什么樣的行星能孕育生命？

宇宙的另一端是否存在某種高級(jí)智慧文明？或許在不久的將來，科學(xué)家就能揭曉神秘外星人的真實(shí)面目。《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》近期刊登的一份研究報(bào)告，詳述了地外生命存活的必要條件和限制因素。

地球上生命存活的必要條件、生命的構(gòu)成元素以及環(huán)境限制因素，為評(píng)估系外行星宜居性提供了重要線索。溫度是一個(gè)關(guān)鍵條件，它關(guān)系到液態(tài)水存在與否。同時(shí)，科學(xué)家還從系外行星系統(tǒng)的氣候模型和軌道空間直接估測(cè)出了生命生長(zhǎng)和繁殖所必需的溫度條件。科學(xué)家對(duì)極度干旱的沙漠的研究表明，即使只有少量的雨、霧、雪，甚至水蒸氣，只要存在適當(dāng)?shù)墓庹眨⑸锶郝渚湍艽婊睢Ａ硗獾难芯勘砻鳎恍┪⑸锬軌虺惺茌^強(qiáng)的紫外線和離子輻射。因此，系外行星上存在生命是可能的。

生命極限

探測(cè)生命生存的極限有兩種不同的方法：第一種是分析生命生存的必要條件；第二種是研究生活有微生物的極端環(huán)境。這兩種方法均與尋找外星生命密切相關(guān)。

對(duì)地球生命而言，生存的必要條件有以下四個(gè)：能量、碳、液態(tài)水和其他各種元素。

刺激地球生命新陳代謝和生長(zhǎng)的能量只有一種來源——與還原和氧化反應(yīng)相關(guān)的電子轉(zhuǎn)移。比如，微生物利用二氧化碳和氫反應(yīng)制造出甲烷氣體，光合生物利用光線吸收蛋白質(zhì)，以及氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電子。這些過程可在細(xì)胞膜之間形成一種電化學(xué)梯度，通常發(fā)生在多數(shù)真核細(xì)胞的線粒體以及原核細(xì)胞的細(xì)胞膜中。一項(xiàng)最新的研究表明，電子可直接提供電流，驅(qū)動(dòng)微生物代謝作用。

作為地球化學(xué)及生物化學(xué)的支柱分子，廣泛分布在太陽(yáng)系中的碳元素具有重要地位。然而，富含碳元素并不是一顆系外行星宜居與否的必要條件，與外太陽(yáng)系的星球相比，地球的碳元素含量明顯低得多。地球的碳元素絕大多數(shù)存儲(chǔ)在地殼沉積巖中，但由于含碳分子（二氧化碳、一氧化碳和甲烷）易揮發(fā)，地球表面也有充足的碳元素。這種情況也同樣存在于火星和金星上。地球表面的生命體除了需要碳元素外，還用到多種元素，但這并不能證明它們是碳基生命存活的必要條件。

系外行星探索策略

近年來，科學(xué)家一直在探索如何評(píng)估系外行星的宜居性。在我看來，他們應(yīng)當(dāng)聚焦于原始生命，因?yàn)橄低庑行强赡懿痪邆渫暾纳鷳B(tài)系統(tǒng)，但系外行星大氣層中的光催化過程對(duì)原始生命具有重要意義。

類地系外行星宜居性的關(guān)鍵參數(shù)是液態(tài)水的存在，它直接取決于大氣壓和溫度。溫度是至關(guān)重要的，它不僅影響水的存在形式，還能直接影響系外行星系統(tǒng)的氣候模型。我們認(rèn)為，適合生命存活的溫度存在低溫極限和高溫極限。

1.低溫極限。許多微生物可以在冰點(diǎn)以下生長(zhǎng)和繁殖，這是因?yàn)樗鼈兊募?xì)胞中包含鹽和其他溶質(zhì)。近期的一項(xiàng)研究表明，一種生活在北極永久凍結(jié)帶的微生物可以在15℃的環(huán)境中生長(zhǎng)繁殖，并且能在25℃的冰凍土壤中進(jìn)行新陳代謝。此外，雪衣藻可以生長(zhǎng)在冰雪中。這種高原藻的微生物活動(dòng)可以在永凍土中產(chǎn)生足夠的熱量，促進(jìn)冰雪融化。不過，尚未發(fā)現(xiàn)微生物直接利用新陳代謝能量融解冰層的例子。

2.高溫極限。迄今發(fā)現(xiàn)的許多系外行星的表面溫度都較高，因此，科學(xué)家需要知道生命能承受的高溫極限。有一種甲烷菌，可以在122℃的高溫下產(chǎn)生甲烷氣體。在該環(huán)境下，只要壓力足夠高，水就能以液態(tài)形式存在，其介電常數(shù)和液體極性減少，溶液特性以及溶液生物分子的交互性顯著改變。脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸在高溫下很不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定的脂質(zhì)雙分子層很可能會(huì)溶解在介電常數(shù)較低的水中。因此，科學(xué)家認(rèn)為，在這種高溫環(huán)境中存在古生菌并不意外。

3.干旱極限。生命存活受限于可用性水資源，火星就是一個(gè)實(shí)例，因此生命能承受的極限干旱條件令科學(xué)家頗感興趣。在干旱環(huán)境下，光自養(yǎng)生物可以在陰涼處或巖石下找到一些水資源。阿塔卡馬沙漠干旱區(qū)鹽巖表面之下生長(zhǎng)著一種巖隙藍(lán)細(xì)菌，靠鹽巖在溶解過程中吸收的大氣水分生存。一些實(shí)例表明，少量的雨、霧、雪，甚至一定的大氣濕度都能讓靠光合作用獲取能量的微生物種群生存。

4.紫外線和放射線。復(fù)雜生命形式對(duì)放射線非常敏感，但許多微生物能夠承受一定量的放射線，有些甚至超出我們的想象。抗輻射奇異球菌是一種土壤異養(yǎng)生物，能夠承受高輻射。科學(xué)家認(rèn)為，這是由于它們能夠適應(yīng)脫水狀態(tài)。此外，生長(zhǎng)在沙漠的擬甲色球藻能夠適應(yīng)極端干燥、高電離輻射和強(qiáng)紫外線條件。

5.氮。除碳元素之外，氮是維持生命最重要的元素。實(shí)驗(yàn)表明，嗜氧微生物需要大氣層中含有一定數(shù)量的氮，極光、閃電和火山爆發(fā)能將氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。太陽(yáng)系之外也存在氮元素的還原狀態(tài)，以氨的形式存在，同時(shí)具有生物可利用性。氮的生物可利用性對(duì)地外環(huán)境的宜居性研究具有重要作用。

6.氧。地球上的多細(xì)胞生命通常依賴氧代謝，其進(jìn)化發(fā)展與氧氣含量的變化息息相關(guān)。如果某顆系外行星的大氣層存在一定比例的氧氣，就可能有多細(xì)胞生命的存在。科學(xué)家指出，在系外行星和衛(wèi)星的大氣中探測(cè)到氧氣或?qū)⒆C明地外生命的存在。同時(shí)，類地星球上存在高指數(shù)氧氣則暗示具有生物光合作用。

土衛(wèi)六潛藏生命？

系外行星的潛在生命宜居條件，應(yīng)當(dāng)具有類似地球的液態(tài)水環(huán)境，這是搜尋生命的合理出發(fā)點(diǎn)。然而，其他星球上的液態(tài)水會(huì)略有不同，可能含有適合生命形式存活的介質(zhì)。目前，科學(xué)家認(rèn)為土衛(wèi)六表面的液烴湖泊可以孕育生命，像地球海洋環(huán)境一樣。從某種意義上講，液烴比水更適合復(fù)雜的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)也具有適當(dāng)?shù)难趸€原能量，可使生命存活下來。

土衛(wèi)六表面的有機(jī)分子（乙炔、乙烷和一些固體有機(jī)物）釋放出的能量與大氣層中的氫發(fā)生反應(yīng)，將形成甲烷。科學(xué)家猜測(cè)，類似土衛(wèi)六的星球可能存在生命跡象，這些生命將消耗氫、乙炔和乙烷。同時(shí)他們指出，宇宙中類似土衛(wèi)六的星球數(shù)量遠(yuǎn)大于類地星球。天文學(xué)家曾發(fā)現(xiàn)一顆類似土衛(wèi)六的星球環(huán)繞M型恒星運(yùn)行，該類星球表面存在液態(tài)甲烷和液態(tài)乙烷池。

土衛(wèi)六是天體生物學(xué)研究的一個(gè)實(shí)例，此外，太陽(yáng)系中的木衛(wèi)二和土衛(wèi)二也引起了科學(xué)家的濃厚興趣。土衛(wèi)二看似具備所有的生命宜居條件，它可能被土星的潮汐能加熱，并且從太陽(yáng)接收充足的能量，便于實(shí)現(xiàn)光合作用。木衛(wèi)二則是環(huán)繞巨大系外行星的宜居衛(wèi)星的理想模型。