天文+生物 多種方式實(shí)現(xiàn)“眼見為實(shí)”

在人們印象中，美國國家航空航天局(NASA)一向把目光投向深邃的宇宙。近日，它卻爆出了一項(xiàng)生物學(xué)研究突破——由其資助的研究合成了一個類似于DNA的分子系統(tǒng)。這種分子系統(tǒng)能存儲和傳遞信息。它雖然并不是一種全新的生命形式，卻告訴正在尋找地外生命的科學(xué)家，生命在其他星球可能以另一種形式存在，需要重新思考他們正在尋找的東西。相關(guān)研究成果發(fā)表在2月21日出版的《科學(xué)》期刊上。

天文學(xué)家與生物學(xué)的混搭似乎有些不尋常。實(shí)際上，生命探測是NASA行星科學(xué)任務(wù)日益重要的目標(biāo)。搜尋類地行星和尋找地外生命，也正是天體生物學(xué)所關(guān)注的重點(diǎn)問題。那么，什么是天體生物學(xué)?尋找地外生命有哪些探測方法?目前國際上有哪些正在開展或醞釀中的相關(guān)探測計劃?記者就此采訪了相關(guān)專家。

一個曾遭受批評的研究領(lǐng)域

“地球上的生命到底從哪來?其他星球上是否有生命現(xiàn)象存在?碳基為主的生命，其存在的邊界環(huán)境是怎樣的?天體生物學(xué)試圖去尋找這些問題的答案。”中科院國家天文臺研究員平勁松日前在接受科技日報記者采訪時說道。

作為一個專有名詞，“天體生物學(xué)”最早出現(xiàn)于上世紀(jì)40年代。1941年，加拿大布魯克林學(xué)院的拉弗勒(L. J. Lafleur)在太平洋天文學(xué)學(xué)會的報告中首次提到了天體生物學(xué)。

美國是天體生物學(xué)的發(fā)源地。上世紀(jì)60年代，美國的空間探索項(xiàng)目開展了對地外生命的探尋。1964年，NASA發(fā)射了“水手4號”火星探測器。

作為第一個成功飛越火星的人類探測器，“水手4號”傳回的火星表面照片令人震驚——布滿坑洞的地表一片荒涼，沒有植被，也沒有文明存在的跡象。1976年，探測器“海盜”一號、二號先后登陸火星，它們在火星的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)火星的表面或近地表都沒有生命的存在。

接踵而至的壞消息，使得人們開始動搖。古生物學(xué)家喬治·蓋洛德·辛普森就曾經(jīng)批評天體生物學(xué)為“沒有研究對象的科學(xué)”。經(jīng)歷了一段時間的沉寂后，上世紀(jì)90年代，有科學(xué)家提議 NASA 再次啟動天體生物學(xué)研究項(xiàng)目。其間，天文領(lǐng)域一系列新的發(fā)現(xiàn)也極大地推動了天體生物學(xué)學(xué)科的正式建立。

平勁松舉例道， 1996年，科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)二歐羅巴上存在液態(tài)水海洋，而水是生命存在的重要條件之一;還在火星隕石ALH84001中發(fā)現(xiàn)了可能與生物成因有關(guān)的磁鐵礦。新的發(fā)現(xiàn)幫助人們重拾信心。

隨著研究的不斷深入，天體生物學(xué)逐漸擴(kuò)大為一個更為廣闊的科學(xué)領(lǐng)域，形成了包括陸地微生物學(xué)、生命起源學(xué)、星際化學(xué)以及地球物理學(xué)等在內(nèi)的交叉學(xué)科。

香港大學(xué)地球科學(xué)系副教授李一良曾撰文指出，研究生命在宇宙中的起源、演化、分布和未來的天體生物學(xué)，是人類對地球上生命起源、演化的追問，對人類文明未來的思考，對環(huán)境變遷的憂慮，以及對空間和宇宙的探索。

多種方式實(shí)現(xiàn)“眼見為實(shí)”

回顧天體生物學(xué)發(fā)展的歷程，不難發(fā)現(xiàn)其一路走來經(jīng)歷了各種起起落落。令該領(lǐng)域科學(xué)家感到振奮的是，2018年10月，美國國家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院發(fā)布經(jīng)美國國會授權(quán)的報告《尋找宇宙生命的天體生物學(xué)戰(zhàn)略》。該報告建議拓展對宇宙生命的搜索，支持更廣泛的生命信號和環(huán)境的研究，并將天體生物學(xué)納入未來探索任務(wù)的所有階段。

對此，平勁松分析指出，在國家層面出臺天體生物學(xué)研究計劃，這在國際上還是首次，反映出美國對天體生物學(xué)的重視到了前所未有的高度。該計劃將“尋找宇宙生命”寫進(jìn)題目中，意味著對其可能性的肯定。

事實(shí)上，近年來，在天體生物學(xué)領(lǐng)域確實(shí)有一些令人激動的發(fā)現(xiàn)。2018年6月，NASA發(fā)布了兩項(xiàng)關(guān)于火星的重要發(fā)現(xiàn)：“好奇”號漫游車在火星表面的沉積巖中發(fā)現(xiàn)了有機(jī)分子，說明火星可能曾存在遠(yuǎn)古生命;此外還發(fā)現(xiàn)火星大氣中甲烷濃度存在季節(jié)性變化，或與現(xiàn)在的火星生命有關(guān)。

如何尋找宇宙生命?正所謂“眼見為實(shí)”，直接發(fā)射空間探測器對目標(biāo)天體進(jìn)行觀測、采樣是探測方式之一。未來10—15年，美國計劃發(fā)射4—5個空間探測器進(jìn)行天體生物學(xué)研究。

其中，“凱撒”探測計劃以宇宙生命探測為核心目標(biāo)，計劃對67B彗星的慧核進(jìn)行采樣，采集80克的樣本送回地球進(jìn)行分析。“蜻蜓”探測計劃則準(zhǔn)備放幾十個像蜻蜓一樣的無人小飛行器在天體表面百公里范圍之內(nèi)進(jìn)行大量采樣和分析，尋找生命存在的跡象、水，以及可能的碳水化合物的分布特性。

此外，美國還將與俄羅斯聯(lián)合進(jìn)行對金星的探測。在空中飛行的美國探測器，和著陸地面的俄羅斯探測器，將攜手在金星的大氣和土壤里面尋找可能的生命跡象。

可想而知，發(fā)射空間探測器進(jìn)行直接探測的成本高昂。在直接探測之外，還可以通過間接探測的方式開展天體生物學(xué)相關(guān)研究。平勁松介紹，在地面上利用天文望遠(yuǎn)鏡對天體進(jìn)行觀測，通過分析觀測到的光譜，可以測量彗星上有機(jī)分子的豐度、成分，以及固體行星表面揮發(fā)酚、有機(jī)分子的分布。同時，天體化學(xué)的一項(xiàng)重要工作，也是試圖將有機(jī)分子逐步變成有機(jī)大分子的過程串聯(lián)起來，解開生命起源的一些謎團(tuán)。

探尋生命存在的極限

長期以來，科學(xué)家認(rèn)為，地球生命所能承受的溫度、壓力等有著一個無法超越的上限，但并不確定邊界到底在哪里。隨著研究的不斷深入，人們對生命形式的認(rèn)知也在不斷地被刷新。

近日媒體報道稱，“深碳觀測站”項(xiàng)目的科學(xué)家在地表下方發(fā)現(xiàn)了一個規(guī)模龐大的微生物網(wǎng)絡(luò)，由古細(xì)菌、細(xì)菌及原核生物構(gòu)成。這些生物可承受驚人的溫度，能夠在毫無陽光、幾乎不含營養(yǎng)物質(zhì)的環(huán)境中以“僵尸狀態(tài)”生存。

據(jù)估算，這一地底生物圈的規(guī)模約為20至23億立方公里，相當(dāng)于海洋總體積的兩倍。更令人驚訝的是，在如此極端的環(huán)境中，這群“僵尸”細(xì)菌以獨(dú)特的方式不斷演化，并堅(jiān)持?jǐn)?shù)百萬年之久。

生命力如此強(qiáng)大的微生物，是否也存在于其他星球呢?平勁松認(rèn)為，過去人們對主宰地底生物圈的微生物的研究較少，隨著對地球深層生命的進(jìn)一步了解，將啟發(fā)人們以全新的方式看待類地行星的宜居性，幫助回答地球上生命起源的過程，以及生命形式能否在其它星球的表面或地下存在。

事實(shí)上，有科學(xué)家正在研究其他星球上存在微生物的可能性。2018年12月，美國地球物理學(xué)會年會上的一項(xiàng)研究報告稱，火星上可能有大量的微生物聚集在地下，因?yàn)榛鹦堑叵颅h(huán)境比地球深層生物圈更適合微生物居住。參與該項(xiàng)研究的科學(xué)家指出，火星上的地下巖石比地球上的巖石更加多孔，為微生物需要的養(yǎng)分和氣體交換創(chuàng)造了空間。同時，火星的冷卻核心雖然仍然是熔化的，但可以為生活在深部巖石中的微生物提供更合適的溫度。

在平勁松看來，對尋找外星微生物而言，火星地下層是一個特別有前景的地方。此前的研究，先后發(fā)現(xiàn)火星上存在鹵鹽水、地下水湖，以及火星兩極冰帽含水。天體生物學(xué)根據(jù)對地球上生命的認(rèn)識，確定了液態(tài)水、水—巖石相互作用是類地大行星微生物存在的一類充分條件。“在大型類地行星上，水和微生物的存在可能是天體演化的一個普遍現(xiàn)象”。(唐婷)

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