搜尋外星生命特徵新方法：甲烷與CO2並存
想像一下當你進入一台時間機器穿梭時空前去尋找宇宙中的外星生命時，你會在哪裡發現它們，它們會是什麼樣子?你或許會認為大多數生命就像我們在地球上看到的一樣：一顆含水的岩石星球上，花草、樹木和動物生活在富含氧氣的藍色天空下。但你的想法或許是錯誤的，而且答案或許會讓你感到驚奇。
曾經對銀河系進行了「人口普查」的天文學家現在懷疑，宇宙中大多數的宜居星球都圍繞著紅矮星運轉，而且那些紅矮星比太陽這樣的恆星更小但卻數量更多。它們龐大的數量令它們在某些方面更容易研究，比如說距離我們只有40光年的紅矮星TRAPPIST-1。2017年天文學家發現它至少擁有7顆地球大小的行星。包含美國宇航局造價數十億美元的詹姆斯韋伯太空望遠鏡在內的許多新觀測設備將很快開始對TRAPPIST-1和其它臨近的紅矮星進行研究。
沒有人真正了解當你前往其中一個古怪世界時會看到什麼。如果這個星球是被微生物統治而不是被巨型生物統治的話，你就有機會看到與地球相似的情景。發表在《科學發展》上的一篇最新研究就探討了這種好奇心對於那些搜尋外星生命的天文學家來說意味著什麼。這篇研究論文是由華盛頓大學大氣化學領域的科學家David Catling合著的，研究深入探討了我們地球的歷史，並且提出了一種在遙遠星球上發現單細胞生命的新方法。
在地球上，大多數生命都是微生物，而且化石和化學記錄表明微生物是一直存在。植物和動物等生物體和氧氣是相對的新生事物，只出現在大約5億年前。在地球的40億年歷史裡，最初的20億年地球似乎是一個被噴射甲烷氣體的微生物統治的「淤泥世界」，對於那些微生物來說氧氣並不是維持生命的氣體而是毒氣。
光和藍藻細菌出現在接下來的20億年時間裡，它們將製造甲烷的微生物驅趕到氧氣無法到達的陰暗地方，比如說地下洞穴、淤泥深處和其它它們今天仍然存活的地方。藍藻細菌逐漸綠化了我們的星球，緩慢向大氣中釋放氧氣，而且讓地球變成我們今天所熟悉的世界。如果你操控時間機器返回到地球歷史上的任何一點，十次大約有九次你只會發現單細胞生命或者藻類，而且需要冒著空氣中氧氣缺乏帶來的窒息風險。
富含氧氣的大氣層是天文學家在數光年外星球上搜尋的主要生物特徵之一。按照天體生物學家的說法，氧氣這種高度敏感的氣體是一種強有力的生物學特徵，因為高濃度的氧氣趨向於打破周圍環境的平衡。氧氣趨向於以鐵鏽或者其它氧化礦物質的形式從空氣中流失，而不是以氣體形態存在，因此當它大量存在時意味著有某種生命必然在不斷的補充著氧氣(比如說地球上的光合作用生物)。
但是按照我們地球的發展歷史，天體生物學家也不得不承認氧氣或許也是他們最難以發現的東西。地球的遺傳學證據表明，藍藻細菌複雜的制氧方法是一種非凡的進化演變，而且在數十億年的地球生物圈歷史上只出現了一次。有人或許會猜測，科學家們通過望遠鏡觀測的任何類似地球的世界很可能是無氧或者缺乏氧氣的。那麼天體生物學家應當尋找其它星球的生命信號呢?
現在獲取答案的最佳方式或許就是「時間機器」，當然不是真正的時間機器而是虛擬計算機技術。科學家可以藉助計算機模型追溯地球(或者外星星球)的歷史，並且探索大氣和海洋中氣體可能的化學成分。這就是加利福尼亞州大學的Catling和他的學生Joshua Krissansen-Totton和Stephanie Olson正在研究的內容。
Catling稱：「我們的研究為『如何在類地星球上尋找厭氧生命』提供了答案。大多數生命或許都像微生物一樣簡單，而且大多數星球或許並未發展到大氣富含氧氣的階段。相對豐富的二氧化碳和甲烷(不存在一氧化碳)組合就是這類星球的典型生物特徵。」Krissansen-Totton做出了更詳細的解釋：「甲烷和氧氣並存是不尋常的，因為二氧化碳是碳的最大氧化狀態，而甲烷是它的最小氧化狀態。在大氣中同時存在這兩種極致氧化狀態的氣體對於沒有生命的星球來說是一種挑戰。」
研究人員稱，大氣中甲烷成分超過0.1%的岩石星球應當被認定為一顆潛在的宜居星球。那麼如果大氣中的甲烷含量達到或者超過1%會怎樣呢?研究人員認為那樣的星球很有可能就是外星生命的家園。賓夕法尼亞州立大學的大氣化學家Jim Kasting稱，雖然把甲烷作為一個缺氧大氣層生物學特徵的想法並不新穎，但是這項研究的結論是正確的。
Catling和他的合著者稱，他們在研究中找到了如何從無生命的星球中區分出具有生物學特徵星球的方法。根據他們的模型分析，一顆沒有氧氣的類地星球大氣中的甲烷會對二氧化碳做出反應，並且進一步與其它普遍存在的氣體(氮氣和水蒸氣)進行混合從而形成更沉重的化合物。通過進一步的計算，Catling和他的團隊推斷，一顆岩石星球上非生物性的甲烷源能夠產生足夠的氣體來中斷這一過程，比如說來自星球內部的火山氣體、熱液噴口的化學反應甚至是小行星撞擊等。
最重要的是，即使非生物源能夠產生足夠的甲烷氣，它們也幾乎不可避免的產生大量的一氧化碳，它對於動物來說是有毒的但是對於許多微生物來說卻是美味。因此在一顆可能存在海洋的岩石星球上，沒有一氧化碳存在的甲烷與二氧化碳共存，能夠成為厭氧生命存在的最佳生物學特徵。
這對於天文學家來說是一個好消息。而詹姆斯韋伯太空望遠鏡在投入使用後，將難以在任何潛在的宜居星球上直接識別氧氣的存在。就像人眼智能看到可見光卻無法看到X射線或者無線電波一樣，韋伯太空望遠鏡探測的是紅外線。因此有研究人員擔心，搜尋外星生命的工作不得不等待數年甚至數十年後，另外一座更強大的天文望遠鏡問世。儘管韋伯太空望遠鏡無法輕易觀測到氧氣，但是它的紅外探測器能夠觀察到厭氧生命存在的跡象。
據參與韋伯太空望遠鏡項目的科學家，太空望遠鏡科學研究所的Nikole Lewis稱：「韋伯太空望遠鏡能夠同時對紅矮星附近的一些星球大氣中的甲烷、二氧化碳、和一氧化碳進行探測。它能夠達到我們探測其它星系中行星大氣分子構成所需要的精度。」即使如此，Lewis和其他科學家認為，韋伯太空望遠鏡仍然難以確定遙遠星球上大氣中每種氣體的相對丰度，也就無法確定甲烷是來自於噴發的火山還是微生物。
因此Catling對於韋伯太空望遠鏡是否能夠在一些紅矮星星系中發現一個大氣缺氧的星球不予評論。他聲稱：「韋伯太空望遠鏡或許會非常幸運的發現外星生命，這是難以預料的，而且這一發現有可能讓天體生物學家感到激動。我們想要更多的人意識到，尋找外星生命比尋找氧氣需要更多的工作。」
TAG:科學探索 |