外星海洋裏的未知生命會是什麼樣子的

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最近的發現使天體生物學家認為,衛星是太陽系中最有可能存在外星生命的地方。現在,正計劃在未來10年內進行幾次重大的太空任務,以尋找那裏的生命跡象。

與我們鄰近的行星不同,有些衛星擁有大量的液態水。例如,木星的衛星,木衛二(又稱歐羅巴,Europa)被認為含有液態水比地球上所有海洋加起來還要多。厚達數千米的表面冰層保護著這片水域,以及其中的所有生命,免受太空輻射和小行星撞擊。

從土星的衛星,土衛二(又稱恩科拉多斯,Enceladus)和歐羅巴噴出的羽狀水柱表明,它們的內部可以支撐液態海洋,不是由太陽加熱,而是由其核心的放射性衰變或由它們軌道上行星的引力所產生的潮汐加熱。

現在有證據表明,在一些衛星上存在有液態的海洋,包括木衛二、土衛二、木衛四(又稱卡利斯托,Callisto)和木衛三(又稱蓋尼米得,Ganymede)。今年6月發表的一項研究估計,土衛二海洋大約有10億年的歷史。還有人認為它可能有數十億年的歷史,有足夠的時間讓生命進化。

這些海洋被認為是鹹的,含有氯化鈉,就像地球上的海洋一樣,這是對發現類似地球生命前景的又一提振。

此外,液態水和海洋下的岩石地幔之間很可能存在一個界面,這意味著海洋深處存在著有趣的化學反應,科學家們認為這些化學物質是地球上生命起源的關鍵成分。例如,美國宇航局(NASA)的卡西尼號(Cassini)探測到土衛二的羽流中含有複雜的有機分子,這些分子暗示著衛星海底存在熱液噴口。

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Image caption 我們對外星海洋生物的想像,可能被居住在我們自己星球上的一些奇怪的生命形式所影響(Credit: Getty Images)

在地球的深海中也存在著類似的噴口,在那裏岩漿與鹹水交匯,提供熱量、化學物質和有助於複雜化學反應的基質。一些科學家認為這些基質是生命最初在地球上進化所需要的。在地球海洋的深處,幾乎沒有陽光,就像木星和土星的衛星一樣。但這並不意味著沒有生命。事實上,在地球上,這樣的噴口充滿了生命。

大約20年前,英國廣播公司(BBC)的紀錄片《外星人的自然史》(Natural History of a Alien)指出,整個生態系統也可能以歐羅巴上的深海熱泉為基礎。一組科學家提出,細菌將形成食物鏈的基礎,利用化學合成從噴口中提取能量,並在海底上方數英里處建造高高的沉澱物管道。

其他生物,比如像魚一樣的動物,會刺穿這些管子,吸入大量的細菌作為食物。它們會抵禦競爭對手,保衛自己的牧場。反過來,它們也會被鯊魚一樣的動物捕食,它們的身體呈流線型,速度快,利用回聲定位來發現獵物。

這比大多數科學家期望在那裏發現的要先進得多。

哈佛大學地球和行星科學教授諾爾(Andrew Knoll)說,即使在地球上,在地球90%的歷史中,唯一存在的生命也是微生物。因此,如果太空中存在生命,很可能是微生物,而像木衛二或土衛二這樣的地方,必須完全依靠化學合成來獲得能量,因此只能維持少量生物。

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Image caption 從土星的衛星土衛二表面噴出的水柱被拍到(Credit: Getty Images)

天文學教授兼哈佛生命起源計劃的負責人薩斯洛夫(Dimitar Sasselov)說,但這樣的生態系統仍然可能實現。該計劃支持多學科研究,旨在發現宇宙中是否存在豐富的生命。雖然木衛二的海洋寒冷且缺乏能量,但並不排除在那裏進化出規模較小的複雜生態系統。

薩塞洛夫說:「猜測很有趣。我的直覺是,在那裏有很多進化創新空間,在那裏,可以擁有一些很小但具有掠奪性的東西,它是一個多細胞生物而不是單細胞。」

我們計劃訪問的另一個衛星呈現出一個完全不同的謎題。

土星的衛星,土衛六(又稱泰坦,Titan),是已知的地球之外唯一在其表面有穩定液體的星球。2005年,卡西尼號飛船的惠更斯號探測器在那裏著陸時,傳回了類似地球地貌的圖片:河牀和海洋。

但是,泰坦的雲、雨和海不是水,而是由液態甲烷和乙烷組成的,它們是地球上天然氣的組成部分。任何存在於那裏的水都會凝固成岩石和山脈,因為它的表面溫度在-180C(-292F)左右。

這意味著,雖然它的景觀看起來很熟悉,但實際情況卻是完全陌生的。如果有生命存在,它將依賴甲烷,而不是水,而且將是奇異的生命,我們所不知道的,真正的外星人。

薩塞洛夫說,泰坦上存在生命是有可能的,也是有道理的,但也是「完全不同的、獨立的生物化學」。薩塞洛夫的長期目標是弄清楚是否存在一種替代生物化學,以及如何在實驗室中創造它。

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Image caption 在地球上深海噴口周圍聚集的生命,可能是了解外星海底生命的線索(Credit: Getty Images)

地球上的生命依賴於磷脂構成的細胞膜:由磷氧頭和碳鏈尾組成的分子鏈,這些分子鏈相互結合,在水中形成一層柔性膜。

以甲烷為基礎的生命需要另一種方式來形成細胞。

2015年,由化學工程師克蘭西(Paulette Clancy)領導的康奈爾大學(Cornell University)研究小組發現,由氮、碳和氫組成的小分子可以構建適合泰坦生存條件的細胞。

從那時起,美國宇航局的研究人員已經證實,泰坦的大氣層中存在乙烯基氰化物,這種有機化合物可以提供這樣的細胞膜。因此,至少在理論上,泰坦巨大的甲烷海洋中,可能存在著能夠形成截然不同生命的細胞。

美國亞利桑那州立大學的天體生物學家費舍爾(Theresa Fisher)說:「在某些方面,我們在地球上看到的是一個偶然的問題。在其他世界的生活中,我們可以看到巨大的潛在的多樣性。」

加州大學戴維斯分校(University of California, Davis)人類學榮譽教授赫迪(Sarah Blaffer Hrdy)補充道:「可能會出現一種熒光現象,顯示出新的、非常多樣化的生物體,它們佔據了一系列新的生態位。假設這些生物中的任何一種進化到像鯨目動物或大象那樣具有社會性、智慧和溝通能力,以及像黑猩猩或猩猩那樣善於操縱、靈巧和聰明,它們最終為什麼不能進化出更先進的技術和文化能力。」

賓夕法尼亞大學的古生物學家薩蘭(Lauren Sallan)認為,外星生命將是微生物,而微生物的存在途徑會有很多。

她表示:「就多細胞外星人而言,事情可能變得更加複雜。我們會意識到他們在從事相同的工作,因為一切都集中在吸收能量或消耗東西來獲取能源上。但他們採取的方式將是不可預測的。」

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Image caption 如果在木衛二這樣的衛星海洋中確實存在生命,那麼它很可能是微生物,必須依靠化學合成來提供能量(Credit: Getty Images)

哈佛大學天文學教授夏博諾(David Charbonneau)說:「我們真的不知道生命的極限是什麼。這就是為什麼我們需要發射更多的探測器來檢測衛星。」

所以,這是一個好消息,我們正計劃這麼做。

美國宇航局今年夏天宣佈,它的蜻蜓計劃(Dragonfly mission)將於2026年發射,2034年到達泰坦。並將著陸一架類似無人機的飛行器,探索數10個有希望的地點,尋找生命跡象。

美國宇航局還在探索能否派遣一艘自主潛艇去研究泰坦最大的克拉肯海(Kraken Mare)的可能性。該海域寬度約1000公里(621英里),深度估計為300米(1000英尺),大小與北美五大湖相仿。這將是探索另一個世界海洋的第一次機會,也將為未來探索木衛二和其他衛星地下水域的潛艇設計提供參考。該任務仍處於概念階段,大約20年後,科學家和工程師開始研究如何建造這樣一艘潛艇。

有趣的是,土衛六還被認為在它冰冷的外層下有一個液態的海洋,這意味著除了它以液態甲烷為基礎的奇異表面生命外,它的表面下還可能存在更多類似地球的生命。

在同一個星球上存在不同類型生命的另一種可能性是木衛三,木星的衛星。一些科學家認為這顆衛星有幾層不同的海洋,被不同深度和壓力下形成的不同類型的冰隔開。如果是這樣的話,理論上講,每一層都可以容納適合該深度和局部條件的不同生命形式。

歐洲航天局(European Space Agency)將於2022年進行果汁計劃(Juice mission),訪問木衛三,該計劃還將訪問木星的另外兩顆衛星——木衛四和木衛二,研究它們的宜居性,並尋找生命的跡象。

與此同時,美國宇航局的「木衛二快船」(Europa Clipper)計劃繞木星軌道運行,並多次飛越木衛二,以考察它是否具備適合生命生存的條件。起飛日期為2023年。美國宇航局也在討論最早在2025年向木衛二發射著陸器。

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Image caption 土星的衛星可能非常寒冷,但厚厚的冰層下仍然有液態水(Credit: Getty Images)

美國宇航局支持的一項私人計劃是前往土衛二尋找生命,如果能在今年晚些時候獲得批准,該計劃有望在2025年啟動。

但是,要真正弄清楚這些外星海洋中存在什麼生命,我們需要派遣一艘潛水器,這將是一項很棘手的任務,因為這種潛水器必須能鑽過幾公里厚的冰層到達海洋。美國宇航局正在資助一些關於如何做到這一點的概念性研究。

2018年在華盛頓舉行的美國地球物理聯盟(American Geophysical Union)會議上,伊利諾斯大學芝加哥分校(University of Illinois at Chicago)和美國宇航局的科學家們提出了一個概念,那就是用核動力「隧道機器人」在木衛二上尋找生命。他們的機器人會在冰層和水面的下降過程中採樣,通過光纜將信息傳回地面。

但是,如果那裏的生命形式被證明是真正的外星人,我們可能很難發現它們。也有可能那里根本沒有生命存在。

然而,在遙遠的未來,大約50億年後,當我們的太陽耗盡氫燃料,並開始膨脹為紅巨星時期,在太陽最終死亡之前,將融化這些衛星上的冰,並使它們變成更像地球的地方。它們的表面應該有液態水,氣候也應該更溫和,或許會開啟那裏生命存活的可能性,或者至少為逃離焦土的難民提供避難所。

在遙遠的未來,如果想要生存,我們都必須成為移民,並希望這些新的居住世界歡迎我們,因為我們自己的世界變得太熱,不適合生存。

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