搜寻外星生命特征新方法:甲烷与CO2并存且无CO

2018-01-29 12:34:42 quecongsoft 105

栏目|网易科学人-速递

想象一下当你进入一台时间机器穿梭时空前去寻找宇宙中的外星生命时,你会在哪里发现它们,它们会是什么样子?你或许会认为大多数生命就像我们在地球上看到的一样:一颗含水的岩石星球上,花草、树木和动物生活在富含氧气的蓝色天空下。但你的想法或许是错误的,而且答案或许会让你感到惊奇。

搜寻外星生命特征新方法:甲烷与CO2并存且无CO

曾经对银河系进行了“人口普查”的天文学家现在怀疑,宇宙中大多数的宜居星球都围绕着红矮星运转,而且那些红矮星比太阳这样的恒星更小但却数量更多。它们庞大的数量令它们在某些方面更容易研究,比如说距离我们只有40光年的红矮星TRAPPIST-1。2017年天文学家发现它至少拥有7颗地球大小的行星。包含美国宇航局造价数十亿美元的詹姆斯韦伯太空望远镜在内的许多新观测设备将很快开始对TRAPPIST-1和其它临近的红矮星进行研究。

没有人真正了解当你前往其中一个古怪世界时会看到什么。如果这个星球是被微生物统治而不是被巨型生物统治的话,你就有机会看到与地球相似的情景。发表在《科学发展》上的一篇最新研究就探讨了这种好奇心对于那些搜寻外星生命的天文学家来说意味着什么。这篇研究论文是由华盛顿大学大气化学领域的科学家David Catling合著的,研究深入探讨了我们地球的历史,并且提出了一种在遥远星球上发现单细胞生命的新方法。

在地球上,大多数生命都是微生物,而且化石和化学记录表明微生物是一直存在。植物和动物等生物体和氧气是相对的新生事物,只出现在大约5亿年前。在地球的40亿年历史里,最初的20亿年地球似乎是一个被喷射甲烷气体的微生物统治的“淤泥世界”,对于那些微生物来说氧气并不是维持生命的气体而是毒气。

光和蓝藻细菌出现在接下来的20亿年时间里,它们将制造甲烷的微生物驱赶到氧气无法到达的阴暗地方,比如说地下洞穴、淤泥深处和其它它们今天仍然存活的地方。蓝藻细菌逐渐绿化了我们的星球,缓慢向大气中释放氧气,而且让地球变成我们今天所熟悉的世界。如果你操控时间机器返回到地球历史上的任何一点,十次大约有九次你只会发现单细胞生命或者藻类,而且需要冒着空气中氧气缺乏带来的窒息风险。

富含氧气的大气层是天文学家在数光年外星球上搜寻的主要生物特征之一。按照天体生物学家的说法,氧气这种高度敏感的气体是一种强有力的生物学特征,因为高浓度的氧气趋向于打破周围环境的平衡。氧气趋向于以铁锈或者其它氧化矿物质的形式从空气中流失,而不是以气体形态存在,因此当它大量存在时意味着有某种生命必然在不断的补充着氧气(比如说地球上的光合作用生物)。

但是按照我们地球的发展历史,天体生物学家也不得不承认氧气或许也是他们最难以发现的东西。地球的遗传学证据表明,蓝藻细菌复杂的制氧方法是一种非凡的进化演变,而且在数十亿年的地球生物圈历史上只出现了一次。有人或许会猜测,科学家们通过望远镜观测的任何类似地球的世界很可能是无氧或者缺乏氧气的。那么天体生物学家应当寻找其它星球的生命信号呢?

现在获取答案的最佳方式或许就是“时间机器”,当然不是真正的时间机器而是虚拟计算机技术。科学家可以借助计算机模型追溯地球(或者外星星球)的历史,并且探索大气和海洋中气体可能的化学成分。这就是加利福尼亚州大学的Catling和他的学生Joshua Krissansen-Totton和Stephanie Olson正在研究的内容。

Catling称:“我们的研究为‘如何在类地星球上寻找厌氧生命’提供了答案。大多数生命或许都像微生物一样简单,而且大多数星球或许并未发展到大气富含氧气的阶段。相对丰富的二氧化碳和甲烷(不存在一氧化碳)组合就是这类星球的典型生物特征。”Krissansen-Totton做出了更详细的解释:“甲烷和氧气并存是不寻常的,因为二氧化碳是碳的最大氧化状态,而甲烷是它的最小氧化状态。在大气中同时存在这两种极致氧化状态的气体对于没有生命的星球来说是一种挑战。”

研究人员称,大气中甲烷成分超过0.1%的岩石星球应当被认定为一颗潜在的宜居星球。那么如果大气中的甲烷含量达到或者超过1%会怎样呢?研究人员认为那样的星球很有可能就是外星生命的家园。宾夕法尼亚州立大学的大气化学家Jim Kasting称,虽然把甲烷作为一个缺氧大气层生物学特征的想法并不新颖,但是这项研究的结论是正确的。

Catling和他的合著者称,他们在研究中找到了如何从无生命的星球中区分出具有生物学特征星球的方法。根据他们的模型分析,一颗没有氧气的类地星球大气中的甲烷会对二氧化碳做出反应,并且进一步与其它普遍存在的气体(氮气和水蒸气)进行混合从而形成更沉重的化合物。通过进一步的计算,Catling和他的团队推断,一颗岩石星球上非生物性的甲烷源能够产生足够的气体来中断这一过程,比如说来自星球内部的火山气体、热液喷口的化学反应甚至是小行星撞击等。

最重要的是,即使非生物源能够产生足够的甲烷气,它们也几乎不可避免的产生大量的一氧化碳,它对于动物来说是有毒的但是对于许多微生物来说却是美味。因此在一颗可能存在海洋的岩石星球上,没有一氧化碳存在的甲烷与二氧化碳共存,能够成为厌氧生命存在的最佳生物学特征。

这对于天文学家来说是一个好消息。而詹姆斯韦伯太空望远镜在投入使用后,将难以在任何潜在的宜居星球上直接识别氧气的存在。就像人眼智能看到可见光却无法看到X射线或者无线电波一样,韦伯太空望远镜探测的是红外线。因此有研究人员担心,搜寻外星生命的工作不得不等待数年甚至数十年后,另外一座更强大的天文望远镜问世。尽管韦伯太空望远镜无法轻易观测到氧气,但是它的红外探测器能够观察到厌氧生命存在的迹象。

据参与韦伯太空望远镜项目的科学家,太空望远镜科学研究所的Nikole Lewis称:“韦伯太空望远镜能够同时对红矮星附近的一些星球大气中的甲烷、二氧化碳、和一氧化碳进行探测。它能够达到我们探测其它星系中行星大气分子构成所需要的精度。”即使如此,Lewis和其他科学家认为,韦伯太空望远镜仍然难以确定遥远星球上大气中每种气体的相对丰度,也就无法确定甲烷是来自于喷发的火山还是微生物。

因此Catling对于韦伯太空望远镜是否能够在一些红矮星星系中发现一个大气缺氧的星球不予评论。他声称:“韦伯太空望远镜或许会非常幸运的发现外星生命,这是难以预料的,而且这一发现有可能让天体生物学家感到激动。我们想要更多的人意识到,寻找外星生命比寻找氧气需要更多的工作。”(过客)

杨舟 本文来源:网易科学人 责任编辑:杨舟_NBJS5726
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