文匯報科技文摘2019-11-17
“宇宙”再次成為今年的科學(xué)熱詞之一。10月初，2019年諾貝爾物理學(xué)獎頒給了“為理解宇宙演化以及地球在宇宙中的位置作出貢獻(xiàn)”的三位天文學(xué)家：詹姆斯·皮布爾斯、米歇爾·馬約爾和迪迪?！た逅?；10月末，在第二屆世界頂尖科學(xué)家論壇上，馬約爾和迪迪埃又不約而同地發(fā)問：除了地球之外，宇宙中的其它星球還存在生命嗎？
迄今為止，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了4000多顆系外行星，都未尋找到地外生命的存在。但迪迪?！た迤澘隙ǖ乇硎?，人類極有可能在未來30年之內(nèi)探測到外星生命，并在未來100年內(nèi)了解它們。如果果真如此，那么人類又將何去何從？
寒潮編譯
無線電波信號和外星生物指紋
在浩瀚的宇宙中，人類是否形單影只？數(shù)千年來，哲學(xué)家們?yōu)榇藸幷摬恍荨Ｊ兰o(jì)，意大利天文學(xué)家喬爾丹諾·布魯諾提出，宇宙包含“無數(shù)與地球類同的世界”。這句違背教義的假設(shè)讓他大禍臨頭。宗教裁判所認(rèn)定布魯諾妄圖質(zhì)疑地球在宇宙中獨一無二的地位，最終將其活活燒死在火刑柱上。
1961年，天文學(xué)家弗蘭克·德雷克提出了一個以他本人命名的公式，并據(jù)此估算出宇宙中可能至少存在數(shù)百萬個先進(jìn)文明。
在此基礎(chǔ)上，意大利物理學(xué)家恩利克·費米提出了著名的“費米悖論”，即如果太空中真有數(shù)百萬外星文明，為什么至今杳無音訊？費米認(rèn)為，一個游蕩太空的高智文明能在1億年內(nèi)輕松征服一個星系。然而，自宇宙誕生138億年以來，尚無任何外星殖民者穿越星際來到地球。對此，費米發(fā)出“靈魂拷問”：大家都在哪兒呢？
過去，人類只能望星興嘆。礙于科技手段的限制，即便宇宙中存在生命跡象，我們也能很難對其精準(zhǔn)定位；即便宇宙中存在宜居星球，我們也無法在千萬里之外對它們進(jìn)行觀測。
不過，就在這幾百年間，人類的技術(shù)裝備發(fā)生了質(zhì)的飛躍。二十世紀(jì)初，無線電技術(shù)的全面推廣更讓科學(xué)家們堅信，與外星人交流對話并非天方夜譚。1972年至1973年，先驅(qū)者10號與先驅(qū)者11號無人駕駛太空探測器搭載鍍金鋁板升空。這是人類首次向太空發(fā)射“漂流瓶”。八十年代后，全球各國科學(xué)家們又展開了多次規(guī)模浩大的國際合作，如“鳳凰計劃”“突破聆聽項目”等。
總體來說，向宇宙發(fā)送“漂流瓶”和針對性地發(fā)射無線電波是目前比較常用的兩種星際“通訊”方式。與此同時，人類還具備了在宇宙中主動搜尋信號的能力。在天文望遠(yuǎn)鏡的幫助下，科學(xué)家們能夠探測到其他類太陽系行星，并通過分析其大氣成分及星體表面的物質(zhì)，判斷是否有生命體存在。
隨著地球科學(xué)的深入發(fā)展，人類對生命形態(tài)也有了新的認(rèn)識。此外，人類接收信號的能力也在突飛猛進(jìn)。如今，我們已經(jīng)掌握了區(qū)分外星文明的信號與單純的太空雜音的新技能。也就是說，只要外星人發(fā)聲，理論上人類就可以接收到這些信號。
但遺憾的是，截至目前，人類還一無所獲。對此，很多科學(xué)家都曾嘗試解答。有人說，外星人早就來到地球，只不過“隱姓埋名”。有人說，外星人也許刻意回避我們的世界，因為地球就像一處宇宙遺址，而它們的使命是守護(hù)遺產(chǎn)。也有人直截了當(dāng)?shù)乇硎?，宇宙中壓根就沒有外星人。
其實，如果我們從宇宙生物學(xué)的角度進(jìn)行分析的話，外星人存在的概率確實比較大，只是我們聯(lián)系不上而已。外星文明可能在科技層面領(lǐng)先我們數(shù)百萬年，對它們而言，地球上的人類可能還在用極其原始的手段與他們對話，就像電訊世界里的一群瓢蟲。
然而，科學(xué)家們的希望并未完全落空。無論是費米悖論還是德雷克公式，都有一個漏洞——兩位科學(xué)家都將目光對準(zhǔn)了具備通訊、跋涉、殖民能力的高智生命，但可能只有很少一部分生命體符合這樣的條件。如果宇宙中真的存在其他生命，不排除它們會以另一種形式存在，比如類似地球上的微生物——它們是地球生物圈的主要構(gòu)成者之一，其細(xì)胞數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人體細(xì)胞；又比如類似單細(xì)胞生物，它們雖然構(gòu)造簡單，卻比多細(xì)胞生物早30多億年占領(lǐng)了地球。
如果是這樣，人類要想找到外星生命，就必須改變傳統(tǒng)的“通訊”思路。現(xiàn)在，一種新的尋找方式開始流行起來：通過檢測其他星球的大氣層分子來尋找生命星球。因為，這些分子很可能是由這一星球上的原始微生物“定居者”釋放出來的，科學(xué)家們將之稱為“外星生物的指紋”。
外星生物可能與地球生命形態(tài)迥異
我們不妨先假設(shè)有一其他星系的“天文學(xué)家”正像人類一樣在宇宙中尋找生命星球，當(dāng)這位“天文學(xué)家”把目光落在地球時，他究竟會看到些什么呢？
首先，最吸引他的一定是地球獨特的大氣層。在太陽系八大行星中，火星、金星和水星完全由礦石組成，唯獨地球被一圈由氧氣和甲烷組成的大氣層包裹著，其中氧氣占比21%——這恰恰是生命的痕跡！早在23.3億多年前，甚至在比這更早之前，地球上就有一群光合細(xì)菌與植物將太陽光轉(zhuǎn)化為能量，并輸出氧氣到大氣層，這一過程叫作“產(chǎn)氧光合作用”，而能“生產(chǎn)”甲烷氣體的產(chǎn)甲烷菌可能在更早之前就已經(jīng)出現(xiàn)在地球上了。
上世紀(jì)60年代，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)大氣層中的氧氣和甲烷實際上互為“克星”：在自然情況下，它們的相遇會產(chǎn)生“相愛相殺”的化學(xué)反應(yīng)，根本不可能大量共存于大氣層內(nèi)。這就說明，一定有外界因素促使這兩種氣體源源不斷地流入地球大氣層中。反觀其他沒有生命的星球，它們的大氣層要么只有氧氣，要么只有甲烷。這一發(fā)現(xiàn)為科學(xué)家們提供了新思路：如果在某個遙遠(yuǎn)的星球上氧氣與甲烷大量共存，那么這個星球上很可能有生命。此外，地球生命體還能產(chǎn)生多種特殊的分子氣體，比如氯甲烷、二甲基硫、一氧化二氮（俗稱“笑氣”）。這些氣體也能成為追蹤生命跡象的線索。
如果一個星球上不存在任何上述氣體，能不能就此斷定其為不毛之地？也不見得，因為外星生物的生存方式可能與地球生物截然不同。它們可能生活在地表下沿、巖石內(nèi)部或深海底部。這些地方不容易探測，但不代表沒有生命。外星生物的組成方式甚至都可能與地球生物有著天壤之別。比如，外星生物的肌體結(jié)構(gòu)可能由硅元素組成，而地球生物則由碳元素組成；外星生物的新陳代謝也許并不依靠水來完成，而是借助某種特殊的液體。如果情況復(fù)雜至此，那么科學(xué)家們必須用合成生物學(xué)和替代生物化學(xué)的知識來篩選合適的化學(xué)物質(zhì)作為外星人的“指紋”。
為此，美國麻省理工學(xué)院研究員薩拉·西格爾用窮舉法列出所有與組成生命體相關(guān)的分子，并逐一進(jìn)行排查。而她的同事克拉拉·索薩-席爾瓦則將目標(biāo)鎖定在化合氣體磷化氫。研究這種氣體有兩大優(yōu)勢：一是它很容易被監(jiān)測到，二是它很難通過自然化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生。地球上的磷化氫由厭氧菌產(chǎn)生，因此如果在某個遙遠(yuǎn)的星球上監(jiān)測到磷化氫，那里很有可能存在厭氧生物。
地球依舊孤獨宇宙街區(qū)如此靜謐
提出假設(shè)本就已經(jīng)很困難，而付諸實證更是難上加難?？茖W(xué)家們第一步要做的就是確定研究對象：哪些系外行星的溫度更適宜發(fā)生孕育生命的化學(xué)反應(yīng)？目前通行的方法是觀察系外行星公轉(zhuǎn)至恒星正面時其亮度的變化，然而這種方式比大海撈針還要困難幾百倍。
對于一些溫度適宜的巖狀行星，科學(xué)家們則通過鑒定其大氣分子來尋找生命。比如，當(dāng)恒星發(fā)出的光穿越大氣層射向某一行星時，這束光的傳播方向能夠反映出行星的大氣構(gòu)成。因為氣體分子對于不同波長的光會產(chǎn)生不同的反應(yīng)，科學(xué)家們只需將天文望遠(yuǎn)鏡采集到的光束按波長剝離，就能根據(jù)光譜確定行星大氣中是否存在氧氣、臭氧、甲烷、水或二氧化碳等物質(zhì)。
為此，天文學(xué)界已經(jīng)制定了初步方案。美國國家航空航天局（NASA）計劃在2021年發(fā)射詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，這將是人類首次嘗試鑒定系外宜居星球的大氣成分。歐洲空間局則計劃在2028年啟動大氣遙感紅外測量“阿里爾”（Ariel）任務(wù)。
還有一些天文機構(gòu)嘗試用陸基望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行大氣勘測。但這必須先排除地球大氣層對望遠(yuǎn)鏡的干擾，因此難度更大。比如，歐洲南方天文臺正在智利建造“歐洲極大望遠(yuǎn)鏡”，預(yù)計將于2025年正式投入使用。這一新式天文望遠(yuǎn)鏡不僅能在采集數(shù)據(jù)時自動減去地球大氣層的影響，還能在數(shù)據(jù)分析時精確到區(qū)分同位素之間的差異。
系外行星研究的突破性進(jìn)展固然可喜，但終究有些遙不可及。相比之下，科學(xué)家們對與地球毗鄰的太陽系行星、衛(wèi)星的研究發(fā)現(xiàn)或許更能給人驚喜。比如，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)“木衛(wèi)二”（木星的天然衛(wèi)星）的冰殼下有液態(tài)海洋，火星則有大量地下水，這些都可能是生命的搖籃。還有人猜測，外星生物可能正在“土衛(wèi)六”（土星的最大衛(wèi)星）的液態(tài)甲烷湖泊中暢游。
雖然研究人員各執(zhí)一詞，研究成果五花八門，但至少可以說明地外生命并非科學(xué)幻想。當(dāng)然，光有信心并不足以成事。今后的科學(xué)研究必須做到數(shù)據(jù)更準(zhǔn)、調(diào)查更透、視野更遠(yuǎn)，今后的科學(xué)研究成果也必將顛覆人類對宇宙以及自身的認(rèn)識。
科幻作家亞瑟·克拉克曾說：“只有兩種可能：要么人類在宇宙中形單影只，要么不是。這兩種結(jié)果同樣令人膽寒?！比绻呛笳撸敲慈祟惪赡芤膊贿^是宇宙規(guī)律下的一種生命樣式而已，除了分子結(jié)構(gòu)不同，我們與外星生命實則同根；如果是前者，那么這也就表明，即便是在人類定義的“宜居環(huán)境”里，簡單的化學(xué)反應(yīng)與孕育生命之間依然存在著不可逾越的鴻溝。人類會認(rèn)清自身的價值并不惜一切保護(hù)地球，因為這是我們唯一的家園。
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