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Jul. 03 2014

尋找地球之外的生命

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  • 尋找地球之外的生命

人類最古老的問題之一,也許在我們有生之年就能獲得解答:宇宙中只有我們嗎?

 

撰文:麥可‧雷姆尼克 Michael D. Lemonick

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攝影:馬克‧希森 Mark Thiessen

 

一個電子訊號從美國航太總署(NASA)位於加州帕薩迪納的噴射推進實驗室發射出去,傳到一台無人探測車上,這台車正攀附在阿拉斯加一座湖泊30公分厚的湖冰底下。車上的聚光燈開始發亮。「成功了!」約翰.雷克提大嚷。他是噴射推進實驗室的一個年輕工程師,正蜷縮在附近湖冰上的一頂帳棚內。這聽起來或許不是什麼驚天動地的科技成就,但卻有可能是朝探索一顆遙遠的衛星,踏出了第一小步。

 

往南走超過7000公里,在墨西哥一座位於地下超過15公尺處的漆黑洞穴內,地質微生物學家潘妮洛普.波斯頓正在深及小腿肚的泥水中涉水前進。與同行的其他科學家一樣,她也戴著工業級的呼吸器,並且帶了另一個備用氧氣瓶,以應付經常瀰漫在洞穴內的有毒硫化氫與一氧化碳氣體。突然間,她的頭燈照亮了一滴半透明的濃稠液體,它的形狀略長,正從剝落中的白堊質岩壁上緩緩滲出。「是不是很可愛?」她讚嘆道。

 

這兩個地點――冰凍的北極湖泊和有毒的熱帶洞穴――可以為地球上最古老、最引人入勝的一個謎團提供線索:地球以外的地方,是否有其他生命存在?無論在我們自己的太陽系內、還是繞著遙遠的恆星運行,其他行星上的生命都可能必須存活在冰層覆蓋的海洋中(如木星的衛星木衛二),或是充滿氣體的密閉洞穴內(在火星上可能很多)。如果能找到方法來分離並辨識在地球上類似的極端環境中可以大量繁衍的生命形式,就等於在尋找天外生物的工作上前進了一步。

 

很難準確指出搜尋外星生命這件事究竟是什麼時候從科幻小說轉變成科學的,但其中一個重要的里程碑是1961年11月的一場天文學會議。這場會議的主辦人叫法蘭克.德雷克,他是一位年輕的電波天文學家,對於尋找外星人無線電訊號的這個想法非常著迷。

 

現年84歲的德雷克還記得,在他召集這場會議當時,尋找外星智慧(search for extraterrestrial intelligence,簡稱SETI)「基本上是天文學的禁忌」。他集結了一小群天文學家、化學家、生物學家與工程師,共同討論我們現在所說的太空生物學,也就是研究外星生命的科學。德雷克尤其希望取得專家的協助,以判斷是否值得投注大量時間用無線電波望遠鏡傾聽外星訊號,並找出最有希望獲得成果的搜尋方式。他也好奇:按照合理的推算,究竟可能有多少外星文明存在?因此在客人抵達之前,他在黑板上潦草地寫下了一個公式。

 

那個潦草寫下的公式就是今日赫赫有名的德雷克公式,它勾勒出了回答這個問題的過程。首先,寫下銀河系裡類日恆星的形成率,將它乘上這類恆星擁有行星系統的比率。得出來的數字再乘以這種行星系統內適合生命存在的平均行星數――也就是大小與地球差不多、和母恆星之間的距離也剛剛好適合生命存在的行星。將這個數字乘以行星發展出生命的機率,再乘以生命演化出智慧的機率,再乘以智慧生命發展出無線電訊號發送技術、讓我們可以偵測到的機率。

 

最後一步:將通曉無線電技術的文明數量乘上他們可能持續發送訊號或存活的平均時間。例如,如果這種先進社會通常在發展出無線電科技的數十年之後就會毀於核子浩劫,那麼不管是在哪個時間點,我們恐怕都聽不到什麼。

 

這個公式完全合理,但有一個問題。沒有人知道公式裡的比率或數字是什麼,只有第一個變數除外:類日恆星的誕生率。其餘的都純屬猜測。當然,假如SETI科學家成功捕捉到一個來自外星的無線電訊號,那麼這些不確定性就都不重要了。不過在那之前,德雷克公式所涉及的每一個領域的專家,都必須努力補上明確的數字――必須找出類日恆星周圍的行星形成率,或試圖解開地球的生命起源之謎。

 

過了三分之一個世紀,科學家才得以開始將粗略估算的數字代入公式。1995年,日內瓦大學的米歇爾.麥尤和迪迪耶.凱洛發現了第一顆在太陽系外繞著類日恆星運行的行星。那顆行星名叫「飛馬座51b」,距離地球大約50光年,是一團巨大的氣態物質,大小約莫是木星的一半。它的軌道半徑很小,「一年」只有四天,表面溫度超過攝氏1000度。

 

沒有人認為這種地獄般的環境有可能孕育出生命。但就算只是發現一顆行星,也已經是非常大的突破。隔年年初,傑佛瑞.馬西帶領自己的團隊發現了第二個太陽系外行星,接著又發現了第三個。自此之後,新發現就源源不斷。截至目前為止,天文學家已經確認了將近2000顆系外行星,最小的比地球還小,最大的比木星還大。此外還有數千個等待確認。

 

這些系外行星沒有一個和地球一模一樣,但科學家有把握他們不必多久就會找到一個。最近,天文學家以截至目前所發現的較大行星為基礎,計算出有超過五分之一的類日恆星周圍都有適合居住而與地球相仿的行星。以統計而言,最近的一個距離我們可能只有12光年。

 

但近年來,行星獵人已經發現沒理由把搜尋範圍局限在類似太陽的恆星上。「我唸高中時,教科書都說地球是繞著一顆很普通的恆星在運轉,」哈佛大學天文學家大衛.夏布諾說。「但那是個謊言。」事實上,銀河系裡大約80%的恆星都是又小、又冷、黯淡而略呈紅色的星體,也就是M型矮星。如果有個類似地球的行星以適當的距離繞著一個M型矮星運行(它的軌道半徑必須比地球的還小),那麼它應該就能像繞著類日恆星運行且與地球相似的行星一樣,有可能孕育出生命。

 

此外,科學家現在還相信行星並不是非得和地球一樣大才適合生物生存。「你若問我的看法,」另一位哈佛大學天文學家迪米塔.薩塞羅夫說,「從一個到五個地球的大小都很理想。」簡言之,可居住行星與它們可能繞行之恆星的多樣性,應該比德雷克和其他與會者在1961年那場會議上所保守估計的還要大得多。

 

還不只這樣:事實證明,嗜極生物可能蓬勃生長的溫度與化學環境,範圍也比德雷克那場會議上的任何與會者所能想像的還要大。1970年代,海洋學家發現了深海熱泉,它們滋養了一個豐富的細菌生態系。這些微生物以溶於水中的硫化氫與其他化學物質為食,接著再成為其他更高等生物的食物。無論是在溫泉裡、在南極冰被底下數百公尺深處的冰冷湖泊中,還是在極酸、極鹼、高鹽度或是有輻射的地點,甚至在地下超過1公里深的細小岩石裂縫中,科學家都曾經發現欣欣向榮的生命形式。「在地球上,這些都是小角落小生境,」同時受聘於哈佛大學和馬克斯蒲朗克天文研究所的麗莎.卡爾特內格說。「但我們不難想見,在另一個星球這些可能就是主要環境。」

 

生物學家認為,我們所知的生命形式絕對少不了的是液態水――水是一種強大的溶劑,能將溶解的養分輸送到生物體的各個部位。自從1971年的水手九號火星軌道任務以來,我們已經知道這顆紅色星球上很可能曾經有水流動。因此火星上可能曾經有生命存在,至少是微生物形式的生命――而我們也可以合理推測,殘存的生命可能依然存活於也許還有液態水的地下。而木星的衛星木衛二那相對年輕、冰層覆蓋的表面也有裂隙――顯示冰層底下是一片由液態水構成的海洋。木衛二距離太陽大約有8億公里,那裡的水應該全都凍結了。但這個衛星不斷受到木星和其他衛星的潮汐力所拉扯,因此而產生的熱可能可以讓地表下的水維持在液態。理論上,生命也可能存在於那水中。

 

2005年,NASA的「卡西尼號」太空船偵測到土星的衛星土衛二上有水柱噴出。這艘太空船於今年4月送回的後續測量報告則證實了土衛二的地表下也有水源存在。土星最大的衛星泰坦(土衛六)表面上有河流、湖泊和降雨,但泰坦氣象循環的基礎不是水,而是甲烷和乙烷等液態烴類。那裡可能也有生物,但我們很難猜測會是什麼形式。

 

相較於這些遙遠的衛星,火星和地球相像多了,距離也近得多。NASA的「好奇號」火星探測車目前正在探索蓋爾坑,那裡在幾十億年前曾經是一座大湖,而我們現在已明確知道,如果曾經有微生物存在,那裡的化學環境是適於它們生存的。

 

當然,墨西哥的洞穴並不是火星,而阿拉斯加北部的湖泊也不是木衛二。但噴射推進實驗室的太空生物學家凱文.韓德以及包括約翰.雷奇在內的其他團隊成員,卻正是為了尋找外星生命,才會來到阿拉斯加的蘇科克湖。同樣的追尋也引領潘妮洛普.波斯頓和同事數度前往墨西哥塔皮胡拉帕附近毒氣瀰漫的光明洞。這兩個地點的環境都和太空探測器可能碰到的環境約略相似,因此可以讓研究人員測試他們尋找地外生命的新技術。他們尤其想找的是生物識別特徵――也就是能夠顯示現在或過去曾有生命存在的視覺或化學線索。

 

以墨西哥的洞穴為例。軌道太空船已經顯示火星上確實有洞穴存在,而當火星在約莫30億年前失去大氣與地表水的時候,微生物可能就是躲進這種地方尋找庇護。這樣的火星穴居生物必定得依賴陽光以外的能量來源――例如讓波斯頓深深著迷的那種黏稠液滴。科學家把這些不可愛的液滴稱為「乳涕」。洞穴內的乳涕非常多,長度從1公分到超過0.5公尺都有,看起來確實很像鼻涕。但它其實是一種生物膜,也就是透過濃稠的黏液緊緊聚合在一起的微生物群落。

 

這些乳涕內的微生物是化學營養生物,波斯頓解釋。「硫化氫是它們唯一的能量來源。它們把硫化氫氧化後製造出這種黏液,這是它們生命型態的一部分。」

 

乳涕並不是這裡唯一的一種微生物群落。波斯頓說,這個洞裡總共約有十幾種微生物群落。「每一種都有非常獨特的外觀,也都利用不同的營養系統。」

 

波斯頓和同事對其中一種微生物群落尤其感興趣。它不會形成液滴或團塊,而是會在洞壁上形成圖案,包括點、線、甚至是縱橫交錯的線條。太空生物學家現在將這些圖案稱為「生物漣紋」,是從「漣紋」這個字來的,意指飾有「不規則的線條,彷彿蠕蟲爬過的痕跡。」

 

原來並不是只有生長在洞壁上的微生物才會造成這樣的圖案。「它們以各種不同的規模出現,通常都是在缺乏某種資源的地方,」專精於成像系統的貝勒大學工程師基斯.舒伯特說,他在光明洞內架設了攝影機,以便進行長期監測。舒伯特說,乾旱地區的草木也會形成生物漣紋。土壤結皮也會:沙漠中的土壤結皮就是覆蓋地面的細菌、苔蘚和地衣群落。

 

如果這個假說成立,那麼正在記錄生物漣紋的科學家可能就找到了一種至關重要的東西。截至目前為止,太空生物學家尋找的生命標記很多都是地球生物釋出的氣體,例如氧氣。但會釋出氧氣這種生物識別特徵的生命,可能只是諸多生命形式中的一種而已。

 

「生物漣紋之所以讓我興奮,是因為我們已經在各式各樣迥異的環境裡看過它們,而且各種規模都有,但圖案的特徵卻又非常相似,」波斯頓說。她和舒伯特相信,這些以生長和資源競爭的簡單規則所發展出來的圖案,可能真的是一種宇宙共通的生命特徵。此外,若是在洞穴裡,微生物群落即使死亡,圖案依然會留存下來。舒伯特說,如果探測車在火星的洞壁上看到這樣的東西,「你大概就知道焦點該放在哪裡了。」

 

北美洲的另一端,蘇科克湖上冷得發抖的科學家和工程師也在進行類似的任務。他們在湖上兩個不同的地點工作,其中一個位於被他們取名為「航太總署村」的三頂小帳棚旁邊,另一個則大約在直線距離1公里外的地方,只有一個帳棚。由於從湖底冒出來的甲烷不斷攪動湖水,所以某些地方很難結冰。若想騎雪地摩托車從一個營地前往另一個營地,科學家就得繞個大彎,以避免可能讓他們送命的落水事件。

 

科學家之所以會在2009年來到蘇科克湖和阿拉斯加的其他鄰近湖泊,最初就是受到甲烷吸引。這種常見的烴類氣體由統稱為甲烷菌、能分解有機物質的微生物製造,因此甲烷也成了太空生物學家可以在其他星球搜尋的另一種可能生物辨識特徵。但火山爆發和其他非生物來源也會產生甲烷,而且這種氣體也會在木星這種巨行星的大氣裡和土星的衛星土衛六上自然形成。因此,科學家必須能夠分辨生物產生的甲烷和非生物來源的甲烷。如果你像凱文.韓德一樣,將焦點放在冰層覆蓋的木衛二,那麼冰層覆蓋、甲烷豐富的蘇科克湖,絕對是展開實驗的好地方。

 

韓德認為木衛二比火星更適合進行太空生物學研究。他說,假設我們真的去了火星,也真的在地下找到了跟地球生物一樣以DNA為本質的活體生物。這有可能表示DNA是一種宇宙共通的生命分子,而且這樣的可能性當然存在。但也有可能意味地球生命和火星生命有著共同的起源。我們可以確知火星表面的岩石曾經因小行星撞擊而揚起,最後掉到地球。而地球的岩石也很有可能以同樣的方式抵達火星。如果有活的微生物被困在這些飛越太空的岩石裡並且倖存下來(這並非全無可能),那麼它們就有可能在最後抵達的星球上播下生命的種子。「如果火星生命也是以DNA為基礎,」韓德說,「那麼我認為,對於這DNA是否來自獨立的來源,就會有些混淆不清。」但木衛二遙遠了許多。如果在那裡找到生命,就表示有第二個完全獨立的生命起源――即便它是以DNA為基礎也一樣。

 

確實,木衛二似乎擁有生命所需的基本元素。不僅有大量的液態水,海底可能也有類似於地球的深海熱泉,可以為那裡可能存在的生命提供養分。木衛二的表面也常有彗星撞擊,留下的有機化學物質可能也會成為生命的基本要素。來自木星輻射帶的粒子則會使構成冰層的氫和氧分裂,形成一整組分子,可讓生命用以代謝來自深海熱泉的化學養分。

 

最大的問號是:這些化學物質如何能夠穿透可能有15至25公里厚的冰層?但這片冰層其實布滿裂縫。2013年年初,韓德和加州理工學院的天文學家麥克.布朗透過凱克二號望遠鏡發現,木衛二海洋裡的鹽類似乎正浮上表面,可能就是經由這些裂縫浮出來的。2013年底,另一組使用哈伯太空望遠鏡的觀察者則指出有液態水柱從木衛二的南極噴出。木衛二的冰層顯然並非無法穿透。

 

這使得送一個探測器去繞行木衛二的想法變得更加吸引人。不幸的是,美國國家研究委員會在2011年的評估報告中認為,軌道飛行器任務在科學上沒問題,但47億美元的花費實在太貴。一個由羅伯特.帕帕拉多領導的噴射推進實驗室團隊回頭重新思考了整個計畫。他們的「木衛二快艇號」探測器將會改以木星而不是木衛二為繞行對象,這樣需要的推進燃料比較少、可以省錢,卻還能近距離飛過木衛二大概45次,研究其表面和大氣的化學組成,並間接了解海洋的化學成分。

 

帕帕拉多說,重新設計過的任務總花費應該不會超過20億美元。他說如果這個計畫概念獲准,「我們預計可以在2020年代初期或中期發射。」如果搭配的是擎天神五號運載火箭,那麼抵達木衛二大概需要六年。「但我們說不定也能搭配NASA目前正在研發的新型太空發射系統(SLS),」他說。「這種火箭很大,用它的話大概只要2.7年就能抵達木衛二。」

 

快艇號探測器應該無法在木衛二找到生命,它或許足以證明送一艘登陸載具到木衛二的合理性;登陸載具可以像研究火星的探測車那樣,深入地表、研究木衛二的化學組成。快艇號也可以勘查登陸載具的最佳登陸地點。繼登陸載具之後,合理的下一步就是送出探測器探索木衛二的海洋――這可能會困難許多,要視冰層的厚度而定。「若採用演化的比喻,」韓德說,「等到海底探測器的計畫終於實現時,拿那個探測器跟我們之前在阿拉斯加測試的探測車相比,就好像拿智人跟南方古猿相比。」

 

韓德與隊員在蘇科克湖測試的那台相對簡陋的探測車在30公分厚的湖冰底下爬行,由於有內建的浮力裝置,它能緊緊貼在冰層底面,用感應器測量湖水的溫度、鹽度、酸鹼值和其他特徵。但它不會直接尋找生物;尋找生命是韓德計畫的另一個面向,目前由在湖的另一側工作的科學家負責,成員包括蒙大拿州立大學的約翰.普里斯庫,他去年從南極洲西部冰被底下800公尺深處的威蘭斯湖中抽取到活的細菌。普里斯庫和土壤生物學家艾莉森.莫瑞,以及莫瑞指導的研究生寶拉.馬修斯–卡爾內瓦利,一起調查寒冷環境必須具備什麼樣的特

徵才能讓生命存活,以及真正活在那些地方的又是什麼生物。

儘管嗜極生物的研究十分有用,但對於這個地球之外的謎團,它終究只能提供地球上的線索。然而不必多久,我們就能用其他方法填補德雷克公式的失落環節了。NASA已經核准了一個搜尋行星的望遠鏡新計畫,名叫「系外行星掩星任務衛星(TESS)」。TESS預計在2017年發射升空,會在離我們最近的恆星周圍尋找行星,為那些在行星大氣層裡尋找生物識別特徵氣體的太空物理學家搜尋目標。預計在2018年發射的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡會讓這類搜尋工作變得比現在容易許多。

 

所有著重於生物識別特徵和嗜極生物的研究都假設,外星生物就像地球生物一樣,是由複雜的分子構建而成的,它們以碳作為結構的重要成分,並且以水為溶劑。這麼假設的原因之一是碳和水在整個銀河系中都非常豐富。另一個原因則是我們不知道該如何尋找不含碳的生物,因為我們不知道這樣的生物會留下什麼樣的生物識別特徵。

 

「如果這樣限制搜尋條件,我們可能會失敗,」哈佛大學的薩塞羅夫說。「我們至少必須努力了解其他一些可能的生命形式,以及它們可能有什麼樣的大氣識別特徵。」因此薩塞羅夫的團隊正在研究可能存在於遙遠異世界的另類生物,例如地球上的生命以碳循環為主,但在另一個星球上卻可能是以硫循環為主。

 

除了所有這些研究之外,還有一個較不引人矚目的計畫,也就是超過半個世紀前為太空生物學揭開序幕的那一個。法蘭克.德雷克雖然已退休,但他還在尋找外星訊號――這樣的發現將會勝過一切間接證據。儘管德雷克因為SETI的經費大半都已耗盡而感到沮喪,他卻對另一個嶄新的計畫興奮不已,這個新計畫將會試著偵測來自外星文明的閃光。「嘗試每一種可能的方法是明智的,」他說,「因為我們很難猜到外星人究竟在做什麼。」

 

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