人人都該懂的地外生命（簡體書）

引言 從地球生命到地外生命

微縮版地球生態系統

在寫《人人都該懂的地外生命》這本書時，我偶爾會抬頭看看那個放在我桌上的“世界”。我指的並不是貼在墻上的衛星照片，也不是放在書架上的地球儀，而是一個擁有生命氣息、欣欣向榮的系統，被密封在一個不超過15 厘米寬的玻璃罐內，它就是微縮版的地球生態系統。這個生態系統完全與外界隔絕，自給自足，自我調節，且可以永續存在。它的設計理念非常簡單，地球的4 個主要組成部分，即岩石圈、水圈、大氣圈和生物圈（岩石、水、空氣和生命），在玻璃罐內都有呈現。所謂陸地就是玻璃罐底部的一把鵝卵石；所謂海洋就是罐子底部幾厘米深的水面；所謂大氣就是水面上方的空氣。在溫暖的日子裡，水從水面蒸發，並凝結在玻璃罐頂部，再流回底部，完成水的循環。一群小蝦、附在鵝卵石上或漂浮在水面上的綠藻和看不見的細菌分別代表動物、植物和細菌等生命形式，它們通通容納在這個小小的世界中。除此之外，別無他物。生命必需的所有物質都在這個系統中不斷循環。這個微縮版世界中的居民相互依賴，共生共榮。藻類是這一切繁榮的基礎，是生命存在的決定性因素，因為它們利用太陽光製造了氧氣和富含營養的糖類，這是蝦和一些細菌生存所必需的。整個系統由光驅動，也就是由來自1.5 億千米之外的太陽內部的核聚變反應釋放的能量來驅動。

除了觀賞價值外，這個脆弱的小小世界還完美地詮釋了對地球生命至關重要的許多核心因素。而且通過分析這些因素，我們可以推斷出其他星球上存在有機體的可能性。關於人類起源的問題有：生命的進化經歷了什麼樣的過程？哪些條件或原料是生命所必需的？哪些地方可能滿足這些先決條件？這些問題正在形成一門新的學科——天體生物學。它是多學科研究中最熱門的領域之一，主要研究恒星系統中的生命，融合了生物學、化學、天體物理學和地質學等學科。這種關於宇宙中生命的起源、進化、分布以及未來的多學科研究，有時也被稱為宇宙生物學、外層空間生物學或者生物天文學。作為天體生物學的入門教材，《人人都該懂的地外生命》將會告訴我們該領域最激動人心的想法、最新的科學發現，以及有待解決的問題。在介紹這些重要思想時，我不時會回頭看看桌上的那個小小世界——微縮版的生態系統。

在這個微縮版的生態系統中，有些東西具有生命。小蝦活躍地遊來遊去，它們會吃掉藻類，然後成長發育，有時也會繁殖後代。如果我們將外部世界的生物放進這個玻璃罐內，水中的氧氣濃度將會降低，而二氧化碳的含量將升高。如果太長時間缺乏氧氣或營養物質，小蝦將不再遊動，甚至死亡。擱在玻璃罐底部的鵝卵石顯然是沒有生命的，它們不會動，不會對環境做出響應，也不會生長或者繁殖，只要水中的化學物質含量不變，它們就是完全惰性的。從這個角度，我們可以得出“小蝦具有生命，而鵝卵石沒有生命”的結論。這種識別方法很簡單。但是，如果我們將機器人探測器發送到另一個陌生的世界去尋找生命，它需要觀測哪些東西呢？我們如何才能知道應該去尋找何種生命跡象？哪些化學過程可能會揭示生命的活動？我們如何能確定，數十億年來一直遵循著自己的進化過程、完全與地球隔絕的生命會跟地球生命一樣呢？如果我們降落在其他星球上，應該如何識別生命？我們憑什麼認為，地外生命也是碳基的，離不開水，而不是由與地球上完全不同的分子經過不同的生物化學反應構建起來的？這些問題的關鍵在於：生命究竟是什麼？

微縮版的生態系統也展示了兩種完全不同的生命類型。一些生物是自給自足型的，它們從環境中攝取原料和能量，維持自身的生長；另一些生物則需要消耗其他生物。藻類利用太陽光的能量，通過光合作用進行複雜的生物化學反應，實現生存和繁殖，因此，藻類是自給自足型的。而小蝦和細菌則完全依賴於藻類提供的營養物質。地球生命起源的最大未知之謎是，地球歷史上的第一個細胞是依靠消耗已經存在的有機分子為生，還是完全自給自足的。除了光合作用，地外生命還有可能利用哪些能源呢？難道光合作用是生命汲取能量最普遍的方式？光合作用釋放的氧氣在地球大氣層中達到了較高含量，因此，我們可以通過檢測氧氣含量來證明遙遠的行星上是否存在生命，因為我們現在已經能夠在光年以外的距離上檢測氧氣的信號。釋放氧氣的光合作用的形成是地球歷史上最深刻的變化之一。

我桌上的這個微縮版的生態系統是完全密封的，生命所需的所有原料都必須在系統內循環。小蝦和藻類產生廢產品——二氧化碳，而二氧化碳是藻類進行光合作用的原料。不過，我們肉眼看不到玻璃罐內的這種碳循環過程。小蝦釋放出的二氧化碳以氣體的形式儲存在大氣中，之後會溶解到水中，由藻類通過光合作用吸收並合成有機物質，這些有機物質被用來構建藻類的細胞，而藻類會被小蝦吃掉，小蝦再釋放出二氧化碳，實現生命物質的循環。這個小小的密閉生態圈反映了碳在真實的水圈、大氣圈和生物圈中的循環過程。不過，微縮版的生態系統無法展示地球生態系統的其他重要方面，比如碳也可以被固定在岩石中，又如，火山爆發釋放出二氧化碳前，碳也可以通過板塊構造運動深入地球內部。怪石嶙峋的岩石圈構成了碳循環的關鍵環節。一些科學家認為，碳循環的流暢運行和板塊構造運動對維持地球生物圈的長期穩定至關重要。地球上的每一個有機體不僅通過食物鏈與其他生命建立了不可分割的聯繫，而且通過參與岩石圈、水圈、大氣圈和生物圈的循環成為地球的組成部分。

就像地球與太空被大氣層隔開那樣，玻璃罐內持續循環的生態圈是一個封閉系統。從物理層面來說，這個系統確實是封閉的，但它所需的能量必須依賴來自外部的陽光。只要能穩定地接收到陽光，生物圈就能無限期地運行下去，就像水車可以在河水的驅動下一直轉動一樣。不過很顯然，這個微縮版的生態系統不可能永遠運行下去，因為它對外部的干擾非常敏感，任何破壞平衡的干擾都有可能導致其“崩潰”。如果玻璃罐整天都曬太陽，由於完全封閉的玻璃墻導致的溫室效應，水溫可能會升高過多，進而導致小蝦死亡。而如果黑暗持續得太久，依靠光合作用生存的藻類就會死亡。

我們的星球也面臨著完全相同的危險：一直增亮的太陽最終會使海洋蒸發，地球表面的一切生命都將被陽光清除。此外，地層中的化石記錄表明，曾有一段時間，太陽光被遍布全球的厚厚冰層擋住，導致地球上的光合作用長時間停滯。對於玻璃罐內的生態系統而言，如果藻類死亡，罐內氧氣和食物的唯一來源將不復存在，小蝦會立即死亡。隨著藻類和小蝦的死亡，無數懸浮在水中或者附著在鵝卵石上的細菌也將時日無多。雖然高等生物體死亡後的複雜有機分子能使細菌在有限的時間內繼續生長和分裂，但隨著微縮版生態系統的崩潰，細菌這種最後的生物也將被“餓死”。從化學的角度來說，整個系統中的可用能源將徹底耗盡，並衰竭成另一種穩定、毫無生命的平衡系統。隨著細菌細胞複雜結構的分崩離析，曾經生機勃勃的動態生態系統將變為惰性的、由基礎有機物組成的液態物質。從某種意義上來說，“生命”無非是一種能夠自我維持的實體，複雜到足以利用現有能量來維持自身的複雜性，並最終實現自我復制和繁衍。

微縮版的生態系統展現了類地行星的運轉模式，也擁有含氧大氣層、大面積的液態水海洋。不過，地球早期的運轉模式與此截然不同。原始的、地獄般的地球是如何演變成我們現在稱為家園的涼爽而又濕潤的狀態的呢？不同形式的地球生命都需要什麼樣的生存條件呢？我們應該看看那些生存在極端環境中的生命，比如生長於沸騰的酸溶液或者被冰層包裹的飽和鹽水中的那些細胞。在微縮版的生態系統中，所有生命的命運都取決於捕捉光的藻類，在後面的章節中，我們還會探討生活在黑暗的海洋深處的整個細菌部落，這些細菌以岩石為食，完全不需要太陽的能量。太陽系的某個適宜的地方是否也生存著類似的細胞呢？我們將會探訪火星銹紅色表面之下的地下含水層、金星大氣的高處云層以及木衛二的冰封海洋，我們還將在太陽系可能存在生命的重點區域巡視考察。環繞在其他恒星周圍的遙遠世界是什麼樣的呢？天文學家正在以驚人的速度發現新的行星，那麼哪些行星最有可能是宜居的呢？什麼是紅矮星？光合生物能否在紅矮星的暗淡星光下生存？細胞能暴露在外太空生存嗎？生命能否在太陽系內的不同行星，甚至不同恒星系統之間傳輸，就像病毒傳播一樣在星系間蔓延呢？

新興的天體生物學

天體生物學領域的研究範圍極其廣闊。它不僅研究地球上的極端有機體，也探究地球生命的起源，以及哪些過程和環境條件可能是生命所必需的；它不僅探尋太陽系和其他星系上可能存在的生命，還會通過科學實驗來模擬生命起源前的化學過程，或者探索地球生命發展出來的特殊系統的替代物。此外，它還開展探測生命的實驗和研發科學儀器，然後將它們搭載在穿越太陽系的空間探測器上。我本人主要研究火星生命均需耐受的輻射劑量。

天體生物學是一門交叉學科，所涵蓋的知識領域在一定程度上很難被界定。這門學科的一些知識是預測性的，或是基於不完整的數據資料得出的，這是剛剛起步的學科所具有的共同特徵。一些人批評天體生物學是一門目前尚未證實其研究物件的學科，因為迄今為止，我們還沒有發現任何地外生命。這是不可否認的事實，但天體生物學的目標並不是尋找像尼斯湖水怪那樣的神秘野獸。就像其他學科一樣，雖然天體生物學的假設是推測性的，但我們可以通過開展科學實驗，借助實驗數據分析和改進實驗設計，來逐步完善相關理論。

天體生物學的形成並不是為了解釋某個特定的科學發現，就像微生物學科的興起不是為了解釋人類第一臺顯微鏡所看到的現象一樣。天體生物學是基於其他成熟的學科逐漸發展起來的，它雖然沒有開始形成的確切時間，但在過去50 年間已聚集力量，並逐漸被接受。因為生物學和空間探索的發現表明，地外生命可能真的存在。

我將從最根本的問題開始我的故事：生命究竟是什麼？