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Habitability & Life in the Solar System

太陽系中還有其它生命的世界嗎? Is there any other living world in the Solar System?
19/10/2014
圖1. 火星探索的下一步就是用鑽井機器人設備獲取火星深部的水和土壤樣品並直接分析是否有基因物質的存在。

根據現代物理學和宇宙學的觀察,我們所能觀察到的宇宙在物質基礎上都是一樣的,我們現在所發現的物理規律都是適用的。迄今為止,地球是唯一一個擁有我們所知道的生命的星球。科學家們之所以強調我們所知道的生命,是指與我們使用相同的生物化學基礎的其它生命,其最基本的生命化學式碳為基礎的,而且地球生命的存在離不開液態的水 [1,2]。我們的地球是太陽系,乃至宇宙中唯一的生命綠洲嗎?這個簡單的是否命題的重要意義是不言而喻的。要尋找地球以外的生命,我們首先可以考察的,就是我們的太陽系。現在我們已經清楚地知道地球上的生命雖然種類繁多,但擁有唯一的起源。所以我們尋找地球以外的生命的意義在於尋找第二種生命起源的模式,其意義遠大于在火星上發現一個火星人,或火星上動物的化石。如果我們發現另外一個獨立的生命發源地和我們一樣需要水,以碳的化學為基礎,以氨基酸作為其基因結構的最基本要素,那我們可以說在宇宙的各個角落,如果有生命的話,或快或慢,但大家都沿著相似的演化道路前進。基於相似的物質和演化,在宇宙的其它角落如果存在某種技術文明,我們有可能進行某種層次的溝通。但如果另外一種形式的生命其生物化學與我們完全不同,即使他們已經處於某種非常高的演化階段,我們可能仍然難以與它們溝通。因此尋找第二個生命的起源將回答這樣一個哲學問題:我們是不是宇宙中唯一的生命世界。在我們太陽系中有8大行星以及更多的衛星圍繞它們運行。哪個地方最有可能存在生命呢?水星由於離太陽太近,巨大的引潮力作用使其自傳週期接近公轉週期的三分之二,並且會越來越長。其面向太陽的一面永遠火熱,而背向太陽的一面永遠冰冷。沒有一個地方可以保持液態的水,因此其上有生命的可能性很小。金星的大氣溫度在450ºC 以上,而其近表面環境中也不存在保持液態水的條件,因此有生命的可能性也很小。如果我們能夠找到第二個生命的起源,就能夠找到第三個,就能證明宇宙中生命的普遍性。也許火星是回答這個問題的關鍵。

現在的火星是一個持續遭受紫外線輻射的又幹又冷的星球。雖然現在火星的表面環境惡劣而不適宜生命駐留,但火星是現在所知的,在其過去或現在仍有可能有生命的星球 [3]。最近的理論模擬和觀察都表明火星的近地表可能會有液體水的存在。如鳳凰號在2008年5月份登錄火星的北極地區,在推開火星的近地表土壤後發現了在5到18釐米的土壤 下面發現了冰;此外早期的觀察如精神號和機會號也發現火星表面有三價鐵的硫酸鹽存在,這些現象都表明火星上的現在和過去都存在水-岩石的相互作用[4]。現在已有直接的證據證明,在40億年前的火星表面有巨大的地表徑流,並且河床的特徵非常完好地保存。在距今30億年左右的時候火星的表面仍然有局部的水體的流動。隨後,除了兩極的冰蓋中仍有固體的水外,其表面的液態水逐漸消失了。其水消失的主要原因,一個是其較小的重力使水很容易逃出大氣層,另一方面的原因是,火星及其微弱的磁場難以抵擋來自太陽的離子輻射,而使大量的水分子被分解而逸出大氣層。美國和歐洲的空間科學署最近對火星的探索越來越頻繁,這是因為火星的近地表是滿足生命存在和演化的條件的。在不久的將來人類將能夠在火星上採集合適的樣品,然後根據已經掌握的分子生物學技術進行分析,以確認火星上是否有生命的存在[圖1];如果有的話,其與地球生命在分子基礎上是否存在相似性?近幾年的探索在火星的表面發現了水冰,在火星的土壤下面發現了冰,並且火星遙感發現了可能的大氣甲烷異常。所有這些跡象表明,在火星的深部具備地球上微生物生存的條件,且根據生命演化學者對地球上第一個細胞形成時間的估計,大概需要2億年的時間,或許只需要2000萬年的時間。而火星表面能夠保持液態水的時間有將近10億年的時間,因此,其早期很有可能已孕育了生命,並且生命的基因結構,或其代謝所形成的生物標誌礦物可能一直保存至今。更何況我們不能排除在現在的火星地表以下3 km左右會有液態水的存在,也就是說會有深部生物圈的存在。地球深部生物圈的存在也為火星深部生物圈的存在提供了一個很好的支援。在火星乾冷的氣候形成時,其水分丟失,而水中溶解的離子會結晶形成典型的蒸發礦物。現在的研究表明,有些微生物可以在這些蒸發岩晶體中所含微小的流體包裹體中繁衍數百萬年甚至更長的時間。

图2. 在欧罗巴寒冷的冰层下面可能会有一个深达100余公里的水的海洋。加上水与岩石直接的相互作用可以产生矿物和其它化合物,它是具备产生生命的基本条件的。
圖2. 在歐羅巴寒冷的冰層下面可能會有一個深達100余公里的水的海洋。加上水與岩石直接的相互作用可以產生礦物和其它化合物,它是具備產生生命的基本條件的。

在火星以外的巨行星由於其大氣太厚、表面溫度太低而難以駐留生命,但它們的許多衛星由於其特殊的環境條件而對於尋找地球以外的生命具有特殊的意義。木星的衛星歐羅巴(木衛二)擁有一個數公里厚的冰殼,在其下面可能是一個深達100多公里的海洋[5]。其所擁有的水、潮汐、火山能量和營養物質都支持其可能有生命存在的理論[圖2]。相對地球而言,歐羅巴是一個極端的環境,比如冰殼中極低的溫度、表面極高的輻射、海底的極高的壓力和海洋中變化的鹽度。另外歐羅巴的水圈也可能具有相當低的pH值。我們對歐羅巴可能的生命形式一無所知:單細胞還是多細胞?我們甚至不知道其中的生命會不會也是建立在碳的化學的基礎上的。由於其所能接受的陽光甚少,光合作用驅動的生態系統的可能性不大,但其表面輻射所產生的一系列碳氫化合物會支持一些形式的生命。水中或海底的生命則可以通過收穫化學能而維持其生態系統。旅行者發現泰坦(土衛六)的大氣主要是由氮氣和甲烷組成,而由於紫外線的作用,氮氣和甲烷及其衍生物又產生了許多複雜的有機物。泰坦是太陽系中除地球以外唯一的以氮氣為主的大氣。泰坦的環境可幫助我們理解最初地球和地球上產生生命以前的化學演化的過程。雖然泰坦的大氣與地球有許多相似之處,但其平均地表溫度只有-180ºC,與地球上水的海洋相比,泰坦的大氣中只有痕量的水蒸汽。但泰坦給我們的啟示是,在它上面沒有水的條件下也可以形成足夠複雜的有機物。因此由於地球海洋的存在,其生命化學演化一定有所不同[6]。因此考慮地球上的物質材料的差異,比如地球早期表面所形成的粘土,硫化物,碳酸鹽和氧化物對形成生命所需複雜有機物的作用可能起更重要的作用。其它大行星的衛星都有一些值得考慮的地方,但總的來說,它們都缺乏產生和演化生命的條件。人類的技術成就已經足以探索整個太陽系。既然沒有外星人跑到地球上告訴我們有關宇宙中生命存在之謎,對火星或大行星的衛星如歐羅巴或泰坦進行更加仔細的研究是一個在可預見的未來非常現實的計畫。

文章來源:李一良博士,香港大學

參考資料:

[1] Oro J. Comets and the origin of life on the primitive Earth. In: Seckbach J ed., Origins, Kluwer Academic Publishers, Netherland, 2004.

 [2] Brack A. From the origin of life on Earth to life in the Universe. In: Gargaud M et al. ed., Lectures in Astrobiology, Springer-Verlag: Berlin, 2005.

[3] Forget F. Water and climates on Mars. In: Gargaud M  et al. eds., Lectures in Astrobiology, Vol. II, Adv. Astrobiol. Biogeophys, 103-122, 2007.

[4] Smith P H, Tamppari L K, Arvidson R E, et al. H2O at the Phoenix landing site. Science, 2009, 325: 58-61.

 [5] Lipps J H, Rieboldt S. Habitats and taphonomy of Europa. Icarus, 2005, 177: 515-527.

[6] Benilan Y, Cottin H. Comets, Titan and Mars: astrobiology and space projects. In: Gargaud M et al. eds., Lectures in Astrobiology, Vol.II, Advances in Astrobiology and Biogeophysics, 347-428, 2007.

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