地外生命存活條件,什麼樣的行星能孕育生命?

宇宙的另一端是否存在某種高級智慧文明？或許在不久的將來，科學家就能揭曉神秘外星人的真實面目。《美國國家科學院院刊》近期刊登的一份研究報告，詳述了地外生命存活的必要條件和限制因素。

地球上生命存活的必要條件、生命的構成元素以及環境限制因素，為評估系外行星宜居性提供了重要線索。溫度是一個關鍵條件，它關係到液態水存在與否。同時，科學家還從系外行星系統的氣候模型和軌道空間直接估測出了生命生長和繁殖所必需的溫度條件。科學家對極度乾旱的沙漠的研究表明，即使只有少量的雨、霧、雪，甚至水蒸氣，只要存在適當的光照，微生物群落就能存活。另外的研究表明，一些微生物能夠承受較強的紫外線和離子輻射。因此，系外行星上存在生命是可能的。

生命極限

探測生命生存的極限有兩種不同的方法：第一種是分析生命生存的必要條件；第二種是研究生活有微生物的極端環境。這兩種方法均與尋找外星生命密切相關。

對地球生命而言，生存的必要條件有以下四個：能量、碳、液態水和其他各種元素。

刺激地球生命新陳代謝和生長的能量只有一種來源——與還原和氧化反應相關的電子轉移。比如，微生物利用二氧化碳和氫反應製造出甲烷氣體，光合生物利用光線吸收蛋白質，以及氧化還原反應產生的電子。這些過程可在細胞膜之間形成一種電化學梯度，通常發生在多數真核細胞的線粒體以及原核細胞的細胞膜中。一項最新的研究表明，電子可直接提供電流，驅動微生物代謝作用。

作為地球化學及生物化學的支柱分子，廣泛分布在太陽系中的碳元素具有重要地位。

然而，富含碳元素並不是一顆系外行星宜居與否的必要條件，與外太陽系的星球相比，地球的碳元素含量明顯低得多。地球的碳元素絕大多數存儲在地殼沉積岩中，但由於含碳分子（二氧化碳、一氧化碳和甲烷）易揮發，地球表面也有充足的碳元素。這種情況也同樣存在於火星和金星上。地球表面的生命體除了需要碳元素外，還用到多種元素，但這並不能證明它們是碳基生命存活的必要條件。

系外行星探索策略

近年來，科學家一直在探索如何評估系外行星的宜居性。在我看來，他們應當聚焦於原始生命，因為系外行星可能不具備完整的生態系統，但系外行星大氣層中的光催化過程對原始生命具有重要意義。

類地系外行星宜居性的關鍵參數是液態水的存在，它直接取決於大氣壓和溫度。溫度是至關重要的，它不僅影響水的存在形式，還能直接影響系外行星系統的氣候模型。我們認為，適合生命存活的溫度存在低溫極限和高溫極限。

1.低溫極限。

許多微生物可以在冰點以下生長和繁殖，這是因為它們的細胞中包含鹽和其他溶質。近期的一項研究表明，一種生活在北極永久凍結帶的微生物可以在15℃的環境中生長繁殖，並且能在25℃的冰凍土壤中進行新陳代謝。此外，雪衣藻可以生長在冰雪中。這種高原藻的微生物活動可以在永凍土中產生足夠的熱量，促進冰雪融化。不過，尚未發現微生物直接利用新陳代謝能量融解冰層的例子。

2.高溫極限。

迄今發現的許多系外行星的表面溫度都較高，因此，科學家需要知道生命能承受的高溫極限。有一種甲烷菌，可以在122℃的高溫下產生甲烷氣體。在該環境下，只要壓力足夠高，水就能以液態形式存在，其介電常數和液體極性減少，溶液特性以及溶液生物分子的交互性顯著改變。脂質、蛋白質和核酸在高溫下很不穩定，這種不穩定的脂質雙分子層很可能會溶解在介電常數較低的水中。因此，科學家認為，在這種高溫環境中存在古生菌並不意外。

3.乾旱極限。

生命存活受限於可用性水資源，火星就是一個實例，因此生命能承受的極限乾旱條件令科學家頗感興趣。在乾旱環境下，光自養生物可以在陰涼處或岩石下找到一些水資源。阿塔卡馬沙漠乾旱區鹽岩表面之下生長著一種岩隙藍細菌，靠鹽岩在溶解過程中吸收的大氣水分生存。一些實例表明，少量的雨、霧、雪，甚至一定的大氣濕度都能讓靠光合作用獲取能量的微生物種群生存。

4.紫外線和放射線。

複雜生命形式對放射線非常敏感，但許多微生物能夠承受一定量的放射線，有些甚至超出我們的想像。抗輻射奇異球菌是一種土壤異養生物，能夠承受高輻射。科學家認為，這是由於它們能夠適應脫水狀態。此外，生長在沙漠的擬甲色球藻能夠適應極端乾燥、高電離輻射和強紫外線條件。

5.氮。

除碳元素之外，氮是維持生命最重要的元素。實驗表明，嗜氧微生物需要大氣層中含有一定數量的氮，極光、閃電和火山爆發能將氮轉化為硝酸鹽。太陽系之外也存在氮元素的還原狀態，以氨的形式存在，同時具有生物可利用性。氮的生物可利用性對地外環境的宜居性研究具有重要作用。

6.氧。

地球上的多細胞生命通常依賴氧代謝，其進化發展與氧氣含量的變化息息相關。如果某顆系外行星的大氣層存在一定比例的氧氣，就可能有多細胞生命的存在。科學家指出，在系外行星和衛星的大氣中探測到氧氣或將證明地外生命的存在。同時，類地星球上存在高指數氧氣則暗示具有生物光合作用。

土衛六潛藏生命？

系外行星的潛在生命宜居條件，應當具有類似地球的液態水環境，這是搜尋生命的合理出發點。然而，其他星球上的液態水會略有不同，可能含有適合生命形式存活的介質。目前，科學家認為土衛六表面的液烴湖泊可以孕育生命，像地球海洋環境一樣。從某種意義上講，液烴比水更適合複雜的有機化學反應，同時也具有適當的氧化還原能量，可使生命存活下來。

土衛六表面的有機分子（乙炔、乙烷和一些固體有機物）釋放出的能量與大氣層中的氫發生反應，將形成甲烷。科學家猜測，類似土衛六的星球可能存在生命跡象，這些生命將消耗氫、乙炔和乙烷。同時他們指出，宇宙中類似土衛六的星球數量遠大於類地星球。天文學家曾發現一顆類似土衛六的星球環繞M型恆星運行，該類星球表面存在液態甲烷和液態乙烷池。

土衛六是天體生物學研究的一個實例，此外，太陽系中的木衛二和土衛二也引起了科學家的濃厚興趣。土衛二看似具備所有的生命宜居條件，它可能被土星的潮汐能加熱，並且從太陽接收充足的能量，便於實現光合作用。木衛二則是環繞巨大系外行星的宜居衛星的理想模型。