宇宙中的生命

地球是宇宙中唯一一个我们确定有生命存在的地方。那些研究其他地方生命的生物学家(太空生物学家或天体生物学家)几乎没有什么可研究的。在宇宙中，人类访问过的唯一的另一个天体，并从那里带回了地球的样本，就是我们的月球——就生命而言，这是一个贫瘠的地方。天体生物学家不得不依赖于了解地球上生命可能存在的条件，然后试图确定在我们的太阳系和宇宙的其他地方是否存在这样的条件。这是一个无止境的，但有趣的，猜测和争议的领域。然而，地外生命是否存在是一个重要的问题，即使在其他地方存在非常简单的生命，也会对我们对我们在宇宙中的位置的理解产生巨大的影响。

目前人们对天体生物学兴趣的复兴，是由于我们对地球上生命生存条件范围的了解增加，太空探测器对太阳系行星及其卫星的观测，以及天文学家可用的仪器和技术的改进。美国国家航空航天局(NASA)通过建立天体生物学研究所认识到了这种新的兴趣。这是由加州山景城的艾姆斯研究中心协调的，但它被设想为一个“虚拟研究所”，利用互联网将来自世界各地的各种研究人员联系起来。的重要性极端的生物已经被美国宇航局认可，因为它参与了“生命?极端环境中美国国家科学基金会的项目(LExEn)。

直到20世纪60年代，关于其他星球上可能存在生命的猜测还仅限于基于地球上的观测。人们很容易忘记太空探索的时间是多么短暂。第一颗卫星(Sputnik)于1957年发射，第一次载人航天飞行是在1961年(由苏联的尤里·加加林)，人类在1969年首次登陆月球(由美国的尼尔·阿姆斯特朗和埃德温·巴兹·奥尔德林)。1962年，美国向金星发射了第一个探测器，随后俄罗斯和美国又发射了一系列探测器。对火星的探测始于20世纪60年代末，并一直持续到现在。20世纪80年代初，美国旅行者1号和2号探测器发回了木星、土星及其卫星、天王星和海王星的壮观照片。这些太空探测器拍摄的照片、地图和测量结果为我们目前对太阳系中存在生命可能性的推测提供了很多依据。我们经常受到外星物体的造访(如果不是不明飞行物的话，就是陨石的形式!)，随着天文学家技术的进步，尤其是1990年哈勃太空望远镜的发射，我们从地球(或地球附近)进行观测的能力也得到了提高。

在过去的50年里，我们对生命、生命在地球上的可能起源以及生命可能存在的条件范围的了解大大增加了。关于太阳系和其他地方存在生命的可能性，我们对极端生物的了解告诉了我们什么?我只会看看那些被认为是，或者曾经被认为是，最有可能存在外星生命的地方。

金星

金星曾被认为是地球的孪生兄弟，人们想象着一个茂密森林的世界隐藏在掩盖其表面的大气层之下。然而，太空探测器的测量表明，它是一个邪恶的双胞胎。它的大气厚度大约是地球的100倍，主要由二氧化碳组成。这创造了一个失控的温室效应，捕获热量，产生480°C左右的平均表面温度。即使在两极或上高山在美国，很难想象生命能在如此高的温度下生存，因为这种温度远远超过了地球上超嗜热生物的生存能力。大气中的高温会更低，一些人认为可能存在生物体，它们一直漂浮在云层中。除了永久停留在空气中，它们还必须应对由于地表火山活动向大气中注入二氧化硫而产生的酸性环境。

火星

长期以来，火星一直是我们最喜欢想象太阳系其他地方有生命的地方，尽管我们现在认识到它是一个寒冷干燥的沙漠，但它仍然是最有可能找到过去或现在生命证据的地方。在这个星球上，我们目前有最具体的证据，可以据此推测生命是否存在。

1877年，意大利天文学家乔瓦尼·斯基亚帕雷利(Giovanni Schiaparelli)描述了火星上似乎是直线的东西，他称之为“canali”(通道)。这个词被错误地翻译成“运河”，导致人们强烈猜测它们是由火星文明建造的。美国天文学家珀西瓦尔·洛厄尔(Percival Lowell)是这一观点的主要支持者，他认为它们是沿着灌溉渠系统的植被带，这些灌溉渠是用来从两极引水的。毫无疑问，这激发了HG威尔斯创作《世界大战》(1898)的灵感，在这首歌中，他想象了火星生物入侵地球的场景，随后大卫·鲍伊在1972年发行了摇滚专辑《Ziggy Stardust and the pirates from Mars》。然而，1969年“水手6号”和“水手7号”太空探测器拍摄的火星表面照片并没有显示出这样的运河，现在从地球上看，这些运河的出现被认为是由于地质特征的偶然排列。

在我们寻找火星生命的过程中，还有其他明显的错误警报。1975年，海盗1号和2号发射的着陆器到达了火星表面。着陆器上有几个仪器包，它们将信息发回地球，其中包括旨在寻找火星土壤中生命的生物实验。从着陆器上取下一勺土壤样本，分发给生物实验。第一个是碳同化实验。地球上的光合生物从大气中吸收二氧化碳，并利用阳光的能量将其转化为有机物质。化学营养生物可以利用来自植物的能量达到类似的效果化学氧化反应。这个实验是为了测试火星上类似的生物。火星土壤暴露在从地球带来的二氧化碳(和一氧化碳)气体中，这些气体被标记为14C，碳的放射性同位素。任何由火星生物同化而形成的有机化合物都会含有14C，并被它标记。然后将样品加热以分解任何有机分子，这将以标记二氧化碳的形式释放出14C。这是通过计算14C释放的放射性的探测器测量出来的。你可以想象，当这个实验的第一个结果表明，如果火星土壤中含有活性生物，科学家们会有多么兴奋。然而，将样品加热到175°C，降低了活性，尽管它没有完全破坏它。高温对任何生物体的破坏都应该阻止碳的同化。即使是极度嗜热菌也不可能在这样的高温下存活。 It is, however, conceivable that cryptobiotes could survive if they were exposed to high temperatures in a desiccated state.

第一个实验的目的是寻找能够固定碳通过使用非有机能源来减少二氧化碳。第二个实验旨在寻找以有机物质为原料和能量来源的异养生物(通常通过食用其他生物)。标记释放实验将火星土壤暴露在被标记有放射性同位素的有机营养物中。由于代谢活动而释放的任何气体也将被这些同位素标记并可以被检测到。再一次，从这个实验中观察到的信号正是如果土壤中存在生物所期望的。将样品加热到160°C会破坏活性，如果是由生物体引起的，这也是你所期望的。

第三个实验是气体交换实验，检测土壤暴露于营养物溶液后产生的氧气。然而，在黑暗中，在将样品加热到145°C后，氧气继续产生——如果氧气的产生是由于生物活动，这不是你所期望的(植物需要光，任何生物都会被热破坏)。最后的相关实验是气相色谱/质谱分析包，它应该能够检测土壤中的任何有机化合物。这没有检测到任何。这个设备是如此的敏感，以至于科学家们得出结论:火星上不仅没有有机物质存在，而且一定存在着某种积极破坏有机化合物的机制——可能会有一些有机化合物从陨石和彗星进入火星。

就生命的存在而言，维京号的实验结果给出了一些复杂的信息。代谢实验给出了生物存在的预期结果，但由于没有检测到有机化合物，很难接受生命存在的说法。一些对照实验(加热样品以破坏任何生物体)的结果也很难与生命的存在相一致。对于这些“海盗号”实验的共识解释是，这些结果是由于火星土壤的一些不寻常的化学性质造成的，并没有表明生命的存在。然而，有些人认为，这些结果与生命的存在是一致的，最好的解释是，生命的存在。

各种太空探测器给我们提供的火星图像是一个寒冷、干燥、沙漠的世界。平均地表温度为- 53°C，但在赤道附近白天可升至0°C以上。它的大气主要是二氧化碳，而且很薄，气压只有地球的1/100。的极地冰盖主要由固体二氧化碳组成，在季节的基础上融化和冻结。在二氧化碳的下面是一个永久的冰帽。水在火星的其他地方也存在，既以大气中的水蒸气的形式存在，也(可能)以地下冰的形式存在。然而，液态水很可能是罕见的，如果暴露在地表，液态水会迅速蒸发到大气中。然而，液态水与热液系统有关的可能性仍然存在，特别是在地下。火星稀薄的大气层对太阳光线几乎没有遮挡作用，而且火星表面的紫外线辐射很强。这些条件并不表明存在生命。然而，我们对极端生物的了解告诉我们，极端微生物可以在一些非常不利的条件下生存，而隐生菌可以在严重的环境压力下生存，以利用短暂的有利条件。美国国家航空航天局最近(2000年6月)宣布，火星全球勘测者号的火星轨道飞行器照相机显示，火星上最近(甚至可能是现在)存在水流，如果得到证实，这将再次提高生命存在的可能性(图7.3)。这些地貌看起来像沟壑，形成于沟壑之上

236生命的极限

图7.3火星上古老的山谷系统尼加尔山谷壁上的小沟壑。来自火星全球勘测者号的火星轨道相机图像显示了超过14个这样的通道，这些通道长约1公里，沿着火星表面向下延伸朝南的斜坡尼加尔山谷。缺乏撞击坑这表明这些通道相对年轻(从几百万年到只有几周或几天)。它们被认为是由地下水渗漏形成的。这是唯一一个观测到这些特征的地点，距离火星赤道比纬度30°更近。其他地点则更靠近两极。图片来源:NASA/JPL/马林空间科学系统。

火山口或山谷壁上的悬崖。有人认为，它们是由冰坝后面的水形成的，水是从地表下的一个源头渗出来的。冰坝最终决堤，洪水冲下了峡谷。这些特征被认为是相对较晚形成的，今天甚至可能有活跃的水流。这些结构的形态与地球上水流形成的形态相似。然而，它们也有可能是由其他液体形成的，比如液态二氧化碳。

也有证据表明，火星上的环境并不总是像今天这样不适宜居住，它曾经是一个更温暖、更湿润的世界。这里有洪水面，沉积岩，河谷和侵蚀功能表明在火星历史的某个阶段存在大量液态水(图7.4)。环境本来可以更有利于生命及其进化。也许有幸存者已经适应了今天寒冷干燥的环境。它们可以在罕见的有利地点存活，就像地球上的隐生生物一样，蛰伏着等待可以生长和繁殖的条件。可能有更早、更温和时期的生命化石证据。一些人认为这样的火星化石已经被发现了。

1996年，由美国宇航局德克萨斯州约翰逊航天中心的大卫·麦凯和斯坦福大学的理查德·扎尔领导的一个研究小组宣布，他们在火星陨石中发现了生命化石的证据。这块陨石是1984年在南极洲收集到的。其参考编号为ALH84001: ALH来自其收集地点(南极洲Allan Hills)， 84为收集年份(1984年)，001为样品编号。南极高原是一个寻找陨石的好地方，因为它们很容易被发现，否则就没有任何特征冰雪。沿着山脉向上流动的冰往往把陨石的位置集中在这个地区。ALH84001最初被归类为一颗闪长岩陨石，这意味着它被认为是一组陨石中的一员，被认为是来自小行星带。直到大约10年后，人们才认识到它属于那组罕见的来自火星的陨石。在已经收集到的大约2万颗陨石中，只有15颗被确定为来自火星。它们被认为是小行星与火星碰撞的结果，小行星将火星上的岩石喷射到太空中，这些岩石在着陆地球之前徘徊在太阳系中。据估计，每年大约有半吨火星物质落在地球上，但其中大部分都没有被收集起来。科学家们可以确定这些陨石来自火星，因为在一些陨石中气体组成与维京号探测到的火星大气相匹配。

在ALH84001上存在生命化石的证据主要围绕着可见的碳酸盐沉积物的存在，比如碳酸钙(方解石)。这些矿物质是由水和矿物质沉淀形成的

图7.5在火星陨石ALH84001上发现的可能的生命化石。这些结构比细菌小得多，只有20-100纳米长(一纳米是一米的十亿分之一)。图片:美国航空航天局。

表明水在陨石现有结构中的存在和参与。特别令人感兴趣的是分布在整个陨石中的碳酸盐球。这些岩石的边缘呈现出明显的分层结构，由富含镁、铁和钙的碳酸盐交替构成。在地球上，这种类型的分层是在细菌活动辅助下矿物质沉淀的地方产生的。小颗粒的磁铁矿(Fe3O4)和硫化铁与富铁碳酸盐相结合。这些矿物质通常不会一起出现，除非某些细菌的活动导致它们同时产生。检测到的有机化合物(多环芳香烃)的浓度和分布表明，它们不是由于陆源污染造成的。

也许最有趣的是通过扫描电子显微镜观察到的与碳酸盐球相关的细菌样物体的存在(图7.5)。这些细菌呈香肠状或看起来像米粒，外观与陆地细菌非常相似。然而，它们要小得多，大约比大多数细菌小100倍。这个尺寸范围(纳米级)的陆生生物化石已经被报道过，尽管对于这些生物是否起源于活的有机体存在争议。然而，1999年3月，来自昆士兰大学的菲利帕·尤温斯和一组研究人员宣布，他们从探井中回收的砂岩中分离出了活的纳米颗粒。这些化石看起来与火星化石不同，但尺寸范围相同。

自从公布了在ALH84001上可能存在化石生命的证据以来，已经提出了许多非生物学的解释，并且积累的证据可能与所观察到的结构的生物起源相矛盾。在我们能够向火星发射任务以回收样本进行分析之前，争议不太可能得到解决。条件干谷南极洲是地球上最接近火星的区域，并被用作开发在这颗红色星球上寻找生命的技术的试验场。

木星及其卫星

木星是太阳系中质量最大的行星。木星周围至少有16颗卫星或卫星，其中最大的四颗(木卫一、木卫二、木卫三和木卫四)是伽利略在1610年发现的。木星是一颗气态巨行星，它的大部分体积都是由氢和氦组成的厚厚的大气层。如果这颗行星有一个固体核心，那么它被认为只占其体积的一小部分。木星的大气在整体组成上与太阳的相似。它不是通过核反应产生热量，而是通过地球在重力作用下冷却时的持续收缩产生热量。生命所必需的所有元素都存在于木星的大气层中。水蒸气(可能以液态水的形式存在于云中)和一些有机化合物(包括甲烷、乙烷、乙炔和氰化氢)已经被检测到。上层大气的温度足够低，生命可以生存。然而，在大气层深处，生命很快就会被高温和高压摧毁。 As with Venus, it is possible to imagine life forms floating in the upper atmosphere. It is difficult, however, to imagine how such life could have evolved.

至少木星的一颗卫星看起来更有希望。有些卫星有热源由于它们与木星以及彼此之间的引力相互作用而产生的潮汐加热。木卫一围绕木星的轨道并不是完全圆形的，因此，在其轨道的不同时间，它离木星有近有远。因此，木星对木卫一的引力变化，扭曲了木卫一的形状。这种引力扭曲产生摩擦，从而产生热量。木卫一的潮汐加热足以使其大部分内部保持熔融状态，表面有丰富的火山活动。没有证据表明木卫一上存在水(任何形式)，也不太可能存在生命。

木卫二上的潮汐加热量比木卫一小得多，而且它的表面很冷。旅行者1号和2号宇宙飞船在1979年，伽利略号宇宙飞船在20世纪90年代末和2000年获得了木卫二表面的显著图像。从远处看，火星表面相对光滑，几乎没有撞击坑。这表明它经常被重新发现。木卫二表面对阳光的吸收表明它几乎完全由水冰组成。然而，有裂缝和图案表明地表下存在液态水，地表上有液态水的周期性流动(图7.6)。有可能木卫二完全被冰冻的海洋覆盖，表面下有液态水。地下水可以通过潮汐加热产生的热量、放射性衰变和阳光的穿透来保持液态。对这些来源产生的热量的估计差异很大，液态水可能存在于木卫二表面或表面以下，或者海洋可能完全冻结。

即使海洋几乎完全被冻结，也可能存在由摩擦加热或火山活动维持的液态水的口袋或湖泊。的发现沃斯托克湖中部下方也有类似的湖泊冰高原(见第2章)的研究表明，这样的湖泊可以

图7.6木卫二的Conamara混沌区显示了相对较近的地表重新形成。形状不规则的冰块是由现有地壳的运动和破裂形成的。这是由伽利略号太空探测器于1997年拍摄的图像拼接而成。图片来源:NASA/JPL/Caltech

即使被4公里厚的冰覆盖也能存在。哪里有液态水，哪里就可能有生命，而木卫二是太阳系中继火星之后最有希望寻找外星生命的地方。对沃斯托克湖的兴趣部分源于它与木卫二上可能的情况的相似性，以及它作为开发在这些条件下寻找生命的技术的模型的潜力。欧罗巴上生命最有可能的能量来源是由潮汐加热驱动的热液系统的化学氧化，提供液态水和能量来源。

泰坦

土卫六是土星最大的卫星，也是太阳系第二大卫星(仅次于木卫三)。它也是太阳系中唯一一颗已知有厚厚的大气层的卫星。大气主要由氮和甲烷以及氢、一氧化碳和二氧化碳组成。除甲烷外，还检测到多种其他有机化合物，包括乙烷、丙烷、乙炔、乙烯、氰化氢、二乙炔、甲基乙炔、氰乙炔和氰。人们认为土卫六上存在水，但由于土卫六表面温度为-179°C，没有火山或热液活动，液态水的存在不太可能。由液态甲烷和乙烷组成的湖泊或海洋是可能存在的。土卫六上似乎不太可能有生命，但大量有机化合物的存在表明，它可能模仿了导致地球上生命发展的一些过程。1997年，卡西尼号宇宙飞船发射了前往土星的任务。2004年，它将部署惠更斯探测器，它将降落在土卫六上，并提供土卫六表面和大气组成的信息。

在宇宙的其他地方

当然，我们知道地球上存在生命。火星上有生命似乎是可能的，但金星上却没有。太阳周围似乎有一个适宜居住的区域:金星离太阳太近(太热)，火星可能太远(太冷)，而地球正好。除了与太阳的距离之外，行星的大小以及形成和保持大气层的能力也将决定它的宜居性。如果在宇宙中其他恒星周围存在行星，那么在它们的宜居带内可能存在类地行星。我们对生命可能存在的极端条件的理解将影响我们对恒星周围宜居带大小的估计。

对太阳系外行星的探索(太阳系外行星)主要依赖于它们对所绕恒星运动的影响。根据你对行星的定义，到2000年7月已经确认了53颗系外行星的存在。利用哈勃太空望远镜和新墨西哥州的甚大阵列等仪器，在包括双星系统在内的许多年轻恒星周围观察到了原行星盘。根据哈勃太空望远镜的观测，估计有500亿个星系，每个星系包含多达数万亿颗恒星。其中许多恒星周围可能有行星，其中一些将位于恒星的宜居带内。我们的太阳系很不寻常，因为它只有一颗恒星，而大多数恒星都是双星或多星系统。

然而，考虑到它的大小，宇宙中的其他地方似乎也有生命。我们是否能够证明它的存在是另一回事。

继续阅读:什么是“极端”

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