外星海洋里的生命會是什麼樣子?
2019年10月12日09:24
地球上一些奇怪的生命形式,可能深深影響了我們對外星海洋生命的想像
地球上一些奇怪的生命形式,可能深深影響了我們對外星海洋生命的想像

  10月12日消息,當人類冒險登上木衛二(歐羅巴)或土衛六(泰坦),深入觀察它們冰凍的表面之下時,我們可能會在那裡發現新的生命形式嗎?近年來的發現使天體生物學家認為,木星和土星的一些衛星是太陽系中最有希望存在外星生命的地方。目前幾個主要的太空任務正在計劃在未來十年內前往那裡,尋找可能的生命跡象。

人類的探測器已經拍攝到土衛二表面噴射出的水柱
人類的探測器已經拍攝到土衛二表面噴射出的水柱

  與地球鄰近的行星不同,木星和土星的一些衛星上存在大量的液態水。例如,科學家認為木衛二含有的液態水比地球上所有海洋加起來還要多。這片水域,以及其中的任何生命,都被一層厚達數千米的表面冰層保護著,免受太空輻射和小行星撞擊。

  在土衛二(恩克拉多斯)和木衛二,探測器都拍攝到了水汽的羽狀噴流,這意味著兩顆星球的內部可能較為溫暖,能夠支援液態海洋的存在。它們的熱源並非太陽,而是來自一個“內部發電機”,可能是核心發生放射性衰變的結果,也可能是其在行星軌道上受到潮汐力作用加熱而產生的。

在地球上深海熱液口周圍聚集的生命可能是瞭解外星海底生命的線索
在地球上深海熱液口周圍聚集的生命可能是瞭解外星海底生命的線索

  目前有證據表明存在海洋的太陽系衛星,包括木衛二、土衛二、木衛四(卡利斯托)和木衛三(蓋尼米德)。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。其他研究則認為其歷史可能有數十億年,有足夠的時間讓生命演化。

  研究者認為這些海洋是鹹的,含有氯化鈉,就像地球上的海洋一樣,這對存在類地生命的前景而言是另一個利好。

如果像木衛二的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獲得能量
如果像木衛二的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獲得能量

  此外,在液態水和海洋下面的岩石地幔之間,很可能存在一個界面。科學家認為,類似的界面為地球上生命起源提供了某些化學物質的關鍵成分。例如,美國國家航空航天局的卡西尼號探測到土衛二的羽狀水汽噴流中含有某些分子,暗示著其海底很可能存在熱液噴口。

  地球的深海中也存在類似的熱液噴口。在那裡,岩漿與鹽水相遇,提供了熱量、化學物質和基底物質,有助於形成一些地球生命最初演化時所需的複雜化學物質。在地球海洋的深處,幾乎沒有陽光,就像木星和土星多顆衛星的海洋一樣。但這並不意味著沒有生命。事實上,在地球上,這樣的熱液噴口充滿了生機。

土衛六可能非常寒冷,但厚厚的冰層下仍然有液態水
土衛六可能非常寒冷,但厚厚的冰層下仍然有液態水

  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 an Alien)指出,木衛二海洋中的整個生態系統可能以深海熱泉為基礎。一組科學家提出,細菌將形成食物鏈的底層,利用化學合成方式從熱液噴口中獲取能量,並在海床上方數千米處堆積出高高的沉澱物管道。

  其他生物,比如像魚一樣的食草動物,會刺穿這些管子,吸入大量的細菌作為食物。它們將具有很強的領地意識,會抵禦競爭對手,並保衛自己的牧場。反過來,它們也會被鯊魚一樣的動物捕食,這些捕食者的身體呈流線型,速度很快,能利用回聲定位來發現獵物。

  這種對生命形式的猜測比大多數科學家預期的要高級得多。哈佛大學地球和行星科學教授安德魯表示,即使在地球上,90%左右的歷史中,唯一存在的生命就只有微生物。因此,如果其他星球存在生命,那很可能就是微生物,而在木衛二或土衛二這樣的地方,微生物將不得不完全依靠化學合成來獲得能量,因此可能只維持很小的生物量。

  哈佛大學“生命起源計劃”(Origins of Life Initiative)的主任、天文學教授迪米塔爾表示,存在這樣一個生態系統的可能性仍然是有的。該計劃是一個支援多學科研究的中心,旨在發現宇宙中是否存在豐富的生命。僅僅因為木衛二的海洋寒冷且缺乏能量,並不意味著那裡就不能演化出較小規模的複雜生態系統。

  “猜測很有意思,”薩賽羅夫說,“我的直覺是,在那裡有很多可能的演化革新空間。在那裡,可能會出現一些很小,但具有掠食性的東西,它將是一個多細胞生物,而不僅僅是單細胞。”

  我們計劃訪問的另一顆衛星就呈現出完全不同的景象。

  土衛六,又稱泰坦,是土星衛星中最大的一顆,也是太陽系第二大的衛星。同時,它還是地球之外已知的唯一表面具有穩定液體的星球。2005年,卡西尼-惠更斯號任務的惠更斯號探測器在土衛六著陸,傳回了類似地球的地貌圖片,顯示其表面存在河床和海洋。

  但是,土衛六的雲、雨和海洋都不是由水組成,而是由液態甲烷和乙烷組成的,二者都是地球上天然氣的組成部分。任何存在於土衛六表面的水都會凝固成岩石和山脈,因為其表面溫度在零下180攝氏度左右。

  這意味著,儘管土衛六的景觀看起來很像地球,但實際情況卻完全不同。如果有生命存在,它將依賴甲烷,而不是水,而且將是我們不知道的奇異生命——真正的“外星人”。

  薩賽羅夫表示,土衛六上有可能存在生命,並且有理論依據,但這些生命具有“完全不同的、獨立的生物化學”。薩賽羅夫的長期目標是弄清楚是否存在另一種生物化學形式,以及如何在實驗室中創造出這種生物化學。

  地球上的生命依賴於磷脂質構成的細胞膜。磷脂為兩性分子,一端為親水的含氮或磷的頭,另一端則為疏水的長烴基鏈。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則需要另一種方式來形成細胞。2015年,由化學工程師保利特·克蘭西(Paulette Clancy)領導的康奈爾大學研究小組發現,由氮、碳和氫組成的小分子可以形成適合土衛六生存條件的細胞。

  從那時起,美國國家航空航天局的研究人員已經證實,土衛六的大氣層中存在乙烯基氰化物,這種有機化合物可以提供類似的細胞膜。因此,至少在理論上,土衛六巨大的甲烷海洋中可能存在著能夠組成生命的細胞,而這些生命與地球生命截然不同。

  “在某些方面,我們在地球上看到的只是一個偶然事件,” 美國亞利桑那州立大學的天體生物學家特蕾莎·費舍爾(Theresa Fisher)說,“我們可以在其他世界的生命中看到大量潛在的多樣性”。

  “可能會出現許多新奇的、非常多樣化的生物體,佔據了一系列新的生態位,”加州大學戴維斯分校的人類學榮譽教授薩拉·布拉弗爾·赫迪(Sarah Blaffer Hrdy)補充道,“假設這些生物中的任何一種演化到像鯨目動物,或大像那樣具有社會性、智慧和溝通能力,以及像黑猩猩或猩猩那樣善於操縱工具,既靈巧和聰明,那它們最終將可以演化出更複雜的技術和文化能力。”

  美國賓夕法尼亞大學的古生物學家勞倫·薩蘭(Lauren Sallan)認為,外星生命將以微生物的形式存在,而成為微生物的方式非常多。她還指出,就多細胞外星生物而言,情況可能會變得更加複雜。“我們會認識到,它們在做同樣的事情,因為一切都集中在吸收能源或攝食其他東西來獲取能源上,”她說,“但它們這麼做的方式將是相當難以預測的。”

  哈佛大學天文學教授大衛·夏邦諾(David Charbonneau)說:“我們真的不知道生命的極限是什麼。”他指出,這也正是我們需要發射更多的探測器去探訪這些衛星的原因。

  好消息是,人類正計劃這麼做。

  美國國家航空航天局今年夏天宣佈,其蜻蜓號計劃將於2026年發射,並於2034年到達土衛六。蜻蜓號將放出一架類似無人機的飛行器,著陸土衛六表面,探索數十個地點,並尋找生命跡象。

  有趣的是,科學家還認為土衛六的冰冷外層下還有一個液態水海洋,這意味著,除了以液態甲烷為基礎的奇異表面生命外,土衛六的表面下可能還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也許並不是土衛六的專利,木衛三同樣有這種可能性。一些科學家認為,這顆衛星擁有數層不同的海洋,由不同類型的冰隔開,這些冰在不同的深度和壓力下形成。如果是這樣的話,從理論上講,每一層海洋都可以容納不同的生命形式,以適應當地的情況。

  木衛三將於2022年接受歐洲空間局的“木星冰月探測器”(JUICE)任務的訪問。該任務還將訪問木星的另外兩顆衛星——木衛二和木衛四,研究的宜居性,並尋找生命的跡象。

  與此同時,美國國家航空航天局的“木衛二飛越任務”(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。該任務的發射時間預計為2023年。美國國家航空航天局也在討論最早在2025年向木衛二發射著陸器的可能性。

  此外,美國國家航空航天局支援的一項私人計劃還將前往土衛二尋找生命,如果該計劃在今年晚些時候獲得批準,將有望在2025年啟動。

  然而,要真正弄清楚這些外星海洋中可能存在什麼生命,我們還需要派遣一艘潛水器,這將是一項棘手的任務,因為這樣一艘潛水器必須鑽過幾千米厚的冰層才能到達液態海洋。美國國家航空航天局正在資助一些相關的理論研究。

  2018年在華盛頓舉行的美國地球物理聯盟(American Geophysical Union)會議上,伊利諾伊大學和美國國家航空航天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”(tunnelbot)在木衛二上尋找生命。他們的機器人會在穿越冰層和水體時采樣,通過光纜將信息傳回表面。

  但是,如果那裡確實存在外星生命形式,那我們可能很難發現它們。也有可能,那裡根本沒有生命。

  在遙遠的未來,大約50億年後,當太陽耗盡氫燃料,並開始膨脹為一個紅巨星的時候,它在最終死亡之前將融化這些衛星上的冰層,使它們變得更像地球。到時候,它們的表面應該有液態水,氣候也會更溫和,這或許會為那裡的生命演化提供可能——或者至少能為逃離焦土的地球難民提供避難所。(任天)

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