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地外生命就在地球的邻居“金星”上?科学家发现蛛丝马迹

[摘要]科学家利用射电望远镜在金星云层中发现一种可能是磷化氢的化学物质。这一发现有关生命存在,现在的金星似乎更能吸引人们的关注。

腾讯科技讯 火星和金星是地球的两个近邻,其中金星,在天空中更亮,在空间上距地球更近,在大小和物理结构上和地球更相仿,几乎像是地球的孪生兄弟。但过去60年,科学家更关注火星。目前火星轨道上运行着有6个探测器,表面上有2个,未来还会有更多。但观测金星的只有一颗小卫星。

阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA)不以可见光工作,而是以介于红外光和无线电波之间的亚毫米和毫米波辐射工作。金星大气深处释放出相当一部分这种波长的辐射。当这种辐射进入太空时,辐射上方的较冷空气中的分子吸收了一部分这种辐射。而不同的分子可吸收不同的波长。

据媒体报道,利用夏威夷的JCMT麦克斯韦望远镜和位于智利的ALMA望远镜,来自不同机构的一组科学家在《自然天文学》上发表报告称,他们在金星云层中发现一种可能是磷化氢的化学物质。这一发现有关生命存在,现在的金星似乎更能吸引科学家的关注。

这一现象,惊人而反常。像金星大气,主要由二氧化碳组成,磷化氢只能在化学物质破坏其之前存在很短时间。科学家估计,若磷化氢能持续存在,其在大气中占比大概需要十亿分之二十。一定是有什么东西,在以大气化学清除磷化氢的速度,产生着磷化氢。

在地球上,大气中磷化氢的含量平均只有万亿分之几,其存在似乎几乎完全由化学家和微生物造成,制毒工场的副产品似乎也是原因之一。这也就意味着,磷化氢很可能是天体生物学家所说的“生物标记”。

这一发现本就很吸引人,更令人着迷的是,几十年来,一小部分科学家一直认为金星可能维持微生物生命。20世纪60年代,科学家发现,相比给手术器械消毒的灭菌箱,金星表面温度要高得多,这似乎排除了金星存在生命的可能。这种极端环境对生命和人类技术都是挑战,因此科学家转而关注火星。但少数科学家设想,金星灼热表面的上方可能存在生命。地球云层中的水滴含有活菌;虽然金星云层极酸,但是否可能存在某种超级耐酸的细菌?而磷化氢,正是某处可能有潜在生命的标志。

众里寻他千百度 那星却在最近处?

20世纪60年代,英国化学家和发明家詹姆斯·洛夫洛克(James Lovelock)提出,可通过行星光谱异常来探测生命。当天文学家开始发现其他恒星周围的行星或系外行星时,该方法获得认可。这些行星中的大多数,其运行轨道与地球不同且环境恶劣。但有些则处在天文学家所称的“可居住带”。该区域是指,在各种条件下,其表面可能维持液态水。有天体生物学家,如麻省理工学院的萨拉·西格尔(Sara Seager),就在思考,一旦有足够好的望远镜能分析这些行星大气的光谱,哪些可见异常气体应格外关注。

几年前,一些与西格博士及其团队一起工作的科学家开始关注磷化氢。微生物如何产生磷化氢?何种物质分解为磷化氢?目前还不清楚。但有一点很明确,就是磷化氢与生命的关系,比如企鹅粪中似乎就富含磷化氢。无论是地球深处,还是阳光驱动的光化学反应,似乎没有明显机制能以非生物性产生这种物质。磷化氢光谱线的区分度很好,因此人类能在某类系外行星的红外光中观测到这一光谱。

2017年,卡迪夫大学的简·格里夫斯(Jane Greaves)也有类似的想法,她决定试着用JCMT麦克斯韦望远镜探测金星大气中波长较长的磷化氢光谱线。格里夫斯和其同事在光谱中适当部分有些发现,但信号太弱。格里夫斯博士决定利用更强大的ALMA望远镜。ALMA位于阿塔卡马沙漠,是由66个天线组成的阵列。新的观察结果,在去年得出,信噪比有了明显提升。

首次观测后,格里夫斯团队和西格团队听说了对方的情况,于是双方将资源集中起来。西格博士团队发现,任何产生磷化氢的微生物代谢都可能在极酸环境中很好地进行。而金星上的云盖大部分几乎都是纯硫酸。2000年代初,一些科学家提出,云层吸收紫外线方式的奇特特征,可能是由微生物为自保而制造某种色素或其他化合物造成的。微生物躲避的可能是纯硫,而纯硫可通过光合作用产生。西格、格里夫斯和他们的一些同事开发了一种新模型,来研究这种生命运行的可能形式:细胞在云滴中繁殖,当云滴落向表面时,细胞就会变成干燥的孢子;上升的风将这些孢子带回云层,从而被吸收,也可能催化产生新的小水滴,并再次繁殖。这一假设发表在《天体生物学》上。

这种构想很吸引人,但要注意,研究小组并未冷静观察整个频谱以检视其中的内容,而是专门寻找了一种可用磷化氢来解释的特征。而且他们在论文中也写道,“我们要强调的是,磷化氢只是暂无解释的异常化学的标志,并非生命存在的有力证据。

火星的前例,能让我们更冷静

在磷化氢之前,我们可将火星上的甲烷史当作警醒。2004年,利用地球上三座望远镜和绕火星运行的一个探测器,科学家都认为他们已在火星大气中发现了似乎是甲烷的光谱特征。而化学模型强调,甲烷在火星大气中不会持续那么久,所以这些观察暗示,火星上必须有甲烷的连续来源。而在地球上,虽不是全部,但大部分甲烷由微生物产生。人们甚至愈发认为,尽管火星表面目前只有一点水,但在地下可能存在额深层蓄水层会有大量水。地球地表下数公里处就有微生物,包括产生甲烷的微生物。火星是不是可能也有类似的“深层生物圈”?

可能有。但如果真有,目前也无令人信服的证据能表明其正在产生甲烷。2018年,欧洲航天局(ESA)的ExoMars轨道探测器开始使用比以往更加灵敏的仪器来观察火星大气中的痕量气体。该探测器未发现任何证据能表明甲烷含量达到之前宣称的水平,这就使得我们很难相信此前的观测结果。美国宇航局(NASA)“好奇号”最近的确探测到甲烷,但考虑到ExoMars的数据,前者探测价值也将折扣。

这个例子清楚表明,透过地球厚厚的大气层,去寻找另一颗行星大气层中微量气体的迹象,吃力且容易出错。因此,要观测金星上空的磷化氢,其他团队和其他工具也需加入进来。同时,使火星深层生物圈看似合理的推理,也适用于金星上空的生命。这就降低了金星存在生命的可信度。

现在的火星寒冷而干燥。但在远古大气层较厚时,火星表面显然存在或至少偶尔存在活水和静水。“好奇号”目前也正在研究一个古湖泊中的泥岩。由于火星失去大气层,其表面变得更加干旱寒冷。因此,以前生活在这些地表水中的微生物面临进化压力,被迫迁移到温暖而潮湿的地下深处。

金星表面也随时间而变干,但原因是加热而非冷却。数十亿年来,太阳一直在变亮,从而改变了其宜居带的边界。火星的情况是,这种变暖不足以抵消其失去大部分大气所带来的冷却效应。但在金星上,则引发了大气科学家所说的“失控的温室效应”,蒸发掉了以前存在的海洋。如果在那次大灾之前,金星表层水中有微生物,那么不同与火星,进化将促使其进入空中。即使如今,金星上空温度仍可忍受,水仍是液态。

相比火星地下生命,这种观点更偏离主流。之所以得出这样的结论,可能是除了微生物研究圈子,人们普遍忽视空中的细菌代谢。公平而言,高空生物圈这一类比并不完美。虽然地球的云滴中生活着细菌,但还没有证据表明其在空中繁殖。可能是因为在技术上很难证明,也可能是因为空气中的微生物没有特别的必要。地球表面以及在地球上漫步的生物,都能为细菌提供繁殖场所。

金星空中存在生命,固然令人着迷,但这只是一种推测。如果磷化氢确实如描述的那样存在,我们还需排除非生物源。研究团队已做了部分工作,论证了磷化氢并非来自火山、彗星和半空的光化学反应。但是,在表面发生的化学反应可能与在空中发生的非常不同,金星大气层不但有极端的温度、压力和酸度,其承载平台也是以云盖及其上下方雾气的形式来存在。

尽管有飞船略过金星,但自上世纪80年代以来,NASA就没向金星发射过探测器。但为了下一轮寻找小行星的“发现项目”(Discovery Program),两项金星任务已进入选拔的最后阶段。其一是“真理”(VERITAS)任务,用轨道飞行器绘制更详细的表面;其二是“达芬奇+”(DAVINCI+)任务,用降落伞将一个小型化学实验室穿过大气层。如果能探测到十亿分之几的磷化氢,那么该发射就值了。

路上春色正好,天上太阳正晴

20世纪60年代,卡尔·萨根(Carl Sagan)写了一篇相当出色的文章,谈到金星云层可能存在类似气球的生物,文中有句名言,即“非凡的宣言需要非凡的证据”,因此该设想在天体生物学圈子里流传甚广。天体生物学家大卫·格林斯彭(David Grinspoon)有个说法,即“钻空子的外星人”,是警示行星观测充满异常现象,不能随意地援引外星人来作解释。

在地球以外的太阳系寻找生命,科学家不久前几乎放弃了这一希望。现在,天体生物学家正调查土卫六或土卫二以及木卫二存在生命的可能性。而火星更是焦点。

寻找到生命的后果,我们无法设想。寻找不到生命的后果,应该可以承受。无论能不能在上述目标中寻找到生命,可能都不重要,或者无法定义是否重要。但寻找的过程,不会逊色于寻找的结果。(羽佳)

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责任编辑:quarkqiao
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