2025年初，牛津大學(xué)團隊確認了超地球HD?20794?d，這顆“超級類地行星”，其信號首次被捕捉于2022年。它繞一顆類太陽G型恒星運行，距地球僅20光年，質(zhì)量約為地球的6倍，處于宜居帶內(nèi)，可能具備液態(tài)水條件。

尋找宜居星球不僅關(guān)乎科學(xué)探索，也關(guān)乎人類未來的延續(xù)。隨著地球資源日益緊張，環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，探索第二個“地球”不再只是幻想，而是科技與文明延伸的自然訴求。宜居星球的研究，將引領(lǐng)我們重新思考生命的脆弱與宇宙的廣闊，拓展人類認知的邊界。

《太陽、地球、生命的起源》，[法]米里埃爾·加爾戈[法]埃爾韋·馬丁 [法]普里菲卡西翁·洛佩-加西亞等 著，冷偉 梁鵬 林巍等 譯，后浪

本書改編自特刊書《從太陽到生命：地球生命起源編年史》，由二十多位國際專家合著，國內(nèi)權(quán)威學(xué)者團隊合譯，是目前國內(nèi)外天體生物學(xué)領(lǐng)域的經(jīng)典之作。作者以追溯地球生命的起源為主線，將各學(xué)科領(lǐng)域近年來相關(guān)的研究成果整合在一起，從天體生物學(xué)視角重新審視了早期生命的起源這一古老的話題，按時間順序講述了使得地球孕育出生命的14個重大事件：太陽誕生、地球形成、晚期重轟擊、最早生命形式的出現(xiàn)……閱讀本書，讀者將依次化身為天文學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家、化學(xué)家、生物化學(xué)家、生物學(xué)家，重構(gòu)從45.7億年前太陽系形成之初至5.4億年前的寒武紀(jì)大爆發(fā)這段時期的地球起源和地球生命誕生的故事。

以下內(nèi)容選自《太陽、地球、生命的起源》，較原文有刪節(jié)修改。

作者 | [法]米里埃爾·加爾戈 等

宇宙的千億星系中有一個很特別的星系，在那個星系的千億恒星中有一顆恒星名字叫太陽。太陽的行星中有一顆小小的藍色星球，它所處的位置既不太冷也不太熱，這里是無數(shù)生命的家園。這顆充滿生機的行星——地球，對我們來說是獨一無二的，因為它是我們?nèi)祟惖男乔颉５墙?jīng)過實際觀測，天文學(xué)家已經(jīng)可以確定，大多數(shù)類太陽恒星周圍都有行星系。那么，系外行星可能宜居嗎？

01

什么樣的星球才是宜居的？

從4.57Ga（10億年）地球在太陽系中誕生到540Ma（百萬年）的寒武紀(jì)大爆發(fā)，這段歷史見證了我們星球的形成，它在地球物理和地球化學(xué)的作用下不斷地被塑造，最終，生命在這里誕生、演化，甚至改變著地貌形態(tài)。不過，當(dāng)我們?nèi)狈ψC據(jù)時，不得不放棄歷史分析而求助于理論假說。

我們無法從任何遺跡中了解這種演化的必然性。不過，我們確定偶然性起了決定作用。所以，有沒有其他可能孕育生命的行星呢？抑或是，地球是宇宙中唯一有生命的星球嗎？

據(jù)估計，宇宙的年齡約為13.7Ga，這也是銀河系第一代恒星的年齡。換言之，從這個時間尺度上看，銀河系在宇宙大爆炸之后不久就形成了。但是，這并不意味著銀河系中所有恒星的年齡與宇宙的年齡一樣大。我們的太陽只有大概45億歲，誕生于已經(jīng)90億歲的銀河系。接著，在太陽形成不到2.0Ga，這個藍色星球上就出現(xiàn)了生命。太陽的壽命是10.0Ga，表明自銀河系誕生以來，數(shù)十億顆“太陽”已經(jīng)形成、演化，最后以行星狀星云的形式被蒸發(fā)掉；也表明有數(shù)億顆“太陽”同現(xiàn)在的太陽一樣，正處于演化之中。這就意味著，假如這些“太陽”周圍也存在“宜居”的星球，即它們當(dāng)時也滿足了生命起源的部分條件，那么，現(xiàn)在這些行星（很多此類行星甚至比地球老得多）上也可能有生命居住。

早期地球表面覆蓋著的巖漿海（藝術(shù)想象圖）

然而，至少目前看來，即使在整個太陽系，我們似乎仍是“孤獨的存在”，我們只有地球這一個孤零零的樣本。根據(jù)這一樣本，我們知道了碳鏈?zhǔn)乾F(xiàn)存所有生命體中的分子的基本骨架。這并不算是一個限制條件，因為碳是在恒星中生成的，同氧、氮一樣，它也是宇宙中含量最多的元素之一（其含量高出硅元素的10倍）。我們也了解到，液態(tài)水可以說是生命出現(xiàn)和演化必不可少的條件。同樣，水也是宇宙中常見的分子（如覆蓋在星際塵埃顆粒表層的冰）。但即使在今天，我們也難以定量星際介質(zhì)中以氣體形式存在的水的豐度（該問題是2009年春歐航局發(fā)射的“赫歇爾”號探測衛(wèi)星的主要任務(wù)之一）。

因此，雖然我們只了解一種生命形式，但根據(jù)宇宙的組成（原子、分子和聚合物），我們沒有理由把氨溶液中的硅鏈（硅基生命）等奇異的化學(xué)物質(zhì)當(dāng)作宇宙中其他星球存在另一種生命形式的證據(jù)。其次，水以液態(tài)形式存在是一個基本前提，但這需要特定的溫度和壓力范圍。地外生命探索之旅將從這些成分入手：它使我們可以定義“宜居”的星球應(yīng)該是怎么樣的（這并不代表已有生命居?。?。我們需要注意，維持地球生命所需的溫度和壓力范圍其實是極為廣泛的。假設(shè)我們增加一個額外約束條件：存在穩(wěn)定的能量庫（不管是以什么形式，尤其是光及光合作用不存在的情況下，某些生物可以利用礦物質(zhì)的化學(xué)能），可以為生命體的代謝提供能量。

02

太陽系中的其他生命

太陽系擁有數(shù)以千計的天體（行星、衛(wèi)星、小行星、彗星等），它們的物理化學(xué)性質(zhì)高度多樣化。近幾十年來的深空探測項目使得人類可以近距離觀測這些天體，人們也意識到研究地外生命這一科學(xué)問題的復(fù)雜性。首先，從行星離太陽的距離來看，太陽系有3顆巖質(zhì)行星是“宜居”的，也就是說，理論上這些行星的表面可以存在液態(tài)水：地球、金星和火星。但現(xiàn)實是，只有地球表面存在液態(tài)水且孕育了生命。生命出現(xiàn)的關(guān)鍵因素出現(xiàn)了：大氣圈及溫室效應(yīng)的存在。大氣圈中的水通過三態(tài)循環(huán)（冰/液態(tài)水/水蒸氣）完成能量的交換和從其母恒星上獲得的光能的交換。

我們已知道，如今金星的表面溫度大約是500℃，液態(tài)水不可能存在，顯然也不利于生命的生存。由于金星距離太陽較近，且金星大氣中95%以上為二氧化碳，這使得金星大氣圈非常稠密，很可能曾發(fā)生失控溫室效應(yīng)（即由于金星距離太陽太近，它失去了調(diào)控其表面溫度的能力）。

火星的問題是引力過小，因此氣體逃逸效率很高。尤其是水分子，當(dāng)水汽進入大氣并被太陽紫外輻射光解之后，氫的逃逸將使火星脫水。因此，如今火星大氣圈較薄且主要為二氧化碳，大氣壓很低，不能產(chǎn)生足夠的溫室效應(yīng)。但是軌道太空探測器如ESA的火星快車探測器的最新探測結(jié)果顯示，火星表面存在沉積層和溝壑，意味著這顆“紅色星球”表面的液態(tài)水環(huán)境可能曾持續(xù)了10億年之久。如此長的液態(tài)水環(huán)境足以使生命出現(xiàn)并演化。如果這樣的話，火星上的生命能否熬過太陽系形成700Ma后發(fā)生的猛烈的晚期重轟擊呢？抑或是大撞擊導(dǎo)致表面液態(tài)水環(huán)境的消失？

對搜尋生命跡象的研究者來說，有一點很幸運，火星表面并沒有像地球表面一樣遭受到構(gòu)造活動的不斷改造。因此，我們?nèi)杂型业焦呕鹦巧臍堐E。這就是為什么自1975年的海盜號到如今的勇氣號、機遇號、鳳凰號火星探測器，人類一直積極地在火星地表搜尋生命跡象。值得一提的是鳳凰號火星探測器，它在火星北極冰蓋附近發(fā)現(xiàn)了掩蓋在表層塵土下的水冰，驗證了火星奧德賽號軌道探測器的觀測結(jié)果。盡管我們現(xiàn)在沒有發(fā)現(xiàn)火星人，但如果過去火星上曾經(jīng)出現(xiàn)過生命，那么生命仍有可能存在于火星地下還存在液態(tài)水的某些角落。此外，火星上的地質(zhì)活動一直很活躍：火星最后一次火山噴發(fā)發(fā)生在2Ma。因此，現(xiàn)今我們?nèi)圆荒芡耆懦鹦巧洗嬖诳蔀樯峁┠芰康难趸€原環(huán)境的可能性。

伽利略號（Galileo）探測器于1992年12月7日拍攝的月球影像。

與火星和金星相比，地球是唯一一個板塊構(gòu)造運動持續(xù)進行的類地行星。因此，板塊運動可能是生命出現(xiàn)和演化的重要因素之一。地球的板塊運動使得氧化性物質(zhì)和還原性物質(zhì)共存（比如沿大洋中脊的海底熱液噴口），從而在地球內(nèi)部與表面兩者之間形成了一道能穩(wěn)定提供化學(xué)能的分界面。除太陽能之外，生命也可以利用這種化學(xué)能。

不過，板塊運動的主要作用是調(diào)控地球的氣候。在地質(zhì)時間尺度上，板塊運動構(gòu)筑起座座崇山峻嶺并導(dǎo)致了大陸的出現(xiàn)，陸面的風(fēng)化作用將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳酸鹽沉積物，之后沉積巖通過海陸邊緣的俯沖帶進入地幔。與此相反，板塊運動中的火山作用將地球內(nèi)部的二氧化碳帶入大氣。換句話說，板塊運動在長時間尺度上調(diào)節(jié)著地球大氣的二氧化碳調(diào)節(jié)系統(tǒng)（碳循環(huán)），從而使其溫室效應(yīng)相對穩(wěn)定。這一特征使地球維持了其表面溫度和液態(tài)水環(huán)境。一個星球是否宜居，很可能與星球的板塊運動密切相關(guān)。

如果金星和火星都不行，那么太陽系其他地方有可能存在液態(tài)水嗎？許多環(huán)繞巨行星的冰凍衛(wèi)星的表面顯然不可能，但這些衛(wèi)星的內(nèi)部可能存在海洋。關(guān)于冰下海洋的最有力證據(jù)是卡西尼—惠更斯號（Cassini-Huygens）探測器（ESA/NASA）最近在土衛(wèi)二（恩克拉多斯，土星較小的衛(wèi)星之一，直徑不到500km）上發(fā)現(xiàn)的間歇泉。這些間歇泉的存在有雙重含義：一方面，它表明土衛(wèi)二冰層表面之下存在液態(tài)水；另一方面，它證明土衛(wèi)二在土星的引力對其形成的潮汐作用下能夠提供足夠多的能量來維持其內(nèi)部的液態(tài)水環(huán)境。此外，土衛(wèi)二間歇泉中還發(fā)現(xiàn)了氣態(tài)二氧化碳和有機分子，這意味著某種未知生命體內(nèi)正在進行著某種化學(xué)反應(yīng)，這種反應(yīng)可以作為其代謝活動的潛在能量。

基于這項發(fā)現(xiàn)，研究者認為在沒有陽光的情況下，土衛(wèi)二深部也有可能具有為生命代謝活動提供能量的來源。另外，惠更斯號探測器在土衛(wèi)六（泰坦，土星的另一個衛(wèi)星，也是太陽系唯一有大氣圈的衛(wèi)星）上沒有發(fā)現(xiàn)水的痕跡，卻發(fā)現(xiàn)了甲烷海洋。

土衛(wèi)六行星探測卡西尼- 惠更斯號觀測到的背光下的土衛(wèi)二

木星的冰凍衛(wèi)星—木衛(wèi)二（歐羅巴，Europe），其大小與月球差不多，也是太陽系中可能存在生命的星球。木衛(wèi)二表面覆蓋的冰層上充滿了溝壑，這是冰塊緩慢運動的結(jié)果。木衛(wèi)二內(nèi)部結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果表明，木衛(wèi)二內(nèi)部存在著海洋。盡管我們很難知道生命是如何在這種環(huán)境中誕生的，但木衛(wèi)二已成為幾個旨在搜尋地外生命的深空探測項目的目標(biāo)。

03

宇宙中的其他生命？

目前，我們不知道太陽系其他地方是否也存在生命。但有一點毫無疑問，銀河系擁有數(shù)十億顆行星（系外行星），無論它們是否圍繞著太陽型恒星運行，該恒星質(zhì)量比太陽或大或小從而使行星溫度比地球或熱或冷，在天文學(xué)意義上，每一顆恒星都擁有一個“宜居帶”，即星球表面可能存在液態(tài)水的區(qū)域：行星距離恒星太遠，水將被凍結(jié)成冰（如果存在水）；距離恒星太近，水將被蒸發(fā)成水蒸氣。我們可以通過簡單的計算來確定宜居帶的位置和范圍，從而發(fā)現(xiàn)是否存在宜居系外行星，而不考慮其質(zhì)量等特征。2009年4月，研究者根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)了兩顆新的系外行星（截至2009年4月，已發(fā)現(xiàn)的系外行星有400顆）。這兩顆系外行星屬于同一行星系（目前這個行星系有4顆行星），它們的質(zhì)量分別為地球質(zhì)量的5倍和7倍。它們都圍繞著恒星格利澤581（Gliese581）運行。這顆恒星與太陽大不相同，因為它的質(zhì)量只有太陽質(zhì)量的3/10，為一顆紅矮星，不過其年齡與太陽的相當(dāng)。

這一結(jié)果表明，只根據(jù)行星液態(tài)水存在的可能性這一單一標(biāo)準(zhǔn)，我們就能夠識別與地球截然不同的“宜居”行星，下文我們會詳細討論這將給生物學(xué)帶來的重大影響。然而，情況并非如此簡單。地質(zhì)學(xué)家和地球化學(xué)家指出，地球表面液態(tài)水的存在不只與地球到太陽的距離有關(guān)，還有其他影響因素。比如，即使是在上述定義的“宜居帶”之外的星球上，溫室效應(yīng)造成的熱力強迫作用也可能使星球表面溫度保持在冰點以上。此外，板塊運動的存在也會影響溫室效應(yīng)，從而影響行星的宜居性。換句話說，上文引入的“宜居帶”概念（天文學(xué)意義上的宜居帶）是基于行星所需的最低能量之上進行定義的。這就是我們對宜居帶范圍之外的天體也感興趣的原因。不管是系內(nèi)行星（如行星的衛(wèi)星們，詳見上文土衛(wèi)二和木衛(wèi)二）還是系外行星，我們都需要加強對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部動力學(xué)的研究（目前在這類行星數(shù)量有限的情況下是可能實現(xiàn)的）。

如果我們利用光譜技術(shù)研究這些天體的大氣圈，潛在“宜居”系外行星帶的范圍可能會進一步擴大。在系外行星大氣圈中，氧氣、臭氧及甲烷或氨氣等還原性氣體的存在也可以作為星球上代謝存在的有力證據(jù)。目前，通過地面觀測站對系外行星的光譜分析研究，研究者發(fā)現(xiàn)系外行星大氣圈中可能存在水。不過，我們可能必須等到能夠發(fā)射極其精密的衛(wèi)星時才能確定，這是2025年的任務(wù)目標(biāo)。為了獲得系外行星的光譜信息，從而證實上文提到過的分子“代謝標(biāo)志物”（“生物標(biāo)志物”）的存在，ESA制定了“達爾文”計劃（Darwin），NASA也籌劃了“類地行星搜索者”（簡稱TPF）工程。

最后，對生物學(xué)家來說，“宜居星球”必須滿足現(xiàn)代生命所需的物理化學(xué)條件。這些基本條件需要通過研究地球生命生存的極限條件來確定，這意味著存在液態(tài)水（但并不局限于地表水，也可以是地下海洋，如上文所述）、適宜的溫度（介于0~110℃）及能量源。能量可以是光能，也可以是氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能，不過后者要求氧化性物質(zhì)和還原性物質(zhì)共存。除了上述條件，還有一個條件：行星的地質(zhì)活動也比較活躍。

04

生命是宇宙的偶然還是必然？

地球上的生物學(xué)家可能需要思考地球生命的起源和演化問題，但對哲學(xué)家、化學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家、天文學(xué)家來說，一個基本問題至今仍未得到解答：地球生命在宇宙中是否獨一無二？是偶然性的產(chǎn)物（1965年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主雅克·莫諾的觀點）？抑或具有必然性，即當(dāng)生命所需的物理化學(xué)條件都出現(xiàn)時的必然結(jié)果（1974年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主克里斯蒂安·德迪夫的觀點）？

如果某一天我們在另一個行星系中也發(fā)現(xiàn)了生命，或許就可以找到生命起源問題的答案。然而，即使暫且不管雅克·莫諾的激進立場，我們似乎也無法完全贊同克里斯蒂安·德迪夫所倡導(dǎo)的那種“必然性”，因為這種觀點也存在很多問題。讀者可以自行判斷。

如果有一天，我們能夠證明生命的出現(xiàn)并非地球上才發(fā)生的獨特現(xiàn)象，那么不可避免地出現(xiàn)了另一個問題：毫無疑問，宇宙中存在大量的宜居行星，生命在宇宙中依然罕見還是具有必然性和普遍性？如果是后者的話，生命出現(xiàn)甚至生存的這些基本條件是否可以被精確定義呢？單純從物理化學(xué)條件（液態(tài)水及有機分子的存在）來看，我們或許可以對其進行定義，因為這些成分遍布宇宙的各個角落，且含量豐富。然而，只要地球生命的起源過程尚未可知，我們就很難給出明確的答案。

《史前星球》第一季（2022）劇照。

即便我們能夠回答前面的問題，那么我們可能探測出來的地外生命又是如何進行演化的呢？我們已探測到各種各樣可能含有液態(tài)水的行星，肯定有很多潛在宜居星球環(huán)繞著格利澤581這樣的恒星運行。由于這類恒星較冷（相比太陽的5900K，該恒星表面溫度僅為3500K）且在紅外波段和紫外波段的輻射都大大強于太陽（存在活動劇烈的色球?qū)樱渲車行巧系纳裱难莼緩胶芸赡芘c地球生命的大大不同。能量交換又將如何進行？它們的機制和效率如何？會有何種光合作用？演化的速度會有多快？生命會演化到什么樣子？與太陽不同，0.3M☉（太陽質(zhì)量）的恒星的壽命近乎永生！如今還有很多懸而未決的問題待解開。

如果將來我們確實發(fā)現(xiàn)了地外生命的可靠跡象，也許我們就能給出這些問題的答案。我們甚至可能通過這種非同尋常但間接的手段來了解地球生命的起源，也就是我們?nèi)祟惖钠鹪础＿@豈不是一件很有意思的事。

內(nèi)容來源《太陽、地球、生命的起源》