寻找生命起源的钥匙

2019-09-09 06:09:59 世界博览 2019年16期

艾蓝

系外行星探测卫星Tess于2018年4月由NASA发射,接替Kepler。它有一个为期两年的任务, 在此期间,它将搜寻太阳系外行星。预计它将发现大约20000颗行星。

1976年,维京1号和2号成为首个成功着陆火星并在火星表面运行的航天器,全世界都热切地期待这颗红色的星球孕育着生命。维京号着陆器的设计初衷是为了测试微生物,但所有人其实都期盼着它能在火星上发现复杂的生命,哪怕是细微的痕迹。毕竟,在天文学家(以及“水手2号”金星探测器)告诉我们恐龙永远不会爬行在金星潮湿的沼泽地上之后,火星是我们最后也是最好的希望。如果火星不行,希望就渺茫了,水星离太阳太近了,而小行星带之外据说是没有微生物的气体巨行星和冰冻行星。

自维京号以来,我们对太阳系的探索就象征着,一个世界接一个世界地寻找——任何可能暗示着我们所知(或不知)的生命迹象。今天,木卫二欧罗巴(Europa)的海洋对于我们就像二十世纪金星的湿地和火星的河道一样:可能是破解人类孤独的密码。

未知的起源

欧罗巴快艇探测计划(Europa Clipper)是美国国家航空航天局(NASA)的下一个外行星的旗舰任务,它将要探测这颗冰冻卫星的宜居性。现在太阳系的宜居带也许包括太阳系中的每一颗星球。围绕土星运行的土卫二和土卫六,以及围绕海王星运行的海卫一,也是不错的候选星球。生命,就像水一样,可能无处不在。

木衛二欧罗巴的3D模型,这是一个可能隐藏着地下海洋的冰冻卫星。

目前为止,我们只在地球发现了生命,地球繁盛的生命似乎坚不可摧,尽管发生了许多次灭绝级别的事件。一颗小行星与地球相撞,几乎把地球上的一切都毁灭了。微生物在致命冲击造成的断裂带中安家,一切又重新开始了。根据我们对单一世界的研究样本,一旦生命开始,再灭绝它会非常非常难。所以我们继续寻找着。

生命从无生命状态中生发出来的过程(被称作“自然发生”),科学家们刚刚才开始有所了解。天文学家、生物学家、化学家和行星科学家煞费苦心地通力合作,试图解出一个跨学科和天体的谜团。例如,碳质球粒——太阳系中一些最古老的岩石——最近被发现含有丙酮酸,而丙酮酸对新陈代谢至关重要。当碳质球粒以陨石的形式降落在这个星球上时,它们很可能给一个没有生命的地球提供了肥料。这个理论并不能完全回答“我们从哪里来?”这个问题,但它确实为寻找生命的起源提供了另一条线索。

自然发生甚至不需要DNA,并不是所有已知的生命形式中都存在DNA。DNA由四个核苷酸碱基组成,而在今年早些时候,遗传学家用八个核苷酸碱基创造了一个合成DNA(即Hachimoji DNA)。这种奇异的基因序列可以形成稳定的双螺旋。它可以繁殖,甚至可以变异。科学家没有创造出生命,然而,他们确实证明了我们对生命的认知是非常狭隘的。

地球2.0

实验室的工作有助于确认生命是如何从无生命物质中产生,而美国发射的开普勒(Kepler)(去年结束运行)和苔丝(TESS)(今年发射)等太空望远镜正在寻找新的行星进行研究。这些探测卫星利用“凌日法”寻找系外行星,即当被观测行星运行到其母恒星和地球之间时,恒星的亮度因行星遮掩而减弱,并且这种亮度减弱现象的出现是周期性的,照此可以了解恒星周围有行星存在。25年前,围绕其他恒星运行的行星存在只是假设,现在系外行星跟围绕太阳旋转的行星一样,都是真实的。仅开普勒就发现了至少2662颗系外行星。正如我们所知,它们大多数都不适合生命生存,但有一小部分会被看做“类地球”。

当我们说,“我们发现了最像地球的行星”,有时是说半径是相似的,质量是相似的,并且必须在宜居带内;但我们知道大多数被发现的系外行星都围绕着红矮星运行。它们的环境并不一定跟地球很相似,而且它们中很多可能没有大气层。

太阳系八大行星, 从左至右依次是: 水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。

并不是说地球是宇宙中最特别的星球。在我们的太阳系中,金星很容易被“外星猎人”认做地球的双胞胎兄弟。但真正像地球这样的行星非常难找到,因为它们比气体巨星要小,并且它们不像红矮星周围的行星那样近距离地围绕它们的主恒星运行。

到目前为止发现的最理想的“地球2.0”的系外行星是开普勒-452b,它比地球稍大一些,质量更大,围绕一颗类似太阳的恒星一年运行385天。问题在于,正如去年的一项研究显示的那样,它可能并不存在,也许只是统计的误差。

一旦在本世纪20年代初发射,詹姆斯·韦伯(James Webb)太空望远镜将看到开普勒和泰斯发现的许多系外行星。它只能将遥远的世界解析为一两个像素,但它将回答系外行星科学中迫切需要解决的问题,比如,尽管围绕红矮星旋转的行星经常发生耀斑和喷发,但它能否保持大气层不变。詹姆斯·韦伯甚至可能提供外星海洋的间接证据。

“自然发生”的条件

波多黎各大学的行星宜居性实验室发布的《宜居的系外行星目录》(The Habitable Exoplanet Catalog)目前列出了太阳系外52个可能存在生命的星球,不过这个消息也许没有那么令人兴奋。表面温度在冰点以上和沸点以下的行星,以及恒星到行星的恰当距离,并不是生命存在的唯一条件,当然也不是生命开始的唯一条件。据波多黎各大学的研究员马科斯·尤西诺-马尔多纳( Marcos Jusino-Maldonado)说,主恒星上恰当数量的紫外线(UV)照射到行星上,是生命在前生物环境中从有机分子起源的一种方式(尽管不是唯一的方式)。

尤西诺-马尔多纳说:“要使自然发生的反应出现,行星必须位于宜居带内,因为它需要液态地表水。”根据原始汤理论,分子和盐水发生反应,最终产生了生命。但是我们认为这些反应只会在一个叫做自然发生带的地方发生。“这是恒星周围的关键区域,在这里,光化学反应可以产生对生命至关重要的前驱分子。”

紫外线辐射可能是激发自然发生反应的关键,这些反应带来了地球上生命基石的形成,如核苷酸、氨基酸、脂类,还有RNA。2015年的研究表明,氢氰酸——可能是陨石中的碳与大气中的氮发生反应时被带到地球上的——也许是在这些反应中被紫外线驱动的关键成分。

去年,《科学进步与化学通讯》(Science Advances and Chemistry Communications)杂志报道称,为了进一步验证这一理论,科学家们使用紫外线灯照射硫化氢和氰化氢离子的混合物,然后将光化学反应下的结果与没有紫外线光照射的相同混合物进行比较,研究人员发现,紫外光对于产生生命所需的RNA前体是所需的。

为了使紫外光化学反应产生这些组成细胞的构件,紫外光的波长必须在200到280纳米之间。尤西诺-马尔多纳说,在他的研究中,这个概念被应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颗位于宜居带和自然发生带内。”

“虽然这8个星球都在宜居带和自然发生带内,但没有一个特别适合生命生存。”这八颗行星要么是“超级地球”,要么是“迷你海王星”。最有希望的候选是开普勒- 452 b(如果它存在的话),或者 τ Cet e (如果它的半径合适的话)。在宜居带和自然发生带内,至今还没有发现地球大小的行星。

如何衡量“宜居性”

随着对真正宜居的外星世界的探索不断推进,天体生物学家正试图建立一个框架,将这些行星进行分类、讨论和研究。重大的科学工作需要定义和衡量的标准。相对而言,天体生物学是一个年轻的研究领域,它面临的一个紧迫而重要的问题是,你如何定义宜居性?你如何定义生命?

“我研究这个问题已经有十年了,”波多黎各大学的一位行星天体生物学家,同时也是行星宜居性实验室主任亚伯·门德斯(Abel Mendez)说。“我知道宜居性问题需要解决。每个人都在研究如何定义它”。今年早些时候,在得克萨斯州休斯顿举行的第50届月球与行星科学年会上,门德斯展示了他的关于星球表面宜居性模型的研究成果,这个模型既适用于我们的太阳系内的行星,也适用于系外行星。

在梳理过文献之后,他意识到天体生物学家并不是第一个在宜居性的定义、分类和统一上遇到问题的人。40年前,生态学家也面临着同样的挑战。门德斯说:“每个人都在不同的论文中按照他们所愿对宜居性进行了定义。在20世纪80年代,生态学家们一起创造了一个正式的定义。”他们敲定了衡量宜居性的平均值,开发了一个从0到1的系统,0表示不适合居住,1表示非常适合居住。

“如果我们计算一个地区的宜居性——不考虑生命,而是考虑有多少可承载独立生命的质量和能量——这更像是一种环境测量。我们会将之与我们测量的这个地区真实的生物生产力相关联。”当他的团队绘制环境宜居性和生物生产力的图表时,他们发现了门德斯所说的“良好的关联性”。

如今,门德斯的宜居性模型考虑到了岩石行星支持地表水的能力、恒星的年龄和行为,以及作用于这些星球的轨道动力学和潮汐力。该模型考虑了一个系统内的质量和能量,以及一个物种或生物圈可用的上述质量和能量的百分比。(这个百分比是等式中最难的部分。比如,你无法声称地球上百分之百的质量都为生命可用。)

2015年7月24日,NASA宣布發现了新的太阳系外行星开普勒- 4 5 2 b , 直径为地球的1.6倍,位于距地球1400光年的天鹅座,它是迄今为止发现的最接近地球的系外行星。图片中是与地球相似的宜居带系外行星,从左至右依次是:开普勒-22b、开普勒- 6 9 c 、开普勒- 4 5 2 b 、开普勒- 6 2 f 和开普勒-186f。排在最后的是地球。

该模型将地球的表面宜居性定为1,早期火星的宜居性小于或等于0.034,土卫六泰坦(Titan)的宜居性小于或等于0.000139。这个模型没有将生命类型例如动物或植物,考虑进去,也没有将木卫二这种有着“地下生物圈”的行星考虑进去。

这样的基础工作是非常有价值的,但它预测宜居性的能力仍然受限,部分原因是它只适用于我们所知的生命。2017年,康奈尔大学的研究人员发表了一篇论文,揭示了土卫六泰坦(Titan)上存在丙烯腈(乙烯基氰化物)分子的证据。在设想中,泰坦上存在的丙烯腈分子可能是在一个无氧世界中形成以甲烷为基础的生命的关键——这是真正的外星生命,跟我们所知的任何都不一样。

无论如何,到目前为止还没有表层适合生命生存的星球,这意味着人类必须继续改进天文探测器,并将目光投向遥远的领域。这是一个巨大的星系,充斥着失望。我们不再期待着火星人挖水道,也不再期待着恐龙去找金星树上的苔藓,但我们仍然梦想着乌贼游过欧罗巴海,况且谁知道泰坦上碳氢化合物的湖里潜伏着什么。如果这些行星也未能实现这一目标,那就要看系外行星了——它们还在我们的探测能力之外,而且距离我们的家园非常遥远。

(责编:刘婕)