普通天文學/太陽系中的生命

土星環上空盤旋的土衛二，可能是繼地球之後人類的下一個最佳選擇。*圖片來源：NASA。*

天體生物學是研究宇宙中生命的一種相對年輕的方法，以地球作為我們知識和研究的基礎。天體生物學試圖解決許多問題，包括

1. 宇宙中是否存在其他形式的生命？

2. 我們是宇宙中唯一的生命嗎？

非常重要的是，天體生物學超越了許多科學領域的界限，創造了跨學科主題的融合，從生物學、地質學、天文學、化學到行星科學、古生物學和物理學。天體生物學涵蓋了大量的知識；因此，下面僅對地外生命的困難以及地球以外生命存在的可能性和搜尋進行了精選概述。許多假設尚無定論。

陸地和地外生命預期的限制和先決條件

“生命維持系統”

- 需要來自附近恆星的能量來源來驅動吸熱或吸熱反應。

- 主要成分為碳的原材料，構成並形成有機分子。地球上生命的重要元素還包括氫、氮、氧、磷和硫（構成了縮寫 SPONCH）。

- 生命需要某種形式的保護，以抵禦有害輻射，這意味著存在大氣層。

- 生物化學反應快速穩定地進行，也需要存在液體或非常濃密的溶劑。液態水，至少在地球上，是維持生命的通用溶劑，需要一定的大氣成分和溫度。

- 恆星的特徵也可以決定周圍軌道行星體上生命的容量，即透過宜居帶的位置。太陽系中的宜居帶被定義為圍繞恆星有利於生命的區域，這通常意味著溫度足夠高以維持液態水的區域。地球位於我們太陽系宜居帶內。隨著恆星質量的增加，宜居帶到恆星的距離也隨之增加。此外，比太陽更熱的恆星的宜居帶更遠，而更冷的恆星的宜居帶更近，但更熱的恆星會產生過量的有害電離紫外線輻射，而更冷的恆星可能會“潮汐鎖定”離得太近的行星，這意味著這些行星將始終向恆星顯示相同的“面”，因此有一側非常冷，另一側非常熱。因此，比太陽更熱和更冷的恆星都具有對生命不利的條件。太陽系的恆星性質決定了行星和/或衛星上生命存在的可能性。反過來，行星及其衛星相對於宜居帶和恆星的位置也會影響它們對生命的適應性。在宇宙中定位宜居帶可以發現生命存在的可能性。然而，後面討論的火星和我們太陽系中的衛星可能庇護生命，即使它們不屬於普遍接受的宜居帶。

其他天體上生命的困難體現在幾個條件上。大氣壓和成分差異很大，重力在太空中不同區域發生變化；例如，火星的大氣層只有地球大氣層的十分之一，它的大氣層主要由二氧化碳構成，其重力只有地球的三分之一。目前正在探索生命的行星和衛星，也面臨著與地球不同的太陽輻射和宇宙輻射系統，因為這些天體位於太陽系的更遠位置。雖然它們離太陽更遠，因此經歷的太陽輻射更少，但沒有一個具有臭氧層來抵禦對生命有害的輻射，儘管有些確實具有足夠的大氣層來提供一些保護。此外，由紫外線輻射在含大氣氧氣的礦物表面作用形成的氧化劑，如氧化鐵，以及極度乾燥的條件，對許多有機化合物具有化學敵意。總的來說，太空對生命來說是一個非常不適宜，荒涼的地方。它包括太空真空、帶有質子、電子和阿爾法粒子的太陽風在周圍漂浮，輻射、太陽耀斑、宇宙輻射和低溫，這些因素與地球上的滋養條件相反。[1]

極端微生物及其在生命探索中的作用

枯草芽孢桿菌是能夠在太空暴露中存活的細菌物種之一（以其堅韌的孢子形式存在）。*圖片來源：NASA。*

儘管生命似乎只有在特定條件下才有可能，但像地球上生活在高溫、有毒、深海熱液火山噴口中的細菌等極端微生物，為可能在其他星球上發展起來的生命提供了洞察，這些星球主要共享這種極端、不適宜的環境，其中也可能包括冰點溫度和極少的陽光照射。地球上的生命已經設法蓬勃發展的一系列條件表明，更外太空的微環境可能是生命繁殖的場所。一些嗜鹽或嗜鹽細菌也透過實驗被證實可以在極端的太空環境中存活大約兩週。這一證據令人鼓舞，因為與地球上的極端微生物相似的生命可能存在於其他行星或衛星上的外太空，儘管環境惡劣。

太陽系中其他可能存在生命的候選者

火星

1976年，對這顆紅色星球進行了尋找微生物生命的搜尋。兩艘維京著陸器對火星土壤進行了三次實驗，以透過以下方式檢測細菌的存在：1）檢測二氧化碳的固定，2）透過放射性呼吸測量觀察可能的代謝過程，以及 3）測量二氧化碳、氮氣、甲烷、氫氣和氧氣的產生和吸收。一些測試產生了積極的結果：一項實驗表明火星土壤確實將碳轉化為一些有機物，但這些物質不一定是活的或生物的，並且該物質沒有被確認是有機的。1997年的探路者任務在火星岩石中發現了鎂、鋁、鐵和磷酸鹽，這些都是可能的生命支援物質。火星大氣中也發現了甲烷。甲烷很重要，因為它是有機化合物（如氰化氫）的構建基塊分子，而這些化合物對於構成生命必不可少的氨基酸至關重要。然而，在火星的地形上還沒有發現確切的有機物。

火星曾經可能存在水，但現在沒有任何液態水，因為它的氣壓太低了。火星也很小，這降低了它保持大氣層的可能性，並增加了熱量損失的速度，導致-63攝氏度的低溫，這進一步顯著降低了地表液態水的可能性。

火星上的古老景觀，有許多撞擊坑。小型水道表明過去可能存在水，這可能使地表變得光滑。*圖片來源：NASA。*

存在一些可能隱藏在冰層下的水（因此也可能存在生命）的初步證據。火星的景觀上點綴著似乎被水侵蝕的古老隕石坑。隕石坑的存在表明地質構造活動很低或沒有，然而，火星上的一些區域被撫平了，因此暗示了水的活動。火星上乾燥的河流狀特徵也可能是由長時間的流水沖刷而成的。同樣的水以巨大洪水的形式可能造成了在這顆乾燥的星球上可以觀察到的寬闊水道。

火星巨大的火山，如奧林匹斯山，可以為維持地下水提供內部熱量。根據布魯斯·雅可斯基的說法，“由於這些火山類似於地球上極端微生物的生存條件，因此存在熱液噴口[由於這些火山]的可能性。”[2] 儘管在火星大氣中也發現了主要是二氧化碳、氫、氧和氮的碳，這增加了該星球上存在生命的可能性，但仍然沒有發現明確的生命形式。

1984年撞擊並從南極洲回收的已確認的火星隕石 ALH84001 也可能揭示火星上存在生命的可能性。該隕石由年輕的火山岩組成，這些火山岩具有部分溶解的碳酸鹽球體，表明液態水的滲透，以及識別為奈米生物的古代化石細菌狀物體，其大小約為病毒。奈米生物被假設為最小的生命形式，通常存在於某些岩石和沉積物中。在隕石中發現的磁鐵礦和硫化鐵顆粒可能是細菌留下的，但令人信服的非生物解釋不允許它們與部分溶解的碳酸鹽共存。此外，這些明顯的生命形式可能是來自地球生命的汙染。所有結論都是暫定的，並受到激烈爭議。

木衛二

木衛二，是木星四大衛星之一，其表面覆蓋著光滑的水冰層，表明其下方可能存在一個全球性的液態水海洋，為生命提供孕育環境。雖然溫度低至-145攝氏度，但一些可能的因素可能阻止了水結冰。有人提出，木衛二繞木星執行的偏心軌道所產生的潮汐摩擦力導致了潮汐加熱。木星的引力對近側比遠側更強，從而產生潮汐隆起，可能會使冰殼表面破裂並加熱內部。大約5-25公里厚的冰蓋也可以隔熱，保護下面的水。深處的火山可能存在熱液噴口，為加熱和維持液態水提供能量來源。

木衛二表面非常光滑，隕石坑很少。這不可能是由於大氣層燃燒或隕石坑風化造成的，因為木衛二的大氣層非常稀薄。因此，一個可能的解釋是冰層覆蓋著一個海洋，使表面變得平坦。其表面的一些部分顯示出分離的冰塊，但似乎像拼圖一樣可以拼湊在一起。這些冰山可能是被下面的泥漿或液態水移動的。木衛二地貌中的山脊表明，存在水從冰裂縫中湧出，重新凍結，然後形成越來越高的山脊。1996年，伽利略號探測器在木衛二表面探測到磁場，表明那裡一定存在一些電傳導，這可能是由鹹水海洋產生的。前面提到的熱液噴口可能噴發並將能量、熱量和化學物質混合到木衛二的海洋中，可能滋養了生命。木星引力對木衛二表面產生的潮汐，也可能在海洋中混合生命所需的物質。

伽利略號於1997年拍攝的木衛二自然影像（左）和增強影像（右）。白色和藍色區域被認為含有水冰。棕色部分可能是含水鹽。穿過月球表面的黑線可能是冰殼裂縫。*圖片來源：美國宇航局*。

關於木衛二上存在生命的可能性，伽利略號探測器的觀測表明，木衛二的冰層含有二氧化碳，當木星強烈照射木衛二的冰層時，被照射的二氧化碳會產生簡單的有機分子，如甲醛，這是生命演化的一個步驟。潮汐加熱和放射性元素的衰變可以為火山噴口附近的水下生命提供能量，這是生命的基本前提之一。木星磁場的能量粒子分解冰層中的分子，產生過氧化氫、氧分子和氫，也能為生命提供能量。最後，在木衛二的水下岩石中，存在著與其他太陽系潛在生命星球中相同的生命形成元素。

土衛六

土衛六，土星最大的衛星，是太陽系中唯一擁有云層和濃密大氣的衛星，其大氣壓約為地球大氣壓的1.5倍。它還含有許多有機氣體，如甲烷、乙烷、氮氣和碳氫化合物，並擁有與40億年前的地球類似的條件，使生命得以發展。土衛六的地貌上覆蓋著極高的山脈，最近發現其中也含有甲烷。月球表面上的暗斑可能揭示了液態有機物質湖泊，包括甲烷和/或乙烷。

太陽的輻射與土衛六大氣中的氮氣和甲烷發生反應，產生橙色霧霾，並形成穩定的有機物質流，如黑色的乙烷，從天空中降落下來，提供更多富含碳的分子，這些分子可以產生生命。大氣中存在甲烷氣體表明，液態甲烷和乙烷的區域性儲層正緩慢地蒸發成大氣中的氣態形式。美國宇航局艾姆斯研究中心的科學家認為，產甲烷微生物（甲烷菌）可能在土衛六上繁盛，因為土衛六的大氣和周圍環境都含有大量的甲烷。然而，液態甲烷和乙烷比液態水冷200攝氏度左右，生化反應發生的速率非常緩慢。這些化合物作為溶劑的能力也遠不如水，因此生命誘導能力也低得多。由於溫度低至-178攝氏度，水也缺失。很久以前，土衛六可能更溫暖，擁有水，甚至可能存在生命。水可能仍然存在於現在冰冷的岩石表面之下，隱藏著生命的跡象。

土衛二

土衛二，土星的另一顆衛星，是目前“尋找生命”的重點區域。與木星的木衛二一樣，土衛二表面非常光滑，幾乎沒有隕石坑，但這是由於持續的地質活動造成的，這是相對年輕的星球或在這種情況下，與星球相關的衛星的特徵。這顆土星內部的小衛星擁有以水蒸氣為主的大氣，並且在其冰質南極下方大約只有0.5公里處存在液態水庫，這意味著熱量來源來自月球的南極。儘管整體溫度遠低於冰點，為-203攝氏度，但這個南極實際上是相對的“熱點”，溫度為-183攝氏度。南極還存在“虎紋”區域或裂縫，這些區域是更溫暖的空間，表明存在地熱活動。

還發現，從月球南極噴出的水蒸氣和冰晶羽流中含有有機物質，如二氧化碳、甲烷和丙烷。這種羽流也表明海洋儲層中存在有機物湯。與地球一樣，土衛二的液態水庫附近可能存在水下熱液噴口，產生能量來加熱水。然而，這顆小衛星如何產生如此多的熱量仍然令人費解。也許一個含有水冰和氣體粒子的絕緣外殼可以幫助保留熱量。高壓液態水也可能為噴射冰質水物質進入太空的間歇泉提供燃料，這些物質會分解成氫氣和氧氣。

這些間歇泉可能從高於0攝氏度的淺層液態水口袋中噴發。月球表面附近很少出現液態水，這引發了更多關於這顆神秘的遙遠衛星上存在生命的疑問和推測。目前，美國宇航局的卡西尼號探測器一直在拍攝土衛二的高解析度照片，並驗證了大量解釋土衛二上重大發現的理論。這艘探測器計劃在2008年10月飛近土衛二，以便對其間歇泉進行觀測。

在光年之外，可能還有許多行星和衛星是生命的立足點，因為我們在自己的星系中發現了許多行星和衛星上存在生命的證據！上面討論的各種各樣的，通常是嚴酷的行星特徵似乎表明存在生命，這拓寬了人們對尋找適合生命生存的環境的觀念和前景，而這種生命並非以人形綠色皮膚的火星人形式存在，而是以微生物的形式存在，這些微生物可能與地球上的極端微生物有遙遠的關係。

註釋

[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>.

參考文獻

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