其它行星上的生命：什么是生命，它需要什么?

有一天，也许在不久的将来，一颗遥远的行星可能会显示出它可能存在某种形式的生命的迹象——但会不情愿地交出它的秘密。

我们的太空望远镜可能会在它的大气中发现一种类似于我们自己的气体混合物。计算机模型将提供有关这颗行星可能孕育生命的预测。专家们会争论这些证据是否有力地证明了生命的存在，或者试图找到更多的证据来支持这种开创性的解释。

“我们现在正处于一个黄金时代的开端，”位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心研究宜居行星的科学家拉维·科帕拉普（Ravi Kopparapu）说。“在人类文明史上，我们也许第一次能够回答这个问题：地球以外是否存在生命?”

对于系外行星（围绕其它恒星运行的行星）来说，NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）开启了这个时代。宇宙飞船上的仪器正在探测系外行星的大气成分。未来几年，随着望远镜的功能不断增强，未来的先进仪器可能会捕捉到光年之外行星上可能存在的生命迹象——“生物特征”。

在我们的太阳系内，火星上的毅力号探测器正在收集岩石样本，以便最终返回地球，这样科学家就可以探测它们是否有生命迹象。即将到来的木卫二快船任务将访问木星的一颗冰冷的卫星。它的目标是:确定该卫星上的条件是否允许生命在其全球覆盖的冰壳下的全球海洋中茁壮成长。

但任何地球外生命的迹象都将带来另一个大问题：任何科学结论到底有多确定?

“挑战在于确定什么是生命——什么时候说‘我发现了它’，”NASA南加州喷气推进实验室起源与宜居性实验室的劳里·巴格（Laurie Barge）说。

由于对构成“生命迹象”的因素有如此多的未知，天体生物学家正在研究一个新的框架，以了解证据的强度。2021年提出的一个样本框架包括从1到7的等级，其中有迹象表明其他生命处于1级，到越来越多的证据表明其他地方存在生命处于7级。这个正在讨论和修订的框架承认，寻找生命的科学探索是曲折蜿蜒的道路，而不是一条笔直的道路。

对于“我们所知道的生命”来说，确定明确的迹象仍然很困难。更不确定的是找到我们不知道的生命的证据，即由陌生的分子组合或基于水以外的溶剂构成的生命。。

尽管如此，随着对生命的探索正式开始，无论是在我们太阳系的行星中，还是在只能通过星光才能知道的遥远星系中，NASA的科学家和他们在世界各地的合作伙伴都有一些想法，可以作为起点。

进化的生命

首先，NASA对生命的定义不太正式，没有约束力，但仍然很有帮助：“一种能够自我维持的化学系统，能够进行达尔文式的进化。”查尔斯·达尔文（Charles Darwin）对自然选择进化的著名描述是，随着时间的推移，代代相传的特征导致了生物体的变化。

上世纪90年代，NASA的一个太空生物学工作组提出了这个定义，但这个定义并不用于设计任务或研究项目。它确实有助于设定期望，并将辩论集中在另一个棘手问题的关键问题上：非生命何时变成生命?

“生物学是有历史的化学，”杰拉尔德·乔伊斯（Gerald Joyce）说，他是帮助制定NASA定义的工作小组成员之一，现在是加州拉霍亚索尔克研究所的研究教授。

这意味着由化学本身记录的历史——就我们而言，是刻在 DNA 中的历史，DNA 编码的遗传数据可以转化为构成我们身体的结构和物理过程。

乔伊斯认为，DNA记录必须是强健、复杂、自我复制和开放的，这样才能在数十亿年的时间里经久不衰、不断适应。

乔伊斯说：“这将是确凿的证据：信息被记录在分子中的证据。”

这种来自太阳系另一个世界的分子，无论是DNA、RNA还是其他东西，都可能出现在火星的样本中，比如从NASA正在计划的火星样本返回任务中。

或者它可能在外太阳系的“海洋世界”中被发现——木星的卫星，木卫二，土星的土卫二或其它气态巨星的卫星之一，这些卫星在冰壳下隐藏着巨大的海洋。

我们无法从太阳系以外的行星上获得这些携带信息的分子的样本，因为它们是如此遥远，以至于即使乘坐有史以来最快的宇宙飞船也需要数万年的时间才能到达那里。相反，我们必须依靠远程探测潜在的生物特征，测量系外行星大气中气体的类型和数量，以确定它们是否由生命形式产生。这可能需要更深入地了解生命起源的条件，以及生命能否持续足够长的时间以被发现。

生命出现的地方

无论是在我们的太阳系还是在更远的行星上，对生命的条件都没有真正的共识。但研究生命起源和发展的乔伊斯提出了一些可能的“必备条件”。

排在第一位的是液态水。尽管地球上的生物生活在各种各样的环境条件下，但地球上的所有生命似乎都需要这些条件。液态水为生命的化学成分提供了一种媒介，使其能够持续一段时间，并聚集在一起进行反应，这是空气或岩石表面无法做到的。

同样重要的是：一种能量来源，既可以用于产生结构的化学反应，也可以用来创造“秩序”，以对抗普遍的“无序”趋势——也就是熵。

大气气体的不平衡也可能提供生命存在的迹象。

科帕拉普说:“在地球的大气中，氧气和甲烷相互之间反应强烈。”如果任其发展，它们很快就会相互抵消。

“他们不应该被看到在一起，”他说。“那么为什么我们会看到甲烷，为什么我们会看到氧气?”一定有什么东西在不断补充这些化合物。”

在地球上，这种“东西”就是生命，它向大气中注入更多的氧气和甲烷，并使其失去平衡。在这些化合物或其他化合物中，这种不平衡可以在遥远的系外行星上检测到，这表明存在一个生物圈。但科学家们也必须排除地质过程，比如火山或热液活动，它们可能会产生我们可能与生命联系在一起的分子。

要分辨这两者之间的区别，需要对可能存在的系外行星大气进行仔细的实验室工作和精确建模。

历经变迁

巴格还将“梯度”的概念放在了列表的重要位置，即随时间和距离而发生的变化，比如从湿到干，从热到冷，以及许多其他可能的环境。梯度为能量的流动创造了场所，在此过程中，梯度会发生变化，并产生分子或化学系统，这些分子或化学系统后来可能会被整合到生命形式中。

地球上的板块构造和二氧化碳等气体的循环——也许是由于俯冲作用埋在地壳下，或者是由火山喷发释放回大气——代表了一种梯度。

巴格的专长是研究数十亿年前海底热液喷口的化学成分，这是另一个。这是一种可能的途径，创造了一种原始的新陈代谢——将有机化合物转化为能量——作为真正生命形式的潜在先驱。

“在生命出现之前有什么梯度?”她问道。“如果生命如此依赖于梯度，那么生命的起源是否也受益于这些梯度?”

更清晰的生命可能路径地图最终可以为未来太空望远镜的设计提供信息，这些望远镜的任务是分析可能宜居的系外行星大气中的气体。

“如果我们想确定它来自生物学，我们不仅要寻找气体：我们必须研究它是如何从行星上排放的，如果它以正确的方式以适当的数量排放，”科帕拉普说。“有了未来的望远镜，我们会更有信心，因为它们的设计目的是寻找其它行星上的生命。”

关于作者：帕特·布伦南（Pat Brennan），NASA系外行星探测计划

原文地址：Life on Other Planets: What is Life and What Does It Need? – Exoplanet Exploration: Planets Beyond our Solar System (nasa.gov)