如何尋找外星生命？探測生命對行星大氣的影響

不同時間的生物特徵和大氣氣體可能是探測系外行星生命的兩種可能方式。尋找其他行星上可能存在的任何生命都是極具挑戰性的。即使在太陽系裡，我們可以把探測器和軌道探測器送到火星等感興趣的星球上，也很難評估是否有微生物存在或曾經存在過。在研究系外行星的時候，我們只能看到穿過行星大氣層的星光，希望它能顯示出生命產生的氣體的吸收或發射線。

對可居住的外行星印象概念圖，季節性的變化和這種行星大氣中不平衡氣體的存在可能表明那裡存在生命。圖片：NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech

博科園-科學科普：對系外行星大氣的詳細分析仍然主要是在未來的望遠鏡領域。如詹姆斯韋伯太空望遠鏡(JWST)，但理解尋找什麼是在其他行星上尋找生命的重要一步。氧是由光合作用產生，通常被認為是其他星球上潛在的生物特徵，儘管氧也可能由非生物來源產生。同樣甲烷是由生命產生，是一種潛在的生物標誌物，但也可以通過其他方式產生。現在兩篇最近的論文討論了通過研究生命如何影響行星大氣來尋找生物特徵的新方法。

加州大學河濱分校(University of California, Riverside)的斯蒂芬妮?奧爾森(Stephanie Olson)及其同事發表了一篇論文，探討了由生命引起的大氣季節性變化是如何被用作生物特徵的。第二篇論文由華盛頓大學的Joshua Krissansen-Totton、Olson和David Catling共同撰寫，研究了大氣氣體產生的潛在生物特徵，這些氣體只能在生命存在的情況下共存。

一顆系外行星發出的隨時間而變化的信號，比如隨季節的變化，可能有助於排除單一快照觀測中出現的假陽性或陰性結果。通過了解大氣氣體在地球上一年中是如何變化的，將幫助科學家了解在其他行星上尋找什麼信號。與其簡單地認識到一顆行星承載著生命，我們或許還能說一說它的生物圈在空間和時間上是如何變化的。地球大氣中的季節性是由於生物圈和不同太陽輻射在其軌道的不同點到達地球之間相互作用而產生。

在尋找可能適合居住行星大氣中存在氧氣的過程中，臭氧是氧氣的替代物。圖片：Lynette Cook

季節變化改變了兩種不同反應之間的平衡：光合作用和有氧呼吸。光合作用發生時，二氧化碳和水發生反應，變成有機物和氧氣，而有氧呼吸引起相反的反應，產生二氧化碳和水。最大量氧氣產生於夏季溫暖的月份。研究人員檢測了地球上二氧化碳的季節性變化，這一信號可以在其他行星上檢測到，假設其他地方的生命也是以碳為基礎的。由於二氧化碳通過風化作用在氣候調節中所起的作用，它是宜居世界上一個重要的大氣成分。

季節性的二氧化碳(CO2)信號將由陸地生態系統主導，而陸地生態系統與大氣直接接觸，這表明在海洋世界可能無法檢測到二氧化碳的變化。這是在地球上看到的，在地球上，以海洋為主導的南半球的二氧化碳變化信號比北半球弱。二氧化碳的季節性在其他行星上很難探測到，但它是生命存在的有力標誌，因為除非有生命存在，否則在有海洋的行星上不太可能發生。還觀察了一顆系外行星的情況，這是一種類似於早期地球的情況。早期地球存在生命，但大氣中仍然只有很少的氧氣。

微弱的氧信號很難探測，但不同的臭氧特徵(臭氧是由三個氧原子組成的分子)可能在系外行星的光譜中更明顯。這樣的信號更有可能被一個比現在地球的含氧量更少的行星探測到，因為臭氧比氧產生的信號更強。對於一顆類似於今天地球的行星來說，季節性是很難探測到的，至少在氧氣的情況下是這樣，原因是今天的氧氣基線水平非常高，所以在我們的行星表面測量微小的季節性波動是非常困難的，在遙遠的行星上更是如此。

Krissansen-Totton、Olson和Catling也模擬了早期的地球大氣，但這次是在尋找不平衡的特徵，這意味著如果沒有一些活躍的過程，比如生命，這些氣體就不可能存在於大氣中。地球今天有一個大的大氣不平衡，但他們計算出自從地球上有生命形成以來就存在一個不平衡，不平衡的演化是隨著大氣中生物氧的增加而發生。在太古宙(40 ~ 25億年前)，二氧化碳、氮、甲烷和液態水共存存在不平衡，這些水通常會反應生成銨和碳酸氫鹽，迅速將甲烷從大氣中移除，而沒有生命的存在來補充甲烷。JWST應該能夠在系外行星光譜中探測到二氧化碳和甲烷，尤其是在圍繞紅矮星運轉的行星上。

如果檢測到這些物質，但沒有發現一氧化碳，這可能是一種很強的生物特徵。這是因為許多補充甲烷的非生物方案也會產生一氧化碳(CO)，而且地表生命消耗CO。這是一個非常容易新陳代謝的過程，如果周圍有CO和水，那麼微生物就可以通過將這些物種結合起來產生二氧化碳和氫分子(H2)來生存。元古宙(2.5 ~ 5.4億年前)最大的非均衡來源是氮、水和氧的共存。氧氣和氮氣都是由生命產生的，如果沒有生命來補充氧氣，它們就會在海洋中轉化為硝酸。如果大氣中的氣體處於一種不尋常的不平衡狀態，那麼識別使用不同代謝途徑的生命跡象也是可能的，但要發現這一點將是一項挑戰。

檢測海洋中氧化鐵的微生物可能是一項挑戰，因為這種特殊的新陳代謝不會產生任何氣態廢物，在可能產生廢氣的代謝過程中，有一些很有希望的可能性。例如笑氣(N2O)是一種生物氣，我們不希望在無生命行星的大氣中看到平衡。類似地，各種硫代謝可以被檢測到，因為它們改變了行星大氣中有機分子的丰度，使其失去平衡。

發現早期地球與季節性或不平衡的跡象類似，可能表明生命不僅存在，而且以與我們自己星球上的生命相似的方式進化。奧爾森的論文得到了美國宇航局天體生物學研究所的支持，而克里斯桑森-托頓研究也得到了美國宇航局天體生物學的支持，通過外太空生物學和進化生物學計劃和虛擬行星實驗室。

博科園-科學科普｜文：Amanda Doyle/Space

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