外太空的幽暗真空處哪裏有生命?

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當我們思考外星人是否存在時,我們一般想像他們在圍繞遙遠的恆星公轉的一顆與地球隱約相像的行星上。我們通常不會想他們住在太空中。

但也許這並不是一個荒唐的想法。在2016年4月,研究人員報告說,在模擬了星際空間惡劣條件下,可以由簡單的物質合成某些構成生命的關鍵基礎構件。

法國尼斯大學的科妮莉亞·邁納爾特(Cornelia Meinert)和她的同事表明,冰凍的水、甲醇和氨組成的混合物,將其暴露在充斥外太空的紫外線下,可以轉化為多種多樣的糖類分子。這些糖類物質包括核糖,是類似脫氧核糖核酸(即DNA)的分子核糖核酸(molecule RNA)的一部分。

我們知道水、甲醇和氨等物質都存在於浩瀚的「分子雲」(molecular clouds)中,恆星就是從這樣的分子雲中形成的。

這意味著構成生命的基本分子有可能在外層空間形成,然後再由冰凍狀態的彗星(icy comets)和隕石帶到類似於地球的行星上。

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Image caption 我們通常認為生命是在年輕的地球上誕生的。

這一發現其實並不讓人感到驚訝。幾十年來我們已經知道,其它構成生命的基本構件,在被帶入彗星、小行星和行星之前,可以通過這樣的化學反應加以合成。

然而有一個更有趣的可能性。生命本身可能不需要在一個沐浴在陽光下溫暖而舒適的星球上產生。如果原材料已經存在於星際空間的邊緣,也許生命已經在那裏誕生?

通常關於生命起源的想法並不會考慮這種情況。弄清楚生命如何起源於早期地球已經足夠困難,更不用說在接近絕對零度和真空的星際空間。

生成例如糖類與氨基酸一類的生命基本構件是容易的部分。從早期的太陽系中發現的簡單分子入手,有很多種化學上可行的辦法可以做到這一點.

難點在於如何促使這些複雜的分子組合在一起,從而實現一些能夠維持生命的過程,比如複製和新陳代謝。在一個溫暖的、遍布岩石的星球環境中尚未有人實現,或提出一個完全合理的實現方式,更不用是說在太空裏。

然而,沒有根本性的理由來解釋為何生命不會在出現在任何遠離恆星的地方,這種地方通常被視為星際空間中的貧瘠沙漠地帶。以下是這個過程如何發生。

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Image caption 行星對生命而言更適宜。

首先,我們最好就什麼可以被看作「生命」達成一致。它不一定要像任何我們熟悉的東西。

作為一個極端的例子,我們可以想像某種類似於天文學家弗萊德·霍伊爾(Fred Hoyle)1959年的同名經典科幻小說中所描繪的黑雲(Black Cloud)一樣的物質——某種漂浮於星際空間的智能氣體,很驚訝地發現一個星球上有生命。

但霍伊爾未能提供關於此事的合理解釋:即一種未明確闡述其化學成分的氣體如何變得有智能。我們可能需要想像一些更實在的東西。

雖然我們不能肯定所有的生命都如同地球上一樣是碳基的,但是有充分的理由認為這是可能的。將硅元素替代碳元素作為外星生物生化基礎的猜想備受歡迎,然而與硅相比,碳在構成複雜分子方面用途更廣。

英國愛丁堡大學的天體生物學家查爾斯·科克爾(Charles Cockell)認為地球上生命的廣泛基礎是基於碳,並且需要水,這「反映了一種普遍的凖則」。他承認,「我有一種相當保守的觀點,而科學往往證明這是錯誤的。」但是,現在讓我們堅持碳基生命論。那麼它又是如何外層空間產生呢?

基本的化學不是問題。除了糖,地球上的生命還需要氨基酸,即蛋白質的基礎構件。但是我們也知道,這些物質可以在外太空中合成,因為在「原始」的隕石中發現了任何一個行星表面都未發現的氨基酸。

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Image caption 核糖核酸是生命的基礎構件。

他們可能是在冰粒上通過某種稱為斯特克勒爾合成(Strecker synthesis)的化學反應的變體加以合成的,這種合成反應以19世紀發現該反應的德國化學家命名。該反應涉及酮(ketones)或乙醛(aldehydes)的簡單有機分子與氰化氫(hydrogen cyanide)和氨化合。或者通過紫外光照射觸發光化學反應加以實現。

初看起來,沒有熱源或光源的觸發,這樣的反應似乎不應在太空深處發生。在寒冷黑暗的環境中,當一個分子遇到了另一種分子,並沒有足夠的能量來促使化學反應的發生。就好像它們遇到了一個難以逾越的高大障礙。

然而,在上世紀70年代,蘇聯化學家維塔利·戈爾丹斯基(Vitali Goldanski)表明恰恰相反。一些化學物質即便冷凍至絕對零度之上四度也會發生化學反應,這一溫度與太空環境的溫度相近。他們只是需要一點伽瑪射線(gamma-rays)或電子束(electron beams)助一臂之力——比如嗖嗖穿過太空的那些宇宙射線。

在這些條件下,戈爾丹斯基發現分子雲中常見的碳基分子甲醛(formaldehyde)可以形成長達幾百個分子的高分子聚合鏈(polymer chains)。

戈爾丹斯基相信這種太空中的反應可能有助於如氰化氫、氨和水等簡單成分組裝成生命的基礎構件。

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Image caption 脫氧核糖核酸能在外太空形成嗎?

但誘使這類分子組合成更複雜的形態要困難得多。高能射線可能會促使你最初的反應發生,之後就成了問題。

紫外線和其它形式的射線可以誘導那些邁納爾特證明了的化學反應的發生。但科克爾說它們打碎分子的機率和形成分子的機率一樣高。潛在的生物分子——比如蛋白質和核糖核酸的祖細胞——被分解比被製造出來要快得多。

「最終,問題就是另一個完全陌生的環境會產生能夠進化的自我複製的化學系統嗎,」科克爾說,「我看不出這種情況在非常寒冷的環境中或冰粒表面為何不會發生,但一般來說,我認為這些環境並不十分有利於複雜的分子。

行星提供兩種更溫和的能源:光和熱。地球上的生命在很大程度上依賴太陽光賦予能量,因此我們可以猜測圍繞其它恆星運轉的「系外行星」(exoplanets)上的生命將汲取自己恆星的能量儲備。

重要的熱量也來自其他地方。一些科學家認為,地球上最初的生命並不是由太陽提供能量,而是來自於深海熱噴口(hot vent)釋放出來的地球內部的火山能量。即使在今天,這些通風口還噴出溫暖的,富含礦物的熱液。

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Image caption 木衛二(Europa)被木星引力引起的潮汐力所加熱。

木星的主要衛星也有熱源。這是由這顆巨型行星所施加的巨大潮汐力擠壓了衛星的內部,並通過摩擦加熱。這種潮汐能量使冰冷的木衛二和木衛三(Ganymede)的表面融化成海洋,使木衛一(Io)的表面熾熱,並遍布火山。

很難想像在星際空間中粘附在冰粒上的分子會找到任何培育性的能量。但這可能不是唯一的選擇。

1999年,美國加州理工學院的行星科學家戴維·史蒂文森(David Stevenson)提出,星系中可能充滿了漂浮在一個恆星系最外層之外的「流浪行星」,這些行星距離「母星」太遠,不受到其引力、熱或光的影響。

史蒂文森說,這些世界可以像其他任何普通的行星那樣,在靠近一顆新生恆星,並在其周圍的氣體和塵埃星雲中形成。

木星和土星等巨行星的引力拖曳,可把某些行星拋擲到「逃逸軌跡上」,把它們推出其自身的太陽系外,進入空曠的星際空間。

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Image caption 那裏可能有上百萬顆流浪行星。

這看起來似乎是把它們交付給了一個寒冷而荒蕪的未來。然而,史蒂文森認為,相反這些流浪行星可能是「宇宙中生命最常見的場所」,因為它們能夠保持足夠的溫暖以維持液態水。

內太陽系(inner solar system)所有的岩石行星都有兩種內部熱源。

首先,每一顆行星都有從最初形成至今依然的炙熱核心。此外,它們含有放射性元素。這些放射性元素的衰變保持了星球內部的溫度,正如一塊鈾摸上去是暖的。在地球上,地幔(mantle)的放射性衰變貢獻了總熱量的一半。

在流浪的岩石行星中原始熱量和放射性衰變能使他們保持溫暖達數十億年——也許足以讓行星保持火山的活躍,並為生命的起源提供能量。

流浪行星可能也有高密度能夠維持熱量的大氣。與氣體組成的巨行星木星和土星相比,地球的大氣層是稀薄的,因為太陽的光照和熱度將較輕的氣體如氫氣剝離出去。水星離太陽如此之近,已經幾乎沒有大氣層。

而一個遠離母星影響的地球大小的流浪行星,大部分原始的大氣可能會被保留下來。史蒂文森估計,由此產生的溫度和壓力足以在表面維持液態水,即使沒有任何陽光。

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Image caption 一顆年輕的流浪行星,其火山仍然處於活躍期。

此外,流浪行星不會像地球所遭受的那樣被巨大的隕石撞擊所困擾。他們甚至可能會被拋射出他們的太陽系,後面緊跟著衛星,這還能給他們帶來一些潮汐力加熱的好處。

即使流浪行星沒有濃厚的大氣,它仍然可以居住。

2011年,芝加哥大學的行星學家多利安·阿博特(Dorian Abbot)和天體物理學家埃里克·施偉策(Eric Switzer)計算出三個半地球大小的行星表面會覆蓋一層厚厚的冰。這將使其表面以下數公里深處的液態海洋被隔離開來,通過其內部加熱。

「生物的總體活性比在地球上的要低,但是你仍然可以擁有一些東西,」阿博特說。

他希望在未來的幾十年裏,當太空探測器在木星的衛星探測冰層下的海洋時,關於被冰層覆蓋的流浪行星上出現生命的可能性我們會了解更多。

阿博特和施偉策稱這些孤兒世界為「荒原狼星球」(Steppenwolf planets),他們說,因為「在這個奇怪的棲息地裏,任何生命都會像一隻在銀河草原上游蕩的孤獨的狼」。這樣一個行星的可居住年限可以達到一百億年左右,類似於地球。

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Image caption 生命能夠在星際塵埃雲中形成嗎?

如果這些想法是正確的,那麼我們的太陽系外星際空間中的流浪行星可能是距我們最近的外星生命存在的地方。

由於暗淡而且相對較小,他們會很難在這樣一個距離上被發現。

但幸運的是,阿博特和施偉策說,這樣的一顆行星在大約日地距離(Earth-Sun distance)的一千倍遠處通過時,可以通過它反射的少量陽光和它自身熱量散發的紅外輻射而觀測到。我們希望能夠使用近來用於尋找環繞其它恆星運行的地外行星的專門望遠鏡觀測到它。

如果生命能夠在星際荒原狼星球上起源和生存,阿博特和施偉策說,這將有著深刻的啟示意義:「生命在宇宙中一定無處不在」。

在這些星際世界中的生命一定非常奇特。想像一下在永恆的黑夜中在溫暖的火山溫泉中沐浴,好像在冰島過冬天假期。但如果這是你所知道的全部,那就好像在家裏一樣。

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(責編:友義)

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