太陽系的生命真相：從「金星」七大問題說起

地球上存在生命,或許是整個宇宙裏最神奇,最不可思議的奇蹟之一。 這顆藍色星球的生物圈剛好彙集了生命所需要的一切,液態水,穩定的環境,還有那些構成生物分子的關鍵元素。 但問題來了,地球之外真的還有生命嗎?這是人類一直追問,也一直嘗試去回答的終極問題。 當科學家們還在爲火星上的甲烷到底算不算生命跡象而爭論不休時,一項全新的發現,突然把大家的目光拉向了另一顆行星——金星。 因爲天文學家利用夏威夷和智利的射電望遠鏡,竟然在金星的大氣裏,探測到了零化氫的光譜線。 這種氣體,在地球上幾乎只跟生命活動有關。 那麼,這是否意味着我們在金星上找到了生命的痕跡?答案是,現在還遠遠不能這樣說。 正如卡爾·薩根那句名言提醒我們的,非凡的主張,需要非凡的證據。 這一次,也不例外。 金星,因爲其表面灼熱的高溫和令人窒息的大氣,得名地球的邪惡姊妹星。 但是金星的環境一直都是這樣險惡的嗎?這是個未解之謎。 而今天我們將回答這個超級難題,在人類生活在地球上以前,金星是否存在過生命? 你心跳難耐探求真相嗎?你一直懷揣好奇心嗎? 研究發現,在金星上遠高於星球本身的雲層中,存在磷化氫的蹤跡。 磷化氫分子是一種由磷和氫以1比3的比例形成的分子。 在地球上,磷化氫是存在生命的一種跡象,它通常發現於豔陽環境。 這項發現激起了太陽系中是否有外星生命存在的爭論,以及金星上是否存在過生命。 談及發現外星家園的潛在地點時,金星這個地球的地獄般的鄰居行星時常被忽略。 咦,金星那麼熱,有適合生命生存的環境嗎? 金星通常被稱爲地球的孿生兄弟。 這顆與地球相鄰的行星在大小、質量和岩石組成上都與地球相似。 但不同的是,地球是一顆宜居的星球,有溫和的海洋和湖泊,而金星對於任何生命來說都是一個非常嚴酷的環境。 金星雖然也有着厚厚的大氣層,但其表面溫度可高到470攝氏度,大氣壓強是地球海平面的90倍。 令人窒息的金星大氣比地球上最乾燥的地方還要乾燥。 不過這次,新的研究在距離金星地表約50到60千米的大氣中探測到了磷化氫。 這一部分的金星大氣相對溫和,有着可能適合生命生存的環境,其大氣壓強與溫度條件與地球地表有些相似。 2.磷化氫是一種什麼物質? 在金星上發現的磷化氫是一種高活性、易燃、極臭的有毒氣體。 磷化氫的原料是磷。 在金星大氣中,磷是由前蘇聯的維加探測器在上世紀70年代所探測到的, 他們發現它以氧化分子6氧化4磷的形式出現。 在地球上,磷化氫的唯一天然來源是生活在無氧環境中的微生物。 地球上的微生物是通過厭氧過程產生的磷化氫的。 我們可以在成堆的企鵝糞便、歡和魚的內臟中發現這種氣體, 這種腐爛的沼氣能與大氣中的微粒發生反應。 3.如何確定探測到的是磷化氫? 通常來說,研究人員可以使用光譜學來分析大氣中的氣體成分。 光譜學會研究光如何與分子相互作用。 當陽光穿過金星的大氣層時,每個分子都會吸收特定的顏色的光。 利用地球上的望遠鏡,研究人員就可以將這些光分解成巨大的彩虹, 而金星大氣中所存在的每種類型的分子都會在彩虹中產生特定的黑色吸收線, 就像可識別的特殊條形碼一樣。 它會在光譜的紅白區域留下吸收線的痕跡。 金星上的磷化氫是由射電望遠鏡ALMA和JCMT在毫米波波段探測到的。 4.此次分析還用到了什麼新技術? 這次在金星上探測到磷化氫,不僅依賴於天文觀測結果, 還得益於對這種分子的條形碼的更詳細瞭解。 研究人員利用計算量子化學,將目標分子輸入電腦中, 再解除描述其行爲的方程式,來預測分子在不同區域的條形碼的強度, 對所有相關頻率上的磷化氫的條形碼進行了精確預測。 再根據觀測數據,研究人員調整了他們的模型, 爲天文學家描繪出了168億條磷化氫條形碼。 這一技術原本是用於研究木星和土星, 以及一些恆星和遙遠的像木星一樣的系外行星。 直到最近,天文化學家發現, 在小型的岩石系外行星上, 磷化氫不應該以可被探測到的濃度的形式出現, 除非那裏有生命存在。 因此,在太陽系內的這顆紅色岩石行星上發現磷化氫後, 天文學家將考慮或許我們可以直接向金星發送探測器, 以直接尋找微生物了。 5.在行星上發現磷化氫意味着什麼? 地球大氣中的磷化氫含量非常微小, 它在大氣中的濃度在萬億分之幾的數量級上, 且非常容易在地球大氣的氧化過程中迅速被破壞。 事實上,這種分子之所以能存在於地球大氣中, 正是因爲地球微生物會不斷地產生這種分子。 因此,在岩石星球的大氣中發現磷化氫, 可被認爲是那裏有生命存在的潛在標誌。 不過,現在就斷言金星上的磷化氫 與生命有關還爲時尚早。 在此之前,科學家也曾在木星和土星上發現過磷化氫, 但那裏並沒有生命的跡象。 科學家們認爲, 這些磷化氫是在大氣深處的高壓和高溫下形成的, 然後通過強烈的對流進入高層大氣。 6.還有其他過程能產生磷化氫嗎? 除了生命之外, 閃電、雲層、火山和隕石撞擊都有可能產生一些磷化氫, 但由這些過程產生的磷化氫 不足以與磷化氫在金星的高氧化性大氣中 會受到的迅速破壞相抗衡。 新研究發現, 金星大氣中所含有的磷化氫含量要低於木星和土星, 僅爲20BBb,但仍高於地球含量。 這是無法忽視的高濃度。 目前,科學家所能夠想到的 所有可在金星上製造磷化氫的化學過程, 都無法給金星上的磷化氫濃度給出一個合理解釋。 7.是否可能由某種已滅絕的生物製造? 研究人員計算了金星上磷化氫的壽命, 發現它們在被破壞之前的存在時間不超過1000年。 所以一定有什麼東西在向大氣中不斷地補給磷化氫, 才能達到探測到的濃度。 如果可能產生這種氣體的是已經滅絕的生物, 那它們的滅絕一定發生在不久之前。 從行星的時間尺度來看, 這種可能性顯然是很低的。 過去,天文學家也曾在金星的大氣層中 發現過可能意味着與生命有關的分子存在, 但這些分子除了與生命相關之外, 還有無數種解釋可以描述它們爲何存在。 而這次,由於我們認爲在岩石行星上, 只有生命纔有可能產生磷化氫分子, 使得新的發現尤其令人興奮。 現在,一部分研究人員正在計劃前往金星, 以求更好的研究金星的地質和構造, 進而找到金星上是否有生命存在的確切證據。 當科學家在探索地球以外的星球是否有可能存在生命時, 他們會藉助一些生物標記氣體來檢查這種可能性, 比如有些氣體成分需要通過生命過程來維持, 剛剛在金星雲層中發現的磷化氫就是一個很好的例子。 雖然科學家早已將對外星生命的搜尋範圍 擴大到了系外行星之上, 但這一發現再次點燃了我們對於這個最爲熟悉的恆星系統的好奇心。 我們的太陽系不僅有8顆行星和5顆矮行星, 還有超過200多顆衛星和近百萬顆小行星, 那麼在如此衆多的選項中, 是否也有其他地方有着孕育生命的可能呢? 火星是目前唯一一顆我們有能力探測過去的生命跡象的行星, 它的表面有大量被水雕刻而成的特徵, 極地的冰雹會隨着季節的變化而熱脹冷縮。 極地冰蓋是由凍結的水和二氧化碳結合而成的, 雖然火星的表面非常寒冷, 使得水無法以液態的形式存在, 但科學家在火星的南極冰蓋下發現了地下湖泊。 除此之外,科學家還在火星的大氣中還發現了甲烷, 甲烷的含量隨着季節變化, 甚至在一天之中都會隨時間變化。 雖然火星上甲烷的實際來源尚不清楚, 但這卻是個引人矚目的發現, 因爲這種氣體可以由生物過程產生。 儘管如此,我們離斷言火星上存在生命還非常遙遠, 它的大氣太過於稀薄且乾燥, 幾乎完全由二氧化碳構成, 無法抵禦紫外線, 從而對生命構成威脅。 雖然對於許多物種來, 火星說仍然是一個嚴酷的世界, 但這顆紅色星球可能是太陽系中處地球之外最適合居住的行星。 1610年,伽利略發現了木星的四顆衛星木衛1L, 河神的女兒木衛2Europa, 斐尼基的公主木衛3Ganymede, 特洛伊德王子木衛4Callisto是水仙女, 月神的隨從。 木衛2是其中較小的那顆, 越小於地球的月亮。 有研究認爲, 木衛2是一個地質活躍的星球, 就和地球一樣。 木星和其他伽利略衛星的引力場會對木衛2造成擠壓和拉伸, 這種潮汐力會加熱其岩石的金屬的內部, 使其部分熔融。 木衛2的表面是一大片水冰。 科學家認爲, 在冰封的表面下有一層液態水, 其深度可能有100多千米, 是一個全球性的海洋。 目前認爲這片海洋存在的證據包括科學家發現有液態水噴流會從冰表面的裂縫中噴出, 這可能是因地底下的洋流扭曲所致。 而冰河之下的液態水之所以能夠存在, 可能是由於木星所提供的強大引力, 可使水在冰層表面下充分流動, 阻止凍結。 在這個海洋世界的底部, 或許還存在熱泉噴口和海底火山。 在地球上, 這些往往被視作爲可支持豐富多樣的生態系統的特徵。 土威爾環繞土星運行, 是土星的第六大衛星。 以肉眼來看, 土威爾就像是一顆明亮的白色雪球, 它的北半球佈滿了撞擊隕石坑, 而南半球則有着許多虎斑裂縫。 當科學家在其南極附近意外地發現了巨大的間歇性噴泉之後, 他們開始第一次注意到, 這顆衛星或許有生命存在。 和木威爾一樣, 土威爾也是一顆被冰覆蓋的衛星。 在數十億年的時間裏, 土威爾上存在着一個溫暖的冰封海洋, 儘管它的引力場較弱, 但仍然間歇性地將地底儲有的液態水從冰橋下噴射而出, 這些冰粒和水蒸汽會從地表的裂縫中噴入太空。 科學家不僅在這顆衛星上探測到了水, 還探測到一系列有機分子。 而且至關重要的是, 只有當地下海洋水與岩石海底在溫度至少在90攝氏度以上的情況下發生物理接觸時, 纔會出現微小的岩石硅酸鹽顆粒。 這表明, 海底存在能爲生命提供所需的化學物質和局部能源的海洋熱液, 水和有機分子流的存在, 使得土星的這顆冰冷的衛星成爲尋找潛在外星生命的熱門星球。 像木衛二和土衛二等這樣的世界被認爲是太陽系內地球外最有可能孕育生命的地方, 在這些衛星的內部也可能有大量的水存在。 其中一個例子是土衛六, 在其上面充滿了碳氫化合物, 也就是構築生命的基本元素。 該衛星在其表面之下可能存在着一片液態海洋。 土衛六是土星最大的衛星, 也是太陽系中唯一有大氣的衛星, 它的大氣有着由複雜的有機分子構成的厚厚的橙色霧霾, 以及被甲烷替代了水的天氣系統。 在這顆充滿了碳氫化合物的星球上, 有季節性的降雨和乾旱時期, 其表面之下還可能存在着一片液態海洋。 科學家已經在土衛六上探測到了由液態甲烷和乙烷組成的河流和湖泊, 並發現那裏還可能存在着冰火山, 這種火山噴發出的是液態水,而不是熔岩。 這表明土衛六與木衛二和土衛二一樣, 都在地表之下儲有液態水。 土衛六的大氣主要由氮組成, 這是一種重要的化學元素, 可用於構建所有已知生命形式的蛋白質。 豐富的化學物質引起了科學家的遐想, 他們猜測那裏是否可能存在完全有別於陸地生物的化學成分的生命形式, 比如甲烷形式的生物體存在。 又或者說,既然在土衛六上的甲烷取代了水的角色, 那麼是否也有可能存在雞魚蛋的生命? 甲烷和氨都是完全不同於水的化合物, 它們成液態的溫度也遠低於水。 如果生物體由它們組成, 那它們的形態肯定和地球生物大大不同。 在2020年9月14日, 太陽系的一顆行星吸引了衆多天文學家的注意, 那就是金星。 在太陽系中,金星是離太陽第二近的行星, 金星也是地球在太陽系中最近的行星鄰居。 它略小於地球,其內部與地球非常相似。 金星的表面具有隕石坑、火山、山脈和巨大的熔岩平原, 這些特徵都被厚厚的雲層覆蓋。 金星的大氣層又厚又熱, 它的大氣主要由二氧化碳構成, 厚厚的硫酸雲覆蓋了整顆星球, 幾乎沒有已知的生命可以在這樣的環境下存活下來。 這一切都是源自於科學家在金星的大氣層中發現了一種有毒氣體, 這種氣體就是磷化氫, 通常它只能自然地由有機生命產生, 很難在如金星這樣的岩石行星上產生。 這樣的發現讓科學家非常欣喜, 因爲它意味着, 在這顆我們的鄰居行星上, 有可能存在着某種生命。 因此,這一發現也讓金星加入了火星、土位二和木位二的行列, 成爲太陽系中可能曾存在過生命, 甚至可能至今仍然存在生命的星球。 目前,多數對於外星生命的搜尋通常都側重於在發現, 存在於天體表面和大氣中的水和其他生物標記分子。 就在幾天前, 一篇刊登在《天體物理學》雜誌通訊的新研究發現, 在地表上沒有發現水的蹤跡並不能排除在星球的其他地方存在生命的可能性, 比如它們通過分析火星的地下區域的厚度, 認爲地表之下的溫暖區域或許可以讓液態水中存在生命的化學成分。 研究的作者介紹說, 這樣的結果預示着在其他星球上可能存在生命的區域應該比傳統認爲的要大得多。 未來,或許我們會在一個岩石星球的地下找到生命的跡象。 宇宙因什麼而精彩? 也許是因爲生命。 地球是太陽系中距離太陽遊進到遠排第三的行星。 太陽誕生於46億年前, 地球比太陽稍晚一些時間才誕生。 地球上最早的生命出現於35億年前, 人類及其直系祖先已經在地球上生存繁衍了上千萬年。 地球是目前已知太陽系中唯一擁有生命的天體。 太陽系有八大行星, 爲何生命偏偏誕生於地球? 地球又有哪些特別之處呢? 生命的存在首先需要靠恆星提供穩定的能量, 但恆星的生生死死在宇宙中也是常見的事情, 所以一顆恆星要在它的周圍行星上孕育生命, 就得先保證自身的安全, 讓自己位於星系中的古迪洛克代中。 以太陽系爲例, 它就位於銀河系的古迪洛克代中。 銀河系的形狀像一頂不斷旋轉的草帽, 太陽系位於草帽冒煙的中部, 遠離了恆星最稠密的區域。 對於生命來說, 這裏有相對安全穩定和適宜居住的環境, 因爲在太陽系所處的區域沒有超新星的劇烈爆發, 也沒有吞噬一切的黑洞。 離太陽系最近的恆星比臨星距離太陽也有4.2光年, 由於恆星的密度比較低, 因此沒有互相碰撞的風險, 所以太陽系的這個區域就是銀河系中的一個古迪洛克代。 在銀河系中, 有若干個這樣的古迪洛克代, 這些區域都有生命存在的可能性。 對於恆星周圍的行星來說, 想要孕育生命, 它們就得在恆星周圍的古迪洛克代中。 恆星周圍的古迪洛克代簡單來說就是距離恆星不遠又不近, 不冷又不熱的地帶。 在這個地帶中運行的行星能夠接收到恆星釋放出的適當的能量。 根據恆星大小溫度的不同, 不同恆星的古迪洛克代也有所不同。 以太陽來說, 太陽周圍的古迪洛克代大約是在距離太陽0.75到1.9個天文單位的區域, 天文學上把太陽和地球之間的平均距離叫做一個天文單位。 那麼,地球恰好是在太陽系的古迪洛克代靠中間的位置, 很適合生命生存。 不過地球上能有生命存在, 除了地球位於古迪洛克代距離太陽不遠不近, 不冷不熱之外, 還具備了以下三個重要條件。 第一,有充足的有機物存在, 氨基酸等有機物, 是地球上生命的基礎。 地球上的生物是從簡單的氨基酸開始, 通過不斷合成與進化產生的蛋白質, DNA等複雜的有機物, 才逐漸發展出了更加複雜的生命體的。 第二,有充足的液態水, 地球早期的生命進化都是在水中進行的。 對於生命來說, 最重要的物質也是水, 它構成了生命的基本單位, 細胞生命體依靠水才能進行新陳代謝。 除此之外, 地球上適宜的溫度 使得大量的水能以液態的形式存在, 以滿足生命體的需求。 第三是長期穩定的環境, 一般的生命只能忍受幾十度的溫度變化, 溫度過高, 蛋白質就會變性, 溫度過低, 液態水凝固了, 有機體也會因爲無法正常工作而死亡。 除此之外, 生命對於氣壓大氣、 含氧量、 水中或土壤中的酸鹼度、 鹽含量等都有比較嚴格的要求。 從地球上最原始的生命誕生, 距今已經有37億年的時間, 在這段時間內, 地球的環境雖然經歷了多次波動, 也出現了極端的氣候。 比如曾經出現了多次的大冰期, 但在冰期到來之時, 靠近赤道的一些相對溫暖的地方, 總能給一些生命以安身之地, 沒有導致所有的生物都滅絕。 隨着冰期的結束, 地球又重新恢復了生機, 從而保證了生命進化的連續性。 然而, 在宇宙中, 環境劇烈改變其實是很普通的事情。 有很多星球的溫度, 經常在短時間內波動, 這是對生命極大的威脅。 比如說水星白天太陽直射溫度 可以上升到430攝氏度以上, 到了晚上熱量迅速流失, 溫度又會下降到零下170攝氏度以下。 600度的溫差讓水星像個人間煉獄一樣, 生物根本沒有辦法忍受這樣的折磨。 地球環境長期保持穩定, 靠的是地球的大氣層, 地球大氣的厚度適中, 因此白天的時候, 太陽的能量不會全部都照射到地面上, 溫度不會升得過高。 到了夜晚, 由於大氣中有適量的二氧化碳, 甲烷等溫室氣體的保護, 溫度也不會降得過低。 除此之外, 大氣層還能阻止有害涉險的入侵, 能讓靠近地球的一些星際碎片直接被摩擦燃燒掉, 並儘可能地降低落到地面上的隕石對地球生物的影響。 雖說只有長期穩定的環境才能讓地球上的生命欣欣向榮, 但這並不意味着那些極端惡劣的環境下就絕對不會有生命存活。 比如在地球上的雪山、深海、極地荒漠等極端惡劣的環境中, 就生活着一種生命力極其頑強的物種——水熊蟲。 如果說金髮姑娘是地球上常見的嬌弱生命, 那水熊蟲就是異常頑強、堅毅的人者。 水熊蟲的體型胖嘟嘟的, 有人形容它像八條腿的熊貓。 水熊蟲在全世界的水域都有分佈, 可是你卻很難發現它,因爲它們是半透明的, 身長也小於半毫米,你只能通過顯微鏡觀察到它們。 水熊蟲最大的特點就是生存能力極強。 在極端嚴酷的環境下,它們會收縮成桶狀, 科學家稱之爲休眠桶,從而讓它們存活下來。 科學家們嘗試過用高溫嚴寒、高壓高強度、 輻射高濃度、有毒氣體等各種方式來考驗水熊蟲, 發現它們對於這些嚴酷的環境都有較強的耐受力。 天文學家們還把水熊蟲帶進了太空, 讓它們接受宇宙中各種極端環境的考驗, 結果發現它們都能存活下來, 它們的休眠桶甚至比人類的宇航服還要管用。 這一發現就讓天文學家們對於地外生命的探索有了新的認識。 人類想要搜尋地外生命,除了要搜尋適宜生命生存的古迪洛克代, 也不能忽視古迪洛克代外可能存在的有機物和有水的星球, 因爲那些星球上可能隱藏着像水熊蟲一樣頑強的低等生命。 宇宙中的生命總是選擇適合自己的區域產生和演化, 比如地球就位於太陽系的古迪洛克代中, 除此之外,充足的有機物,液態水和長期穩定的環境 對於生命的存在和演化來說也非常重要。 然而,我們也不能忽視生命的頑強, 在遠離古迪洛克代的一些區域, 也是可能存在着一些低等像水熊蟲一樣的生命的。 有觀點認爲,地球上誕生生命的原始材料來自於外太空, 甚至有人認爲來自火星, 雖然科學家在隕石中發現了有機小分子, 但這並不能證明地球上的生命就來自於地外。 科學家通過實驗證明, 原始地球環境也可以自發地生成氨基酸這類有機分子, 並在漫長的歲月裏,通過複雜的化學反應形成了原始生命。 地球所處的太空環境也比較穩定, 地球圍繞着太陽運轉,行星軌道比較穩定。 地球若是圍繞着雙星或者多星系統運轉, 那麼將很難誕生生命。 地球還擁有一個像月球這樣的好夥伴, 月球對穩定地球自轉有相當大的作用。 地球自轉軸的傾斜角度也比較合適, 四季分明雖然不是必要的, 但好歹晝夜循環交替。 正是這些小小的優勢, 使地球上的氣候環境變得比較穩定。 太陽系所在的附近區域內也沒有危險的天體, 比如黑洞。 沒有太陽也就沒有地球, 太陽對地球生命的誕生居功至偉。 太陽本身也比較出色, 太陽的質量不是太大, 也不是太小, 因此可以穩定地持續發光發熱接近百億年, 這樣地球上的生命纔有足夠的時間發展進化。 正因爲如此, 地球才成爲了太陽系內唯一的生命搖籃。 由此可見, 從地球到地球之外, 一個穩定的環境對生命的誕生極其重要。 穩定環境的持續時間足夠長, 纔有機會誕生智慧生命。 誕生生命不僅需要有類似於地球這樣的條件, 還需要一些偶然性。 生命的出現不是一件一事。 或許, 金星的七大謎團還不能直接告訴我們那裏是否真的有生命, 但他們提醒了我們, 太陽系遠比我們想象的更復雜, 也更充滿未知。 火星、木衛二、土衛二, 這些世界都在不斷向我們拋出新的線索, 而金星, 更像是那個被忽略已久, 卻可能藏着關鍵答案的鄰居。 爲什麼只有地球孕育了生命? 這是太陽系最深, 也最令人着迷的問題之一。 也許生命並不稀有, 只是我們還缺少理解它的語言。 也許生命真的只在極其狹窄的條件下才能誕生, 而地球剛好在宇宙的巨大偏差中, 踩中了那一步。 但無論答案是什麼, 每一個疑問, 每一次觀測, 都讓我們離真相更近一點。 而故事, 纔剛剛開始。