普通天文学/太阳系中的生命

土星环上空盘旋的土卫二，可能是继地球之后人类的下一个最佳选择。*图片来源：NASA。*

天体生物学是研究宇宙中生命的一种相对年轻的方法，以地球作为我们知识和研究的基础。天体生物学试图解决许多问题，包括

1. 宇宙中是否存在其他形式的生命？

2. 我们是宇宙中唯一的生命吗？

非常重要的是，天体生物学超越了许多科学领域的界限，创造了跨学科主题的融合，从生物学、地质学、天文学、化学到行星科学、古生物学和物理学。天体生物学涵盖了大量的知识；因此，下面仅对地外生命的困难以及地球以外生命存在的可能性和搜寻进行了精选概述。许多假设尚无定论。

陆地和地外生命预期的限制和先决条件

“生命维持系统”

- 需要来自附近恒星的能量来源来驱动吸热或吸热反应。

- 主要成分为碳的原材料，构成并形成有机分子。地球上生命的重要元素还包括氢、氮、氧、磷和硫（构成了缩写 SPONCH）。

- 生命需要某种形式的保护，以抵御有害辐射，这意味着存在大气层。

- 生物化学反应快速稳定地进行，也需要存在液体或非常浓密的溶剂。液态水，至少在地球上，是维持生命的通用溶剂，需要一定的大气成分和温度。

- 恒星的特征也可以决定周围轨道行星体上生命的容量，即通过宜居带的位置。太阳系中的宜居带被定义为围绕恒星有利于生命的区域，这通常意味着温度足够高以维持液态水的区域。地球位于我们太阳系宜居带内。随着恒星质量的增加，宜居带到恒星的距离也随之增加。此外，比太阳更热的恒星的宜居带更远，而更冷的恒星的宜居带更近，但更热的恒星会产生过量的有害电离紫外线辐射，而更冷的恒星可能会“潮汐锁定”离得太近的行星，这意味着这些行星将始终向恒星显示相同的“面”，因此有一侧非常冷，另一侧非常热。因此，比太阳更热和更冷的恒星都具有对生命不利的条件。太阳系的恒星性质决定了行星和/或卫星上生命存在的可能性。反过来，行星及其卫星相对于宜居带和恒星的位置也会影响它们对生命的适应性。在宇宙中定位宜居带可以发现生命存在的可能性。然而，后面讨论的火星和我们太阳系中的卫星可能庇护生命，即使它们不属于普遍接受的宜居带。

其他天体上生命的困难体现在几个条件上。大气压和成分差异很大，重力在太空中不同区域发生变化；例如，火星的大气层只有地球大气层的十分之一，它的大气层主要由二氧化碳构成，其重力只有地球的三分之一。目前正在探索生命的行星和卫星，也面临着与地球不同的太阳辐射和宇宙辐射系统，因为这些天体位于太阳系的更远位置。虽然它们离太阳更远，因此经历的太阳辐射更少，但没有一个具有臭氧层来抵御对生命有害的辐射，尽管有些确实具有足够的大气层来提供一些保护。此外，由紫外线辐射在含大气氧气的矿物表面作用形成的氧化剂，如氧化铁，以及极度干燥的条件，对许多有机化合物具有化学敌意。总的来说，太空对生命来说是一个非常不适宜，荒凉的地方。它包括太空真空、带有质子、电子和阿尔法粒子的太阳风在周围漂浮，辐射、太阳耀斑、宇宙辐射和低温，这些因素与地球上的滋养条件相反。[1]

极端微生物及其在生命探索中的作用

枯草芽孢杆菌是能够在太空暴露中存活的细菌物种之一（以其坚韧的孢子形式存在）。*图片来源：NASA。*

尽管生命似乎只有在特定条件下才有可能，但像地球上生活在高温、有毒、深海热液火山喷口中的细菌等极端微生物，为可能在其他星球上发展起来的生命提供了洞察，这些星球主要共享这种极端、不适宜的环境，其中也可能包括冰点温度和极少的阳光照射。地球上的生命已经设法蓬勃发展的一系列条件表明，更外太空的微环境可能是生命繁殖的场所。一些嗜盐或嗜盐细菌也通过实验被证实可以在极端的太空环境中存活大约两周。这一证据令人鼓舞，因为与地球上的极端微生物相似的生命可能存在于其他行星或卫星上的外太空，尽管环境恶劣。

太阳系中其他可能存在生命的候选者

火星

1976年，对这颗红色星球进行了寻找微生物生命的搜索。两艘维京着陆器对火星土壤进行了三次实验，以通过以下方式检测细菌的存在：1）检测二氧化碳的固定，2）通过放射性呼吸测量观察可能的代谢过程，以及 3）测量二氧化碳、氮气、甲烷、氢气和氧气的产生和吸收。一些测试产生了积极的结果：一项实验表明火星土壤确实将碳转化为一些有机物，但这些物质不一定是活的或生物的，并且该物质没有被确认是有机的。1997年的探路者任务在火星岩石中发现了镁、铝、铁和磷酸盐，这些都是可能的生命支持物质。火星大气中也发现了甲烷。甲烷很重要，因为它是有机化合物（如氰化氢）的构建基块分子，而这些化合物对于构成生命必不可少的氨基酸至关重要。然而，在火星的地形上还没有发现确切的有机物。

火星曾经可能存在水，但现在没有任何液态水，因为它的气压太低了。火星也很小，这降低了它保持大气层的可能性，并增加了热量损失的速度，导致-63摄氏度的低温，这进一步显著降低了地表液态水的可能性。

火星上的古老景观，有许多撞击坑。小型水道表明过去可能存在水，这可能使地表变得光滑。*图片来源：NASA。*

存在一些可能隐藏在冰层下的水（因此也可能存在生命）的初步证据。火星的景观上点缀着似乎被水侵蚀的古老陨石坑。陨石坑的存在表明地质构造活动很低或没有，然而，火星上的一些区域被抚平了，因此暗示了水的活动。火星上干燥的河流状特征也可能是由长时间的流水冲刷而成的。同样的水以巨大洪水的形式可能造成了在这颗干燥的星球上可以观察到的宽阔水道。

火星巨大的火山，如奥林匹斯山，可以为维持地下水提供内部热量。根据布鲁斯·雅可斯基的说法，“由于这些火山类似于地球上极端微生物的生存条件，因此存在热液喷口[由于这些火山]的可能性。”[2] 尽管在火星大气中也发现了主要是二氧化碳、氢、氧和氮的碳，这增加了该星球上存在生命的可能性，但仍然没有发现明确的生命形式。

1984年撞击并从南极洲回收的已确认的火星陨石 ALH84001 也可能揭示火星上存在生命的可能性。该陨石由年轻的火山岩组成，这些火山岩具有部分溶解的碳酸盐球体，表明液态水的渗透，以及识别为纳米生物的古代化石细菌状物体，其大小约为病毒。纳米生物被假设为最小的生命形式，通常存在于某些岩石和沉积物中。在陨石中发现的磁铁矿和硫化铁颗粒可能是细菌留下的，但令人信服的非生物解释不允许它们与部分溶解的碳酸盐共存。此外，这些明显的生命形式可能是来自地球生命的污染。所有结论都是暂定的，并受到激烈争议。

木卫二

木卫二，是木星四大卫星之一，其表面覆盖着光滑的水冰层，表明其下方可能存在一个全球性的液态水海洋，为生命提供孕育环境。虽然温度低至-145摄氏度，但一些可能的因素可能阻止了水结冰。有人提出，木卫二绕木星运行的偏心轨道所产生的潮汐摩擦力导致了潮汐加热。木星的引力对近侧比远侧更强，从而产生潮汐隆起，可能会使冰壳表面破裂并加热内部。大约5-25公里厚的冰盖也可以隔热，保护下面的水。深处的火山可能存在热液喷口，为加热和维持液态水提供能量来源。

木卫二表面非常光滑，陨石坑很少。这不可能是由于大气层燃烧或陨石坑风化造成的，因为木卫二的大气层非常稀薄。因此，一个可能的解释是冰层覆盖着一个海洋，使表面变得平坦。其表面的一些部分显示出分离的冰块，但似乎像拼图一样可以拼凑在一起。这些冰山可能是被下面的泥浆或液态水移动的。木卫二地貌中的山脊表明，存在水从冰裂缝中涌出，重新冻结，然后形成越来越高的山脊。1996年，伽利略号探测器在木卫二表面探测到磁场，表明那里一定存在一些电传导，这可能是由咸水海洋产生的。前面提到的热液喷口可能喷发并将能量、热量和化学物质混合到木卫二的海洋中，可能滋养了生命。木星引力对木卫二表面产生的潮汐，也可能在海洋中混合生命所需的物质。

伽利略号于1997年拍摄的木卫二自然图像（左）和增强图像（右）。白色和蓝色区域被认为含有水冰。棕色部分可能是含水盐。穿过月球表面的黑线可能是冰壳裂缝。*图片来源：美国宇航局*。

关于木卫二上存在生命的可能性，伽利略号探测器的观测表明，木卫二的冰层含有二氧化碳，当木星强烈照射木卫二的冰层时，被照射的二氧化碳会产生简单的有机分子，如甲醛，这是生命演化的一个步骤。潮汐加热和放射性元素的衰变可以为火山喷口附近的水下生命提供能量，这是生命的基本前提之一。木星磁场的能量粒子分解冰层中的分子，产生过氧化氢、氧分子和氢，也能为生命提供能量。最后，在木卫二的水下岩石中，存在着与其他太阳系潜在生命星球中相同的生命形成元素。

土卫六

土卫六，土星最大的卫星，是太阳系中唯一拥有云层和浓密大气的卫星，其大气压约为地球大气压的1.5倍。它还含有许多有机气体，如甲烷、乙烷、氮气和碳氢化合物，并拥有与40亿年前的地球类似的条件，使生命得以发展。土卫六的地貌上覆盖着极高的山脉，最近发现其中也含有甲烷。月球表面上的暗斑可能揭示了液态有机物质湖泊，包括甲烷和/或乙烷。

太阳的辐射与土卫六大气中的氮气和甲烷发生反应，产生橙色雾霾，并形成稳定的有机物质流，如黑色的乙烷，从天空中降落下来，提供更多富含碳的分子，这些分子可以产生生命。大气中存在甲烷气体表明，液态甲烷和乙烷的局部储层正缓慢地蒸发成大气中的气态形式。美国宇航局艾姆斯研究中心的科学家认为，产甲烷微生物（甲烷菌）可能在土卫六上繁盛，因为土卫六的大气和周围环境都含有大量的甲烷。然而，液态甲烷和乙烷比液态水冷200摄氏度左右，生化反应发生的速率非常缓慢。这些化合物作为溶剂的能力也远不如水，因此生命诱导能力也低得多。由于温度低至-178摄氏度，水也缺失。很久以前，土卫六可能更温暖，拥有水，甚至可能存在生命。水可能仍然存在于现在冰冷的岩石表面之下，隐藏着生命的迹象。

土卫二

土卫二，土星的另一颗卫星，是目前“寻找生命”的重点区域。与木星的木卫二一样，土卫二表面非常光滑，几乎没有陨石坑，但这是由于持续的地质活动造成的，这是相对年轻的星球或在这种情况下，与星球相关的卫星的特征。这颗土星内部的小卫星拥有以水蒸气为主的大气，并且在其冰质南极下方大约只有0.5公里处存在液态水库，这意味着热量来源来自月球的南极。尽管整体温度远低于冰点，为-203摄氏度，但这个南极实际上是相对的“热点”，温度为-183摄氏度。南极还存在“虎纹”区域或裂缝，这些区域是更温暖的空间，表明存在地热活动。

还发现，从月球南极喷出的水蒸气和冰晶羽流中含有有机物质，如二氧化碳、甲烷和丙烷。这种羽流也表明海洋储层中存在有机物汤。与地球一样，土卫二的液态水库附近可能存在水下热液喷口，产生能量来加热水。然而，这颗小卫星如何产生如此多的热量仍然令人费解。也许一个含有水冰和气体粒子的绝缘外壳可以帮助保留热量。高压液态水也可能为喷射冰质水物质进入太空的间歇泉提供燃料，这些物质会分解成氢气和氧气。

这些间歇泉可能从高于0摄氏度的浅层液态水口袋中喷发。月球表面附近很少出现液态水，这引发了更多关于这颗神秘的遥远卫星上存在生命的疑问和推测。目前，美国宇航局的卡西尼号探测器一直在拍摄土卫二的高分辨率照片，并验证了大量解释土卫二上重大发现的理论。这艘探测器计划在2008年10月飞近土卫二，以便对其间歇泉进行观测。

在光年之外，可能还有许多行星和卫星是生命的立足点，因为我们在自己的星系中发现了许多行星和卫星上存在生命的证据！上面讨论的各种各样的，通常是严酷的行星特征似乎表明存在生命，这拓宽了人们对寻找适合生命生存的环境的观念和前景，而这种生命并非以人形绿色皮肤的火星人形式存在，而是以微生物的形式存在，这些微生物可能与地球上的极端微生物有遥远的关系。

注释

[1] Mancinelli, Rocco. "Life Beyond Earth/Panspermia ." HumBio 183 Astrobiology and Space Exploration. Bldg 60-61G, Stanford University. 13 Feb. 2007.

[2] Pacchioli, David. "Mars Revisited." Astrobiology: The Search for Life in the Universe. Jan. 2001. Research Penn State. 21 Feb. 2007 <http://www.rps.psu.edu/0101/mars.html>.

参考文献

"About Astrobiology." NASA Astrobiology. Ed. Minafra/Boldt. 2 Feb. 2006. NASA. 21 Feb. 2007 <http://astrobiology.arc.nasa.gov/about/index.cfm>.

Astrobiology: The Living Universe. 2000. ThinkQuest. 21 Feb. 2007 <http://library.thinkquest.org/C003763/index.php>.

Bennett, Jeffrey, Seth Shostak, and Bruce Jakosky. Life in the Universe. San Francisco: Pearson Education, Inc., 2003.

Black, Richard. "Saturn's moon 'best bet for life' ." BBC NEWS. 10 Apr. 2006. 21 Feb. 2007 <http://news.bbc.co.uk/2/hi/sci/tech/4895358.stm>.

Boyle, Alan. "Liquid water on Saturn moon could support life." MSNBC Space News. 9 Mar. 2006. 21 Feb. 2007 <http://www.msnbc.msn.com/id/11736311/>.

Mallery, Charles H. Astrobiology. Course home page. 29 Apr. 2003. Department of Biology, University of Miami. 21 Feb. 2007 <http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/150/astrobiol/exobiol/exobiol.htm>.

Mancinelli, Rocco. "Life Beyond Earth/Panspermia ." HumBio 183 Astrobiology and Space Exploration. Bldg 60-61G, Stanford University. 13 Feb. 2007.

Pacchioli, David. "Mars Revisited." Astrobiology: The Search for Life in the Universe. Jan. 2001. Research Penn State. 21 Feb. 2007 <http://www.rps.psu.edu/0101/mars.html>.

Roach, John. "Jupiter Moon May Have Life -- Experts Urge a Mission." National Geographic News. 23 Mar. 2005. 21 Feb. 2007 <http://news.nationalgeographic.com/news/2005/03/0323_050323_jupitereuropa.html>.

Rothschild, Lynn. "The Search for Life on Titan, Europa, Enceladus and beyond." HumBio 183 Astrobiology and Space Exploration. Bldg 60-61G, Stanford University. 15 Feb. 2007.

"The Giant Titan: Moon of Mysteries ." Exploring Saturn. 2005. Space Today Online. 21 Feb. 2007 <http://www.spacetoday.org/SolSys/Saturn/SaturnTitan.html>.

"Tiny Enceladus May Hold Ingredients of Life ." PhysOrg. 5 Sept. 2005. University of Arizona. 21 Feb. 2007 <http://www.physorg.com/news6237.html>.

Wong, Tony. Astrobiology: Life in the Universe. Course home page. Dept. of Astronomy, U of California, Berkeley. 21 Feb. 2007