科學家如何搜尋外星生命？

為了搜索宜居星球，我們用了兩期科普推文，知道了天文學家如何一步步縮小搜索範圍——先從浩如煙海的星空中找到系外行星，再從這些系外行星中篩選出類地行星，再在類地行星中遴選出宜居行星。

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系外行星＞類地行星＞宜居行星——三部曲的節奏

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費盡辛苦搜索宜居星球，當然這不是最終目的。

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我們知道，宜居星球的定義還很粗線條。拿太陽係為例，宜居帶的範圍圈定在0.84AU～1.7AU，金星、地球、火星都處在太陽的宜居帶里。但是眾所周知，金星、火星到目前為止還沒發現任何生命跡象。這就是說，處在宜居帶上的宜居行星，可不都是真的存在生命。

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能夠誕生／存在生命的宜居行星，條件還是很苛刻的，生命的門檻——那是相當得高！

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要想說清楚生命誕生的條件，前提條件就是先搞清楚「什麼是生命」？

從變形蟲到特朗普，從知更鳥到你我他，如此大跨度，都屬於生命，而對生命的最簡單定義：能夠藉助自然選擇實現繁殖和進化的有機體。我們把含碳的分子統稱為有機分子，所以說地球上的所有生命都是碳基的，也就是碳基生命。

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此處可能有人會問：為什麼碳元素如此重要？而不是氧元素或者硅元素呢？為什麼地球生命不是非碳基生命，比如是硅基生命、羥基生命呢？……這是一大坨相當重要而且有趣的命題，我們留著下期再說吧。

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回到本期的核心問題上。既然我們知道了什麼是生命，那麼就應該能得出——生命對環境的要求是什麼？

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換句話說，我們要想在廣袤宇宙中，找到外星生命或者適合人類生存的星球，就必須先明確讓生命生存的環境條件是什麼？問題來了——

①構成生命基本元素是什麼？

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地球上天然存在的92中化學元素中，構成生命體基本元素的只有25種，其中氧、碳、氫、氮四種元素，就佔了生物活體總質量的96%。

②哪裡才能找到這些基本元素？

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我們知道，所有恆星時時刻刻都在釋放著氫、氦，除了這兩種輕元素之外，其他重元素碳、氧、氖、鎂、矽，直到鐵元素，都在恆星內部一層層的聚變反應中被製造出來了。至於更重的元素，還會在恆星最後的蛻變——超新星爆發當中生成。

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包括人類在內，我們所有的已知生命，其實都是由星塵構成的——這句話一點不忽悠。

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事實上，每個恆星系統都存在構成生命所需要的的化學元素。

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除了需要構成基元分子的資源之外，生命還需要能量資源來維持新陳代謝。這就引出了第三個問題：

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③哪裡能找到生命所需的能量？

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我們知道，地球生命需要能量是多種多樣的，有的直接從陽光中獲得——光合作用，有的通過消化有機分子獲得能量——吃掉光合作用的生物體，還有的通過跟鐵、硫、氫等無機化合物發生化學反應來獲得——深海里的極端微生物。

▲僅僅1.7毫米的水熊蟲，竟然是第一種人類已知能夠在太空中生存的動物。

④生命需要液態水嗎？

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除了有機構成基元、獲得能量之外，液態水也是地球生命一個基本構成要素。

為什麼生命離不開水？

它至少有三個非常重要的功能：

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1.水能溶解有機分子，使得有機分子能夠參與生命細胞的化學反應；

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2.水能夠對化學物質進進出出細胞，起到運輸作用；

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3.水直接參与細胞內的很多新陳代謝。

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有人可能又要較真兒了，換成其他液體不行嗎？其實，生物學家早就想到了，甚至也做過實驗。比如液態氨、液態甲烷、液態乙烷，甚至液體石油、液態岩漿都研究過了，全都無法支撐生命存活。

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以上我們說了，生命對環境的4種條件要求——

①要有構成生命的基本元素；

②要有構建這些基本元素的行星資源；

③行星必須處於宜居帶，擁有維持生命的能量資源；

④必須要有液態水。

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事實上，這4種條件屬於遞進關係，如果一顆類地行星能夠存在液態水，那麼前面三種條件也就必然得到滿足了。

尋找存在液態水的類地行星，這是成為人類搜索宜居星球和外星生命的關鍵！

此處我要說明的是，（以防有人又要較真兒，呵呵）我們對生命的所有認知，都來自於對地球生命的研究。換個角度看，我們對宜居星球的探討，很可能是建立在一種狹隘的生命觀上的，進而，我們對宜居條件給出的判別標準也可能過於狹隘。我也認為，大自然或者整個宇宙的創造性，很可能出乎想像！問題是，至今我們尚未發現或者未被確認。所以呢，我在這裡只能跟大家探討科學共同體已經確認的認知。畢竟我們是在科普，不是科幻。

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好了，既然我們已經知道了液態水對生命的頭等重要性，那麼只要找到那些存在液態水的行星就OK了。

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關鍵就在這兒，人類尚且飛不出地月系、人類探測器也飛不出太陽系的現有條件下，怎樣才能探測動輒就是數十上百光年之外的行星上，到底有啥呢？液態水、大氣層、奇異生物……如何知道有沒有呢？

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毫不誇張地說，光——人類探索宇宙的唯一利器。我們手裡只有望遠鏡，只能依靠各種望遠鏡，才能探個究竟。

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而且，也不是像有些人想像的那樣——利用最好的望遠鏡能夠觀測到系外行星的清晰圖像，就跟我們使用牛頓式望遠鏡能夠觀察月球環形山似的——事實上，那是不可能的。

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即使是全世界最強大的地面望遠鏡、太空望遠鏡，聚焦到一顆行星上，也無法拍出一張清晰的星球來。

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▲這就是今年轟動一時的重大發現——人類首次發現7顆類地行星、3顆處於宜居帶的Trappist-1系統——NASA公布的真實影像。

40光年之外的恆星系，真面目竟然是一堆馬賽克。

別說宜居星球了，就連母恆星本尊都拍得那麼模糊。

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知道了吧，這就是天文觀測的事實。你還能期望發現宜居星球上的海洋世界、奇異生物嗎？

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那麼問題來了，天文學家是如何搜尋宜居行星有沒有生命的呢？

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還是利用人類手頭上的探索利器——光！

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天文學家先是動用強大的望遠鏡，觀測到這些行星的光譜，然後進行光譜分析。

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提起光譜分析，不妨從最簡單最有趣的稜鏡現象開始。

所有光線都可以通過稜鏡後分解成各種顏色的彩色光帶，這些光帶看起來就像是彩色的條形碼，只不過是非賣品。

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它就像是光線的身份證一樣，每一種化學元素都相應對應著自己的條形碼。總之，每一個天體透過光譜分析，都會顯示獨一無二的光譜身份證。這樣的話，天文學家就可以揭示這些天體的秘密。

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▲天文學家就是利用這種光譜身份證，搜索／篩選／找到各種類地行星、宜居行星、海洋行星的。

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背後的邏輯關係是這樣的——通過光譜分析，我們可以研究行星大氣里氣體的吸收或者發射特徵。如果存在二氧化碳、臭氧、甲烷、水蒸氣在內的氣體，就會透過光譜身份證被檢測出來。

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儘管因為這些氣體的存在，並不能直接表明生命的存在，但因為它們精確的丰度、組合差異，就能夠為生命是否存在提供有力證據。

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▲比如說，如果檢測到這顆行星存在很高的氧，又因為這是光合作用的產物，所以我們就有理由猜想，這顆行星很可能存在生命。

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同樣，這一推論對甲烷氣體也成立。早在地球生命進化最初的1億年，地球大氣的標誌性氣體是甲烷，因為微生物通過代謝過程排出的是甲烷而不是氧氣，植物大規模進行光合作用釋放氧氣，那時之後的事兒。所以，這就意味著——如果檢測到一顆行星大氣存在較高的甲烷，我們就有理由猜想，這顆行星很可能存在原始生命。

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我們不妨設想一下，在宇宙遙遠的某個地方，只要通過足夠大望遠鏡就會發現我們地球，並且測出地球反射光的光譜，也就可以發現地球上生命的存在。同理，我們也可以通過同樣路徑，探測其他行星是否存在著生命。

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也許未來某個時間點，天文學家通過光譜分析，有幸發現某個宜居星球上存在豐富的甲烷或者氧氣，為人類創世紀地找到外星生命提供有力證據。

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