温室效应保持热量的有效性（将地球视为星球）。所有这些都可能有很大的差异，而且都很重要。例如，金星每平方米接收的星光量大约是地球的两倍，但由于其密集的云层，反射回太空的光量也是地球的两倍左右。火星接收的星光量仅为地球的一半左右，但反射的星光也仅为地球的一半左右。因此，尽管它们的轨道距离不同，但这三颗行星实际上吸收了相当数量的阳光能量。那么，为什么它们有如此明显的不同呢？

正如我们在关于行星的几章中了解到的那样，构成行星大气层的一些气体在捕获红外光方面非常有效，红外光正是行星将热能辐射回太空的波长范围，这可能使行星的表面温度升高远超过否则情况就会如此。这正是 “温室效应”，也是我们星球上全球变暖的担忧。地球的自然温室效应主要来自大气中的水蒸气和二氧化碳，它使我们的平均地表温度比大气中没有温室气体时的温度提高了约33°C。火星的大气层非常稀薄，因此温室变暖很少（价值约2°C），而金星有巨大的二氧化碳大气层，会造成非常强烈的温室变暖（价值约为510°C）。这些世界分别比地球进入轨道时要冷得多，也要热得多。因此，在评估可居住性范围时，我们必须考虑任何大气层的性质以及与恒星的距离。

当然，正如我们所了解的那样，恒星发出的强度和光谱（光的波长）也差异很大。有些更亮更热（更蓝），而另一些则更暗更冷（更红），可居住区域的距离也相应变化。例如，M-dwarf 恒星周围的可居住区域比 G 型（类太阳）恒星的距离要近 3 到 30 倍。人们对这样的系统是否适合居住非常感兴趣，因为尽管它们在维持生命方面有一些潜在的缺点，但M-Dwarf恒星是迄今为止我们银河系中数量最多、寿命最长的恒星。

像太阳这样的恒星的亮度在其主序列寿命期间也会增加，这意味着随着恒星系统的老化，可居住区域会向外迁移。例如，计算表明，在过去的40亿年中，太阳的功率输出至少增加了30％。因此，金星曾经处于可居住区域内，而地球获得的太阳能水平不足以防止现代地球（及其现在的大气层）冻结。尽管如此，仍有大量地质证据表明，数十亿年前地球表面存在液态水。恒星输出量增加和可居住区域向外迁移的现象引发了另一个概念：持续可居住区域是由恒星系统整个生命周期内留在可居住区域内的轨道范围定义的。正如你可能想象的那样，持续可居住的区域比恒星历史上任何时候的可居住区域都要窄得多。离太阳最近的恒星 Proxima Centauri 是一颗 M 星，其行星的质量至少为 1.3 个地球质量，大约需要 11 天才能进入轨道。在距离如此快的轨道上（0.05 AU），行星可能处于恒星的可居住区域，尽管这样一颗恒星附近的这样一颗行星上的条件是否适合生命是一个激烈的科学争论问题。

即使行星在其恒星的可居住区域内运行，也不能保证它们是可居住的。例如，今天的金星几乎没有水，因此，即使它突然被移动到可居住区域内的 “恰到好处” 的轨道，生命的关键要求仍然不足。

科学家们正在努力了解定义可居住区域的所有因素以及在该区域内运行的行星的可居住性，因为这将是我们瞄准系外行星以寻找生命证据的主要指南。随着探测系外行星技术的进步，我们在母恒星的可居住区域内找到地球大小的世界的潜力也在不断提高。在撰写本文时已知的已确认或候选系外行星中，有近300颗被认为在可居住区域内运行，其中超过10％的系外行星大小差不多。

在波多黎各大学阿雷西博分校创建的在线行星宜居实验室探索可居住的宇宙。查看可能适合居住的系外行星和宇宙中其他有趣的地方，观看视频片段，并链接到大量有关天体生物学的相关资源。

生物标志物

我们的观察越来越多地表明，在可居住区域内运行的地球大小的行星在银河系中可能很常见——目前的估计表明，超过40％的恒星至少有一颗行星。但是他们中有没有人居住？由于无法将探测器发送到那里进行采样，我们将不得不从这些遥远的系统发出的光和其他辐射中得出答案（图 $\PageIndex{6}$ ）。哪些类型的观察可能构成生命的好证据？

alt — Figure $\PageIndex{6}$ Earth，如美国宇航局的 Voyager 1 所见。在这张从40亿英里以外拍摄的图像中，地球显示为一个 “淡蓝点”，代表的光值不到一个像素的价值。这盏灯会揭示地球是一个可居住和有人居住的世界吗？我们在系外行星上寻找生命将取决于能否从遥远世界的微弱光线中提取有关生命的信息。

平心而论，我们需要寻找能够造成地球尺度变化的坚固生物圈（大气、表面和/或海洋）。地球拥有这样一个生物圈：我们大气层的组成和从地球反射的光谱与在没有生命的情况下所预期的有很大不同。目前，地球是我们太阳系中唯一一个符合这一点的天体，尽管火星地下或外太阳系冰冷的卫星内部可能存在宜居条件。即使生命存在于这些世界上，它也不太可能产生既可望远镜观测又明显起源于生物学的行星尺度变化。

地球之所以在太阳系中可能适合居住的世界中 “与众不同”，是因为它具有光合生物圈。这要求地球表面存在液态水，生物可以在那里直接获得阳光。可居住区域的概念侧重于对地表液态水的这种要求——尽管我们知道在更远的轨道上可能存在地下可居住的条件——这正是因为这些世界可以远距离探测到生物圈。

事实上，植物和光合微生物在地球表面非常丰富，以至于它们会影响地球反射到太空的光的颜色——我们在可见波长下显得更绿，反射的近红外光比其他情况要多。此外，光合作用在很大程度上改变了地球的大气层——超过20％的大气来自光合废物氧气。在没有生命的情况下，如此高的水平很难解释。其他气体，例如一氧化二氮和甲烷，如果与氧气同时发现，也被认为是生命的可能指标。当这些气体在大气中足够丰富时，可以通过它们对行星发射或反射的光谱的影响来检测出来。（正如我们在系外行星章节中所看到的那样，今天的天文学家开始有能力探测绕其他恒星运行的某些行星的大气层光谱。）

因此，天文学家得出结论，至少在最初阶段，在太阳系之外寻找生命的重点应该放在尽可能像地球的系外行星上（大约是地球大小的行星在可居住区域运行），并寻找大气中是否存在气体或可见光谱中的颜色除了生物学的存在之外，这很难解释。很简单，对吧？实际上，寻找系外行星生命带来了许多挑战。

正如你可能想象的那样，对于距离更远的行星系统来说，这项任务更具挑战性，实际上，这将限制我们对最接近我们自己的可居住世界的搜索范围。如果我们局限于附近的极少数目标，那么考虑绕我们上面讨论的 M-dwarfs 运行的行星的可居住性也将变得很重要。

如果我们设法将干净的信号与地球分开，并在光谱中找到一些可能代表生命的特征，那么我们将需要努力思考任何可能导致它们的非生物过程。天文学家卡尔·萨根（Carl Sagan）指出：“生命是万不得已的假设，” 这意味着在声称找到了外星生物学的证据之前，我们必须用尽所有其他解释来解释我们所看到的情况。这需要了解哪些过程可能在我们相对知之甚少的世界中起作用；我们在地球上发现的东西可以作为指导，但也有可能使我们误入歧途（图 $\PageIndex{7}$ ）。

例如，回想一下，除非存在生物学，否则很难解释地球大气层中氧气的丰度。但是有人假设，通过紫外线辐射对大气层的作用，在绕M-dwarf恒星运行的行星上，氧气可能会积聚到相当高的水平，而无需生物学。在进行搜索时，了解这种 “误报” 可能存在于何处至关重要。

我们需要明白，即使生物圈存在，我们也可能无法探测到它们。生命在地球上繁荣了大概35亿年，但今天可以为遥远的天文学家提供有力生命证据的大气 “生物特征” 却一直不存在。例如，仅在20多亿年前，氧气在我们的大气中积累到可检测的水平。在那之前地球上的生命能被发现吗？科学家们正在积极努力，以了解在早期历史中，还有哪些其他特征可能为地球上的生命提供证据，从而帮助我们有机会在地球上找到生命。

alt — 图：透过地球大气层的光 $\PageIndex{7}$ 谱这张图显示了从紫外线（最左边）到红外线的波长。许多向下的 “尖峰” 来自地球大气层中分子对特定波长的吸收。其中一些化合物，例如水以及氧气/臭氧和甲烷的组合，可能表明地球既适合居住又有人居住。我们将不得不依靠这类信息来寻找系外行星上的生命，但是我们的光谱质量将比这个光谱差得多，部分原因是我们从地球上获得的光很少。

摘要

寻找地球以外的生命提供了几个有趣的目标。火星在早期历史上似乎比现在更像地球，有证据表明其古老的表面甚至现在在地下都有液态水。我们的航天器可以进入火星表面，这为直接检查古代和现代样本以寻找生命证据提供了令人兴奋的潜力。在外太阳系中，欧罗巴和土卫二卫星可能拥有巨大的冰下海洋，这些海洋可能直接与底层岩石接触，这是提供宜居条件的良好开端，而泰坦则为了解最终可能提供的有机化学物质提供了一个引人入胜的实验室生活材料。过去十年对系外行星的研究使我们相信，银河系中可能有数十亿个可居住的行星。对这些世界的研究有可能找到表明生命存在的生物标志物。

脚注

¹ 行星表面每单位面积（例如每平方米）接收的星光量随着与恒星距离的平方而减少。因此，当轨道距离增加一倍时，照明减少4倍（^{2 2}），当轨道距离增加十倍时，照明减少100倍（10 ²）。金星和火星分别以大约地球轨道距离的72％和152％绕太阳运行，因此金星接收的光量约为1/（0.7 ^2）2 = 1.92（大约两次），火星每平方米行星表面接收的光量约为地球的1/（1.5 ^2）2 = 0.43（大约一半）。

词汇表

生物标志物: 生命存在的证据，尤其是行星上可以远程探测到的生命的全球指示（例如不寻常的大气成分）

可居住区域: 恒星周围的区域，地面大小的行星表面可能存在液态水，因此是最有可能在恒星行星系统中寻找生命的地方