田也

人類知道的最大最深的水體從未被航行過(guò)，那里沒(méi)有島嶼或海岸，沒(méi)有風(fēng)浪，也沒(méi)有銀光閃閃的表面。這片黑暗的海洋在地球上的任何一張地圖上都找不到， 因?yàn)樗h(yuǎn)在4.8億千米以外的木衛(wèi)二上——木星周圍至少有69顆衛(wèi)星環(huán)繞。1995年至2003年間，“伽利略”號(hào)航天器曾11次飛經(jīng)木衛(wèi)二。來(lái)自“伽利略”號(hào)的數(shù)據(jù)顯示，在木衛(wèi)二光滑的冰面下暗藏著一個(gè)巨大的咸水海洋。該水體預(yù)計(jì)深達(dá)96千米——約為太平洋最大深度的8倍，水量是地球上所有海洋的兩三倍。

木衛(wèi)二并不是唯一充滿液態(tài)水的衛(wèi)星，至少還有兩顆木星的衛(wèi)星——木衛(wèi)三和木衛(wèi)四——擁有地下海洋。此外，圍繞土星的土衛(wèi)一和土衛(wèi)六可能也有。毫無(wú)疑問(wèn)，在土衛(wèi)二堅(jiān)硬的冰殼下也藏有水，水量可能與五大湖相當(dāng)。2005年，“卡西尼”號(hào)探測(cè)器拍攝到土衛(wèi)二間歇性噴泉將冰與水蒸氣噴射到數(shù)百米高空的照片，這為土衛(wèi)二上存在深海的事實(shí)提供了令人驚奇且無(wú)可辯駁的證據(jù)。2015年10月，“卡西尼”號(hào)甚至直接穿過(guò)間歇噴泉，在距離衛(wèi)星表面約9米的低空掠過(guò)，對(duì)噴泉物質(zhì)進(jìn)行采樣。

宇宙中液態(tài)水的豐富性和普遍性完全顛覆了科學(xué)家的期望。在“卡西尼”號(hào)、“伽利略”號(hào)和其他探測(cè)器有所發(fā)現(xiàn)之前，人們普遍認(rèn)為：木星和土星的衛(wèi)星看起來(lái)很像我們地球的衛(wèi)星（月球）或者火星的衛(wèi)星，它們都由巖石構(gòu)成，地表是布滿隕石坑的荒原，完全不適合生命存在。位于美國(guó)加利福尼亞州山景城的地外文明搜索研究中心主任塞斯·肖斯塔克認(rèn)為：“沒(méi)預(yù)料到會(huì)有地下海洋，這一發(fā)現(xiàn)拓展了我們對(duì)可居性概念的理解，人們可能在以前從未考慮過(guò)的星球上發(fā)現(xiàn)生命的存在。在此之前，人們一直認(rèn)為生命只能出現(xiàn)在行星上，但現(xiàn)在我認(rèn)為僅太陽(yáng)系就存在7

顆宜居星球——至少有適宜生命存在的條件。7顆！而且大多是衛(wèi)星！”

僅我們太陽(yáng)系就有這么多的水，幾乎可以肯定，其他恒星周圍的無(wú)數(shù)行星上也必定有海洋，更不用說(shuō)那些有水的衛(wèi)星了。天文學(xué)家已經(jīng)初步確定了太陽(yáng)系外的一些“水球”——根本沒(méi)有一寸干陸地的行星?！罢媸橇钊穗y以置信，”位于得克薩斯州圣安東尼奧的西南研究所的“卡西尼”任務(wù)科學(xué)家克里斯托弗·格萊恩說(shuō)，“這就像發(fā)現(xiàn)了全新的海洋學(xué)領(lǐng)域一樣。”

事后看來(lái)，人們沒(méi)必要對(duì)外星海洋的存在如此大驚小怪。氫在宇宙普通物質(zhì)中的比例為74%，氧是現(xiàn)存的第三大常見(jiàn)元素，把二者結(jié)合起來(lái)就會(huì)得到——水。天文學(xué)家已經(jīng)在月球甚至水星——距離太陽(yáng)最近的行星——上的隕石坑中觀測(cè)到水冰的痕跡。這在星際云團(tuán)或者新生行星系統(tǒng)的塵埃盤中普遍存在，而且在一些巨型系外行星的大氣層中，水冰也很常見(jiàn)。

美國(guó)航空航天局下屬的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（JamesWebb Space Telescope，預(yù)計(jì)明年發(fā)射）項(xiàng)目助理科學(xué)家伯尼·米尼克說(shuō)：“在過(guò)去的20年里，我們對(duì)系外行星的研究已經(jīng)十分深入了，了解的系外行星數(shù)量已經(jīng)從十幾顆增至數(shù)千顆。而且我們現(xiàn)在知道，夜空中的每一顆恒星周圍，可能都伴有一顆行星。我認(rèn)為我們有理由預(yù)測(cè)這些恒星周圍的大部分行星上都存在某種形式的水。”

有水的地方可能就有生命，因此“追蹤水”一直以來(lái)都是天體生物學(xué)家信奉的格言。是什么使水如此重要？為生命引擎提供動(dòng)力的化學(xué)反應(yīng)需要這種液體來(lái)溶解和運(yùn)輸細(xì)胞中的分子。水是人類已知的最好溶劑之一，其保持液態(tài)的溫度范圍比其他任何物質(zhì)都大。其他液體可能會(huì)在某些外星生物化學(xué)反應(yīng)中發(fā)揮作用，比如在土衛(wèi)六上發(fā)現(xiàn)的液態(tài)甲烷湖。但到目前為止，還沒(méi)有任何已知的生命成為例外，不必遵守“生命需要水”的規(guī)律。

目前已探測(cè)到的與地球最相似的行星， 可能因?yàn)橛刑嗨虮贿m宜生命生存。

那么，那些被這種基本物質(zhì)——水——完全覆蓋的星球是否就是生命存在的理想天堂？最近的許多研究給這樣的期望潑了一盆冷水： 許多“水球”實(shí)際上可能有太多的水，不利于生命的誕生，或者即使生命能夠誕生，太多的水也限制了它們的茁壯成長(zhǎng)。美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)天體物理學(xué)家史蒂文·德斯說(shuō)：“更多并不一定意味著更好?！钡滤购退耐麻L(zhǎng)期以來(lái)都在運(yùn)用計(jì)算機(jī)模型來(lái)模擬地球物理和大氣環(huán)境，這些環(huán)境可能存在于外星世界。他們的目標(biāo)是為未來(lái)幾代系外行星搜尋者提供行星野外搜尋指南，德斯稱其為“行星周期表”（Periodic Table of

Planets）。該“周期表”對(duì)那些大氣層中最有可能含有生命副產(chǎn)品（例如氧氣或甲烷等） 證據(jù)的外星天體進(jìn)行排序。最重要的是，這些氣體的量必須大到足以在未來(lái)幾十年里用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到。德斯說(shuō)：“我們應(yīng)該優(yōu)先觀察那些可能存在生命最佳指標(biāo)的行星?！?/p>

事實(shí)證明，這些濕漉漉的水世界可能是最糟糕的地方之一。德斯團(tuán)隊(duì)建造了一個(gè)計(jì)算機(jī)模型，用來(lái)模擬一個(gè)在所有方面都與地球類似的行星：大小與地球相當(dāng)，與類太陽(yáng)恒星保持著穩(wěn)定的距離，處于不太冷也不太熱的位置。然后，他們用相當(dāng)于地球水量5倍至7倍的水淹沒(méi)了這個(gè)世界——水量足以淹沒(méi)該行星上的所有大陸。德斯稱：“假如地球上再多6個(gè)大洋，那么珠穆朗瑪峰也可能被淹沒(méi)?！蓖ㄟ^(guò)淹沒(méi)這個(gè)虛擬的世界，他們消除了一個(gè)人類認(rèn)為理所當(dāng)然的、對(duì)生命的誕生至關(guān)重要的環(huán)節(jié)：裸露巖石的風(fēng)化過(guò)程。

由于沒(méi)有雨水或流水侵蝕巖石，德斯團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的行星的海洋中含有極少的磷元素，這是所有生命不可或缺的元素。海水本身的酸性還不足以像淡水那樣有效地溶解磷。亞利桑那州立大學(xué)的微生物生態(tài)學(xué)家、德斯的同事泰莎·費(fèi)舍爾說(shuō)：“磷非常重要，除了RNA和DNA以外，它還能構(gòu)成

ATP——這是為幾乎所有已知生物提供能量的化合物。我們了解的陸地生物化學(xué)，在沒(méi)有磷參與的情況下不會(huì)發(fā)生任何反應(yīng)?！?/p>

德斯和費(fèi)舍爾強(qiáng)調(diào)，他們的模型并不排除“水世界” 有生命存在的可能性。這些行星上的海洋可能含有少量的磷，但不足以維持大量生命的存在，也就無(wú)法在大氣層中留下明顯的印記。費(fèi)舍爾說(shuō)：“這些星球的大氣層中，并不像地球大氣層一樣含有30%的氧氣。一個(gè)完全由海洋覆蓋的星球很有可能有生命存在，只是因?yàn)槟抢锏纳问娇赡芊浅Ｆ嫣?，現(xiàn)有技術(shù)不足以讓人類從地球上探測(cè)到它們?！?/p>

不過(guò)，也有一些外星世界，因?yàn)橛刑嗟乃豢赡苡腥魏紊嬖?。德斯的團(tuán)隊(duì)估計(jì)，如果一顆行星與地球大小相當(dāng)，但其10%的質(zhì)量以水的形式存在，那么它上面可能沒(méi)有任何生命。這樣的行星相當(dāng)于有400個(gè)海洋的地球，海洋底部巨大的壓力會(huì)產(chǎn)生密度超大的冰，被稱為冰六（Ice-Ⅵ）或冰七（IceⅦ）。德斯說(shuō)：“這種情況就比較糟糕了，因?yàn)椴粫?huì)有水和巖石之間的交互作用?！?/p>

盡管看起來(lái)很古怪，但在宇宙中這些“水世界”可能比地球這樣的巖石星體更常見(jiàn)。在整個(gè)宇宙的行星系統(tǒng)中，水和巖石可能同樣豐富。在我們的太陽(yáng)系中，彗星、部分衛(wèi)星以及冥王星外充滿冰物質(zhì)的柯伊伯帶，都被認(rèn)為是由等量的冰和巖石組成的。德斯稱：“系外行星大約由50%的冰組成，這很正常，不正常的是為何地球如此‘干燥?！?/p>

從我們狹隘的角度來(lái)看，地球似乎是最典型的海洋行星。從太空中看，它就是個(gè)淡藍(lán)色的點(diǎn)，完全由海洋主導(dǎo)。但所有這些海洋在地球表面只不過(guò)形成了最薄的一層薄膜。按質(zhì)量計(jì)算，地球上的水只占地球質(zhì)量的0.025%。利用當(dāng)前技術(shù)，天文學(xué)家還無(wú)法判斷類似地球的系外行星上是否有水。天文學(xué)家運(yùn)用兩種基本技術(shù)來(lái)推定系外行星的構(gòu)成。首先，他們通過(guò)觀察該行星在母恒星前面經(jīng)過(guò)時(shí)擋住的亮光的多少來(lái)判斷行星的大??；其次，通過(guò)測(cè)量行星做軌道運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)因拉扯力而使恒星產(chǎn)生輕微擺動(dòng)的幅度得出行星的質(zhì)量。將行星的質(zhì)量除以其體積就得到了密度，從而幫助天文學(xué)家大致了解該星球上氣體、巖石物質(zhì)和水的百分比。

德斯說(shuō)：“想想我們地球的海洋有多薄，它不會(huì)以任何方式改變地球的半徑?！彼f(shuō)，就目前而言，只有當(dāng)水占某顆系外行星質(zhì)量的10%左右時(shí)，天文學(xué)家才可以判斷其是否有海洋。正如上面提到的，這相當(dāng)于400個(gè)地球海洋，這是有關(guān)生命能否誕生的臨界點(diǎn)。因此，我們能用現(xiàn)有技術(shù)探測(cè)到的“水世界”，不太可能承載任何生命。德斯表示：“這就是現(xiàn)在的技術(shù)水平。我們有尋找水的能力，而且當(dāng)水量占據(jù)星體10%時(shí)我們就能觀測(cè)到它。但對(duì)生命來(lái)說(shuō)，這樣的水量還是太多了?！?/p>

至少有7顆行星圍繞著Trappist-1這顆距地球約40光年的超級(jí)紅矮星運(yùn)行，該行星系統(tǒng)是由其比利時(shí)發(fā)現(xiàn)者用他們最喜歡的啤酒的品牌命名的。7顆行星的大小與地球大致相同，其中有3顆位于其母恒星的宜居帶內(nèi)，所處軌道距離允許液態(tài)水存在。它們是迄今探測(cè)到的最接近地球的類地行星之一，但它們可能都“太濕”了，生命也可能無(wú)法承受上面的冰的壓力。

通過(guò)望遠(yuǎn)鏡捕捉到的質(zhì)量不高的光線來(lái)測(cè)量一顆遙遠(yuǎn)行星的成分構(gòu)成，充其量只能算作一門不夠精確的科學(xué)?；谶@些考量，德斯和他的同事估計(jì)，Trappist-1行星系最外層的行星可能由50%的冰組成，而最里面的行星似乎也至少有10%的液態(tài)水和冰。德斯表示：“這些水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出大陸可承受水量的最大極限。在海洋底部，可能會(huì)有數(shù)百甚至上千千米的高壓冰。顯然，這是顆死星球，不可能有任何生命?！?/p>

那么，如何才能識(shí)別出一顆“活的”行星呢？即像地球一樣，既有海洋又有陸地，不能太濕也不能太干燥?？紤]到宇宙的浩渺，肯定有很多類似地球的世界，但我們?nèi)绾握业剿鼈兡兀空材匪埂ろf伯空間望遠(yuǎn)鏡將在2020年開(kāi)啟其5年至10年的探測(cè)任務(wù)，屆時(shí)，它將能夠分析與海王星大小相當(dāng)?shù)木薮笙低庑行堑拇髿鈱?，甚至可能發(fā)現(xiàn)幾顆“超級(jí)地球”，即質(zhì)量是地球2倍至10倍的類地行星。

詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目助理科學(xué)家米尼克說(shuō)：“從其母恒星前面飛過(guò)的地球大小的行星看起來(lái)非常小，觀測(cè)起來(lái)很困難，觀測(cè)其狹長(zhǎng)的大氣層就更難了。未來(lái)的望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃應(yīng)該能夠克服這一點(diǎn)，甚至我敢預(yù)測(cè)說(shuō)，在我的職業(yè)生涯內(nèi)就有可能做到。但是韋伯望遠(yuǎn)鏡可能無(wú)法確認(rèn)類地行星上的水?！?/p>

能夠直接成像其他星球的海洋和陸地的望遠(yuǎn)鏡可能至少需要幾十年的時(shí)間才會(huì)出現(xiàn)。即使這樣，整個(gè)行星的分辨率也可能被限制在一兩個(gè)像素內(nèi)。不過(guò)，這也足以堪稱是科學(xué)史上最令人驚訝的發(fā)現(xiàn)了，我們將第一次直接觀察到類似地球的外星世界：隨著這顆遙遠(yuǎn)行星的旋轉(zhuǎn)，單個(gè)像素的顏色將周期性由藍(lán)色轉(zhuǎn)變?yōu)樽厣?，將其陸地與海洋交替地呈現(xiàn)在我們眼前。

“或許確實(shí)會(huì)有一些多細(xì)胞生物， 但是我覺(jué)得不可能有金槍魚(yú)之類的東西！”

在那一天到來(lái)之前，我們很可能會(huì)在離家更近的地方找到一些生命的證據(jù)，而最容易接近的就是土衛(wèi)二上的海洋，它似乎具備了生命所需的所有條件。2015年10月，“卡西尼”號(hào)探測(cè)器以約2.6萬(wàn)千米/ 時(shí)的速度在土衛(wèi)二的浮冰上俯沖而過(guò)，它的儀器探測(cè)到氫、二氧化碳和甲烷等成分，這表明土衛(wèi)二上可能有與地球相似的深?；鹕健！翱ㄎ髂帷碧?hào)任務(wù)科學(xué)家格林稱：“當(dāng)我們飛過(guò)間歇泉的時(shí)候，我們真的嘗到了土衛(wèi)二海洋的味道！”

特別是氫元素的存在表明，在土衛(wèi)二的海底，熾熱的巖石和咸水之間的化學(xué)反應(yīng)將水分解成氫和氧。像土衛(wèi)二這樣小的天體通常不會(huì)有任何可測(cè)量到的氫元素，因?yàn)檫@種元素是如此之輕，它早就應(yīng)該逃逸到太空中去了。因此，土衛(wèi)二上的氫必須以某種方式不斷補(bǔ)充，最有可能的來(lái)源就是熱巖石和水之間的化學(xué)反應(yīng)。格林說(shuō)：“一旦找到氫氣，我們就可以得出結(jié)論，土衛(wèi)二上確實(shí)存在大量的化學(xué)能量，而這種能量正是地球深處的生物或熱液噴口處的生物所必需的?！?/p>

產(chǎn)甲烷菌是一種古老的細(xì)菌，通常在地球上的熱液噴口附近發(fā)現(xiàn)，它們可以將氫與二氧化碳結(jié)合，這一反應(yīng)釋放出能量幫助其代謝，并產(chǎn)生甲烷廢物。人們認(rèn)為，地球早期的海洋中充滿著這些類似的簡(jiǎn)單生物，即使是現(xiàn)在，距離地球生命第一次出現(xiàn)幾十億年之后，產(chǎn)甲烷菌也獨(dú)立于陽(yáng)光而生活，成為一個(gè)奇怪食物鏈的基礎(chǔ)，支撐著管狀蠕蟲(chóng)和巨蛤的生態(tài)系統(tǒng)。

在土衛(wèi)二、木衛(wèi)二或其他衛(wèi)星的海洋深處，是否會(huì)出現(xiàn)比細(xì)菌更復(fù)雜的生命形式？天文學(xué)家肖斯塔克說(shuō)：“你可能在這些地下海洋里發(fā)現(xiàn)細(xì)菌生命，但若要為需要更多食物的復(fù)雜生物提供能量來(lái)源，則不太可能。這并不是說(shuō)它不可能發(fā)生，這些衛(wèi)星已經(jīng)存在了45億年，所以很可能存在一些多細(xì)胞的生命，但我覺(jué)得不可能有金槍魚(yú)之類的東西！”

回答這些問(wèn)題的唯一方法就是直接造訪這些世界。美國(guó)航空航天局已經(jīng)批準(zhǔn)了Europa Clipper任務(wù)，該任務(wù)可能會(huì)在2024年發(fā)射，2030年左右到達(dá)木星。該計(jì)劃要求探測(cè)器飛經(jīng)木衛(wèi)二45次，在距離其冰層覆蓋的表面上空約26千米范圍做近距離觀察。未來(lái)的任務(wù)實(shí)際上是在木衛(wèi)二、土衛(wèi)二或土衛(wèi)六上著陸，尋找復(fù)雜的氨基酸和其他生物分子，這些都是生命所獨(dú)有的。

僅憑一個(gè)例子（我們自己的世界），不能充分說(shuō)明生命在宇宙中是普遍存在的，還是偶然出現(xiàn)的。格林指出：“由于生命化石或化學(xué)證據(jù)已經(jīng)可以將生命追溯到遙遠(yuǎn)的過(guò)去，因此，人們普遍認(rèn)為生命的起源是相當(dāng)快的一個(gè)過(guò)程——人們把這理解為生命起源是件非常容易的事情?！辈贿^(guò)，無(wú)論生命起源是簡(jiǎn)單、困難或介于兩者之間，我們現(xiàn)在能確定的只有一件事：如果生命需要水才能誕生，那么宇宙中絕不缺少水。格林說(shuō)：“如果我們考慮到生命起源的要素，那么水這個(gè)因素在太陽(yáng)系是絕對(duì)充足的，甚至可能整個(gè)宇宙中都充滿了‘水世界?！?/p>