地外生命與水的探尋

歐陽(yáng)自遠(yuǎn)

什么是生命？

生命的定義繁多，《中國(guó)大百科全書》認(rèn)為：“生命是由核酸和蛋白質(zhì)等物質(zhì)組成的多分子體系，它具有不斷自我更新、繁殖后代以及對(duì)外界產(chǎn)生反應(yīng)的能力。”諾貝爾獎(jiǎng)獲得者杰克·佐斯達(dá)克認(rèn)為生命“能夠從外部攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)并把它們轉(zhuǎn)化為能量，能夠繁衍后代”。恩格斯的《反杜林論》指出：“生命是蛋白體的存在形式，這個(gè)存在形式的基本因素在于和它周圍外部自然界不斷地新陳代謝。”看來(lái)，生命具有遺傳復(fù)制自己繁衍后代的能力，具有新陳代謝功能。

生命的宜居帶

廣袤的宇宙由難以計(jì)數(shù)的星系、恒星系統(tǒng)、行星系統(tǒng)和各類星際物質(zhì)組成，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了上千個(gè)太陽(yáng)系外的“行星”或“地球”，激勵(lì)著人類去探尋地外的生命和地外文明。

如何評(píng)估太陽(yáng)系外的“地球”是否有生命？是否有適宜生命生存的環(huán)境？科學(xué)家們需要綜合生命的誕生、繁衍和生存的主要因素來(lái)進(jìn)行評(píng)估。比如，是否有液態(tài)水？水是生命之源，生存之本;行星的大小及其與主恒星的距離，制約了行星表面的溫度、大氣層的濃度、液態(tài)水體的發(fā)育、行星的內(nèi)部能量與行星內(nèi)部物理場(chǎng)的特征和行星的壽命;主恒星的大小與質(zhì)量，制約了恒星的壽命和能量等。

在太陽(yáng)系中，只有地球在太陽(yáng)系的宜居帶內(nèi)，火星比較靠近宜居帶。太陽(yáng)的壽命大約100億年，太陽(yáng)現(xiàn)今的年齡約50億年。地球的年齡約為46億年，地球誕生8億年后才出現(xiàn)簡(jiǎn)單的生命。因此，恒星的壽命要大于宜居帶的壽命，才能使宜居帶內(nèi)的行星誕生和繁衍生命，甚至出現(xiàn)高等智慧的生物。中心恒星的質(zhì)量過(guò)大，壽命比較短，行星不足以演化出比較復(fù)雜的生命;中心恒星過(guò)小，行星距離恒星過(guò)近，生存條件險(xiǎn)惡，生命難以生存和繁衍。

太陽(yáng)系中最有可能孕育和繁衍生命的地外天體—火星

火星是太陽(yáng)系由內(nèi)往外數(shù)的第4顆行星，是地球的近鄰，直徑約為地球的1/2。火星繞日公轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為687天，接近地球的兩年。火星自轉(zhuǎn)軸的傾角25.2°，也和地球自轉(zhuǎn)軸的傾角（23.5°）相近，火星在一年中也有春夏秋冬的季節(jié)變化。火星是太陽(yáng)系中與地球最為相似的行星。

人類共開展了45次火星探測(cè)活動(dòng)。1975年美國(guó)發(fā)射的海盜1號(hào)和海盜2號(hào)探測(cè)器軟著陸火星，基于對(duì)地球生命新陳代謝活動(dòng)的認(rèn)識(shí)，對(duì)火星樣品開展生命檢測(cè)。三項(xiàng)生物實(shí)驗(yàn)均未獲得火星存在生命的確鑿證據(jù)。特別是從1996年的火星全球勘探者號(hào)開始到2008年的鳳凰號(hào)著陸器，獲得了火星上河流侵蝕地貌、古湖泊河流沉積物、淺表層水冰分布、極地冰蓋、大氣中水蒸氣組分等一系列反映火星上有液態(tài)水活動(dòng)的證據(jù)，表明火星的過(guò)去或現(xiàn)在存在適宜生命繁衍的環(huán)境。

火星表面分布著干枯的河道、湖泊和北半球的海洋盆地。根據(jù)不同研究者的模型計(jì)算，火星曾經(jīng)有過(guò)水體，大約可以全部覆蓋火星表面深達(dá)100米。火星地下水探測(cè)的成果還表明，火星的地下蘊(yùn)藏有豐富的地下水，成為地下埋藏的冰層。火星表面在過(guò)去有過(guò)大量水體的活動(dòng)，氣候溫暖和潮濕，并有厚厚的大氣層，具有可能維持生命的環(huán)境。

2014年，火星生命的探測(cè)取得了令人鼓舞的突破性進(jìn)展。12月2日，中國(guó)學(xué)者林楊挺的研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際著名學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表文章，他們對(duì)新近降落在摩洛哥沙漠中的提森特（Tissint）火星隕石進(jìn)行了精細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)隕石內(nèi)細(xì)脈里的碳顆粒屬于有機(jī)碳，證實(shí)火星曾經(jīng)有過(guò)生命的活動(dòng)。12月16日，美國(guó)航空航天局（NASA）舉行新聞發(fā)布會(huì)宣布，好奇號(hào)火星車在火星的樣品中發(fā)現(xiàn)了有機(jī)碳，表明火星曾經(jīng)存在過(guò)生命。

太陽(yáng)系的其他天體有生命嗎？

地球的衛(wèi)星月球以及太陽(yáng)系的水星、金星、木星、土星、天王星和海王星，根據(jù)已有的月球探測(cè)和行星探測(cè)器對(duì)這些行星的探測(cè)結(jié)果，這些行星生態(tài)環(huán)境惡劣，不可能具備產(chǎn)生生命的條件，也沒(méi)有生命得以生存與繁衍的環(huán)境。

科學(xué)家對(duì)于太陽(yáng)系的其他天體是否有生命的探尋，聚焦在太陽(yáng)系眾多的衛(wèi)星和矮行星身上。他們優(yōu)選出一批巨行星的衛(wèi)星和矮行星，探尋生命的蹤跡。典型的例子如木衛(wèi)二、土衛(wèi)六和小行星帶內(nèi)的谷神星——矮行星。

中國(guó)將開展木星系統(tǒng)的探測(cè)，通過(guò)木星系統(tǒng)環(huán)繞探測(cè)， 獲取木星的磁層結(jié)構(gòu)、大氣環(huán)流等探測(cè)數(shù)據(jù)，研究太陽(yáng)風(fēng)與木星磁場(chǎng)的相互作用、大氣環(huán)流模式與動(dòng)力學(xué)機(jī)制。

木星有60多個(gè)衛(wèi)星，木衛(wèi)二表面覆蓋一層8～16km厚的冰層，表面發(fā)育褐色網(wǎng)狀裂縫，長(zhǎng)達(dá)1500km，可能是冰層受潮汐擠壓形成的地形。冰層下為海洋，海水深50～80km。褐色網(wǎng)狀裂縫，可能是有機(jī)物。木衛(wèi)二洋底發(fā)現(xiàn)火山，提供海洋熱能，在地下海洋中含有足夠的氧氣來(lái)維持30億kg的微生命存在。水、有機(jī)物和熱能，表明木衛(wèi)二有可能存在原始的生命活動(dòng)。冰層下方3km處存在一個(gè)巨大的咸水湖泊，其水量大致相當(dāng)于北美的五大湖的水量總和。有些咸水湖泊上方的冰層厚度僅有數(shù)十米。我國(guó)將探測(cè)木衛(wèi)二空間環(huán)境和表面冰層形貌，研究冰層厚度分布特性、木星潮汐作用對(duì)木衛(wèi)二地下海洋的加熱效應(yīng)，查明木衛(wèi)二地下湖泊的大小與分布，并探測(cè)生命的信息。

1944年天文學(xué)家杰拉德·柯伊伯利用望遠(yuǎn)鏡的光譜分析儀，發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)六上存在甲烷。旅行者1號(hào)和旅行者2號(hào)對(duì)土衛(wèi)六飛掠探測(cè)，發(fā)現(xiàn)其大氣的主要成分是氮?dú)猓渌煞譃闅澹ㄕ?%）、甲烷（占2%～3%）、氫（占0.6%）。2004年年末，卡西尼號(hào)將惠更斯探測(cè)器投射到土衛(wèi)六表面，探測(cè)土衛(wèi)六表面是否存在生命活動(dòng)的信息。土衛(wèi)六的表面廣泛分布著液態(tài)甲烷為主要成分的河流、湖泊和海洋。土衛(wèi)六表面液態(tài)甲烷與乙烷（CH4，C2H6）的資源量高達(dá)16萬(wàn)億～160萬(wàn)億噸碳， 為地球上已知石油和天然氣儲(chǔ)量的數(shù)10倍;土衛(wèi)六的似干酪根的資源量高達(dá)160萬(wàn)億～640萬(wàn)億噸，為地球上已知煤儲(chǔ)量的數(shù)百倍。已有的研究證明，土衛(wèi)六的甲烷等各種有機(jī)化合物并不是生物成因，而是典型的非生物成因的有機(jī)化合物。

矮行星谷神星，直徑大約950km，整體密度約2.09g/cm3，表明谷神星內(nèi)部含有大量水。谷神星具有巖石質(zhì)內(nèi)核，地幔層包含大量冰水物質(zhì)，初步推測(cè)水占谷神星體積的40%。發(fā)現(xiàn)谷神星有水蒸氣噴射，可能也存在次表層海洋。谷神星還能通過(guò)太陽(yáng)能獲得能量，谷神星羽狀噴射物或多或少地證實(shí)內(nèi)部?jī)?chǔ)藏有熱量。谷神星是探尋地外生命活動(dòng)的優(yōu)選對(duì)象。黎明號(hào)于2015年3月進(jìn)入繞谷神星運(yùn)行的軌道，期望能有新的發(fā)現(xiàn)。

絕大多數(shù)小行星和彗星是太陽(yáng)星云分餾、凝聚形成的最原始的產(chǎn)物。在小行星和彗星中檢測(cè)出大量復(fù)雜的有機(jī)化合物和豐富的水含量。其中，復(fù)雜的有機(jī)化合物不是生命活動(dòng)的產(chǎn)物，而是非生物作用形成。由于小行星與彗星個(gè)體較小，內(nèi)部能量早已耗盡，所以幾乎沒(méi)有內(nèi)力產(chǎn)生的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和火山巖漿活動(dòng)，保存了原始的物質(zhì)組成;由于個(gè)體太小，不存在內(nèi)稟磁場(chǎng)和大氣層，所以長(zhǎng)期遭受宇宙射線和微隕石撞擊。一般認(rèn)為其自身不可能演化出生命或者支持生物的生存與繁衍。

地外生命與水的探尋，一直激勵(lì)著人類排除萬(wàn)難，堅(jiān)持求索。雖然探尋的目標(biāo)艱巨而任重道遠(yuǎn)，人類將以堅(jiān)定而扎實(shí)的步伐勇往直前，踐行追求與夢(mèng)想！