寻找地球之外的生命 宇宙中只有我们吗

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美国航太总署喷射推进实验室（JPL）的科学家正在检查一个探测器，像这样的探测器也许有朝一日能在木星的卫星木卫二的冰层底下活动。 PHOTOGRAPHS BY MARK THIESSEN

这张由多幅影像拼接而成并经过上色的照片是伽利略号太空船拍摄的，呈现出木卫二布满裂缝的冰冻地表，藏在底下的那片液态海洋可能坐拥生命所需的所有成分。 GALILEO PROJECT/NASA/JPL; REPROCESSED BY TED STRYK

太空生物学家凯文．韩德准备将一台探测车送到阿拉斯加苏科克湖的冰层底下。等到终于有探测器抵达木卫二时，它搜寻生命的方式可能就是以像这样的测试为模型。韩德说，若使用NASA正在设计的SLS火箭，「我们可能可以在很短的时间内抵达木星和木卫二。」PHOTOGRAPHS BY MARK THIESSEN

一次测试中，冰下探索浮力探测器（简称BRUIE）沿着苏科克湖表面的冰层下方爬行。甲烷气泡和其他化合物显示下方有生命存在。

2013年于南极冰层底下800公尺深处的威兰斯湖采集到的微生物，显示出生命可以在最极端的环境中存活。 TRISTA VICK-MAJORS AND PAMELA SANTIBÁÑEZ, PRISCU RESEARCH GROUP, MONTANA STATE UNIVERSITY, BOZEMAN

在墨西哥的光明洞内，被科学家昵称为「乳涕」、充满微生物的生物膜从阴暗的洞壁上滴落。这些微生物靠硫化物维生，而生活于洞穴内的蠓则以它们为食。

天文学家法兰克．德雷克于1960年代开始搜寻来自外星文明的无线电讯号，协助创立了天文生物学领域。现年84岁的他有了新的目标：外星光源发出的闪光。 「这年头我们搜寻外星文明的技术好多了，」他说。 「我们最大的挑战是找到资金。」PHOTOGRAPHS BY MARK THIESSEN

（神秘的地球报道）据美国国家地理杂志：人类最古老的问题之一，也许在我们有生之年就能获得解答：宇宙中只有我们吗？

一个电子讯号从美国航太总署（NASA）位于加州帕萨迪纳的喷射推进实验室发射出去，传到一台无人探测车上，这台车正攀附在阿拉斯加一座湖泊30公分厚的湖冰底下。车上的聚光灯开始发亮。 「成功了！」约翰．雷克提大嚷。他是喷射推进实验室的一个年轻工程师，正蜷缩在附近湖冰上的一顶帐棚内。这听起来或许不是什么惊天动地的科技成就，但却有可能是朝探索一颗遥远的卫星，踏出了第一小步。

往南走超过7000公里，在墨西哥一座位于地下超过15公尺处的漆黑洞穴内，地质微生物学家潘妮洛普．波斯顿正在深及小腿肚的泥水中涉水前进。与同行的其他科学家一样，她也戴着工业级的呼吸器，并且带了另一个备用氧气瓶，以应付经常弥漫在洞穴内的有毒硫化氢与一氧化碳气体。突然间，她的头灯照亮了一滴半透明的浓稠液体，它的形状略长，正从剥落中的白垩质岩壁上缓缓渗出。 「是不是很可爱？」她赞叹道。

这两个地点――冰冻的北极湖泊和有毒的热带洞穴――可以为地球上最古老、最引人入胜的一个谜团提供线索：地球以外的地方，是否有其他生命存在？无论在我们自己的太阳系内、还是绕着遥远的恒星运行，其他行星上的生命都可能必须存活在冰层覆盖的海洋中（如木星的卫星木卫二），或是充满气体的密闭洞穴内（在火星上可能很多）。如果能找到方法来分离并辨识在地球上类似的极端环境中可以大量繁衍的生命形式，就等于在寻找天外生物的工作上前进了一步。

很难准确指出搜寻外星生命这件事究竟是什么时候从科幻小说转变成科学的，但其中一个重要的里程碑是1961年11月的一场天文学会议。这场会议的主办人叫法兰克．德雷克，他是一位年轻的电波天文学家，对于寻找外星人无线电讯号的这个想法非常着迷。

现年84岁的德雷克还记得，在他召集这场会议当时，寻找外星智慧（search for extraterrestrial intelligence，简称SETI）「基本上是天文学的禁忌」。他集结了一小群天文学家、化学家、生物学家与工程师，共同讨论我们现在所说的太空生物学，也就是研究外星生命的科学。德雷克尤其希望取得专家的协助，以判断是否值得投注大量时间用无线电波望远镜倾听外星讯号，并找出最有希望获得成果的搜寻方式。他也好奇：按照合理的推算，究竟可能有多少外星文明存在？因此在客人抵达之前，他在黑板上潦草地写下了一个公式。

那个潦草写下的公式就是今日赫赫有名的德雷克公式，它勾勒出了回答这个问题的过程。首先，写下银河系里类日恒星的形成率，将它乘上这类恒星拥有行星系统的比率。得出来的数字再乘以这种行星系统内适合生命存在的平均行星数――也就是大小与地球差不多、和母恒星之间的距离也刚刚好适合生命存在的行星。将这个数字乘以行星发展出生命的机率，再乘以生命演化出智慧的机率，再乘以智慧生命发展出无线电讯号发送技术、让我们可以侦测到的机率。

最后一步：将通晓无线电技术的文明数量乘上他们可能持续发送讯号或存活的平均时间。例如，如果这种先进社会通常在发展出无线电科技的数十年之后就会毁于核子浩劫，那么不管是在哪个时间点，我们恐怕都听不到什么。

这个公式完全合理，但有一个问题。没有人知道公式里的比率或数字是什么，只有第一个变数除外：类日恒星的诞生率。其余的都纯属猜测。当然，假如SETI科学家成功捕捉到一个来自外星的无线电讯号，那么这些不确定性就都不重要了。不过在那之前，德雷克公式所涉及的每一个领域的专家，都必须努力补上明确的数字――必须找出类日恒星周围的行星形成率，或试图解开地球的生命起源之谜。

过了三分之一个世纪，科学家才得以开始将粗略估算的数字代入公式。 1995年，日内瓦大学的米歇尔．麦尤和迪迪耶．凯洛发现了第一颗在太阳系外绕着类日恒星运行的行星。那颗行星名叫「飞马座51b」，距离地球大约50光年，是一团巨大的气态物质，大小约莫是木星的一半。它的轨道半径很小，「一年」只有四天，表面温度超过摄氏1000度。

没有人认为这种地狱般的环境有可能孕育出生命。但就算只是发现一颗行星，也已经是非常大的突破。隔年年初，杰佛瑞．马西带领自己的团队发现了第二个太阳系外行星，接着又发现了第三个。自此之后，新发现就源源不断。截至目前为止，天文学家已经确认了将近2000颗系外行星，最小的比地球还小，最大的比木星还大。此外还有数千个等待确认。

这些系外行星没有一个和地球一模一样，但科学家有把握他们不必多久就会找到一个。最近，天文学家以截至目前所发现的较大行星为基础，计算出有超过五分之一的类日恒星周围都有适合居住而与地球相仿的行星。以统计而言，最近的一个距离我们可能只有12光年。

但近年来，行星猎人已经发现没理由把搜寻范围局限在类似太阳的恒星上。 「我念高中时，教科书都说地球是绕着一颗很普通的恒星在运转，」哈佛大学天文学家大卫．夏布诺说。 「但那是个谎言。」事实上，银河系里大约80%的恒星都是又小、又冷、黯淡而略呈红色的星体，也就是M型矮星。如果有个类似地球的行星以适当的距离绕着一个M型矮星运行（它的轨道半径必须比地球的还小），那么它应该就能像绕着类日恒星运行且与地球相似的行星一样，有可能孕育出生命。

此外，科学家现在还相信行星并不是非得和地球一样大才适合生物生存。 「你若问我的看法，」另一位哈佛大学天文学家迪米塔．萨塞罗夫说，「从一个到五个地球的大小都很理想。」简言之，可居住行星与它们可能绕行之恒星的多样性，应该比德雷克和其他与会者在1961年那场会议上所保守估计的还要大得多。

还不只这样：事实证明，嗜极生物可能蓬勃生长的温度与化学环境，范围也比德雷克那场会议上的任何与会者所能想像的还要大。 1970年代，海洋学家发现了深海热泉，它们滋养了一个丰富的细菌生态系。这些微生物以溶于水中的硫化氢与其他化学物质为食，接着再成为其他更高等生物的食物。无论是在温泉里、在南极冰被底下数百公尺深处的冰冷湖泊中，还是在极酸、极碱、高盐度或是有辐射的地点，甚至在地下超过1公里深的细小岩石裂缝中，科学家都曾经发现欣欣向荣的生命形式。 「在地球上，这些都是小角落小生境，」同时受聘于哈佛大学和马克斯蒲朗克天文研究所的丽莎．卡尔特内格说。 「但我们不难想见，在另一个星球这些可能就是主要环境。」

生物学家认为，我们所知的生命形式绝对少不了的是液态水――水是一种强大的溶剂，能将溶解的养分输送到生物体的各个部位。自从1971年的水手九号火星轨道任务以来，我们已经知道这颗红色星球上很可能曾经有水流动。因此火星上可能曾经有生命存在，至少是微生物形式的生命――而我们也可以合理推测，残存的生命可能依然存活于也许还有液态水的地下。而木星的卫星木卫二那相对年轻、冰层覆盖的表面也有裂隙――显示冰层底下是一片由液态水构成的海洋。木卫二距离太阳大约有8亿公里，那里的水应该全都冻结了。但这个卫星不断受到木星和其他卫星的潮汐力所拉扯，因此而产生的热可能可以让地表下的水维持在液态。理论上，生命也可能存在于那水中。

2005年，NASA的「卡西尼号」太空船侦测到土星的卫星土卫二上有水柱喷出。这艘太空船于今年4月送回的后续测量报告则证实了土卫二的地表下也有水源存在。土星最大的卫星泰坦（土卫六）表面上有河流、湖泊和降雨，但泰坦气象循环的基础不是水，而是甲烷和乙烷等液态烃类。那里可能也有生物，但我们很难猜测会是什么形式。

相较于这些遥远的卫星，火星和地球相像多了，距离也近得多。 NASA的「好奇号」火星探测车目前正在探索盖尔坑，那里在几十亿年前曾经是一座大湖，而我们现在已明确知道，如果曾经有微生​​物存在，那里的化学环境是适于它们生存的。

当然，墨西哥的洞穴并不是火星，而阿拉斯加北部的湖泊也不是木卫二。但喷射推进实验室的太空生物学家凯文．韩德以及包括约翰．雷奇在内的其他团队成员，却正是为了寻找外星生命，才会来到阿拉斯加的苏科克湖。同样的追寻也引领潘妮洛普．波斯顿和同事数度前往墨西哥塔皮胡拉帕附近毒气弥漫的光明洞。这两个地点的环境都和太空探测器可能碰到的环境约略相似，因此可以让研究人员测试他们寻找地外生命的新技术。他们尤其想找的是生物识别特征――也就是能够显示现在或过去曾有生命存在的视觉或化学线索。

以墨西哥的洞穴为例。轨道太空船已经显示火星上确实有洞穴存在，而当火星在约莫30亿年前失去大气与地表水的时候，微生物可能就是躲进这种地方寻找庇护。这样的火星穴居生物必定得依赖阳光以外的能量来源――例如让波斯顿深深着迷的那种黏稠液滴。科学家把这些不可爱的液滴称为「乳涕」。洞穴内的乳涕非常多，长度从1公分到超过0.5公尺都有，看起来确实很像鼻涕。但它其实是一种生物膜，也就是透过浓稠的黏液紧紧聚合在一起的微生物群落。

这些乳涕内的微生物是化学营养生物，波斯顿解释。 「硫化氢是它们唯一的能量来源。它们把硫化氢氧化后制造出这种黏液，这是它们生命型态的一部分。」

乳涕并不是这里唯一的一种微生物群落。波斯顿说，这个洞里总共约有十几种微生物群落。 「每一种都有非常独特的外观，也都利用不同的营养系统。」

波斯顿和同事对其中一种微生物群落尤其感兴趣。它不会形成液滴或团块，而是会在洞壁上形成图案，包括点、线、甚至是纵横交错的线条。太空生物学家现在将这些图案称为「生物涟纹」，是从「涟纹」这个字来的，意指饰有「不规则的线条，仿佛蠕虫爬过的痕迹。」

原来并不是只有生长在洞壁上的微生物才会造成这样的图案。 「它们以各种不同的规模出现，通常都是在缺乏某种资源的地方，」专精于成像系统的贝勒大学工程师基斯．舒伯特说，他在光明洞内架设了摄影机，以便进行长期监测。舒伯特说，干旱地区的草木也会形成生物涟纹。土壤结皮也会：沙漠中的土壤结皮就是覆盖地面的细菌、苔藓和地衣群落。

如果这个假说成立，那么正在记录生物涟纹的科学家可能就找到了一种至关重要的东西。截至目前为止，太空生物学家寻找的生命标记很多都是地球生物释出​​的气体，例如氧气。但会释出氧气这种生物识别特征的生命，可能只是诸多生命形式中的一种而已。

「生物涟纹之所以让我兴奋，是因为我们已经在各式各样迥异的环境里看过它们，而且各种规模都有，但图案的特征却又非常相似，」波斯顿说。她和舒伯特相信，这些以生长和资源竞争的简单规则所发展出来的图案，可能真的是一种宇宙共通的生命特征。此外，若是在洞穴里，微生物群落即使死亡，图案依然会留存下来。舒伯特说，如果探测车在火星的洞壁上看到这样的东西，「你大概就知道焦点该放在哪里了。」

北美洲的另一端，苏科克湖上冷得发抖的科学家和工程师也在进行类似的任务。他们在湖上两个不同的地点工作，其中一个位于被他们取名为「航太总署村」的三顶小帐棚旁边，另一个则大约在直线距离1公里外的地方，只有一个帐棚。由于从湖底冒出来的甲烷不断搅动湖水，所以某些地方很难结冰。若想骑雪地摩托车从一个营地前往另一个营地，科学家就得绕个大弯，以避免可能让他们送命的落水事件。

科学家之所以会在2009年来到苏科克湖和阿拉斯加的其他邻近湖泊，最初就是受到甲烷吸引。这种常见的烃类气体由统称为甲烷菌、能分解有机物质的微生物制造，因此甲烷也成了太空生物学家可以在其他星球搜寻的另一种可能生物辨识特征。但火山爆发和其他非生物来源也会产生甲烷，而且这种气体也会在木星这种巨行星的大气里和土星的卫星土卫六上自然形成。因此，科学家必须能够分辨生物产生的甲烷和非生物来源的甲烷。如果你像凯文．韩德一样，将焦点放在冰层覆盖的木卫二，那么冰层覆盖、甲烷丰富的苏科克湖，绝对是展开实验的好地方。

韩德认为木卫二比火星更适合进行太空生物学研究。他说，假设我们真的去了火星，也真的在地下找到了跟地球生物一样以DNA为本质的活体生物。这有可能表示DNA是一种宇宙共通的生命分子，而且这样的可能性当然存在。但也有可能意味地球生命和火星生命有着共同的起源。我们可以确知火星表面的岩石曾经因小行星撞击而扬起，最后掉到地球。而地球的岩石也很有可能以同样的方式抵达火星。如果有活的微生物被困在这些飞越太空的岩石里并且幸存下来（这并非全无可能），那么它们就有可能在最后抵达的星球上播下生命的种子。 「如果火星生命也是以DNA为基础，」韩德说，「那么我认为，对于这DNA是否来自独立的来源，就会有些混淆不清。」但木卫二遥远了许多。如果在那里找到生命，就表示有第二个完全独立的生命起源――即便它是以DNA为基础也一样。

确实，木卫二似乎拥有生命所需的基本元素。不仅有大量的液态水，海底可能也有类似于地球的深海热泉，可以为那里可能存在的生命提供养分。木卫二的表面也常有彗星撞击，留下的有机化学物质可能也会成为生命的基本要素。来自木星辐射带的粒子则会使构成冰层的氢和氧分裂，形成一整组分子，可让生命用以代谢来自深海热泉的化学养分。

最大的问号是：这些化学物质如何能够穿透可能有15至25公里厚的冰层？但这片冰层其实布满裂缝。 2013年年初，韩德和加州理工学院的天文学家麦克．布朗透过凯克二号望远镜发现，木卫二海洋里的盐类似乎正浮上表面，可能就是经由这些裂缝浮出来的。 2013年底，另一组使用哈伯太空望远镜的观察者则指出有液态水柱从木卫二的南极喷出。木卫二的冰层显然并非无法穿透。

这使得送一个探测器去绕行木卫二的想法变得更加吸引人。不幸的是，美国国家研究委员会在2011年的评估报告中认为，轨道飞行器任务在科学上没问题，但47亿美元的花费实在太贵。一个由罗伯特．帕帕拉多领导的喷射推进实验室团队回头重新思考了整个计画。他们的「木卫二快艇号」探测器将会改以木星而不是木卫二为绕行对象，这样需要的推进燃料比较少、可以省钱，却还能近距离飞过木卫二大概45次，研究其表面和大气的化学组成，并间接了解海洋的化学成分。

帕帕拉多说，重新设计过的任务总花费应该不会超过20亿美元。他说如果这个计画概念获准，「我们预计可以在2023年代初期或中期发射。」如果搭配的是擎天神五号运载火箭，那么抵达木卫二大概需要六年。 「但我们说不定也能搭配NASA目前正在研发的新型太空发射系统（SLS），」他说。 「这种火箭很大，用它的话大概只要2.7年就能抵达木卫二。」

快艇号探测器应该无法在木卫二找到生命，它或许足以证明送一艘登陆载具到木卫二的合理性；登陆载具可以像研究火星的探测车那样，深入地表、研究木卫二的化学组成。快艇号也可以勘查登陆载具的最佳登陆地点。继登陆载具之后，合理的下一步就是送出探测器探索木卫二的海洋――这可能会困难许多，要视冰层的厚度而定。 「若采用演化的比喻，」韩德说，「等到海底探测器的计画终于实现时，拿那个探测器跟我们之前在阿拉斯加测试的探测车相比，就好像拿智人跟南方古猿相比。」

韩德与队员在苏科克湖测试的那台相对简陋的探测车在30公分厚的湖冰底下爬行，由于有内建的浮力装置，它能紧紧贴在冰层底面，用感应器测量湖水的温度、盐度、酸碱值和其他特征。但它不会直接寻找生物；寻找生命是韩德计画的另一个面向，目前由在湖的另一侧工作的科学家负责，成员包括蒙大拿州立大学的约翰．普里斯库，他去年从南极洲西部冰被底下800公尺深处的威兰斯湖中抽取到活的细菌。普里斯库和土壤生物学家艾莉森．莫瑞，以及莫瑞指导的研究生宝拉．马修斯–卡尔内瓦利，一起调查寒冷环境必须具备什么样的特征才能让生命存活，以及真正活在那些地方的又是什么生物。

尽管嗜极生物的研究十分有用，但对于这个地球之外的谜团，它终究只能提供地球上的线索。然而不必多久，我们就能用其他方法填补德雷克公式的失落环节了。 NASA已经核准了一个搜寻行星的望远镜新计画，名叫「系外行星掩星任务卫星（TESS）」。 TESS预计在2023年发射升空，会在离我们最近的恒星周围寻找行星，为那些在行星大气层里寻找生物识别特征气体的太空物理学家搜寻目标。预计在2023年发射的詹姆斯．韦伯太空望远镜会让这类搜寻工作变得比现在容易许多。

所有着重于生物识别特征和嗜极生物的研究都假设，外星生物就像地球生物一样，是由复杂的分子构建而成的，它们以碳作为结构的重要成分，并且以水为溶剂。这么假设的原因之一是碳和水在整个银河系中都非常丰富。另一个原因则是我们不知道该如何寻找不含碳的生物，因为我们不知道这样的生物会留下什么样的生物识别特征。

「如果这样限制搜寻条件，我们可能会失败，」哈佛大学的萨塞罗夫说。 「我们至少必须努力了解其他一些可能的生命形式，以及它们可能有什么样的大气识别特征。」因此萨塞罗夫的团队正在研究可能存在于遥远异世界的另类生物，例如地球上的生命以碳循环为主，但在另一个星球上却可能是以硫循环为主。

除了所有这些研究之外，还有一个较不引人瞩目的计画，也就是超过半个世纪前为太空生物学揭开序幕的那一个。法兰克．德雷克虽然已退休，但他还在寻找外星讯号――这样的发现将会胜过一切间接证据。尽管德雷克因为SETI的经费大半都已耗尽而感到沮丧，他却对另一个崭新的计画兴奋不已，这个新计画将会试着侦测来自外星文明的闪光。 「尝试每一种可能的方法是明智的，」他说，「因为我们很难猜到外星人究竟在做什么。」

撰文：麦可‧雷姆尼克Michael D. Lemonick

摄影：马克‧希森 Mark Thiessen

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