互动科普

地球仍然是迄今所知唯一可供生命栖息的星球，但是科学家们发现宇宙富含有生命化学物质。

近几十年来，人类开始认真地、系统地寻找地球外生命的踪迹。尽管至今还没有在地球之外找到过活的有机体，但是仍然有理由对此充满希望。遥控的空间探測器探测到了几个也许曾有生命涉足过的星球，尽管今天并无生命在那里繁衍生息。“伽利略”号宇宙飞船在最近一次越过地球的飞行过程中发现了清晰的生命迹象——使我们再次确信我们已经知道至少怎样去察觉某些形式的生命。迅速增多的证据令人信服地表明，宇宙中有许多在某些方面和我们地球相似的行星系统。

实际上，热衷于在太阳系的其他星球上找到生命的科学家们一直满足于使用化学方法。人类以及地球上的其他任何生物都是以液态水和有机分子为基础开始的。有机分子是含碳的化合物但不是二氧化碳和一氧化碳。因此，一种最新的研究策略，即寻找生命必需的（即使还是不充分的）条件，是从寻找液态水和有机分子着手的。当然，这样做可能会错过我们完全不知道的生命形式，但这决不意味着我们不可能用其他方法来追查到它们。如果真的有一只以硅为基础的长颈鹿从“海盗”号火星登陆舱旁边走过的话，那也早就把它拍摄下来了。

实际上，集中注意有机物质和液态水看起来并不像所称的那样狭隘和具有排他性。以碳所能形成的化合物的多样性和复杂性来说，另外再没有哪一种化学元素可以与之相比了，而液态水则为有机分子得以溶解和相互作用提供了最好而稳定的介质。此外，宇宙中几乎到处都有有机分子。天文学家们到处都能找到它们的踪迹，从星际的气体和微粒到陨星到外太阳系的许多星球。

另一些分子（例如氟化氢）溶解其他分子的能力和水差不多，但是宇宙中的氟极为稀少。有些像硅那样的原子在改变生命的化学组成方面也许能起到碳的某些作用，但是它们所能提供的携带信息的分子不够多样化。此外，相当于二氧化碳的硅（二氧化硅，普通玻璃的主要成分）在所有行星的表面上都是固体而不是气体。这种特性毫无疑问会使以硅为基础的新陈代谢的发生复杂化。

在水都冻结成固体的极其寒冷的星球上，另一种溶剂（例如液态氨）可能是另一种生物化学形式的关键。在低温下，有几类分子只需要少的激活能量就能进行化学反应，但是因为我们的实验室是处于室温下的，而不是处在（譬如说）海王星的卫星——海卫一的温度下的，所以我们有关这类分子的认识是不够的。目前，我们所知道的，或者能够想象得到的仍然只有以碳和液态水为基础的生命形式。

地球上生命的信号分子是构成遗传指令的核酸（DNA和RNA）和通过催化作用控制细胞和有机体化学过程的蛋白质（如酶）。地球上所有的生命都使用基本相同的密码本把核酸的信息传递给蛋白质结构。遗传化学物质的这种高度的一致性表明，我们这个星球上的每一种生物都是从共同的生命起源形式进化而来的。如果是这样，我们就没有办法去了解地球上生命的哪些方面是必需的（任何地方的生命都需要的），哪些方面只是偶然的（可能使生物具有极不相同的特性的一系列偶发事件造成的结果，但是也可能发生另一些事件而产生另一些结果）。我们可以推测，生物学家只是在检验了其他星球上的生命后才能真正确定如果不这样的话会发生什么情况。

最适于着手探索生命的地方是在我们自己的太阳系里。遥控的宇宙飞船已经探査了距离地球约100-100000公里处的70来个行星、卫星、彗星和小行星。这些飞船都装备了磁强计、带电粒子探测器、成像系统以及光度计和光谱计（能够探测到从紫外光到千米波长的无线电）。关于月球、金星和火星，已经由轨道飞行器和登陆舱做出的观察根据由飞近天体进行探测的宇宙飞船发回的数据证实和阐明。

没有一次相会提供过令人信服的或者甚至给人以强烈启示的有关地球外生命的迹象。还有，这样的生命（如果有的话），可能极不相同于我们所熟悉的形式，或者也可能仅处于生命和非生命之间。或者是，用于探测其他星球的遥感技术可能感受不到其他星球上生命的神秘信号。直到最近还从未用这些技术进行过最基本的试验——用装备着仪器的可飞近天体进行探测的宇宙飞船探测地球上的生命。国家宇航局的“伽利略”号飞船已经补上了这一课。

“伽利略”号是具有双重目的的宇宙飞船，它包括一个木星轨道飞行器和完整的探测器。“伽利略”号现在正飞行在星际空间，预定在1995年12月到达木星系。国家宇航局由于技术原因未能把“伽利略”号直接送上木星。这项飞行任务要通过三次重力加速（两次从地球，一次从金星）把“伽利略”号送上征途。这一环形飞行路程大大地延长了飞行时间，但也使飞船得以贴近观察我们居住的这个行星。“伽利略”号的仪器装备并不是为了和地球相会的飞行而设计的，所以是意外地安排了一次参照性的试验，利用典型的现代行星探测器研究地球上的生命。1990年10月“伽利略”号与地球相会的结果使我们受到极大的启发。

一个注视“伽利略”号数据的观察人员，可能立即会注意到有关地球的一些不同寻常的事实。当我的合作者和我注视由“伽利略”号在近红外波长（只比红外光稍微长一些）处拍摄到的光谱时，我们在0.76微米（分子氧正是在这一波长处吸收高射的）处看到亮度急剧减弱。这一明显的吸收特性意味着地球的大气层中有极丰富的氧分子，其数量比太阳系中任何其他行星上的要大好几个数量级。

氧缓慢地和地球表面的岩石相结合，所以富含氧的大气层需要一种补充机制。当来自太阳的紫外光分解水分子（H2O），以至少量氢原子优先逸入空间时，有些氧就游离了。但是很难用这个过程来解释地球上浓密的大气层中氧的浓度为什么如此之高。

如果可见光（不是紫外光）能够分解氧分子，那么为什么大气层中有丰富的氧倒是可以理解的了，因为太阳发射的可见光的光子比紫外光的光子要多得多。但是可见光的光子微弱得不足以断裂水中的H-OH键。如果有某种途径可使两个可见光的光子相结合而分解水分子，那么一切问题都会迎刃而解。但是迄今为止就我们所知，此举是无法完成的——除非通过生命，特别是通过植物的光合作用。地球大气层中分子氧的普遍存在是我们了解地球之所以能有生命的第一个线索。

“伽利略”号在拍摄地球时，正确无误地发现了一条显示出各大陆的明显的吸收带。有些物质在波长0.7微米左右（可见光谱的远红外端）处吸收辐射。没有哪一种已知的矿石显示过这种特性，而且这种现象在太阳系中的其他任何地方都未发现过。如果可见光光子确实是叠加起来分解水并产生分子氧的话，那么这种神秘的物质实际上正是我们所期盼的那种吸光色素。“伽利略”号检测了这种覆盖着地球上大部分陆地的色素——我们知道它就是叶绿素。地球看起来是绿色的，因为叶绿素反射绿光而吸收红光和蓝光。叶绿素红带的普遍存在为把地球看成是可供生命栖息的行星提供了第二个理由。

“伽利略”号的红外光谱计还检测到微量（大约百万分之一）的甲烷。尽管这看起来可能并不重要，但它相对于所有的氧来说是处于极不平衡的状态之中的。在地球的大气层中，甲烷被迅速地氧化成水和二氧化碳，在热动力平衡的状态下，计算表明，一个甲烷分子都不会留下。有些不同寻常的过程（我们知道其中包括细菌在沼泽地、瘤胃和白蚁体内的代谢过程）必定会不断地补充甲烷的供应。明显的甲烷不平衡是地球上生命的第三个标志。

最后一点，“伽利略”号的等离子波测量仪器探测到一条来自地球的窄频带的、脉冲的、调幅的无线电发射信号。这些信号起始于地球表面上的无线电传播开始能穿透电离层时的那个频率处；这些信息看起来丝毫不像来自自然界（如闪电和地球的磁性层）的无线电波。这些不同寻常的、有序的无线电信号令人信服地表明存在着技术文明。这是生命的第四个标志，而且是唯一的一种标志。在过去的20亿年里的任何时候如果有宇宙飞船飞过地球的话，都不可能发现这种标志。

“伽利略”号的这次飞行是一次重要的参照性实验。它检验了遥感宇宙飞船能否探测到太阳系里其他行星上各不同进化发育阶段的生命。这些成绩鼓舞了我们，我们将能够确定其他行星上生命的迹象。即使我们没有发现这类迹象，我们也能大致得出这样的结论，即在太阳系所有的天体中，目前只在地球上广泛地存在着生物活性。

火星是离我们最近的行星，我们能看到它表面。它有大气层、两极冰帽、四季变化和24小时为一天。对于几代科学家、作家和大部分公众来说，火星看来是最可能适合地球外生命生存的星球。但是飞近火星进行的探测和绕火星飞行的轨道飞行器都没有发现多余的分子氧、令人难解地不合乎热动力平衡的物质（不管其性质如何）、未预料到的火星表面色素以及调幅的无线电发射信号。1976年，国家宇航局把两个“北欧海盜”（Wiking）号登陆舱送上了火星，我是那次飞行的试验员。这两个登陆舱都装备了灵敏度极髙的仪器。这些仪器即使在地球上无生命迹象的沙漠和荒原上也能探测出生命。

第一项试验是测量在具有从地球带来的有机营养物的条件下火星表面样品和当地大气层之间交换的气体。第二项实验取了多种多样用放射性示踪元素标记的有机食物，用以观察火星土壤里是否有吃掉和氧化掉这些食物从而产生放射性二氧化碳的生命形式。第三项试验是使火星土壤接触放射性二氧化碳和一氧化碳以确定它们是否被微生物吸收。

我认为，最初使参与此项工作的科学家们都感到惊奇的是，“北欧海盗”号进行的上述三项试验获得了乍看起来是肯定的结果：气体被交换了；有机物质被氧化了；二氧化碳被整合进了土壤。

但是有理由认为这些诱人的结果并不像通常想象的那样令人信服地证明火星上就有生命。假想中的火星微生物的代谢过程是在多种条件下进行的：潮湿和干燥、光照和黑暗、冷（略高于冰点）和热（几乎是水的正常沸点）。许多微生物学家都认为火星上的微生物竟然具有可在如此不同的条件下生存的能力。那是不可能的。对此持怀疑态度的另一个强有力的理由是，为在火星土壤中寻找有机分子而进行的另一项试验结果是否定的，尽管试验所用的仪器是能以亿分之一的灵敏度来检测这类分子的。我们期望火星上的任何生命（就像地球上的生命一样）理应是以碳为基础的分子的化学方式的表达。根本没有找到这类分子。这一点难了宇宙生物学家中的乐观主义者。

现在，通常认为在两个“北欧海盗”号登陆舱中进行的探测生命的试验之所以得看起来是肯定的结果，是因为火星上存在着某些能氧化土壤的化学物质。这些化学物质是在太阳的紫外光照射火星的大气层时形成的。少数从事“北欧海盗”号试验的科学家仍想知道是否可能存在着一种非常顽强和特具应变能力的有机体，这些有机体在火星土壤中分布得如此稀少，以致不可能测到它们的有机化学反应，但是能测到它们的代谢过程。这些科学家不否认火星上存在由紫外光产生的氧化剂，但是他们强调现在还没有人能够只以氧化剂为依据来充分说明“北欧海盗”生命检测的结果。有几位研究人员初步断言，在一组陨石（SNC陨石）里发现了有机物质，他们认为这些有机物质是在远古的撞击过程中被冲进空间去的一点点火星表层。比较可能的是，这种有机物质是陨石落到地球上以后由进入陨石的污染物质组成的。迄今为止庄没有人宣称在这些来自太空的陨石中发现过火星的微生物。

在这种情况下，比较稳妥的说法是“北欧海盗”号没有发现关于火星上有生命的令人信服的事实。火星上刮起的快速的大风可把微细的粒子吹到它的各个角落，我们在火星上两个相距5000公里的地方进行四次极不相同的、非常灵敏的试验后未发现确定无疑的生命迹象。“北欧海盗”号登陆舱的探索结果说明，火星至少现在是一个无生命的行星。

火星上在远古时期曾有过生命吗？答案在很大程度上取决于这样一个我们迄今尚一无所知的问题：生命能以多快的速度诞生。天文学家们确信，地球最初因为常有微星碰撞而不适于生命栖息。微星是构成行星的板块，合在一起后即形成了地球。在早期阶段，地球表面覆盖着厚厚一层熔岩。在岩浆凝结之后，如果早已产生了生命的话，那么可能是一些大型微星的偶然光临使海洋沸腾，从而使地球成了不毛之地。

地球大约在40亿年前一直是不平静的。化石表明，大约在36亿年前地球上有丰富的微生物生命（包括篮球那样大小的叠层石，即微生物群落）。这些早期的生命形式一直是生物化学的能手。有许多能进行光合作用，慢慢地为地球造成了一个异乎寻常的富含氧的大气层。梅因茨Max Planck化学研究所的Manfred Schidlowsky研究了保存在远古岩石中的碳同位素比率。这项研究证明地球上早在38亿年前就充满了生命。

因此地球上生命起源的时间是从两个方面来推测的。根据现有的知识，总共只有短短的1亿年。1873年，在根据“阿波罗”号带回的月球样品搞清楚了撞击月球的年代后，我首次注意到了这种“推测”。我认为地球上产生生命的速度如此之快可能意味着这是一个可信的过程。只根据一个例子来推断是极不可靠的，但如果地球上的生命很快产生了，而在其他许多与它相似的星球上（如果有可以比较的时间）却没有这样快，那么这就真正是一个值得注意的问题了。

在40-38亿年前，火星上的条件可能也有利于生命的产生。火星的表面覆盖着远古的河流、湖泊、乃至深达100多米的海洋的形迹。40亿年前的火星比现在的火星要温暖和潮湿得多，总起来说，这些信息尽管很难证明，但仍提示我们，在远古的火星上可能和远古的地球上一样产生过生命。如果是这样，那么随着火星从条件相宜的星球演变成荒凉的星球，生命仍可能继续生存在最后一些残留的避难所里——也许是盐湖或内部温度已把永久冻土融化了的地方。大多数研究行星的科学家们都同意，今后在进行火星考察时，应该把寻找远古生命的化学物质或形态学化石方面的工作放在首位。尽管在现在的火星绿洲里寻找生命是—项成功的可能性很微小的工作，但也可能会取得成效。

现在知道在整个太阳系里和太阳系之外到处都有有机化学反应。火星有两个小卫星：火卫一和火卫二。这两颗卫星是深色的，因此看起来好像是由有机物质构成（至少是覆盖）的。普遍认为它们是从太阳系的更远处捕获到的小行星。的确，看来有很多小行星都覆盖着有机物质：木星和火星之间主要的小行星带中的C-型和D-型小行星；彗星（如哈雷彗星）的核；以及新发现的靠近最外层行星的一组小行星。1986年，欧洲航天局的“Giotto”宇宙飞船直接飞进了围绕着哈雷彗星的云层后，发现它的核可能是由多达25%的有机物质组成的。

地球上有一类相当丰富的陨石叫做碳质球粒状陨石。人们认为它是由来自主要的小行星带中的C-型小行星碎片组成的。碳质球粒状陨石在其芳香烃和其他烃中含有极丰富的有机残余物。科学家们还鉴定出了许多氨基酸（组成蛋白质的小区）和核苷酸碱基（拼缀成遗传密码DNA双螺旋的“梯级”）。

进入早期地球大气层中的小行星碎片和彗星碎片携带有大量有机分子。这些有机分子中的一些在进入大气层时经受住了酷热，因此可能为生命的起源做出了重大的物质贡献，碰撞也可能同样地把有机物质和水一起带到其他星球上。这些星球本来不需要得到像地球准备实现的生物前期化学中的关键阶段时那么多的液态水。这种水可能以矿石粒子上薄薄的一层水或因碰撞而形成的冰融水的形式出现在池塘，即地表的贮水处。

在可展示生物前期有机化学过程的星球中最使人入迷的和最有启发性的是土星的一个大卫星——土卫六（它和水星一样大）。我们在土卫六上可以看到发生在我们眼前的复杂有机分子的合成。土卫六大气层的厚度为地球大气层的10倍，主要是由分子氧和不到10%的甲烷组成的。当“旅行者”2号在1981年到达土卫六时，它未能看到土卫六的表面，因为不透明的、微红的橙色烟雾把土卫六完全地包围住了。土卫六表面的温度极低，大约是94K（开氏绝对温度），即-179℃。如果我们能够根据其密度（比固态岩石低得多）和根据附近一些星球的组成来判断，那么在土卫六的表面和近表面处应该有大量水结成的冰。发现了极少几种有机分子（烃和腈是土卫六大气层的组分）。

来自太阳的紫外光、在土星磁层中被捕获的带电粒子以及宇宙射线都轰击土卫六并在那里起动化学反应。康乃尔大学的W. Reid Thompson和我在研究紫外光辐射效应并模拟极光电子轰击效应时发现其结果和观察到的气态有机组分的丰度非常一致。

我的同事Bishun N. Khare和我在康乃尔大学模拟了适合于土卫六大气层的压力和组分并用带电粒子照射这些气体。试验结果产生了暗橙色的固体。我们把它称之为Titan tholin（土卫六的水-冰浆“tholin”一词来自希腊字“泥浆”）。我们测定了“土卫六水-冰浆”的光学常数后发现该常数和观察土卫六烟雾后取得的光学常数非常一致。其他设想中的物质没有一个更和它相似了。

在土卫六的上层大气层中继续形成有机分子，而且随着新的水-冰浆的产生而慢慢地降落下来。如果在过去的40亿年里这个过程一直在继续进行，那么土卫六的表面一度覆盖着厚厚的（也许厚达几百米）一层水-冰浆和有机产物。此外，Thompson和我得出这样的结论，即在太阳系的整个历史中，土卫六上的典型部位有百分之五十的机会经历过几个世纪的由碰撞释放的热所形成的液态水时期。我们在实验室里把土卫六的水-冰浆和水相混合后制造出了氨基酸，还有痕量的核苷酸碱基、多环芳香烃和奇妙调制的其他化合物。如果说地球上生命的诞生有1亿年就足够了，那么如果在土卫六上产生生命，是否是有1000年就已经足够了呢？在一次碰撞之后的几百年里短暂地形成了有水的湖泊或水-冰浆后，土卫六是否开始形成生命呢？计划中将在2004年左右，当ESA-NASA Cassini飞抵土星后，利用土星轨道飞行器和进入土卫六的探测器对土卫六作一次逼近它的试验。

当我们的目光超出太阳系去观察散布在星际空间的气体和颗粒时，会再一次发现到处都存在有机化学反应的惊人迹象。一些天文学家在检验了由分子以特有的频率发送和吸收的微波后已经在星际空间鉴定出了四五十种简单的有机化合物——烃类、胺类、醇类和腈类当地球和某些较远的红外光源之间存在星际尘埃颗粒云时，就可能确定这些颗粒吸收了哪些红外波长，从而以了解其组成成分。

普遍地认为某些漏掉的红外光被多环芳香族，即和在煤焦油中发现的化合物相近似的复杂的烃类吸收了。在红外光波3.4微米附近可以看到三种特有的吸收曲线。同样的模式也出现在彗星、由照射烃冰后形成的水-冰浆中和陨石的有机物质中。这种红外印迹可能是由碳和氢的连接（脂族）基团-CH3和-CH2造成的。Yvonne Pendleton和她在国家宇航局Ames研究中心的同事们的发现和陨星有机物质最吻合。

彗星、小行星和星际云的红外相似性首次直接证明了小行星和彗星含有有机物质。当星际颗粒尚未聚拢在早期的太阳系中时，在它们上面就已经产生了这种有机物质。但是这些数据也适用一种相反的解释，即在早期太阳星云中形成的一部分有机物质积累成了小行星和彗星，而另一部分则被太阳发射进了星际空间。如果另外1000亿个恒星也这样做了，那么银河中所有的星际颗粒中相当大一部分的有机物质就可能是由这些恒星形成的。在外太阳系中，在来自最遥远的行星之外的彗星中以及在星际气体和颗粒中都普遍存在有机物质。这可以使人信服地说明，与生命起源有关的复杂的有机的物质广泛分布于整个银河系中。

但是，在干透了的星际颗粒上，有机物质受紫外光的烧灼，而且宇宙射线看来也不可有利于生命的诞生。看来，生命需要液态水，而液态水本身看来也需要行星。天文观察愈来愈多地指明行星系统是普遍存在的。围绕在许许多多质量与太阳相近似的年轻恒星周围的正是这样一类气体和尘埃的圆盘，这种圆盘正是自康徳（1724-1804，德国哲学家）、Pierre Simon和拉普拉斯（1749-1827，法国天文学家和数学家）以后的科学家们需要用来说明我们太阳系中行星的起源所必需的。这些圆盘使我们得以间接地说明在其他恒星周围可能有大量的行星，其中包括与地球相似的星球。

华盛顿卡内基研究所的George W. Wetheriill研究出一些详细的模型，可用来预测应能在这些围绕恒星的圆盘里形成的行星。与此同时，宾夕法尼亚州立大学的James F. Resting计算了这些能在其表面上保持液态水的行星与它们的太阳间的距离。总而言之，这两方面的研究都指出，一个典型的行星系统必须包含着—个（也许甚至是两个）在有可能保持液态水的距离处绕行的与地球相似的行星。

最近，Alexander Wolszczan（他也在宾夕法尼亚州）在大多数天文学家最没有想到可以发现有类似地球的行星的地方——这就是在一颗脉冲星，即由一颗超新型爆炸后留下的快速旋转的中子星残体的附近，明确无误地探测到了这样的行星。Wolszczan根据由脉冲星PSR B1257+12发出的无线电发射定时的变化，推断存在着三颗围绕该脉冲星运行的行星（迄今为止只被分別命名为A、B、C）。

这些行星与其恒星的距离比地球离我们恒星（太阳）的距离要近，因此PSR B125+12发射的带电粒子其能量数倍于太阳发射的电磁辐射的能量。如果所有被A、B和C截取的带电粒子都转化成热量，那么这些行星的温度对于生命来说肯定是太高了。但是Wolszczan发现了一点线索，即在距离该脉冲星更远处至少还有一颗行星。就我们所知，这个表面看来未必有可能存在的、离地球约1400光年的系统，也许包含着一个黑暗而可栖息的行星。不清楚的是，这些行星是在超新星大爆炸前幸存下来的呢，或者更可能是在大爆炸后由周围的碎片形成的？总之，它们的存在表明行星的形成是一个无法预料的、常见的和普遍的过程。

目前正在进行着在早期的和成熟的类似太阳的系统中寻找行星的工作。探索的速度是如此之快，而且又有那么多新的技术将被利用，看来在今后的几十年里，天文学家们将开始积累一份内容相当丰富的清单，其中将列举出地球附近的那些恒星周围的行星。

我们有各种理由，相信存在着许多和我们的地球相似的、有大量水的星球，其中每个这样的星球都补充有大量复杂的有机分子。这些围绕着类似太阳这种恒星运行的行星，有可能提供使生命得以在长达几十亿年的时间里诞生和进化的环境。银河里难道不应该有无数不同的可供生命栖息的星球吗？科学家们对这一论点各有各的看法，但是不管这些论点是多么言之有理，都不如扎扎实实地去探测地球外的生命。这项巨大的发现正期待着人们去完成。

【颂平/译   赵裕卿/校】