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隨著韋布空間望遠鏡（JWST）升空，探索系外行星的研究領域正悄然發(fā)生變化。

毫無疑問，我們很快就將得以深入了解太陽系以外的那些可能與地球類似的巖質世界的情況?；蛟S某一個這樣的遙遠世界上會有生命存在。但問題是，我們能探測到它嗎？

我們也許能夠從行星的大氣成分中發(fā)現(xiàn)生命的跡象。我們可以使用一種能夠將光按波長劃分的名為透射光譜術的技術，尋找星光通過行星大氣層時不同氣體可能留下的蹤跡。

一些吸收星光的氣體可以告訴我們，這顆星球上有可能存在著生命，這些就被稱為生物特征。以下就是四種最具代表性的潛在生物特征。

  1. 氧氣和臭氧  

氧氣或許是最顯而易見的生物特征之一了。植物制造氧氣，我們呼吸氧氣。巖石記錄顯示，隨著生命的演化，地球大氣層中的氧氣水平發(fā)生了巨大的變化。我們所呼吸的氧氣是O?，也就是兩個氧原子“粘”在一起。但是氧還可能構成另一種結構，也就是O?或者叫臭氧，我們同樣可以借助JWST對臭氧進行觀測。

那么，如果我們檢測到這類氣體，工作就完成了嗎？并不是這樣。另一種可能產(chǎn)生大量大氣氧氣的情況是，一顆星球正在經(jīng)歷“來勢洶洶的溫室效應”。一旦一顆星球熱到足以讓水海洋蒸發(fā)，大氣中產(chǎn)生的水蒸氣就會導致溫室效應，這會將星球過度加熱到無法兼容生命的水平，并形成一種反饋循環(huán)。

最終，這顆星球將變得非常熱，以至于水分子會分解成氫和氧。氫分子很輕，可以快速移動，足以輕松地逃脫星球的引力，而更慢吞吞的氧往往會留在那里，隨時準備被探測到，從而“欺騙”那些毫無戒心的天文學家。

  2. 膦和氨  

目前尋找生命的重點可能主要放在了系外行星上，但最近也有一些離家更近的進展。膦是一種在氫為主的大氣中會自然出現(xiàn)的化合物，比如木星和土星那樣的氣態(tài)巨行星的大氣中。

然而，它最近也在金星的大氣中被疑似探測到。有趣的是，膦被認為是一種潛在的生物特征。在地球上，膦是由微生物產(chǎn)生的，比如動物腸道中。 根據(jù)這樣的認知，如果沒有生命存在，我們就不會預期在類似金星那樣的大氣中，會有大量的膦存在，因為金星大氣的主要成分是二氧化碳。也就是說，如果金星的大氣中真的有膦，我們就不能排除膦可以有其他來源。

有臭味的氨是另一種潛在的生物特征氣體，也是由地球上的動物產(chǎn)生的。與膦一樣，它在氣態(tài)巨行星上很普遍，但在沒有生命的情況下，通常被認為不會出現(xiàn)在巖質世界上。

然而，在遙遠的系外行星的大氣中探測膦或氨可能極具挑戰(zhàn)性。兩者在地球上的濃度都很低，大約只有十億分之幾。因此，除非那些可能存在的“外星生物”比地球動物要臭得多，否則我們可能不會輕易發(fā)現(xiàn)他們。

  3. 甲烷加二氧化碳  

能夠成為明確的生物特征的單個氣體其實并不多，所以，如果我們想探測生命，可能最好尋找一種成功的組合。

在地球上，有大量甲烷是由動物放屁產(chǎn)生的。甲烷再加上二氧化碳，就成了一種很好的提示，這個組合可以說明有一些事情正在發(fā)生。

如果有足夠的氧氣，那么碳更愿意以二氧化碳（CO?，一個碳原子和兩個氧原子）的形式與氧氣相處，而不是形成甲烷（CH?，一個碳原子和四個氫原子）。在富氧環(huán)境中，任何碳“發(fā)現(xiàn)”自己在甲烷分子中時，都會迅速拋棄它的氫伙伴，而選擇幾個多余的氧原子。

當條件允許時，碳更傾向于和氧結合。（圖／Joanna Barstow, The Conversation）

因此，看到大量甲烷和二氧化碳共存，或許暗示著有什么東西正不斷生產(chǎn)著甲烷，也許就是細菌。

  4. 化學不平衡  

我們可以將上述論點應用在任何不應該“愉快”共存的氣體組合中。生命破壞了原本環(huán)境的化學平衡，因為它要借助化學反應來產(chǎn)生能量。

在地球上，氧氣被轉化成了二氧化碳，但在不同類型的大氣中，有不一樣的化學物質可用，生命也可能使用不同過程來實現(xiàn)同樣的目標。例如，生活在地球海洋深處熱液噴口周圍的產(chǎn)甲烷菌，從礦物和化合物中獲取化學能量。

尋找不平衡，讓我們能夠對其他地方的生命可能是什么樣子抱有一種開放的心態(tài)。

  如果我們發(fā)現(xiàn)外星生命的信號會怎樣？  

JWST已經(jīng)遠遠超出了我們對系外行星大氣層觀測的預期。盡管它已經(jīng)如此強大，但是要使用透射光譜來研究溫度溫和、大氣層以氮氣或二氧化碳為主的巖質行星，仍是非常大的挑戰(zhàn)。來自這些行星的信號，很可能比我們在熱氣態(tài)巨行星大氣中成功觀測到的信號要弱得多。

如果我們有幸在一顆巖質系外行星的大氣層中觀察到吸收星光的氣體，比如著名的TRAPPIST-1e，我們還要測量這些氣體的含量，才能得出有意義的結論。這并不簡單，因為信號可能會重疊，所有細節(jié)都需要仔細地加以區(qū)分。

TRAPPIST-1e的藝術家暢想圖。（圖／NASA, JPL-Caltech）

即使我們真的探測到并準確測量了一種可能的生物特征氣體，這仍有可能離探測到外星生命還有千里之遙。

JWST只是剛剛打開了一個新的、豐富的行星大氣實驗室，隨著探索的深入，我們甚至有可能發(fā)現(xiàn)，先前的許多假設其實都是錯誤的。

人們往往在發(fā)現(xiàn)一些不尋常的東西時，就傾向于拿外星人當結論，這其實相當幼稚。JWST的生物特征檢測將是一種有趣的提示。但對天文學家而言，這已經(jīng)足夠令人興奮了。