作為地球的“姊妹行星”的火星，因大氣層與地球相似，且明確發(fā)現(xiàn)了水痕跡而備受關注。自1960年以來，人類不斷向火星發(fā)射探測器，經過大量的探測和分析，科學家們發(fā)現(xiàn)火星在大約40億年前曾是太陽系中最適合生命生存的星球。那么，火星是否能夠重新成為宜居星球，成為人類的第二家園？除火星外，位于火星和木星軌道之間的谷神星同樣引發(fā)了科學家們的期待，科學家在這顆由巖石和固態(tài)水組成的星球上發(fā)現(xiàn)了碳基有機化合物，而這正是生命起源的關鍵物質。與此同時，就在不久前，英國牛津大學宣布確認了一顆位于類太陽恒星宜居帶附近的超級地球。這顆被命名為HD 20794 d的“超級類地行星”，其信號首次被捕捉于2022年。科學家認為，這顆超級地球存在液態(tài)水的可能性較大。
地球生命的起源及地外生命是否存在等問題一直令人類著迷，無論是科學家、哲學家，還是普通人。了解地球生命的誕生過程，將使人類長久以來對自身起源的探索得到解答，也將大大提高我們對極為復雜的自然過程的認知。不管是對研究生命的生物學家，還是對探討人類世界觀形成方式的知識論者來說，想要認識生命及其基本屬性都不是一件簡單的事。天體物理學家試圖探索太陽系中的其他天體是否有或曾經有生命存在，如果存在的話，那么太陽系之外是否存在“其他地球”，或其他“宜居”星球呢？
以下內容節(jié)選自《太陽、地球、生命的起源：改變地球早期生命史的14個大事件》，較原文有刪節(jié)修改。已獲得出版社授權刊發(fā)。
《太陽、地球、生命的起源：改變地球早期生命史的14個大事件》，[法]米里埃爾·加爾戈 [法]埃爾韋·馬丁 [法]普里菲卡西翁·洛佩-加西亞等 著，冷偉 梁鵬 林巍等 譯，后浪丨四川科學技術出版社2025年2月版。
宇宙的千億星系中有一個很特別的星系，在那個星系的千億恒星中有一顆恒星名字叫太陽。太陽的行星中有一顆小小的藍色星球，它所處的位置既不太冷也不太熱，這里是無數(shù)生命的家園。這顆充滿生機的行星——地球，對我們來說是獨一無二的，因為它是我們人類的星球。但是經過實際觀測，天文學家已經可以確定，大多數(shù)類太陽恒星周圍都有行星系。那么，系外行星可能宜居嗎？
什么樣的星球才是宜居的？
從4.57Ga（10億年）地球在太陽系中誕生到540Ma（百萬年）的寒武紀大爆發(fā)，這段歷史見證了我們星球的形成，它在地球物理和地球化學的作用下不斷地被塑造，最終，生命在這里誕生、演化，甚至改變著地貌形態(tài)。不過，當我們缺乏證據(jù)時，不得不放棄歷史分析而求助于理論假說。
我們無法從任何遺跡中了解這種演化的必然性。不過，我們確定偶然性起了決定作用。所以，有沒有其他可能孕育生命的行星呢？抑或是，地球是宇宙中唯一有生命的星球嗎？
據(jù)估計，宇宙的年齡約為13.7Ga，這也是銀河系第一代恒星的年齡。換言之，從這個時間尺度上看，銀河系在宇宙大爆炸之后不久就形成了。但是，這并不意味著銀河系中所有恒星的年齡與宇宙的年齡一樣大。我們的太陽只有大概45億歲，誕生于已經90億歲的銀河系。接著，在太陽形成不到2.0Ga，這個藍色星球上就出現(xiàn)了生命。太陽的壽命是10.0Ga，表明自銀河系誕生以來，數(shù)十億顆“太陽”已經形成、演化，最后以行星狀星云的形式被蒸發(fā)掉；也表明有數(shù)億顆“太陽”同現(xiàn)在的太陽一樣，正處于演化之中。這就意味著，假如這些“太陽”周圍也存在“宜居”的星球，即它們當時也滿足了生命起源的部分條件，那么，現(xiàn)在這些行星（很多此類行星甚至比地球老得多）上也可能有生命居住。
《太陽、地球、生命的起源：改變地球早期生命史的14個大事件》內頁插圖。
然而，至少目前看來，即使在整個太陽系，我們似乎仍是“孤獨的存在”，我們只有地球這一個孤零零的樣本。根據(jù)這一樣本，我們知道了碳鏈是現(xiàn)存所有生命體中的分子的基本骨架。這并不算是一個限制條件，因為碳是在恒星中生成的，同氧、氮一樣，它也是宇宙中含量最多的元素之一（其含量高出硅元素的10倍）。我們也了解到，液態(tài)水可以說是生命出現(xiàn)和演化必不可少的條件。同樣，水也是宇宙中常見的分子（如覆蓋在星際塵埃顆粒表層的冰）。但即使在今天，我們也難以定量星際介質中以氣體形式存在的水的豐度（該問題是2009年春歐航局發(fā)射的“赫歇爾”號探測衛(wèi)星的主要任務之一）。
因此，雖然我們只了解一種生命形式，但根據(jù)宇宙的組成（原子、分子和聚合物），我們沒有理由把氨溶液中的硅鏈（硅基生命）等奇異的化學物質當作宇宙中其他星球存在另一種生命形式的證據(jù)。其次，水以液態(tài)形式存在是一個基本前提，但這需要特定的溫度和壓力范圍。地外生命探索之旅將從這些成分入手：它使我們可以定義“宜居”的星球應該是怎么樣的（這并不代表已有生命居住）。我們需要注意，維持地球生命所需的溫度和壓力范圍其實是極為廣泛的。假設我們增加一個額外約束條件：存在穩(wěn)定的能量庫（不管是以什么形式，尤其是光及光合作用不存在的情況下，某些生物可以利用礦物質的化學能），可以為生命體的代謝提供能量。
太陽系中的其他生命
太陽系擁有數(shù)以千計的天體（行星、衛(wèi)星、小行星、彗星等），它們的物理化學性質高度多樣化。近幾十年來的深空探測項目使得人類可以近距離觀測這些天體，人們也意識到研究地外生命這一科學問題的復雜性。首先，從行星離太陽的距離來看，太陽系有3顆巖質行星是“宜居”的，也就是說，理論上這些行星的表面可以存在液態(tài)水：地球、金星和火星。但現(xiàn)實是，只有地球表面存在液態(tài)水且孕育了生命。生命出現(xiàn)的關鍵因素出現(xiàn)了：大氣圈及溫室效應的存在。大氣圈中的水通過三態(tài)循環(huán)（冰/液態(tài)水/水蒸氣）完成能量的交換和從其母恒星上獲得的光能的交換。
我們已知道，如今金星的表面溫度大約是500℃，液態(tài)水不可能存在，顯然也不利于生命的生存。由于金星距離太陽較近，且金星大氣中95%以上為二氧化碳，這使得金星大氣圈非常稠密，很可能曾發(fā)生失控溫室效應（即由于金星距離太陽太近，它失去了調控其表面溫度的能力）。
火星的問題是引力過小，因此氣體逃逸效率很高。尤其是水分子，當水汽進入大氣并被太陽紫外輻射光解之后，氫的逃逸將使火星脫水。因此，如今火星大氣圈較薄且主要為二氧化碳，大氣壓很低，不能產生足夠的溫室效應。但是軌道太空探測器如ESA的火星快車探測器的最新探測結果顯示，火星表面存在沉積層和溝壑，意味著這顆“紅色星球”表面的液態(tài)水環(huán)境可能曾持續(xù)了10億年之久。如此長的液態(tài)水環(huán)境足以使生命出現(xiàn)并演化。如果這樣的話，火星上的生命能否熬過太陽系形成700Ma后發(fā)生的猛烈的晚期重轟擊呢？抑或是大撞擊導致表面液態(tài)水環(huán)境的消失？對搜尋生命跡象的研究者來說，有一點很幸運，火星表面并沒有像地球表面一樣遭受到構造活動的不斷改造。因此，我們仍有望找到古火星生命的殘跡。這就是為什么自1975年的海盜號到如今的勇氣號、機遇號、鳳凰號火星探測器，人類一直積極地在火星地表搜尋生命跡象。值得一提的是鳳凰號火星探測器，它在火星北極冰蓋附近發(fā)現(xiàn)了掩蓋在表層塵土下的水冰，驗證了火星奧德賽號軌道探測器的觀測結果。盡管我們現(xiàn)在沒有發(fā)現(xiàn)火星人，但如果過去火星上曾經出現(xiàn)過生命，那么生命仍有可能存在于火星地下還存在液態(tài)水的某些角落。此外，火星上的地質活動一直很活躍：火星最后一次火山噴發(fā)發(fā)生在2Ma。因此，現(xiàn)今我們仍不能完全排除火星上存在可為生命提供能量的氧化還原環(huán)境的可能性。
伽利略號（Galileo）探測器于1992年12月7日拍攝的月球影像?！短?、地球、生命的起源：改變地球早期生命史的14個大事件》內頁插圖。
與火星和金星相比，地球是唯一一個板塊構造運動持續(xù)進行的類地行星。因此，板塊運動可能是生命出現(xiàn)和演化的重要因素之一。地球的板塊運動使得氧化性物質和還原性物質共存（比如沿大洋中脊的海底熱液噴口），從而在地球內部與表面兩者之間形成了一道能穩(wěn)定提供化學能的分界面。除太陽能之外，生命也可以利用這種化學能。
不過，板塊運動的主要作用是調控地球的氣候。在地質時間尺度上，板塊運動構筑起座座崇山峻嶺并導致了大陸的出現(xiàn)，陸面的風化作用將大氣中的二氧化碳轉化為碳酸鹽沉積物，之后沉積巖通過海陸邊緣的俯沖帶進入地幔。與此相反，板塊運動中的火山作用將地球內部的二氧化碳帶入大氣。換句話說，板塊運動在長時間尺度上調節(jié)著地球大氣的二氧化碳調節(jié)系統(tǒng)（碳循環(huán)），從而使其溫室效應相對穩(wěn)定。這一特征使地球維持了其表面溫度和液態(tài)水環(huán)境。一個星球是否宜居，很可能與星球的板塊運動密切相關。
如果金星和火星都不行，那么太陽系其他地方有可能存在液態(tài)水嗎？許多環(huán)繞巨行星的冰凍衛(wèi)星的表面顯然不可能，但這些衛(wèi)星的內部可能存在海洋。關于冰下海洋的最有力證據(jù)是卡西尼—惠更斯號（Cassini-Huygens）探測器（ESA/NASA）最近在土衛(wèi)二（恩克拉多斯，土星較小的衛(wèi)星之一，直徑不到500km）上發(fā)現(xiàn)的間歇泉。這些間歇泉的存在有雙重含義：一方面，它表明土衛(wèi)二冰層表面之下存在液態(tài)水；另一方面，它證明土衛(wèi)二在土星的引力對其形成的潮汐作用下能夠提供足夠多的能量來維持其內部的液態(tài)水環(huán)境。此外，土衛(wèi)二間歇泉中還發(fā)現(xiàn)了氣態(tài)二氧化碳和有機分子，這意味著某種未知生命體內正在進行著某種化學反應，這種反應可以作為其代謝活動的潛在能量。
基于這項發(fā)現(xiàn)，研究者認為在沒有陽光的情況下，土衛(wèi)二深部也有可能具有為生命代謝活動提供能量的來源。另外，惠更斯號探測器在土衛(wèi)六（泰坦，土星的另一個衛(wèi)星，也是太陽系唯一有大氣圈的衛(wèi)星）上沒有發(fā)現(xiàn)水的痕跡，卻發(fā)現(xiàn)了甲烷海洋。
木星的冰凍衛(wèi)星—木衛(wèi)二（歐羅巴，Europe），其大小與月球差不多，也是太陽系中可能存在生命的星球。木衛(wèi)二表面覆蓋的冰層上充滿了溝壑，這是冰塊緩慢運動的結果。木衛(wèi)二內部結構模擬結果表明，木衛(wèi)二內部存在著海洋。盡管我們很難知道生命是如何在這種環(huán)境中誕生的，但木衛(wèi)二已成為幾個旨在搜尋地外生命的深空探測項目的目標。
宇宙中的其他生命？
目前，我們不知道太陽系其他地方是否也存在生命。但有一點毫無疑問，銀河系擁有數(shù)十億顆行星（系外行星），無論它們是否圍繞著太陽型恒星運行，該恒星質量比太陽或大或小從而使行星溫度比地球或熱或冷，在天文學意義上，每一顆恒星都擁有一個“宜居帶”，即星球表面可能存在液態(tài)水的區(qū)域：行星距離恒星太遠，水將被凍結成冰（如果存在水）；距離恒星太近，水將被蒸發(fā)成水蒸氣。我們可以通過簡單的計算來確定宜居帶的位置和范圍，從而發(fā)現(xiàn)是否存在宜居系外行星，而不考慮其質量等特征。2009年4月，研究者根據(jù)此標準發(fā)現(xiàn)了兩顆新的系外行星（截至2009年4月，已發(fā)現(xiàn)的系外行星有400顆）。這兩顆系外行星屬于同一行星系（目前這個行星系有4顆行星），它們的質量分別為地球質量的5倍和7倍。它們都圍繞著恒星格利澤581（Gliese581）運行。這顆恒星與太陽大不相同，因為它的質量只有太陽質量的3/10，為一顆紅矮星，不過其年齡與太陽的相當。
這一結果表明，只根據(jù)行星液態(tài)水存在的可能性這一單一標準，我們就能夠識別與地球截然不同的“宜居”行星，下文我們會詳細討論這將給生物學帶來的重大影響。然而，情況并非如此簡單。地質學家和地球化學家指出，地球表面液態(tài)水的存在不只與地球到太陽的距離有關，還有其他影響因素。比如，即使是在上述定義的“宜居帶”之外的星球上，溫室效應造成的熱力強迫作用也可能使星球表面溫度保持在冰點以上。此外，板塊運動的存在也會影響溫室效應，從而影響行星的宜居性。換句話說，上文引入的“宜居帶”概念（天文學意義上的宜居帶）是基于行星所需的最低能量之上進行定義的。這就是我們對宜居帶范圍之外的天體也感興趣的原因。不管是系內行星（如行星的衛(wèi)星們，詳見上文土衛(wèi)二和木衛(wèi)二）還是系外行星，我們都需要加強對其內部結構和內部動力學的研究（目前在這類行星數(shù)量有限的情況下是可能實現(xiàn)的）。
如果我們利用光譜技術研究這些天體的大氣圈，潛在“宜居”系外行星帶的范圍可能會進一步擴大。在系外行星大氣圈中，氧氣、臭氧及甲烷或氨氣等還原性氣體的存在也可以作為星球上代謝存在的有力證據(jù)。目前，通過地面觀測站對系外行星的光譜分析研究，研究者發(fā)現(xiàn)系外行星大氣圈中可能存在水。不過，我們可能必須等到能夠發(fā)射極其精密的衛(wèi)星時才能確定，這是2025年的任務目標。為了獲得系外行星的光譜信息，從而證實上文提到過的分子“代謝標志物”（“生物標志物”）的存在，ESA制定了“達爾文”計劃（Darwin），NASA也籌劃了“類地行星搜索者”（簡稱TPF）工程。
最后，對生物學家來說，“宜居星球”必須滿足現(xiàn)代生命所需的物理化學條件。這些基本條件需要通過研究地球生命生存的極限條件來確定，這意味著存在液態(tài)水（但并不局限于地表水，也可以是地下海洋，如上文所述）、適宜的溫度（介于0~110℃）及能量源。能量可以是光能，也可以是氧化還原反應產生的化學能，不過后者要求氧化性物質和還原性物質共存。除了上述條件，還有一個條件：行星的地質活動也比較活躍。
生命：宇宙的偶然還是必然？
地球上的生物學家可能需要思考地球生命的起源和演化問題，但對哲學家、化學家、地質學家、天文學家來說，一個基本問題至今仍未得到解答：地球生命在宇宙中是否獨一無二？是偶然性的產物（1965年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎得主雅克·莫諾的觀點）？抑或具有必然性，即當生命所需的物理化學條件都出現(xiàn)時的必然結果（1974年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎得主克里斯蒂安·德迪夫的觀點）？
如果某一天我們在另一個行星系中也發(fā)現(xiàn)了生命，或許就可以找到生命起源問題的答案。然而，即使暫且不管雅克·莫諾的激進立場，我們似乎也無法完全贊同克里斯蒂安·德迪夫所倡導的那種“必然性”，因為這種觀點也存在很多問題。讀者可以自行判斷。
如果有一天，我們能夠證明生命的出現(xiàn)并非地球上才發(fā)生的獨特現(xiàn)象，那么不可避免地出現(xiàn)了另一個問題：毫無疑問，宇宙中存在大量的宜居行星，生命在宇宙中依然罕見還是具有必然性和普遍性？如果是后者的話，生命出現(xiàn)甚至生存的這些基本條件是否可以被精確定義呢？單純從物理化學條件（液態(tài)水及有機分子的存在）來看，我們或許可以對其進行定義，因為這些成分遍布宇宙的各個角落，且含量豐富。然而，只要地球生命的起源過程尚未可知，我們就很難給出明確的答案。
《史前星球》第一季（2022）劇照。
即便我們能夠回答前面的問題，那么我們可能探測出來的地外生命又是如何進行演化的呢？我們已探測到各種各樣可能含有液態(tài)水的行星，肯定有很多潛在宜居星球環(huán)繞著格利澤581這樣的恒星運行。由于這類恒星較冷（相比太陽的5900K，該恒星表面溫度僅為3500K）且在紅外波段和紫外波段的輻射都大大強于太陽（存在活動劇烈的色球層），其周圍行星上的生命所遵循的演化途徑很可能與地球生命的大大不同。能量交換又將如何進行？它們的機制和效率如何？會有何種光合作用？演化的速度會有多快？生命會演化到什么樣子？與太陽不同，0.3M☉（太陽質量）的恒星的壽命近乎永生！如今還有很多懸而未決的問題待解開。
如果將來我們確實發(fā)現(xiàn)了地外生命的可靠跡象，也許我們就能給出這些問題的答案。我們甚至可能通過這種非同尋常但間接的手段來了解地球生命的起源，也就是我們人類的起源。這豈不是一件很有意思的事。
原文作者/［法］米里埃爾·加爾戈 ［法］埃爾韋·馬丁 ［法］普里菲卡西翁·洛佩-加西亞 等
摘編/何也
編輯/何安安
校對/劉軍
